一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法及系统与流程

本发明涉及环境工程和工业过程技术，尤其涉及一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法及系统。

背景技术：

1、全国燃煤发电机组因飞灰磨损和积灰造成的年损失在百亿元以上。由于煤质及燃烧等原因，较多燃煤锅炉粉尘粗颗粒偏多。当飞灰粒径超过200μm后，其冲刷磨损性显著增加，是炉后高尘区设备磨损的重要原因；其余造成内构件磨损的主要原因还有飞灰成分特点、烟气流速和飞灰分布不均等。通过检测实际电厂飞灰粒径分布等特性，针对省煤器出口全粒径飞灰颗粒轨迹规律及不同粒径的分离惯性，先在省煤器出口大截面低流速烟道内预脱除烟气中粗颗粒飞灰，提高粗颗粒脱除率，降低粗颗粒飞灰对下游烟道及催化剂的磨损影响，目前未形成单一粒径或者不同范围粒径飞灰脱除率的模拟统计方法。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法，能够解决传统方法在预测颗粒在复杂流体环境中的行为时常常依赖于简化假设和经验数据，这限制了其精确性和适用性，本发明提供了一种更准确的方法来计算颗粒飞灰脱除率。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法，包括：

4、采集飞灰颗粒数据，模拟颗粒扩散路径，结合颗粒破碎模型，建立颗粒路径变化的随机游走跟踪模型；

5、建立基于气固两相流方法的碰撞模型，当颗粒路径预测与固体表面相交时，应用碰撞模型来调整颗粒的速度和方向；

6、通过扩散路径和碰撞模型综合分析颗粒的行为，得出计算粗颗粒飞灰脱除率的统计方法。

7、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述随机游走跟踪模型包括计算飞灰颗粒尺寸分布和模拟颗粒在烟气中的扩散路径；

8、所述飞灰颗粒尺寸分布采用rosin-rammler分布函数计算，表示为，

9、

10、其中，n为分布均匀性指数，d为粒径，dm为颗粒的平均粒径，yd为超过d的颗粒的质量分数，ln为自然对数，exp为指数函数；

11、若n≥θ，则认为粒径分布均匀，颗粒尺寸和颗粒扩散行为统一，无需调整颗粒样本；

12、若n＜θ，则认为粒径分布不均匀，颗粒尺寸和颗粒扩散行为差异大，需要对颗粒样本进行调整。

13、所述扩散路径包括扩散系数d依赖于粒径d，表示为，

14、d(d)＝d0e-λd

15、其中，d0为基准扩散系数，λ为与粒径相关的调节系数，e为欧拉数。

16、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述颗粒破碎模型包括颗粒破碎发生在颗粒的应力达到碰撞材料强度的阈值，基于最大正应力理论和能量释放率理论，当σ≥σc时，颗粒发生破碎，其中，σ为颗粒上的应力，σc为材料的临界破碎应力，颗粒破碎使用概率模型进行描述，破碎概率pf表示为，

17、

18、其中，σ为颗粒上的法向应力，τs为剪切应力，t为温度，c为颗粒所处烟气浓度，τ为颗粒的破碎特性时间；

19、破碎后的颗粒尺寸影响颗粒行为，将颗粒尺寸分布模型与破碎概率模型耦合，使用破碎概率来调整颗粒分布参数，预测破碎后的颗粒特性，

20、yd′＝g(d′,pf,d)

21、其中，yd′是破碎后颗粒尺寸d′的分布函数，g(d′,pf,d)是描述破碎后颗粒分布的函数。

22、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述随机游走跟踪模型包括对于每个颗粒，根据粒径和扩散系数，模拟颗粒在烟气中的扩散路径，表示为，

23、

24、x＝xold+δx

25、其中，δx为颗粒在时间间隔δt内的位移，z表示为服从标准正态分布的随机变量，xold为颗粒在当前步骤开始时的位置，x为加上位移增量后的新位置。

26、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述气固两相流方法包括使用质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程模拟颗粒与烟气的相互作用；

27、所述质量守恒方程表示为，

28、

29、其中，ρ为烟气密度，v为烟气流速向量，为偏导数，t为时间窗口长度，为空间梯度；

30、所述动量守恒方程表示为，

31、

32、其中，p为压力，g为重力加速度，为应力张量；

33、所述能量守恒方程表示为，

34、

35、其中，e为比内能，λ为导热系数，hk为烟气中组分k焓值，jk为烟气中组分k扩散通量；

36、颗粒在烟气的流动过程中，所占的总体积分数小于5％，颗粒流动认为是稀相流动，采用拉格朗日方法对流动颗粒进行描述，忽略颗粒与颗粒之间的碰撞，颗粒受到作用力有曳力、萨夫曼力、重力及magnus力，使用牛顿第二定律求解颗粒的加速度a、速度u变化，

37、

38、其中，表示颗粒位置x随时间t的二次导数，mp为颗粒质量，ρp为颗粒密度，fsl为萨夫曼剪切力，fd为曳力，fm为magnus力。

39、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述碰撞模型包括对气固两相流方法作进一步优化，飞灰颗粒随烟气在烟道内流动会和烟道壁面、导流板发生碰撞，对飞灰粒子实际的反弹角进行描述，壁面碰撞模型表示为，

40、τn＝0.993-0.0307α+4.75×10-4α2-2.61×10-6α3

41、τt＝0.998-0.029α+6.43×10-4α2-3.56×10-6α3

42、其中，τn为反弹系数，τt为切向反弹系数，α为颗粒入射角度；

43、在模拟中实时监测颗粒是否与固体表面相交，当检测到颗粒与固体表面碰撞时，使用反弹系数τn和切向反弹系数τt计算颗粒碰撞后的新速度向量；

44、颗粒碰撞前的速度向量为u＝9ux,uy,uz)，确定碰撞面的法线向量n，将速度分解为法线向量un和切线向量ut，使用反弹系数τn和切向反弹系数τt计算碰撞后的速度向量，

45、u`n＝-τnun

46、u`t＝τtut

47、u`＝u`n+u`t

48、其中，u`为碰撞后颗粒的总速度向量，u`n为碰撞颗粒后的法线速度，u`t为碰撞后颗粒的切向速度；

49、若u`＜ε，则认为颗粒被捕捉，记录颗粒状态标记，更新被捕捉颗粒数量；

50、若u`≥ε，则认为颗粒处于自由状态。

51、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法的一种优选方案，其中：所述计算粗颗粒飞灰脱除率包括结合扩散路径和碰撞模型，跟踪每个颗粒的行为，计算粗颗粒飞灰的脱除率公式表示为，

52、

53、其中，trapped为在模拟结束时被捕捉的颗粒数量，incomplete为在模拟结束时在系统中但未逃逸的颗粒数量，number tracked为模拟跟踪的总颗粒数量。

54、本发明的另外一个目的是解决现有粗颗粒飞灰脱除技术在预测和处理流体环境中颗粒行为时的局限性。现有技术依赖于简化假设和经验数据，这在很大程度上限制了方法的精确性和适用性。尤其是在烟气处理系统中，颗粒物的有效脱除对满足环境排放标准至关重要，而传统的脱除技术往往在处理特定尺寸分布或特定操作条件下的粗颗粒飞灰时效率不高。现有技术无法提供精确的颗粒行为预测，这对于环保排放和系统性能的优化是一个重大缺陷，本发明方案通过综合应用颗粒扩散模型、颗粒破碎模型、碰撞模型及随机游走模型来预测和控制粗颗粒飞灰的脱除过程，从而实现更高的脱除效率和更好的系统优化。

55、作为本发明所述的一种粗颗粒飞灰脱除率的统计系统的一种优选方案，其中：包括，数据采集与扩散路径模拟模块、碰撞与随机游走跟踪模块和脱除率计算模块；

56、所述数据采集与扩散路径模拟模块，负责收集飞灰颗粒的相关数据，并模拟颗粒在流体中的扩散路径；

57、所述碰撞与随机游走跟踪模块，结合碰撞模型和随机游走模型，模拟颗粒在遇到固体表面时的反应，调整颗粒的速度和方向及记录碰撞后颗粒的行为；

58、所述脱除率计算模块，统计被捕捉的颗粒和未完成的颗粒数量，计算整体的粗颗粒飞灰脱除率。

59、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法中任一项所述的方法的步骤。

60、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现一种粗颗粒飞灰脱除率的统计方法中任一项所述的方法的步骤。

61、本发明的有益效果：本发明提供了一种更为精确和全面的粗颗粒飞灰脱除方法。通过结合颗粒破碎模型和随机游走跟踪模型，本发明不仅提高了飞灰脱除效率，还能够在复杂的工业应用环境中实现精确的颗粒行为控制。这种方法的实施可以显著降低由于颗粒磨损造成的设备损耗和维护成本，同时减少环境污染。此外，本发明利用先进的计算模型和实时数据处理，提高了系统的适应性和灵活性，使其能够在不同操作条件下维持高效的脱除性能。这些改进不仅有助于满足越来越严格的环保法规，还为烟气处理技术的发展提供了新的技术路径。通过实时监测和自动调整处理参数，本发明显著提升了工业系统的经济效益和环境绩效。