煤燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法薛寧,姚偉西安熱工研究院有限公司,陜西西安710032摘要]介紹了煤粉燃燒反應(yīng)模型和西安熱工硏究院有限公司攜帶流反應(yīng)爐(EFR)試驗(yàn)臺(tái),并將試驗(yàn)獲得參數(shù)用于一維火焰爐燃燒試驗(yàn)?zāi)M。通過(guò)不斷修正,使數(shù)值模擬結(jié)果與維爐試驗(yàn)結(jié)果盡量接近,從而獲得更實(shí)用的煤燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。建立了煤反應(yīng)參數(shù)與煤質(zhì)基本特性間的多元非線性關(guān)系式。關(guān)鍵詞]煤粉燃燒;反應(yīng)動(dòng)力學(xué);攜帶流反應(yīng)爐;一維爐;數(shù)值模擬[中圖分類號(hào)]TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1002-3364(2011)01-0023-04DOⅠ編號(hào)]10.3969/j.issn.1002-3364.2011.01.023METHOD FOR DETERMINING DYNAMIC PARAMETERSIN REACTION OF COAL COMBUSTIONⅩ UE Ning, YAO WeiXi'an Thermal power Research Institute Co ltd xi'an 710032 Shaanxi province PrcAbstract: The combustion reaction model of pulverized coal and the test stand of entrained flow reactoof the TPRi Co Ltd have been presented, and the measured parameters being used for combustion testsimulation of one-dimension flamo furnace. By adjusting the parameters manually and repeatedly, thenumerical simulation results are moved to close the test results as possible, thereby, more practical dynamic parameters in reaction of coal combustion being obtained, and formulae of multiple non-linearrelationship between the parameters in reaction of coal combustion and the basic properties of coalquality being establishedKey words: combustion of pulverized coal; dynamics in reaction; entrained flow reactor; one-dimension能furnace: numerical simula研對(duì)鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)EFR試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制均是基于實(shí)際鍋究煤的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是必不可少的基本數(shù)據(jù)。西安熱爐內(nèi)煤粉的燃燒過(guò)程:進(jìn)入爐膛之初,煤粉顆粒首先經(jīng)工研究院有限公司(TPRⅠ攜帶流反應(yīng)爐(EFR)可用受很強(qiáng)的來(lái)自爐內(nèi)火焰和高溫爐墻的輻射加熱,溫度來(lái)進(jìn)行各種煤粉燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試,如煤粉升高,當(dāng)顆粒溫度升高到一定程度,揮發(fā)分即進(jìn)行燃備巨的熱解試驗(yàn)、焦炭制備和焦炭燃燒試驗(yàn)等。燒。煤粉熱解對(duì)中國(guó)煤化x長(zhǎng)重要,EFRCNMHGE-mail: xuening( tpri. com.cn可用來(lái)模擬研究這一過(guò)程。為了避免燃燒的發(fā)生,焦炭顆粒表面反應(yīng)速率k?？捎冒⒗勰釣跛级蒃FR模擬煤粉熱解的試驗(yàn)在惰性氣氛下進(jìn)行。煤燃表示燒的第二個(gè)重要過(guò)程是焦炭的燃燒,焦炭燃燒是一個(gè)k。=A.exp(=Eg·m異相反應(yīng)過(guò)程,當(dāng)焦炭顆粒溫度足夠高且氧氣擴(kuò)散到焦炭表面的情況下,焦炭開(kāi)始燃燒式中:A。為焦炭燃燒反應(yīng)頻率因子;E。為焦炭燃燒反應(yīng)活化能,J/mol1EFR反應(yīng)模型2攜帶流反應(yīng)爐1.1熱解煤粉熱解的產(chǎn)物(揮發(fā)分)中含有可燃?xì)怏w、二氧攜帶流反應(yīng)爐示意見(jiàn)圖1。煤粉顆粒通過(guò)螺旋給化碳和水蒸氣等。影響揮發(fā)分生成量的主要因素有顆粉機(jī)送入燃燒器,再經(jīng)由燃燒器進(jìn)入爐膛。煤粉顆粒粒類型、加熱速率和最終溫度水平等。最簡(jiǎn)單的一階和一次風(fēng)沿著爐管中心線進(jìn)入爐內(nèi),來(lái)自二次加熱器熱解反應(yīng)模型方程可表示為:的兩股二次熱風(fēng)對(duì)沖進(jìn)入燃燒器,經(jīng)由燃燒器頭部的圓形多細(xì)孔的氣流梳直板進(jìn)人爐內(nèi)。取樣槍由爐底伸式中:為累計(jì)生成的揮發(fā)分量占初始煤粉多(1)人爐內(nèi)收集焦炭樣品,被收集的樣品首先被槍頭部的KOV-V)量的百速冷氣體熄滅反應(yīng),停止反應(yīng)的焦炭樣品穿過(guò)取樣槍分比,%;t為時(shí)間;K為速率常數(shù);Vm為最大揮發(fā)分絕大部分大顆粒由旋風(fēng)分離器收集,較小的顆粒則被產(chǎn)量,%收集在濾紙上。通過(guò)調(diào)整旁路氣體流量可以將爐膛內(nèi)通常V要大于常規(guī)分析獲得的揮發(fā)分?jǐn)?shù)值。揮壓力設(shè)定為零表壓發(fā)分產(chǎn)量可通過(guò)測(cè)定經(jīng)過(guò)一定停留時(shí)間和顆粒溫度下的失重率獲得。反應(yīng)速率系數(shù)用 Arrhenius定律表氣體入口二次氣加熱器K- Koexp((2)RT給粉機(jī)式中:K。為熱解反應(yīng)頻率因子;E。為熱解反應(yīng)活化燃燒器能,J/mol;R為通用氣體常數(shù),8.314J/(mol·K);T爐膛煤粉流為顆粒溫度,KVm、K。和E。對(duì)不同煤種是不同的,通過(guò)EFR測(cè)取樣槍試可獲得這些參數(shù)。旋風(fēng)子過(guò)濾器取樣泵1.2異相燃燒旁路氣泵熱焦炭燃燒過(guò)程受2個(gè)條件的控制:氧氣向顆粒表能面的擴(kuò)散和氧與焦炭的異相反應(yīng)。焦炭總反應(yīng)速率可圖1EFR試驗(yàn)臺(tái)礎(chǔ)表示為研3試驗(yàn)方法與結(jié)果11究kr k(3)式中:kr為焦炭的總反應(yīng)速率;kd為擴(kuò)散反應(yīng)速率;k。煤粉熱解反應(yīng)和焦炭制備過(guò)程是用煤粉顆粒作為熱為焦炭顆粒表面燃燒反應(yīng)速率試驗(yàn)樣品,由于氮?dú)庠诟邷叵乱着c碳化硅發(fā)生反應(yīng),因由失重率測(cè)得的反應(yīng)速率為總體反應(yīng)速率k。此本試驗(yàn)用純氫氣作為載氣;焦炭燃燒反應(yīng)是用制得電·二0氧氣向焦炭表面擴(kuò)散的速率可表示為的焦炭作為樣品,用氬氣和氧氣的混合氣體作為載氣4.98×10-127中國(guó)煤化工右,以模擬煤粉燃燒過(guò)程Pa(4)t-HeNMHG式中:dp為顆粒直徑,m;Tm為反應(yīng)氣體與顆粒平均煤粉熱解和焦炭燃燒反應(yīng)通常在3~4個(gè)溫度水溫平下進(jìn)行,用取樣槍收集3~4個(gè)取樣位置的反應(yīng)試樣進(jìn)行分析。13.0樣品失重率通過(guò)“灰跟蹤”的方法計(jì)算,可表示為13.2△Wa=A.(1-An(6)-13.5式中:△W為無(wú)灰基失重率,%;A為收集樣品灰分含5-13.65502.8x+9.7839量,%;A為初始樣品灰分含量,%。139R2=0.75反應(yīng)器爐管不能進(jìn)行爐內(nèi)溫度測(cè)量,也不可能進(jìn)14.15.50E-046,00E-046.50E-047.00E-047.50E-048.00E-04行顆粒溫度和顆粒停留時(shí)間的測(cè)量,而這幾個(gè)參數(shù)是計(jì)算煤反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)所必須的。對(duì)此,應(yīng)用PC圖3大同煤焦炭燃燒反應(yīng)參數(shù)回歸曲線Flame程序或直接用CFX- TASCflow來(lái)進(jìn)行上述各參數(shù)的計(jì)算。 PCFlame是 TASCflow的簡(jiǎn)化版,可用4計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較來(lái)進(jìn)行二維或軸對(duì)稱三維計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)、燃燒和傳熱過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算。EFR試驗(yàn)的焦炭燃燒和熱解以TPRI一維火焰爐為對(duì)象,用計(jì)算軟件對(duì)測(cè)試反應(yīng)數(shù)據(jù)處理均包括一個(gè)曲線回歸和 PCFlame輔助結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算,并與一維爐試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比(圖計(jì)算相結(jié)合的迭代過(guò)程用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪出Ln(K)與(1/RTp)的回歸直線,其斜率即為活化能E,其y軸截距即為頻率因子140051300tA。用得到的A與E帶入 PC Flame重復(fù)上述過(guò)程直到兩次得到的A與E相對(duì)偏差小于10%為止。明11001000在EFR試驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)國(guó)內(nèi)典型神華煙煤與大同煤進(jìn)行試驗(yàn)。將兩種煤均磨制至50~75m,反應(yīng)器爐30.40.50.60.70.80.91.0壁溫度設(shè)定在1000、1150、1300℃,制焦過(guò)程壁溫設(shè)測(cè)點(diǎn)位置(占全火焰長(zhǎng))%定為1350℃。取樣槍取樣位置距離燃燒器出口分別圖4大同煤計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較(第1次)選在0.6、0.75、0.9m,制焦過(guò)程取樣位置為1.2m試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、圖2和圖3粗略分析實(shí)測(cè)與計(jì)算曲線的差別認(rèn)為:測(cè)得的煤粉熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)要“快”于實(shí)際反應(yīng)速度,或頻表1EFR試驗(yàn)結(jié)果率因子過(guò)大或熱解活化能過(guò)小,也可以認(rèn)為測(cè)試的焦神華煤大同煤炭反應(yīng)參數(shù)過(guò)小。將本次計(jì)算所用揮發(fā)分熱解頻率因熱解反應(yīng)頻率因子Ab/S熱解反應(yīng)活化能E/J·mol66397.20982.77子適當(dāng)縮小,熱解活化能適當(dāng)放大后重新計(jì)算,第2次揮發(fā)分最大產(chǎn)率系數(shù)Q計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),兩曲焦炭反應(yīng)頻率因子A線前段的差別縮小,說(shuō)明修正后的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)用熱3,85E-055.64E-0于實(shí)際模擬更宜獲得較準(zhǔn)確結(jié)果。進(jìn)一步修正焦炭燃善焦炭反應(yīng)活化能E/J·mol-4,32E+044.58E+04燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的頻率因子與活化能,可獲得計(jì)算礎(chǔ)曲線后段與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近的反應(yīng)參數(shù)值。研2究1400三1.00y=-7334.5x+6.6218R中國(guó)煤化工0.000550.000600.000650.000700.000750.00080CNMHG1/T/K測(cè)點(diǎn)位置(占全火焰長(zhǎng))/圖2大同煤熱解反應(yīng)參數(shù)回歸曲線圖5大同煤計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較(最終將EFR反應(yīng)爐測(cè)試的動(dòng)力學(xué)參數(shù)用于試驗(yàn)爐燃燒計(jì)算并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,通過(guò)曲線前、后段的差別分0別來(lái)修正煤熱解與焦炭燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù),是獲得更準(zhǔn)確的煤反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的有效途徑。y=3E-05e對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與煤質(zhì)基本特性數(shù)據(jù)進(jìn)行了多=0.8272元非線性相關(guān)分析,得出如下形式的通用關(guān)系式Y(jié)=A+A1×X1+A2×X2+…+A17×X17EJ·mo其中Y代表反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),X為各影響因素或其組圖6焦炭反應(yīng)頻率因子與活化能的關(guān)系合,A(i)為系數(shù)。焦炭燃燒反應(yīng)活化能E的計(jì)算系數(shù)見(jiàn)表2。利用活化能E計(jì)算頻率因子A。的回歸結(jié)果參考文獻(xiàn)]如圖6所示。[1 CFX-TASCflow User Documentation[Z2]中國(guó)動(dòng)力用煤數(shù)據(jù)庫(kù)的建立(總報(bào)告)R].西安熱工研究院有限公司,2008.表2焦炭燃燒反應(yīng)活化能計(jì)算系數(shù)3]煤粉攜帶流反應(yīng)爐的完善與煤的動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試[R].西相應(yīng)系數(shù)偏相關(guān)系數(shù)安熱工研究院有限公司,2008常數(shù)A(0)=-0,125200D+054]3D燃燒數(shù)值模擬在我國(guó)大型電站鍋爐中的應(yīng)用——數(shù)A(1)=-0.167131D+02V(1)=0.999363D+00值計(jì)算研究報(bào)告[R].西安熱工研究院有限公司,2009840281D+01V(2)=0.999659D+00A(3)=-092D-01V(3)=0.998788D+00Nvda A(4)=-0.465399D+02V(4)=0.998356D+00HA(5)=-0.530638D+02V(5)=0.998859D+00A(6)=-0,414652D+02V(6)=0.999993D+0S1aA(7)=0.242327D+01V(7)=0.347537D+0AA(8)=-0.201588D+02V(8)=0.999707D+00Aa×AA(9)=-0.183921D+00V(9)=0.996883D+00ax/AarA(10)=0.169177D+04V(10)=0.999893D+00A(11)=0.320821D+04V(11)=0.100000D+01QmrA(12)=-0.212047D-01V(12)=0.999834D+00n(Qx)A(13)=0.234419D+03V(13)=0.992D+00A(14)=0,318190D-06V(14)=0,999000D+0M1·HVtA(15)=-0.106684D+02V(15)=0.788602D+00M1·Har/AaA(16)=0.899487D+00V(16)=0.975441D+00熱M,B1(Q=417=01348+06-0983復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.8436276D+00R=0.918492D+00能基礎(chǔ)研究熱力發(fā)電二O熱力發(fā)電》雜志由中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)大唐集團(tuán)公司、中國(guó)華電集團(tuán)公司、中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司、中國(guó)電力投資集圓公司聯(lián)組的西安熱工研究院有限公司與中閩電機(jī)工程學(xué)會(huì)主辦,為國(guó)家熱能動(dòng)力科學(xué)技術(shù)專業(yè)刊物,中國(guó)發(fā)電技術(shù)重要刊物,主要報(bào)道國(guó)內(nèi)熱能動(dòng)力科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和熱力發(fā)電(火力、核能、地?zé)峒捌渌稍偕茉窗l(fā)電)技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用,包括:化石燃中國(guó)煤化工及熱力系統(tǒng)、電站輔電站自動(dòng)控制、電廠化學(xué)、電廠金屬材料、電力環(huán)境保護(hù)e 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