多組分復(fù)雜介質(zhì)余熱鍋爐傳熱與動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、能源短缺是社會(huì)發(fā)展中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，能源回收利用已成為能源行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。余熱鍋爐是指利用工業(yè)廢氣、廢料或廢液中的余熱加熱給水，產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，是余熱回收過(guò)程中最重要的部件。因此，相關(guān)余熱鍋爐運(yùn)行的分析和優(yōu)化已成為現(xiàn)階段余熱利用研究的重點(diǎn)。隨著余熱鍋爐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜化及工況的多變性，相關(guān)動(dòng)態(tài)特性對(duì)余熱鍋爐的安全、高效運(yùn)行具有重要意義。同時(shí)，由于廢氣（液）中含有大量的固體顆粒雜質(zhì)，是一種多組分的復(fù)雜介質(zhì)。顆粒雜質(zhì)會(huì)以不同的形態(tài)在換熱管表面

2、形成積灰及結(jié)渣。顆粒的沉積會(huì)導(dǎo)致余熱回收效率降低、余熱鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行甚至被迫停機(jī)。因此，研究基于變工況、多組分的余熱鍋爐傳熱強(qiáng)化、傳熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重大意義。本文以U型直流余熱鍋爐為研究對(duì)象，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法，分析了鍋爐受熱面?zhèn)鳠?、流?dòng)、飛灰顆粒沉積及動(dòng)態(tài)特性，主要研究工作及取得的成果如下:
　　1.理論分析顆粒在流體中運(yùn)動(dòng)和受力過(guò)程，求解了實(shí)際工況顆粒運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值解，并分析顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到

3、的不同作用力的影響程度。結(jié)合顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及顆粒碰撞、沉積和脫附臨界速度參數(shù)，建立了一個(gè)新的適用于低溫受熱面的松散型顆粒沉積理論模型，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)受熱面飛灰顆粒沉積位置、沉積數(shù)量及積灰形態(tài)。
　　2.基于商業(yè)軟件Fluent15.0，通過(guò)自定義函數(shù)(UDFs)，對(duì)U型直流余熱鍋爐整體進(jìn)行了全尺寸數(shù)值模擬。研究得到各級(jí)受熱面換熱管束間的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布特征，分析了入口煙氣溫度和流量對(duì)鍋爐性能的影響。對(duì)于單級(jí)受熱面，包括傳統(tǒng)

4、順排、叉排以及一種新型順排錯(cuò)流結(jié)構(gòu)，對(duì)比管排布置差異對(duì)受熱面?zhèn)鳠?、流?dòng)和飛灰沉積的影響。針對(duì)多組分復(fù)雜介質(zhì)煙氣工況，利用低溫受熱面松散型顆粒沉積模型，研究了不同顆粒粒徑和煙氣流速對(duì)顆粒沉積的影響及沉積分布特征。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在低溫?zé)煔夤r下，顆粒粒徑和煙氣流速是飛灰顆粒沉積的主要影響因素。較高的煙氣流速使小顆粒有較強(qiáng)的沉積傾向;較低的煙氣流速會(huì)促進(jìn)大顆粒的沉積。與傳統(tǒng)順排和叉排受熱面相比，新型順排錯(cuò)流受熱面強(qiáng)化傳熱Nu提高9.8％～

5、23.2％，飛灰沉積降低4.9％～15.6％，該受熱面以增加壓降及煙氣流動(dòng)阻力為代價(jià)，強(qiáng)化傳熱并有效減少飛灰沉積。
　　3.設(shè)計(jì)并搭建了U型直流余熱鍋爐綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用某水泥廠低溫余熱對(duì)鍋爐的傳熱、流動(dòng)、積灰特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。以U型直流余熱鍋爐為研究對(duì)象，完成了不同煙氣溫度、煙氣量、給水溫度及給水量工況的余熱實(shí)驗(yàn)，分析了不同工況參數(shù)對(duì)余熱鍋爐蒸汽溫度及蒸汽量的影響。以系統(tǒng)(火用)效率為目標(biāo)，分析了余熱鍋爐各級(jí)

6、受熱面換熱及(火用)損失，并證明U型直流余熱鍋爐可有效回收低溫余熱。為進(jìn)一步回收余熱鍋爐所產(chǎn)生高溫給水中的余熱，在理論分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了變分流點(diǎn)與分流流量余熱鍋爐-閃蒸系統(tǒng)模型，通過(guò)選擇不同給水量及給水分流溫度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)(火用)效率優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煙氣量32000Nm3/h的典型工況下，利用余熱鍋爐-閃蒸系統(tǒng)，選擇給水流量15.90 m3/h，分流水溫度409.67 K，余熱系統(tǒng)和余熱鍋爐本體最佳（火用）效率分別為44.43％和5

7、4.61％，實(shí)現(xiàn)年收入861000RMB，并在1.1年后收回成本。
　　4.基于熱力學(xué)原理和質(zhì)量、動(dòng)量及能量平衡方程，提出了一個(gè)適用于直流余熱鍋爐不同受熱面的動(dòng)態(tài)仿真模型，該模型可模擬給水在換熱管內(nèi)相變過(guò)程，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀測(cè)的缺陷。模型利用Matlab/Simulink軟件建立，同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)工況，并利用遺傳算法和粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化。優(yōu)化后余熱鍋爐動(dòng)態(tài)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配度高，均方根誤差范圍2.97～4.43。兩種優(yōu)化