不同液态渣排除率下煤燃烧产物成分与热电性质的计算.pdf

一 九八四年 第二期 南京工学 院 学才及 义划RNAL 成 多NAN JING INSTn刀下OF TEC曰LOGY 呱 2 1 98 4 不同液态渣排除率下煤燃烧产物成分 与热电性 质的计算 吕 浩生 李大骥唐 楚明 本文应 用复相化学反应热力学平衡的模型理论 , 建立了煤的燃烧产物成分计算 的数学模型 , 介绍了模 型的解算方法 , 并 在此基础上进行了燃烧等离子体热电性 质 的计算 。 文中运用上述模 型 , 引 入 “液 态渣 排除率 ” 的概念取代通常使用 的 “‘ 排渣率 “ , 详细介绍了 ’ “不 同液 态渣 排除牟 ” 下煤的燃烧产物成 分与热电性 质的计算 。 在国内 首 次针对燃 煤磁流休发 电中常采用 的双级燃烧 、 前级排渣 、 后级添加种 子产生等离 子体的物理模型 , 并以淮南煤为实例进行了等离子体的成 分和热电性质的计算 。 分 析了排渣时燃 气热电性质及对钾种于损 失的影响 。 刚舀 磁 流体发电机中 的工质 燃烧产物的成份与热力学性质 、 电性质数据是设计磁流体发 电机 和从事磁 流体发电试验研究 的重要依据 。 这些数据 , 目前主要依靠建立 正确的数学模型 在电子 计算机上计算获得 。 由于 目前国内外磁 流体发电试验研究的 重点已由燃油转向燃煤 , 故此 项 计算工 作 更为紧迫和 重要 。 众所周知 , 煤的燃烧过程是 一个复杂的复相 化 学反应过程 。 煤中的灰份元素在燃烧过程 中同碳一样经历着激烈的化合与分解反 应 ; 特别是其中的铝 、 硅 等元素会和加入燃烧室中的 种子物质化合而造成种 子 的损失 , 严重影响磁 流体发电的经济性 。 此外 , 铝的氧化物还具有 很强的捕捉电子 的能力 , 从 而降低等离子体的 电导率 , 导致发电功率的下降 。 因此 , 国内外 大部分研究单位都主张采用多级燃烧室 。 在末级 添加种子之前 , 尽可能多地在前级先把然烧 仁文干1 9 8 3斗1 1}J3l 」一次到 。 过程中生成的液态 渣排除 。 在高温 一下, 原煤灰分中总有一部份要挥发成气态物质而进入等离子体 , 不可能通过排渣 去除 , 而且燃烧过程中生成的熔渣成分与煤中灰的成分也不相同 。 因此本文引入 “液态渣排除 率 ” 的概念 , 以液态渣量为基准而不是以煤中总含灰量为基准来考虑排渣率 , 即从反 应体系 中扣除实际排走的溶渣中那部分元素 , 然 后进行反 应体系的成分与性质计算 。 这样才符合实 际情况 。 液态 渣排除率R可以从 0 取到 1 。 若按通常所说的 “排渣 率 ” 来扣除原煤灰份中 的 元素然后进行燃烧产物的成份与性质计算 , 则所扣除的元素与燃烧过程中实际排走的元素显 然 不符 , 且当排渣率 R一 1 时就会出现实际上并不存在的 “无渣煤” 。 一 、 复相 『 花学反 应体系的成分计算模型与求解方 法 1 . 假设条 件 1, 整个反应体系是由一个以气相为主体 、 伴有 尸“ P ”簇 誉 一‘ , 1 n 为体系组分数, 个凝结相的热力学平衡体系 ; 2 每种组分的代表性相态为气态 , 全部凝结相物质均由反应物气相反 应后 凝结生成 ; 3 各凝结相均为理想溶液 。 成分计算模型 式中 数 ; 应物 根据质量作用定律 、 道尔顿定律和拉乌尔定律有 ,月 尸h 犷j一K j尸“。, 开 , *V‘,; 1、j、S 。 艺 cK , ‘二Ik二1 尤 ‘、 y j 分 别表示第 ‘种反应物和第 j种生成物 的摩尔分数 ; C 、 为各凝结相的物种数 , K , 为平衡常数 ; I / ‘j 为对应 于第j X ‘ 的化学 当量系数 ; 1一1 S 。 为气相生成物的物种 种生成物 Y j 的第 i 种反 犷厂 艺闪 艺 间 犷 口j 一 j一1; 对应于气相生成物 ; j, 对应 于凝结相生成物 。 按元素守恒条件可得 s召 口、一、 N 一卜艺价 , Y ,N 十 N 、 艺价 ,y, , 1一2 分一 id为一i P l l 艺K - 1 为考式中d 。 一S 。, 〔l I o 的凝结相 。 这组判别式 既符合物理概念 , 又能保证计算结果具有三位以上有效数字 , 的减 工卜, 有效数字的位数增加 。 但具体应用中应注意如下几点 1一10 1一1 1 1一12 且随着幂指数 1 对于 电子宜采用 {万F 。一 }毛10 一 ‘尤。一 万y力/ 2 ; 离子 1一13 2 对于 O , 宜采用{NF o l毯10 一 ‘ Q o Q e 〔 2 Q s‘0 2 Q ; ‘ 0 2 专Q F 。 。 假定反应体系 中包括上述氧化物 ; l 一14 3 对于元素输入 量为零及某凝结相 不存在的情况 , 略去对该元素和该相 的判断 。 由于 随着反应条件例如温度 、 压力的变化 , 反 应体系内的尸h个凝结相可能同时 出现 , 亦可能部分出现 以至 全部 消失 。 因此迭 代计算中方程式的个数 、 每个方程 的形式及 因 此在迭 代计算中雅可比矩阵的行 、 列数都会变化 。 计算中常用下 述条件判别相 间的变化 1 N 。镇。, 第k相凝结相 必不存在 , 该相退出迭代 ; 2 d虎 R 。一 互 KX ‘v i‘ 1 , 第 k相凝结相 出现 , k相返回 迭代 。 j 二i 卜d 力一i 显然 , 在物理化学概念上 , 这两个判别是相当的 。 每次迭 代可从 凝结相 全部存在开 始 , 若算得某个N * 。 , 则该相退出迭代 。 在纯气相迭代 计算中 , 每次迭代须判别 R 。 是否 大于等 于 1 。 若 R 。妻 1 , 则第k相返回迭代 。 在计算机上应用逻辑判断 , 这种 变换易 于 实 现 。 二 、 不同排渣率下淮南煤燃烧产物成分与热电性质的计算 煤 质 资料 分析水分 干基工 业分析 研 j 一 2 . 25 ; 厂g一2 8 . 5 4 , C g 一49 . 0 5 , Q界w 一 61 90大卡/ 公斤; H g 4 . 24 , -, 月月月‘ 月 呀 月呀 ‘曰 A g 22 元素分析 C君一 N g 一1 . 13 , 0 9 一 7 . 94 , A g 一 2 2 . 41 灰成分分析 510 2 一50 . 81 , Al l 0 3 一 4 0 . 3 2 , F e Z O 一3 . 9 3 , C ao 二2 . 47 , Mgo 0 . 71 , 50 , 0 . 9 6 , N a 2 0 0 . 8 为简化起见 , 将 C aO 和 MgO 合并计算 ; 2 . 计 算 范围 1 压力 P 0 . 7 , 1 , 2 , 4 , 8 大气压 ; 2 温度 T310 0一 100一500K; 3 氧化剂含氧率功 0 . 23 , 0 . 4 , 0 . 5 , 0 . 6 , 0 . 7 , 1 . 0; 4 过剩空气系数 a 一 0 . 9 , 0 . 95 , 2 . 0; 引 输入燃烧室 物质中的含钾量 。 0 . 0 1 ; 6 添加剂 K ZC O, 浓度 阴0 . 5 , 1 . 0 ; 7 预热空气温度 T 。一120 0 K , 一 773 . 2K 8 磁感强度 B二 2 , 5 T ; 9 液态渣排除率 R ‘ 一0 , 0 . 70 . 110 ; 10 燃烧室工作压力 尸一 2大气压 1 1 排渣温度 TF 。 2]00 K 3 . 体系物 种 的选 定 根据计算范围 , 假定燃烧体系中的凝结相 只有液态熔 渣 , 且为 理想溶液 , 即k一 1 。 同 时为了便于计算一般的燃煤成分 , 在计算程序编制中考虑体系 中有 N Z, H , 0 2, C O Z, K , S , C1 2, A r , 510 2, AIO Z , FeO , C a , N a , e 计十四种独立成分 。 它们以气相存 在 。 体系内其它四十 七种物质均由它们 反应后生成 。 这四十七 种生成物是 气 态物质H ZO , CO , O H , 反O , 0 , H , KO H , 5 0 2, K , NO Z, K C I , K O , 5 0 , NO万 , CI 一 , O H 一, HC I , 510 , Fe , C ao , FeOH 2 , N a OH , Cl , AI , AIO H 2, AI O百 , N , O 一, N aC I , N a O , 5 0 、, AIO , N a ‘ , NO , AI 2 0 , CaO H , AIO H 37种; 液态物质 510 了, KA10 2‘, A1 2 O ,了, FeO ‘, K ZS IO 3了, K OH ‘ , K Z O ‘, K Z SO ; 了 , K Z C o 。 C a O ‘ro 种 。 4 . 热电参教和燃烧 温度的计算 在成分计算完成以后 , 燃烧产物的热 、 电参数和燃烧温度可随之求得 。 其中燃气 的分子 量M , 气体常数R , 比重 下 , 洽h , 嫡S , 冻结态比热 C 尸j 、 比热比 了、 音速 。了, 平衡态 比热C 。 。 、 等嫡指数K 。、 比热比 。 、 音速 a 。、 普朗特数 尸 。 等可按常规的理想混合气体 的公式求得 ; 液态渣的 分子 量M , 恰 h . , 嫡 S ‘ 可按理想溶液的通 用计算公式求得 , 燃气 的动力粘度刀和导热系数又分别按 Wi lk e仁2 〕和B ro k a w[3」的方法求得; 燃气电导率按 Lin 一K a n tr owitz 和F r o st[ 4 〕提供的两种方法计算 。 燃烧温度的计算可 利用燃烧产物总烩与温度的函数曲线求得 1 一公斤燃烧产物 总治 1 1宁 , T 一人N几 了h , N , M ‘/ 1一R , L , , 2一1 式中R ’ 为液态渣排除率 , L ’为排渣 温度下第一级燃烧室产生 的液态渣量 。 2 输入燃烧室 的总始 h, z hz班lh , 研 。 h尺班s 2一2 53 式中h f 、 按 h 。、 i l x分别 为一公斤燃料 、 氧化剂 和添加剂的晗值 。 岭 厂T - h r 1一 q , 一R ‘五, 人今 1 一R ‘L, 2一3 就能求得燃烧温度T , 。 式中 q , 为单位 热损 失 。 5 . 计 算 流程 不 同液态渣排除率R ‘ 下燃煤产物成分与热电性质计算的程序框图见 图 1 。 流程 图 中有 几点说明如下 输输又第一级抓境室的的 w w wf . 她 .w。反它}]的 的 一一 品升 摄 p日A , p 。、 - - - O O O州0 .W 只WO W S .Q、 、 第第第第第第第第第二级哪尧1帐1到勿质其 其 } } } oR o 二。。。 席 怒 0 j欲桨二。。 。 W W W W W W W W W W W W W W W W W砚W段Q O言二O卜乙a亡 亡 赚赚赚赚赚赚赚赚赚赚赚赚赚赚境产 物组分竹算算 鱿鱿算澎料蒯乞刘刘刘 下啼去 , 牛扬} 去卜 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 种种子一次勺 久的 的的的的的的的的的的的的的 撇蒸 蒸 断断 . W仁W。喇5 5 5 5 5 代表性化后,勿 勿勿勿勿勿勿勿勿勿勿勿勿勿 C C C尸T口ALpHAP HI王 书书书 乙O; ; ; ; ; 热勺学答 奴奴 MMM。 , W厂 . W OW S .O 、、、、、 伽影 碧{ , 井茸 茸 羚羚东箱补奢 已分 分分分分分分分分分分 修修修修政化学学学学学学学学学当当当当当当当当当当当当当当当呈系笼脚 . . . . . 千街常数数 手手手手千值 计箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕箕 热热热热热热热热热热热热力学参数k。儿儿 。。。。。。。。。入,厂。 架I 丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁十算 算 韶韶麟纂 爵默尾 尾尾尾尾尾尾尾尾尾尾尾尾 季季好弄 丫凤跳. w r ”撇 撇 暴暴 谧葬笋笋 图 1 计算总框图 1 第一级燃烧室在 刀 ‘ 下被排除的诸元素摩尔含量乙Q , 可按下式计算 s了 刁口*一 互 ‘, R ‘y , N , , ‘ 一‘ , 2 , 一 ”‘ 2一4 ‘,s忍十1 2 乙口、必须换算成以第一 、 二级燃烧室 为单位总输入的元素摩尔量乙Q飞 , 其 换算 关 系式 如下 ; * ; 一 、 * 价 一 护/ 1 1 一卜一 塌 nZ 篇 警 一 2一S l 卞 a 一. 叻 r ,尸 式中 。 为燃烧理论空气量 , “, 为第一级燃烧室 过剩空气系数 , a 为 总的过剩空气系数 , 。 为添加剂溶液的浓度 , M 为添加剂分 子量 , M K 为每克分 子添加剂中钾元素的 重量 。 3 通常 , 在一定的排演 温度下 , 排渣率R与液态渣排除率 刀 ’ 可用 如下的近似关系 式换算 万 牟 。 一刀 a 1 功 五为第一级燃烧室单位重量燃烧产物中的液态 渣量 ,二夕 为煤 的分析灰分 。 三 、 计算结果分析 全部计算在B 6 8 00计算机上进行 。 计算结果与国内外的 计算与试验结果 ’」‘ 1 ’181 的 基本 规律和变化趋 势能较好地符合一致 。 限于篇幅 , 本文仅对如下几个方面进行分析 。 1 . 排 渣对燃气热力学性质的影晌 不排渣与排渣82 . 3 两种工况下燃气诸热力学参数示于图2一图6 ‘. 。 由图可 见 , 除 了平衡 态等嫡指数K 。 与比热比 r 。 外 , 其它参数的差别都很小 。 其原因主要在于燃料中的 灰分占总输入 的 分额本身很小一3 . 65 , 从而使排渣对燃气成分 的影 响不 大 。 排渣对钾 种子 损失 的影响 K ZS IO ,、 又AI C 和 易溶盐K S Od 、 K CO 、 I又OH 、 咖 妇1 1 . 2 , 1 各种排渣率下 , 钾在难溶盐 K O 中的含量如表 1所 示 。 州} 一- 一 份 _ . 军二二 奚 众截,切 } 叮乒‘一 功 幼 .. . 7如盯好 不滩决 - - 一一一排凌欲玲后 - 」成J J “口乍 图 2 燃 气分子量 , 比重 与 气体 常数 P 2 . ok恶八m ’, 。一1 . 0 , 功 一 0 . 4 ￡一〔 卜1 、 T 尸 2118K 图3燃 气的冻结态 与平衡态比热 尸一 2 . Okg/ cm ’ , a一1 . 0 , 诱‘ 、0 . 礴 材子一 . 5 , ￡一 0 . 01 , T F 尸二 2 118K 勺为间干与其它文献比铰 , . 价l所时尸 ‘将‘沙杰 海拼价率 ” 折算成通常使用的 “引 翔查率 ” 诀溉蛛 乙论 簇溉 ,_____ 一上 不 排决 一一一 排检欲瑰 ‘二 户 . 一 不排凌 - 一排法成 3尔 卜 比日 卜卜|Œ 油 柳 侧 J I引 Je s 别钊 , 今 卢 不 ,。 渝 义毛乏 工一 上- 一Je e 之J月 了伙份 , _ 一曰‘” 一 一厄劝即 丫 . K_ 图4 燃气冻结态比热比 、 平衡 态 等墒指 数 与平衡 态比热比 图5燃 气冻结态 、 平衡态音速 P Zkg/ e m ’, a1 , 功一 0 . 4 尸一Zk ,宕 0 . g/ c 5 , m ,, a 1 , 功一 0 . 4 己 0 . 0 1 , TF 尸 2 11 8K ”2 0 . 5 , ￡二 0 . 01 , TF 尸 21 18K 由表1可见 在较高温度下 , 2 4 00K 很小的范围 2 占总输入量的4 左右 。 大量排渣 8 0 能使液态渣中的含钾量降低到 从 而能增加参加有效电离的钾原子数量 。 5 10 2 和A1 2 O 。 有很强 的吸收钾种子 的能力 。 若不提前排除 , 即使在较高温度下 如 240OK 也有较大量的钾1 8 . 9 被它们吸收 。 不孙爹 书卜 老B 2 . ,万 3较小的排渣率下 , 不可使种 子损失大幅度地减 少 。 只有大量排渣 , 才有希望大大减少 5 10 、 A1 2 O ; 对 种 子 的吸收 。 见图7 。 价口r 一 一- 一一一一一一 ‘ - 勿 , 幼 刀 ⋯ 入 哆‘ - - ‘二一一曰‘- - 一J O 它 4 ‘ , . , 了, 尺 _ | . | 洲训叫洲副 浏 外喇 义 和 斌时 于 侧漪 赞 JI , . 司 厂 { 图 7 在 在不同排渣率下排渣后 , 钾 K 。5 10 KA IO / 4月 / . 0妈 中的最大比含量 扒乡Ls e一 . 之卿 图6 2步即 T 口尤 燃气动力拈度 、 导 热系数 、 普朗特数 1 , 功 - 0 . el , 0 . 4 哪一0 . 5 的芍 . 9闪T廿 . 9‹对N . 的叭的 . 060 . 0的0 . 0 仍 0 . 0O N . 0 O O0 ‘ . 0 仍 洲0 . 0 叻0 0 . 0 仍 00 . 0100 . 0 6 O O O O N 匕 ” O 口 叫 侧工 口O 团 , † 叻 州 窝 闪9山 一叫 0 . NZ一O 萄 . 0卜的的 . 的的 一 6的 . ‘T闪{ . 叫卜寸寸 . 阴的9一 . 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SPe n e e , A . A . O rim ingA n A lg o rith m fo r C aleu l a tzng M Llltip ha s e Chem ie a lEq uilibr iumG . P一19 7 4一04584 NA SAT R一13 21962 N A SAT R一81 1 961 Fr o st . L . S , C on d u etiv ity o fS o eded A tm o sp l i erie 尸r e 5 5 u r 。 川 a 51na 、 1961 磁流体发电 1 9集中 国科学院电工研究所 M . 1 〕e 上 riek U . S . A , B . Y a . S h um 丁atskJ U . 5 . 5 . 1丈Op on一CJel。 M agne tohyd r o dy n am ie El e etriea lPow e r G o neratio n , 气Join t U . 5 . A/U . 5 . 5 . RPub lie a tio n , 1978 L . C r a wfo rd , K . T em p o lm eyer , J . M artin , J . M uo l lllla以s e r In y e stig atjo, l o fS lagD epositsan dA b s o rption in a Dir e e t一Fir ed M HDP o w e r G e ilerator V o l互Six tll In t . C on f . on MHD , 1975 E . R . Pla nte , C . D . Olsom a n dT . N ega s , 工 n tc r aetiono f K 2 0 、 、i生12 5l a ginop en Cy e l e C o a l 一Fir ed MND , v o l五Sixtl 一 Int , C o n f . o n MHD 1 975 一户 时 Cal eulation 止 or the Co mPosition and Properti eso fSeeded Co al 一c o mbustio nProducts ata Differ entSl ag Rem oval Rate L u 月a o sh‘,口 LiD 、 ,ji 了 ’u ,9 Ch,; ,,‘11口 几 B ST R ACT This p aPc r p r 。s e n ts anlathema tiem o d e l us c dfo r e om pu ti;zgthotho rm o d - J ,, am ieal a n d ele etriea lp r opertiesa n d the e o mp ositio n so ft蚤 les cedede o a l 一eo- mbu stio np ro d uets b a s edo n thethe rmo dy n am ie 一e q u ilib r ium theo ryo fm u lti 一Pha s e ehem iea l reae tio n , a n d its s o lvillg Pr o eos s . 1xl tr aditio n alm o d c l , th。 e o ne cPto f “sla g 一r e j e etedr ate ” 15 u sed inwhiel i the “s l a g ” in el u dingits vapo r i乙ed p art whieh ea nno tbe r e j ee td ed 七 o g e the r withthe liq uidsla g . 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