燃煤飞灰粘弹沉积模型的构建理论和试验研究

Accurately predicting the ash deposition behavior of coal ash will provide the design and operation of the boilers strong supporting role. The current prediction accuracy of deposition model is limited, can not meet the needs of complex depositional environment. Based on particle contact mechanics, considering the viscosity of coal ash of high temperature and mechanical properties of the surface of ash deposit and ash particles，the project will firstly need to develop a viscoelastic ash deposition model based on the critical velocity，that is a suitable mathematical expression theory for engineering judgment;secondly the critical velocity of ash particles will be measured on a fly ash deposition test setup at high temperatures stage to verify the accuracy of the model，while the effects of temperature and the diameter of the fly ash particles, chemical composition, flue gas velocity on the critical velocity will be investigated; then, this project will focus on examining the effects of ash surface properties on the critical velocity of ash particles , such as elastic modulus, temperature and viscosity; Finally, combining theory and research results of the tests, ash deposition code will be written to describe the growth of ash deposit, and numerical simulation method ( CFD) will be applied to simulate of the growth process of ash deposit. Completeing the task will develop a new ash deposition model and predicting method to establish a comprehensive evaluation method on deposition behavior of coal ash，which notablely improves the accuracy in predicting the behavior of coal ash deposition.

准确预测煤灰的沉积行为，将会给锅炉的设计和运行提供有力的支持作用。针对目前沉积模型的预测精度有限，不能满足复杂沉积环境的需要。本课题将从颗粒接触力学角度出发，同时考虑高温颗粒的粘度和颗粒以及沉积灰表面力学性能特性，首先从理论上建立适合工程需要的基于临界速度的粘弹沉积模型；其次在高温飞灰的沉积试验台上测量煤灰颗粒的临界速度，以验证模型的准确性，同时将考查飞灰颗粒的温度和直径，化学组分，烟气流速对颗粒临界速度的影响；紧接着，本文将重点考查沉积灰表面特性，如弹性模量、温度和粘度对煤灰颗粒临界速度的影响；最后，本课题将综合理论和试验的研究结果，编写用于描述沉积灰增长的通用沉积代码，应用数值模拟方法（CFD）模拟沉积灰的增长过程。课题的完成将建立一种全面评估煤灰沉积行为新的沉积模型和预测方法，这将显著提高预测煤灰沉积行为的预测精度。

数值模拟预测是认识煤灰沉积行为的一种重要工具和手段。但目前沉积模型的预测精度不高，也缺乏先进的模拟工具，导致模拟预测结果与实际情况往往存在较大的偏差。因此建立高精度的预测模型及开发相应的模拟工具有重要的现实意义。课题从沉积灰模型的建立，实验和数值模拟三个方面展开了研究。在模型的建立方面，本课题针对惯性碰撞沉积机理，从颗粒的接触力学出发，建立了相应的沉积模型和脱除模型。研究表明，颗粒的弹性模型模量对颗粒的沉积有明显的影响，而且在预测过程中，即便是在低的烟气流速下，也非常必要考虑脱除模型；在实验方面，课题在搭建的高温条件颗粒撞击试验台上，基于高速摄影法，重点考察了颗粒温度和直径以及撞击表面特性对颗粒反弹特性的影响，研究表明这些因素对颗粒的黏附和反弹均有不同的程度影响，而获得颗粒的弹性模量随温度和颗粒直径的关系对进一步提高沉积模型的精度有重要意义；在数值模拟方面，基于ANSYS FLUENT商业软件，先后开发一套非稳态模拟单管和管束上沉积灰增长的数值模拟方法。该方法耦合了Fluent的动网格模型，DPM模型和传热模型，考虑了沉积灰的表面温度和形貌变化的影响，从而显著提高了预测模型的精度，而且模拟结果与实验结果吻合比较好。本课题的研究成果为燃煤锅炉及其换热器的设计和运行提供重要的基础性实验数据和先进的模拟工具。