爐內(nèi)壁結(jié)焦對工業(yè)爐性能的影響研究

謝國江

(國家電投集團貴州金元股份有限公司 納雍發(fā)電總廠,貴州 畢節(jié) 553399)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,通過工業(yè)爐能夠利用燃料燃燒或電能產(chǎn)生的熱量加熱物料或工件[1]。工業(yè)爐長期工作在高溫、氧化以及滲碳等環(huán)境中[2],爐內(nèi)壁無法避免地會產(chǎn)生結(jié)焦問題,由此造成工業(yè)爐失效[3]。為提升工業(yè)爐工作性能,保障其工作過程中的穩(wěn)定性,需對其爐內(nèi)壁結(jié)焦進行深度研究。

目前,眾多學(xué)者開展研究,并已經(jīng)取得一定的研究成果。如楊軍衛(wèi)等人分析工業(yè)爐結(jié)焦的主要原因,并分析結(jié)焦的主要成分[4]。岑友良等人為緩解工業(yè)爐結(jié)焦問題,向爐內(nèi)注入介質(zhì),并分析不同介質(zhì)對于結(jié)焦延遲的影響[5]。徐靜等人為提升工業(yè)爐生產(chǎn)效率,通過實踐研究分析不同方式對于抑制工業(yè)爐結(jié)焦性能的影響[6]。本文在前人研究基礎(chǔ)上,利用有限元模型,研究爐內(nèi)壁結(jié)焦對工業(yè)爐性能的影響,為工業(yè)爐應(yīng)用性能的提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 工業(yè)爐選擇與分析

研究過程中所選擇的工業(yè)爐為型號為DG1025/18.3-II5的亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐[7],該工業(yè)爐在機組電負荷為335 MW工況時最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h。

工業(yè)爐為單爐膛、四角布置直流式燃燒器[8],配4臺DTM350/700鋼球磨煤機?？紤]到無煙煤難著火、難穩(wěn)燃、極難燃盡的特點,工業(yè)爐在爐膛容積、燃燒器設(shè)計等方面做了充分考慮。每臺燃燒器采用一層雙通道自穩(wěn)式燃燒器[9],上部OFA風(fēng)室采用手動擺動。該燃燒器能夠保證在燃用設(shè)計煤種和校核煤種時爐內(nèi)燃燒工況穩(wěn)定。

爐膛上部布置過熱器,抑制進入過熱器爐寬方向的煙溫偏差[10]。針對工業(yè)爐結(jié)焦過程,其結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分及性能參數(shù)會對其結(jié)焦效果產(chǎn)生巨大影響。對初始工業(yè)爐的化學(xué)成分進行測定,其參數(shù)如表1所示。

表1 工業(yè)爐的化學(xué)成分 %

所選工業(yè)爐的性能指標如表2所示。

表2 工業(yè)爐性能數(shù)據(jù)表

1.2 爐內(nèi)壁結(jié)焦機理

爐內(nèi)壁結(jié)焦是一個物理與化學(xué)相融合的復(fù)雜過程[11]。對爐內(nèi)壁結(jié)焦的過程進行分析可以得到,所謂工業(yè)爐內(nèi)壁結(jié)焦主要是煤粉氣流傾斜貼水冷壁形成附著現(xiàn)象,其結(jié)焦會對水冷壁的熱量傳遞產(chǎn)生影響,令水冷壁外表層溫度提升。在工業(yè)爐內(nèi)溫度較高的條件下,爐內(nèi)燃燒煤內(nèi)灰粒會表現(xiàn)出熔融、半熔融狀態(tài)[12],產(chǎn)生較高的粘附性。在煤粉氣流出現(xiàn)傾斜的條件下,煤內(nèi)灰粒無法充分冷卻處理,將導(dǎo)致其在慣性影響下附著于工業(yè)爐壁受熱面上,冷卻后有一定概率受不同因素影響而脫落,同時還有一定概率因此狀態(tài)下的灰粒水量較多而導(dǎo)致無法全部凝固等現(xiàn)象出現(xiàn)而繼續(xù)附著。在工業(yè)爐壁受熱面內(nèi)灰粒水量逐漸提升的條件下,工業(yè)爐壁熱阻提升導(dǎo)致附著物表層溫度有所提升[13],隨著煙氣內(nèi)灰粒或固態(tài)灰粒持續(xù)附著,將造成灰渣層熔融產(chǎn)生流動渣等。結(jié)焦作為工業(yè)爐實際應(yīng)用過程中的一個具有時變性特征的消極發(fā)展過程,一旦結(jié)焦產(chǎn)生將會以較快的速度形成大范圍結(jié)焦[14-15]。

1.3 有限元分析與模型構(gòu)建

為分析爐內(nèi)壁結(jié)焦對工業(yè)爐性能的影響,利用有限元軟件ABAQUS構(gòu)建有限元分析模型,設(shè)計順次耦合的工業(yè)爐溫度場與應(yīng)力場計算程序。

分析溫度場,將分析結(jié)果傳輸至結(jié)果文件內(nèi),將其定義為力分析的預(yù)定義場。在實際應(yīng)力分析時,在該預(yù)定義場內(nèi)采集不同節(jié)點的實際溫度,完成差值運算。

工業(yè)爐實際工作過程中所承擔(dān)的載荷具有對稱性特征,基于此依照工業(yè)爐幾何形狀,取工業(yè)爐截面的二分之一構(gòu)建工業(yè)爐二維平面應(yīng)變有限元模型,圖1所示為有限元模型的網(wǎng)格劃分。

圖1 有限元模型邊界條件與載荷分布

考慮工業(yè)爐結(jié)焦層的應(yīng)力狀態(tài)具有復(fù)雜性特征,而工業(yè)爐的金屬側(cè)具有相對均勻性特征,所以有限元模型構(gòu)建過程中選取非均勻化網(wǎng)格劃分方法。根據(jù)實際情況,需要將結(jié)焦層網(wǎng)格設(shè)置得相對較細密,而工業(yè)爐金屬網(wǎng)格設(shè)置得相對稀疏。有限元模型內(nèi)選用DC2D4和CPE4分別作為溫度場單元與應(yīng)力場單元,在實際分析過程中選用的節(jié)點與單元應(yīng)具有一致性。

工業(yè)爐正常工作過程中的升溫過程圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐升溫過程圖

由圖2可知,工業(yè)爐工作過程中的升溫過程為階梯狀,由此能夠保障工業(yè)爐內(nèi)溫度均勻分布。

實際模擬分析溫度場時,設(shè)定工業(yè)爐外表層和內(nèi)表層分別為輻射邊界條件和對流邊界條件,依照工業(yè)爐實際工作情況設(shè)定輻射發(fā)射率與對流系數(shù)分別為0.86和1 620 W/(m2·℃)。設(shè)定溫度場實際分析過程中的初始溫度與內(nèi)壁受壓分別為18 ℃和0.5 MPa。

設(shè)定邊界條件為:

(1)下對稱面采用YSYM邊界條件;

(2)左對稱面采用XSYMM邊界條件。

設(shè)定工業(yè)爐在不同工況條件下的負荷情況如表3所示。

表3 工業(yè)爐在不同工況條件下的負荷情況

2 實驗結(jié)果

爐內(nèi)結(jié)焦對于工業(yè)爐實際工作過程的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響,會導(dǎo)致工業(yè)爐工作過程中的物耗與能耗提升,對裝備工業(yè)爐的生產(chǎn)裝置經(jīng)濟效益產(chǎn)生直接影響。為提升工業(yè)爐的工作質(zhì)量,探究煤粉對工業(yè)爐結(jié)焦厚度及結(jié)焦厚度對工業(yè)爐力學(xué)性能、傳熱性能與機械性能的影響,分析結(jié)果如下。

2.1 煤粉粒徑對結(jié)焦厚度的影響

工業(yè)爐結(jié)焦厚度與煤粉平均粒徑之間存在著重要關(guān)系,本次研究先探究不同煤粉粒徑對工業(yè)爐結(jié)焦厚度的影響,得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤粉粒徑均值差異化對爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度的影響

分析圖3得到,在負載一致的條件下,工業(yè)爐內(nèi)水冷壁的結(jié)焦厚度與煤粉粒徑均值之間呈正比例相關(guān),即其平均粒徑越大,代表其結(jié)焦厚度值越大,在煤粉粒徑均值達到90 μm的條件下,其結(jié)焦厚度提升速度開始平緩。造成這一現(xiàn)象的原因在于煤粉的平均粒徑會影響煤粉燃燒時的速率、溫度及完全性。如果煤粉的平均粒徑太大,容易造成燃燒不完全,導(dǎo)致結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。而結(jié)焦現(xiàn)象會使得爐內(nèi)溫度升高,加劇爐墻和爐底的磨損和腐蝕,對工業(yè)爐的壽命造成影響,故要想提升工業(yè)爐的使用性能,避免其結(jié)焦,應(yīng)對其燃燒煤粉的粒徑進行控制。

2.2 結(jié)焦厚度對工業(yè)爐力學(xué)性能的影響

在不同結(jié)焦厚度條件下,工業(yè)爐力學(xué)性能的變化情況如表4所示。

表4 結(jié)焦厚度對工業(yè)爐力學(xué)性能的影響

分析表4得到,結(jié)焦厚度對工業(yè)爐的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響較為顯著。隨著結(jié)焦厚度的提升,工業(yè)爐的屈服強度與抗拉強度都呈現(xiàn)出明顯下降趨勢,同時伸長率也呈現(xiàn)顯著下降趨勢,這表明結(jié)焦厚度的提升對于工業(yè)爐的強度與塑性都產(chǎn)生消極影響,且這種消極影響隨著結(jié)焦厚度的提升逐漸加劇,這進一步說明結(jié)焦厚度與工業(yè)爐力學(xué)性能之間呈反比例相關(guān)。結(jié)焦厚度提升導(dǎo)致工業(yè)爐強度及塑性下降的主要原因是結(jié)焦過程會導(dǎo)致工業(yè)爐呈現(xiàn)顯著的滲碳現(xiàn)象,由此造成基體內(nèi)的碳化物變粗,進而導(dǎo)致晶粒間出現(xiàn)間斷,造成變形的參差性,令碳化物產(chǎn)生裂紋。并且,其結(jié)焦層會增加工業(yè)爐爐墻和爐底的負荷,導(dǎo)致爐子的承載能力下降,影響其力學(xué)性能。如果其結(jié)焦層不均勻或過厚,會導(dǎo)致工業(yè)爐工作過程中溫度分布不均,從而引起熱應(yīng)力和熱應(yīng)變,進一步加劇爐墻和爐底的磨損和腐蝕,降低爐子的力學(xué)性能。

2.3 結(jié)焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響

不同爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響

分析圖4(a)得到,在爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐金屬基體同結(jié)焦層界面處的溫度也表現(xiàn)出逐漸提升的趨勢,但工業(yè)爐內(nèi)壁溫度則逐漸下降。造成這一現(xiàn)象的原因與結(jié)焦層的存在對爐子的熱傳遞機制產(chǎn)生了影響。結(jié)焦層的存在會導(dǎo)致爐子內(nèi)部溫度分布不均勻,使得爐壁內(nèi)側(cè)溫度相對較高,而外側(cè)溫度相對較低。而金屬基體同結(jié)焦層界面處的溫度取決于爐壁內(nèi)側(cè)溫度和結(jié)焦層的熱傳導(dǎo)能力。由于爐壁內(nèi)側(cè)溫度相對較高,而結(jié)焦層的熱傳導(dǎo)能力相對較低,因此金屬基體同結(jié)焦層界面處的溫度會逐漸升高。工業(yè)爐內(nèi)壁溫度卻逐漸下降是由于結(jié)焦層的存在使得爐子內(nèi)部的熱傳遞效率降低,導(dǎo)致爐子內(nèi)部的溫度下降。同時,由于結(jié)焦層的存在使得爐子內(nèi)部空間減小,氣流不暢,進一步降低了爐子內(nèi)部的溫度。因此,雖然金屬基體同結(jié)焦層界面處的溫度逐漸提升,但爐內(nèi)壁溫度卻逐漸下降。

圖4(b)所示為結(jié)焦厚度對于工業(yè)爐內(nèi)外部溫差的影響。對其進行分析得到,在爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內(nèi)外壁溫差也表現(xiàn)出顯著提升的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于,當(dāng)爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度逐漸提升時,工業(yè)爐內(nèi)壁溫度逐漸下降,但外壁溫度則處于相對穩(wěn)定狀態(tài),故其內(nèi)外壁溫差獲得一定提升。

2.4 結(jié)焦厚度對工業(yè)爐機械性能的影響

結(jié)焦厚度對工業(yè)爐環(huán)向應(yīng)力與徑向變形量的影響如圖5所示。

圖5 工業(yè)爐內(nèi)外壁徑向變形

分析圖5得到,在工業(yè)爐內(nèi)壁未結(jié)焦的條件下,工業(yè)爐正常升溫時,工業(yè)爐外壁的徑向變形量高于內(nèi)壁。在工業(yè)爐內(nèi)壁產(chǎn)生結(jié)焦的條件下,工業(yè)爐正常升溫時,工業(yè)爐外壁徑向變形量低于內(nèi)壁。同時,在工業(yè)爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內(nèi)壁與外壁的徑向變形量均表現(xiàn)出逐漸提升的趨勢,當(dāng)變形量達到一定值后,將造成工業(yè)爐局部脹裂,進而無法使用。

3 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建有限元模型研究爐內(nèi)壁結(jié)焦對工業(yè)爐性能的影響,結(jié)果顯示:

(1)當(dāng)煤粉顆粒粒徑提升時,工業(yè)爐的結(jié)焦厚度也有所提升。

(2)結(jié)焦厚度與工業(yè)爐力學(xué)性能及傳熱性能呈反比例關(guān)系。

(3)在工業(yè)爐內(nèi)壁結(jié)焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內(nèi)壁與外壁的徑向變形量均表現(xiàn)出逐漸提升的趨勢。