燃煤锅炉结渣积灰机理研究
No.1/26郑州大学机械与动力工程学院郑州大学机械与动力工程学院工程热物理与能源环境工程热物理与能源环境研究所研究所汇 报 人：汇 报 人：工作单位：工作单位：2020年年10月月28日日 中国中国郑州郑州周俊杰周俊杰 汤松臻汤松臻郑州郑州大学大学No.2/26能源能源已成为制约人类社会和经济可持续发展的关键因素已成为制约人类社会和经济可持续发展的关键因素节能减排节能减排开发和利用可再生能源开发和利用可再生能源提升提升燃煤锅炉能源利用效率，减少化石燃煤锅炉能源利用效率，减少化石能源消耗能源消耗是促进我国是促进我国节能减排与可持续发展的节能减排与可持续发展的重要途径重要途径 烟气余热深度利用是化石能源绿色利用的重要途径，烟气余热深度利用是化石能源绿色利用的重要途径，然而然而工业烟气余热工业烟气余热 资源通常存在着含尘量大的特点资源通常存在着含尘量大的特点，制约了含尘烟气余热的高效回收和利用。，制约了含尘烟气余热的高效回收和利用。锅炉受热面锅炉受热面积积灰问题严重灰问题严重煤炭为主的能源消费结构仍将持续煤炭为主的能源消费结构仍将持续No.3/26受热面的结渣积受热面的结渣积灰问题灰问题No.4/26一煤灰熔融特性研究二结渣初始层的形成机理三积灰生长及对传热特性研究四积灰程度快速预测研究No.5/26p 灰熔点是评价煤的优劣性的重要指标，对煤灰的性能影响也很关键。通过灰熔点是评价煤的优劣性的重要指标，对煤灰的性能影响也很关键。通过对煤灰中氧化物建模测定四个特性温度，对煤灰中氧化物建模测定四个特性温度，分析分析煤灰煤灰成分成分对熔点的影响对熔点的影响。在对应边框内绘制本次模拟各物质的所有原子在对应边框内绘制本次模拟各物质的所有原子，包括，包括Si、Ca、Al、O原子原子。根据三种物质对应含量更改原子数量达到设定根据三种物质对应含量更改原子数量达到设定条件条件 SiO2:Al2O3:CaO=3:1:1设定合理有效的初始条件和边界温度设定合理有效的初始条件和边界温度，并施加，并施加COMPASS力场力场。构建构建SiO2-Al2O3-CaO三元三元体系体系通过通过更改原子数目更改原子数目改变不同组分含量改变不同组分含量CaO-Al2O3-SiO2熔体CaAl2Si2O8的晶体模型No.6/26 势函数选取势函数选取根据研究硅酸盐体系结构、性质的要求，选用BMH势函数灰熔点和径向分布函数 提取量提取量采用最速下降法对模型进行能量最小化处理，对初始模型进行自适应调整达到最稳定状态。对初始结构在规范施加正则系综（NVT），在系综中以300K的热力学平衡松弛了200 ps。在模拟中采用平衡结构，时间步长为1 fs。在等温等压系综（NPT）集成中，系统以1K/ps的速率从300K加热到3000K。速度积分通过Verlet-leapfrog算法执行。模拟方法模拟方法采用正则系综和等温等压系综 系综系综No.7/26p 熔点预测及径向分布函数分析p 根据体积随温度变化曲线的拐点，可知熔点的预测值为2004K。p 平衡原子间Al-O，Si-O，Ca-O和O-O的距离分别为1.73，1.62，2.36和2.65，表明了潜在系数的准确性。p 与Al-O和Si-O相比，Ca-O的第二壳和第三壳相对于第一壳的峰值比率更高，这表明钙原子可能比Al更广泛地影响氧原子、硅原子的行为。p 确定了O-O相互作用，表明从第二个壳的5.0峰位置显示了很强的远程效应。Ca-O键比O-O键对高温更敏感。熔点Al-O的径向分布函数Si-O的径向分布函数Ca-O的径向分布函数No.8/26p 数值方法的考核验证 模拟组分的液相线温度为1826K，MD模拟的预测值为2004K，误差达9.74。差异可归因于两个因素：MD模拟的加热速率通常远高于实验中使用的加热速率；无法完全重现系统势能面的力场中引入的近似值。对比了氧化钙含量在040%范围内MD和FactSage的预测结果 可以看出，随着CaO含量的增加，熔点变化趋势一致，且均能够有效反映出CaO有助熔作用。No.9/26p 形成了煤灰组分对熔点影响的计算方法，初步探讨了不同组分含量对熔点的影响，有助于分析锅炉结渣与煤中各矿物质的关系，找到引起锅炉结渣的主要因素，并因此提出有效提升熔点、降低结渣的方法。Al2O3含量变化CaO含量变化SiO2含量变化No.10/26一煤灰熔融特性研究二结渣初始层的形成机理三积灰生长及对传热特性研究四积灰程度快速预测研究No.11/26晶格参数优化后各物质模型p 根据各物质晶格参数建立初始模型，并切割性质比较稳定的表面。p 建立吸附模型，处于吸附态，测定键长、静电荷数等数据。Al2O3NaClFe2O3吸附模型NaCl和Fe2O3NaCl和Al2O3切割-组合-优化No.12/26名称原子电荷原子电荷原子电荷原子电荷NaCl与Fe2O3界面模型O1-0.56O6-0.58Na20.70Fe50.56O2-0.54O8-0.59Na30.59Fe70.70O3-0.55O9-0.59Fe10.61C4-0.64O4-0.56Na10.67Fe30.50C8-0.63NaCl与Al2O3界面模型 O1-1.00O5-1.10Na20.68A131.68O2-1.07O8-1.14Na30.59A141.66O3-1.09O10-1.11A111.64C4-0.61O4-1.15Na1 0.64A120.98C6-0.63界面模型中部分原子静电荷数p 对系统的反应活性进行计算，得到界面模型中部分原子静电荷数和键长。p 电荷变化是NaCl与金属氧化物间发生了吸附反应，与结渣初始层中含有的氧化铁等物质与钠盐发生吸附从而促进初始层生成的原理相符合。键键长Na1-Cl12.5862.593O3-Fe31.8261.854Fe2-Fe42.5012.512Na2-Cl22.7452.753O5-Fe51.8031.825吸附模型内键长数据p 吸附模型中键长变长，反映了NaCl和表面具有稳定的吸附反应，容易引起结渣初始层的快速形成。No.13/26p 在对体系进行反应活性的计算后，等待体系恢复稳定状态，对体系的吸附能进行计算 Ei=Et-(Es+EJ)p NaCl与Fe2O3的吸附能为-1608.5 eV；NaCl与Al2O3吸附能为-45.2 eV吸附模型各表面能量名称Et/eVEs/eVEJ/eVFe2O3(110)-NaCl(110)30523.727622047.78336867.3583AI2O3(110)-NaCl(110)18765.540811813.90506906.3467p 氧化铁与氯化钠之间吸附作用远强于氧化铝与氯化钠之间，初始层是因含Fe2O3成分的灰分与钠盐吸附，并积聚其他飞灰形成的。p 这说明含铁的氧化物与钠盐间吸附作用强于铝，较强的吸附作用形成坚固的表层，并吸附经过的飞灰、物质形成初始沉积层。No.14/26一煤灰熔融特性研究二结渣初始层的形成机理三积灰生长及对传热特性研究四积灰程度快速预测研究No.15/26p 构建了飞灰颗粒输运、碰撞、反弹、沉积及剥离耦合的积灰模型构建了飞灰颗粒输运、碰撞、反弹、沉积及剥离耦合的积灰模型颗粒运动行为的判断准则颗粒运动行为的判断准则法向法向沉积判据沉积判据法向剥离判据法向剥离判据切向沉积判据切向沉积判据切切向剥离判据向剥离判据反弹反弹判据判据(3)若 vi,n vl，发生塑性碰撞 当 cri和vi,n vpd 时，发生塑性碰撞沉积；当 vpd 时，发生塑性碰撞剥离；(2)若 vi,n vl和uw utc 时，发生弹性碰撞 当 cri和vi,n ved 时，发生弹性碰撞沉积；当 ved 时，发生弹性碰撞剥离；(4)若 uw utc，发生冲刷滚动剥离。(1)若 cri时，发生切向滑移No.16/26所建所建立的积灰模型和动态特性预测方法，立的积灰模型和动态特性预测方法，可以对烟气换热器的积灰现象进行准确地可以对烟气换热器的积灰现象进行准确地预测预测，为烟气换热器的高效设计奠定基础，为烟气换热器的高效设计奠定基础 积灰模型 DPM模型 边界重构 光顺策略速度速度u/ms-1定量对比定量对比p 积灰形貌演化过程积灰形貌演化过程定性对比定性对比实验模拟p 积灰数值结果验证积灰数值结果验证No.17/26p 揭示揭示了了运行和结构参数运行和结构参数对积灰特性的影响规律对积灰特性的影响规律烟气流速不同烟气流速下积灰量10m/s时各排管积灰量分布6 m/s10 m/s不同烟气流速下积灰形貌随着烟气流速的增加，积灰随着烟气流速的增加，积灰量量显著显著减减少少颗粒主要集中在第一排管的迎风侧和其余各颗粒主要集中在第一排管的迎风侧和其余各排管两侧的排管两侧的3060附近附近颗粒直径应用应用颗粒团聚技术颗粒团聚技术增加颗粒粒径增加颗粒粒径，对于提高，对于提高除尘效率，降低颗粒沉积除尘效率，降低颗粒沉积率非常重要率非常重要不同颗粒直径下积灰量小小颗粒颗粒(5m)的的积灰量积灰量远远低远远低于大颗粒于大颗粒(10m)的的积灰量。积灰量。不同颗粒直径下颗粒运动轨迹5m10m20mNo.18/26p 提出提出了顺了顺排椭圆管和蜂巢排椭圆管和蜂巢圆管受热面布置，获得了最佳参数圆管受热面布置，获得了最佳参数顺排椭圆管换热器蜂巢圆管换热器污垢热阻的拟合曲面污垢热阻的拟合曲面Pareto最优前沿解集Pareto最优前沿解集No.19/26p 搭建了基于真实烟气的在线积灰测试实验系统，搭建了基于真实烟气的在线积灰测试实验系统，系统安装于供热系统安装于供热锅炉的重力沉降室后侧、布袋除尘器前侧锅炉的重力沉降室后侧、布袋除尘器前侧No.20/26顺排圆管蜂巢圆管顺排单H翅片管蜂巢单H翅片管侧视图迎风侧背风侧积积灰灰形形貌貌积积灰灰对对传传热热的的影影响响顺排圆管不同管束抗积灰性能对比抗积灰性能：顺排顺排圆管圆管(20.12%)蜂巢蜂巢圆管圆管(13.40%)顺排单顺排单H翅片翅片(10.32%)蜂巢单蜂巢单H翅片翅片(5.07%)No.21/26一煤灰熔融特性研究二结渣初始层的形成机理三积灰生长及对传热特性研究四积灰程度快速预测研究No.22/26TypeFe2O3Al2O3CaOSiO2K2OMgONa2OTiO2,kgm-3E,GPavy,GPaWA,Jm-2B/A1#4.0342.961.2343.30.30.240.011.7632332160.14 4.060.1320.066 2#6.8830.152.7251.10.520.640.011.3731251830.13 3.570.1340.130 3#8.0320.163.5456.81.322.350.131.2430321580.12 3.220.1350.196 4#9.6625.137.3943.41.393.840.291.1331841830.14 3.420.1410.324 5#9.2317.6710.741.60.416.430.730.8831371690.14 3.160.1470.458 6#15.116.112.346.70.843.483.580.9431701620.14 3.010.1470.554 7#13.9416.6914.038.31.254.940.331.1432261720.15 3.070.1510.615 8#11.9216.8619.037.81.313.540.241.2232101730.16 3.030.1580.645 8 8种典型煤灰的种典型煤灰的成分及等效物性参数成分及等效物性参数煤灰煤灰成分成分Fe2O3 SiO2 CaO K2OAl2O3 TiO2 MgO Na2O23222232Fe O+CaO+MgO+K O+Na OB/A=SiO+Al O+TiO体积加权平均法体积加权平均法等效物性等效物性杨氏模量 泊松比 密度屈服强度 粘附功B/A指标指标No.23/26TypeS1/DS2/DB/AFFITypeS1/DS2/DB/AFFI2#1.501.500.
