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

1、能源短缺是社會發(fā)展中的一個嚴(yán)重問題，能源回收利用已成為能源行業(yè)關(guān)注的焦點。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，是余熱回收過程中最重要的部件。因此，相關(guān)余熱鍋爐運行的分析和優(yōu)化已成為現(xiàn)階段余熱利用研究的重點。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)動態(tài)特性對余熱鍋爐的安全、高效運行具有重要意義。同時，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。顆粒的沉積會導(dǎo)致余熱回收效率降低、余熱鍋爐低負(fù)荷運行甚至被迫停機。因此，研究基于變工況、多組分的余熱鍋爐傳熱強化、傳熱動態(tài)響應(yīng)特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化具有重大意義。本文以U型直流余熱鍋爐為研究對象，運用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究方法，分析了鍋爐受熱面?zhèn)鳠?、流動、飛灰顆粒沉積及動態(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動和受力過程，求解了實際工況顆粒運動方程數(shù)值解，并分析顆粒運動過程中受到

3、的不同作用力的影響程度。結(jié)合顆粒運動數(shù)值計算結(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，通過自定義函數(shù)(UDFs)，對U型直流余熱鍋爐整體進行了全尺寸數(shù)值模擬。研究得到各級受熱面換熱管束間的溫度場和流場分布特征，分析了入口煙氣溫度和流量對鍋爐性能的影響。對于單級受熱面，包括傳統(tǒng)

4、順排、叉排以及一種新型順排錯流結(jié)構(gòu)，對比管排布置差異對受熱面?zhèn)鳠?、流動和飛灰沉積的影響。針對多組分復(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的沉積傾向;較低的煙氣流速會促進大顆粒的沉積。與傳統(tǒng)順排和叉排受熱面相比，新型順排錯流受熱面強化傳熱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阻力為代價，強化傳熱并有效減少飛灰沉積。
　　3.設(shè)計并搭建了U型直流余熱鍋爐綜合實驗平臺，利用某水泥廠低溫余熱對鍋爐的傳熱、流動、積灰特性進行分析，驗證了數(shù)值模擬的合理性。以U型直流余熱鍋爐為研究對象，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驗，分析了不同工況參數(shù)對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

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)建了變分流點與分流流量余熱鍋爐-閃蒸系統(tǒng)模型，通過選擇不同給水量及給水分流溫度，實現(xiàn)系統(tǒng)(火用)效率優(yōu)化。實驗結(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、動量及能量平衡方程，提出了一個適用于直流余熱鍋爐不同受熱面的動態(tài)仿真模型，該模型可模擬給水在換熱管內(nèi)相變過程，彌補實驗無法觀測的缺陷。模型利用Matlab/Simulink軟件建立，同時基于實驗工況，并利用遺傳算法和粒子群算法對模型進行參數(shù)識別和優(yōu)化。優(yōu)化后余熱鍋爐動態(tài)模型與實驗數(shù)據(jù)匹配度高，均方根誤差范圍2.97～4.43。兩種優(yōu)化