CFB富氧燃烧下飞灰沉积的试验和数值模拟研究

CFB富氧燃烧下飞灰沉积的试验和数值模拟研究循环流化床富氧燃烧技术是目前公认的最具应用前景的CO₂的减排技术之一。

该技术结合了循环流化床燃烧技术与富氧燃烧技术双方的诸多优点,达到“强强联手”的效果,在其商业化的进程中更具竞争力。

但在将这种技术大规模应用于电站锅炉前,很有必要对一些潜在的问题开展基础性研究。

本课题主要针对循环流化床富氧燃烧条件下锅炉尾部受热面上的飞灰沉积问题进行了试验和模拟研究。

首先,本文选取晋城无烟煤和朔州烟煤两种典型的煤种,在一个小型流化床试验台上开展了燃烧和沉积试验。

比较了空气、
21%O₂/79%CO₂和
30%O₂/70%CO₂三种燃烧气氛下飞灰的沉积特性。

研究结果表明:流化床富氧燃烧方式对飞灰的沉积特性有明显的影
响;30%O₂富氧燃烧条件下,PM10的浓度明显高于空气燃烧条件下,
尤其在0.3微米以下,这种差异性更加明显,并且具有略大的粒径分布。

分析认为,流化床富氧燃烧对飞灰形成的影响可能是导致飞灰沉积加剧的原因之一。

其次,基于流化床燃烧试验台,重点研究了晋城无烟煤在空气和
30%O₂富氧燃烧条件下,在沉积灰形成的初始阶段内,添加石灰石脱硫对飞灰的沉积特性的影响。

考察了钙硫摩尔比,探针表面温度和燃烧气氛等因素对飞灰沉积特性的影响。

研究结果表明:添加石灰石脱硫对飞灰的沉积特性有明显影响;飞灰的沉积倾向与沉积灰中碱金属含量呈现一定的线性关系,并与探针的表面温度和烟气温度之间的差值呈明显的线性关系。

在前面研究的基础上,本文比较了两种煤种在
流化床空气燃烧和富氧燃烧条件下的SO₂释放和脱除特性。

研究结果表明:氧浓度（21-50%）对SO₂释放有显著影响,而床
温（840-920℃）对其无显著影响;对于晋城无烟煤,空气和30%O₂富氧燃烧气氛下的最佳脱硫温度均为880-900℃,而对朔州烟煤,两种燃烧气氛下
的最佳脱硫温度均为860℃;石灰石的利用率与燃烧方式和煤种有关。

为了进一
步理解飞灰的沉积机理,本文建立了一套完整的热态飞灰沉积试验和测量系统,
研究了飞灰的沉积过程,考察了探针表面温度、烟气流速和探针尺寸等因素对飞灰沉积的影响。

初步考察了沉积灰的碳酸化现象,并设计了一种简便的方法现场测量了沉积灰的有效热导率。

研究结果表明:飞灰的沉积过程是一个动态过程;在400-770℃范围内,沉积灰温度对沉积灰的有效热导率无明显影响;烟气流速、探针表面温度、探针尺寸对飞灰沉积过程影响明显;在模拟富氧燃烧气氛下,Ca O颗粒所形成的
沉积物的碳酸化反应现象明显,这表明在富氧条件下,有必要考虑碳酸化反应对
沉积量的贡献;在模拟富氧燃烧烟气气氛下,沉积灰的有效热导率要高出模拟空
气燃烧烟气气氛条件下约0.02W/m/K。

最后,采用Fluent14.5商业软件,以热态飞灰沉积试验台为模拟对象,采用
基于法向弹性力、重力和范德华力之间关系的沉积模型,考察了Fluent的参数设置,以及探针表面温度、烟气流速和烟气气氛等因素对飞灰沉积过程的影响,并与飞灰沉积试验结果进行了对比分析。

模拟研究结果表明:湍流扩散对颗粒的运动轨道有显著影响,而颗粒的轨道数对颗粒轨迹没有明显影响;沉积颗粒的分布呈
现探针中心处低而两侧高的“双峰”形;探针表面温度和烟气成分对颗粒的沉积没有明显影响,而提高烟气流速会明显降低颗粒的沉积。

从总体情况来看,模拟结果与试验结果有一定差距,沉积模型有待进一步改进。