基于炉内火焰可视化检测的结渣在线监测方法及模型研究

Furnace slagging plays an important role on the safety and economy in boiler operation, and it is difficult to obtain the slagging predictive distribution. In this project, the flame image processing technology and radiative heat transfer will be adopted to study the slagging on-line monitoring and modeling. The main work includes: (1) Based on simultaneous reconstruction of 3-D temperature distribution and radiation properties, gas temperature distribution and fly ash concentration in the near-wall grid can be obtained, then develop a distributed parameter model for the furnace slagging; (2) Based on the combination of the furnace flame combustion and thermal system information, investigate the nonlinear coupling characteristics of the slagging and thermal parameters in the evaporation system, and establish the early-warning model for water wall during the pulverized coal combustion. The achievements of the present project will provide a theoretical basis for the on-line, non-uniform slagging monitoring and the wall temperature safety early-warning. The research on this project is of important theoretical significance and application value.

炉膛结渣是电站锅炉运行中常见也是较难解决的问题,它极大地影响了锅炉运行的安全性和经济性。本课题拟采用火焰图像处理技术和辐射传热分析方法，开展燃煤锅炉炉内结渣在线监测及建模研究，包括：(1) 以基于火焰图像处理的非均匀温度分布和颗粒辐射特性参数同时解耦重建为手段，获取近壁面空间网格的介质温度场和飞灰浓度实时分布信息，建立基于炉膛辐射能检测信息的结渣分布参数模型；(2) 将炉侧火焰燃烧信息与锅侧热力系统结合，探寻不同辐射区渣层物性参数与蒸发系统多变量耦合的非线性特性，建立锅炉燃烧时炉内热负荷、壁温与结渣关联预警机制。本项目将为实现炉内结渣非均匀分布的在线监测以及水冷壁壁温的安全预警提供理论依据，具有重要的理论意义和应用价值。

我国煤炭产量占一次能源的75%，全国煤炭产量的约一半是用于电站燃煤锅炉发电，这种以煤为主的一次能源结构使我国节能减排工作面临巨大的压力。在燃煤机组实际运行中，水冷壁受到的热负荷偏高，蒸发受热面积灰且分布不均匀，极大地影响了锅炉运行的安全性和经济性。大型电站锅炉炉膛内的积灰过程发生在相对大的空间中，是具有典型三维特征的复杂物理化学过程。当前，炉内积灰预测技术一直是国内外未能突破的难点和关键技术。因此，针对炉膛水冷壁积灰的有效监测和控制，是燃煤火电机组节能减排和低碳经济中最紧迫的课题。.本项目提出采用直接模拟蒙特卡洛方法（DSMC）模拟不同工况下的飞灰颗粒沉积过程，探讨炉内积灰形成机理。一方面在实际电站锅炉内开展不同燃烧负荷下不同煤种颗粒物和积灰的采样试验，另一方面通过理论分析方法探究了煤粉燃烧过程中颗粒物和积灰内层的形成机理以及积灰内层对积灰过程的影响。采用DSMC方法模拟计算炉内灰颗粒沉积过程时，以颗粒团为基本单元，将颗粒运动过程解耦为自由移动和碰撞两个独立过程，同时处理颗粒-颗粒的碰撞以及颗粒-壁面的碰撞。本项目提出在积灰内层采用临界速度模型，随着颗粒粘附过程的进行，壁面表面的杨氏模量发生改变，因此在积灰外层采用临界粘度模型。该方法可以获得炉内飞灰颗粒的沉积速率，并给出详细的积灰层飞灰颗粒粒径分布，成功实现炉内积灰过程的动态预测。计算结果表明，积灰内层大多为为粒径小于10μm的细颗粒，积灰初期属于“选择性沉积”，只有粒径较小的飞灰颗粒才可能被积灰管表面捕集。碱土金属含量多的灰颗粒更容易被积灰管捕集，电镜结果表明粗颗粒表面黏附着很多亚微米细颗粒，这些细颗粒包含丰富的钠、钙、镁等碱金属和碱土金属元素，从而大大增强了粘附特性。通过不同工况的积灰实验对比，本项目发现当负荷增加20%时，灰颗粒的沉积速率增长了47.52%，而同样负荷下随着碱土金属含量的增加，积灰沉积速率只增长了3.28%。