过热器管排的高碱灰沾污特性数值预测及布置优化

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燃用高碱煤的锅炉中常出现较为严重的沾污问题,导致过热器效率降低,危害锅炉安全运行。本文通过数值模拟的方法,对高碱煤灰在单管及过热器管排/平板简化结构下的沾污趋势进行了预测,主要内容如下:  首先建立了适用于高碱灰沾污的综合数值预测模型,包含高碱飞灰颗粒输运(惯性力、涡扩散、热泳力)、粘黏与侵蚀及沉积层生长过程,考虑了碱金属蒸汽冷凝形成的熔融表层对高碱飞灰颗粒粘黏的影响,并推导和引入了新的适用于高碱飞灰颗粒的侵蚀模型以优化沾污预测结果。使用该模型对现场(Re=3935)和实验室(Re=304)典型工况下的单管高碱灰沾污特性进行了模拟验证,与相应实验在沉积速率、沉积样貌、沉积颗粒粒径方面等均取得了较为一致的结果。模型能准确预测,高烟气流速下迎风面灰沉积层的侵蚀情况较为严重,以小粒径飞灰颗粒沉积(<10μm)为主;同时背风面由于小粒径灰颗粒的撞击粘黏,产生了较为明显的背部沾污。  继而,基于上述模型,对不同结构形式(顺排/叉排)、烟气流速(6m/s-12m/s)及纵向节距(1.27D-1.67D)下的过热器管排高碱灰沾污特性进行了模拟预测。结果显示对于顺排管束及叉排管束而言,整体平均沉积率均随烟气流速下降而上升,第三至第六管排沾污较为严重,需加强该区域吹灰处理。对叉排管束而言,由于冲刷作用较强,沾污程度比顺排管束低。  对适用于大炉膛模拟的平板简化假设情况下的模拟结果进行了比较分析,结果表明平板高碱灰沉积的颗粒粒径组成比例与相应管排结构下很相似,均以小粒径飞灰颗粒(<10μm)为主,且整体沾污程度均随着烟气流速下降而上升。采用叉排布置方式及将烟气流速控制在较高水平,可以降低过热器管排的高碱灰沾污程度。基于上述模拟结果,获得了具有高相关性的过热器管排平均沾污速率的拟合公式,据此优化了管排结构参数,并对非均匀流速下过热器区域高碱灰质量沉积速率进行了拟合预测。
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