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行业新闻

垂直浓淡生物质燃烧机内气固两相流的数值模拟

垂直浓淡生物质燃烧机内气固两相流的数值模拟

摘要:采用了高效降低NOx燃烧技术的垂直浓淡生物质燃烧机得到用户的广泛应用,其分离性能是降低NOx的关键因素,它不仅受导流板角度、弯头角度和分隔板长度的影响,也与煤粉粒径密切相关。以某垂直浓淡煤粉生物质燃烧机为研究对象,采用数值模拟对一次风通过浓淡生物质燃烧机后煤粉气流分布规律进行了模拟,分析了弯头角度、导流板角度、分隔板长度和煤粉粒径对分离效果的影响。结果表明:弯头角度对分离性能起决定性的作用,角度大于600时,浓侧煤粉浓度已接近于l;导流板角度增加时,浓淡煤粉分离性能得到优化,但同时又增加了浓淡侧的速度偏差,最大速度偏差达到30m/s;分隔板过短不利于煤粉分离;过长又增加了速度偏差;大粒径的颗粒的分离性能是小粒径的1. 12倍;真实的煤粉气流由于富含小颗粒,实际更加难以分离。研究所得结论可为该生物质燃烧机的设计和运行提供参考。

引  言

    为满足国家环保制订的NOx排放的最新标准‘o,2012年起国内大部分的火电厂都必须增设脱硝装置。为了减小脱硝系统的规模、降低运行成本并保证最终脱硝系统出口NOx的浓度,一般需要先通过燃烧的方法把脱硝系统入口的NOx浓度控制在400 mg/m3以下[。煤粉生物质燃烧机是锅炉燃烧系统中的关键设备,不但对锅炉燃烧的可靠性和经济性起着主要作用,还对NOx的生成量起关键作用。经

过特殊设计的低NOx生物质燃烧机,降低着火区的温度和氧气浓度,实现空气分级燃烧,是抑制NOx生成的重要途经。

    垂直浓淡煤粉生物质燃烧机作为低NOx生物质燃烧机的一种,由于具有煤粉浓度可调,能够满足高效、稳燃、防结渣和抑制NOx生成等优点而日益受到广泛应用卧羽。随着数值计算方法的普及,国内学者对浓淡煤粉生物质燃烧机内气固两相流特性的研究增多,但多集中在弯头的影响或者是生物质燃烧机中的某一个部件卧明,知撞击块、文丘里、百叶窗等且对浓淡燃烧器分离煤粉效果的研究o -嘲,而全面研究这些部件协调作用的文献尚未见报道。

    实际上,低NOx生物质燃烧机最终分离煤粉的效果必然是弯头与生物质燃烧机自身分离综合作用的效果,因而,把它们当作一个整体来综合研究非常有必要。为此,本研究以某垂直浓淡煤粉生物质燃烧机为研究对象,采用数值模拟方法对其分离煤粉的规律进行模拟,分析导流板、弯头角度、分隔板长度和煤粉粒径对分离器效果的综合影响,以期为今后分析类似问题提供借鉴。

1  研究对象概况

    张家口电厂3号机组为国产300 MW亚临界纯凝汽式机组,2011年采用双尺度燃烧技术对锅炉进行了改造,将原有生物质燃烧机改造为垂直浓淡煤粉燃烧器,其结构原理如图1所示。受离心力作用,风粉混合气流在弯头内进行了初步的浓淡分离后,进一步由生物质燃烧机内的导流板继续分离,形成浓淡两股煤粉气流,由于稳燃钝体是上下两侧,浓淡一次风以不同的角度进入炉膛燃烧。浓淡分离效果随着导流板角度和弯头角度的不同而变化。一、二次风采用不同的射流方向:下端部风及一次风射流方向为顺时针方向,二次风为逆时针方向,二者的配合最终使切圆旋转方向为逆时针方向。为保证生物质燃烧机的运行安全,在节点功能区还采用了较犬的贴壁风组件,同时主生物质燃烧机上方5—6 m处布置4层分离SOFA燃尽风,以提高煤粉的燃尽程度。

2  数学模型及数值计算方法

2.1  气相流动的数学模型

    浓淡煤粉生物质燃烧机内气相流动基本属于无旋或弱,因此选用RNG七一占模型对气相流动进行模拟计算,该模型可以很好地反映气相流动。RNG七一s模型来源于严格的统计技术,其在直角坐标系中的偏微分方程组为:三个坐标轴方向的分速度;p。一气体的真实密度;妒一通用变量;f。一通用系数;S。一源相。

    方程的求解采用SIMPLE算法,入口边界为速度入口边界条件,假设来流速度充分发展且分布均匀;出口边界为压力出口边界条件。对于壁面附近区域,用标准壁面函数法修正同。

2.2颗粒相流动的数学模型

    在充分考虑气固两相流动实际特性的条件下,颗粒相做如下处理:

    d)考虑了颗粒相与连续相的相间耦合;

    Q)考虑了重力,大气压力,气流曳引阻力对颗粒相运动轨迹的影响;

    (3)颗粒相在壁面处满足没有能量损失的完全弹性碰撞条件嘲;

    半)不考虑热泳力,布朗力对颗粒相运动轨迹的影响;

    6)颗粒相假定为大小均匀的球形,对其跟踪伎用随机轨道模型,考虑颗粒相的湍流扩散,计算了颗粒的随机轨道及沿轨道的变化经历。

2.3  网格划分

    由于模型结构的复杂性,在划分网格时将模型划分为4个部分,弯头和主生物质燃烧机用Hex/Wedge网格划分,混合室用六面体结构化网格划分,圆方接头用四面体非结构化网格划分,总网格数大约为40万个。通过对不同数量级的网格进行模拟计算以及对网格的敏感性无关性检验,最后确定该网格密度符合要求,大量使用结构化网格有利于提高数值计算的速度和迭代收敛速度。迭代计算的残差为10'3数量级.可以满足计算精度要求。模型及网格划分

2.4计算工况

    为了研究不同前置弯头角度和导流板角度对燃烧器内两相流动及煤粉颗粒分离能力的影响,以导流板角度a=0。、30。、45 0、60。、80。、90。和弯头角度日=10。、45 0、600、90。,进行了正交数值模拟试验,共24个工况;计算条件尽可能接近实际工况:进口气流速度26 m/s,煤粉颗粒粒径50 ym,流量为4.18kg/s,此时煤粉浓度为0.813 kg/m3。

    为了研究分离器分隔板长度对分离效果的影响,选择了对分隔板长度/最短长度0 cm和最大长度85.2 cm,两种工况进行模拟计算,并与原设计分

器分隔板长度L为41.2 cm时的工况进行了

    为揭示该分离器对不同粒径的煤粉的分离效果,选择对粒径为100 ht,m的煤粉和真实煤粉在弯头角度日=io。、导流板角度d=300的分离器内流动进行了数值模拟计算,并与原粒径为50 ym煤粉的流动情况进行了对比。

3  数值模拟结果

3.1  弯头对分离效果的影响

    图3是描述导流板角度d为30。时带有不同结构前置弯头的浓淡煤粉分离器内的颗粒相轨迹,图4显示了各工况下生物质燃烧机出口浓淡侧气流的速度偏差。非常明显的是,煤粉气流在通过弯头后,在离心力与弯头的挤压力的共同作用下,密度大、惯性大的煤粉大都集中在了流道的外侧,随着弯头角度日的增加,这种分离煤粉的能力呈上升趋势,当弯头角度日为90。时,在淡一次风出口甚至已经基本看不到离散相的轨迹。由图4可知,随着弯头角度的增加,浓淡侧速度偏差略有减少。这是因为,由于弯头离心力作用产生的强二次沆使主流中的高速流体沿着弯头的对称横剖面向外壁流动,弯头角度越大,高速气体越集中于分离器上部,但由于分离器上部弯曲板的存在,偏向淡侧的弯曲板使得更多密度小、惯性小的高速气体转向淡侧,从而使得气体在流经弯曲板后,淡侧的气体速度增加,而浓侧的气体速度有所减小。

    力了更好地分析弯头对分离效果的影响,定义通过浓侧出口的颗粒质量占总质量的百分比为浓侧的煤粉浓度,图5显示了生物质燃烧机浓侧出口煤粉浓度随弯头角度变化的规律。可以看出,其它导流板角度下生物质燃烧机分离煤粉的能力与导流板角度为300时趋势非常类似,当弯头角度大于60。时分离器的分离能力基本没有明显变化。

3.2导流板的影响

    浓侧煤粉浓度随导流板角度的变化规律,如图6所示。从中可见,各种弯头条件下的规律趋于一致,浓侧出口煤粉浓度都随着导流板角度的增加而增加,增加的趋势在60。后变缓。显然,当导流板角度增大时,一方面由于导流板对煤粉颗粒的阻挡,使煤粉颗粒在惯性作用下与气相分离,导流板的相互作用将煤粉颗粒带一直引入浓侧喷口,增强分离效果;另一方面,导流板角度增大后又使一次风更偏向于浓侧,同时,大角度导流板后的逆压梯度区增大,导流板之间的不连续流道的面积随之增加,使浓侧通过导流板间隙流向淡侧的气流减少,从而增大了浓淡侧一次风的速度偏差,这对提高生物质燃烧机喷嘴寿命、提高煤粉燃烧的稳定性、减少结渣和高温腐蚀和降低NOx的排放都是不利的“羽。

    图7为弯头角度100,导流板角度分别为30。和90。时的静压分布图,从中可知,当导流板角度为30。时,分离器压降仅为2 kPa,而导流角度升高到限值90。时,压降达到了3 kPa,这是由于气流进入淡侧时流通面积缩小后再扩张,存在节流掼失,导流板角度增大,使得淡侧气流的通流面积更为缩小,气流节流损失增加,从而使得分离器压降增大。较大的压降阻碍了一次风通过分离器的能力,要求磨煤机增大出力,可能会影响机组的正常运行‘阎。

3.3  分隔板对分离效果的影响

    为了研究分离器分隔板长度对分离效果的影响,选择了分隔板长度L分别为0 cm和85.2 cm两种工况进行模拟计算,选择L为85.2 cm是因为此时分隔板与导流板刚好相连,并与原设计分离器分隔板长度L为41.2 cm做了比较。图8分别为/=0cm和L=85.2 cm时的静压分布图。由图8臼)可知,由于分隔板离导流板距离过远,在分隔板前,浓淡侧静压趋于一致,大量携带煤粉的一次风绕流导流板从浓侧转向淡侧,且完全不受分隔板的阻碍,使得分离器的速度偏差减小,分离效果变差。在此工况下,浓侧煤粉浓度为0. 76,压降1.95 kPa,浓淡侧速度偏差10.6 m/s。分隔板过长,分离效果略有增强。由文献[16]可知,对煤粉浓缩起到关键作用的是两级导沆板,由于导流板的对煤粉颗粒的阻挡,浓煤粉在导流板表面形成一条高浓度浓缩带,导流板与分隔板的相互配合将煤粉颗粒带一直引入到浓侧喷口,因此导流板与分隔板之间遮盖度和间距的配合将直接影响颗粒带的走向。这对分离器分离煤粉起主要作用。分隔板长度加大,阻碍了进入浓侧的一次风绕流导流板,浓淡侧速度偏差增大,但空气黏度携带,对分离器分离煤粉起次要作用,故分离效果只是略有增强。由图8 b)可知,分离器阻力也有所加大。在该工况下,浓侧出口煤粉浓度为0. 83,压降为2.2 kPa,浓淡侧速度偏差达到了15.1 m/s,大大高于原设计分离器的压降和速度偏差。原设计分离器浓侧出口煤粉浓度为0. 81,压降为2 kPa,速度偏差为11.4 m/s。图9为不同分隔板长度下的颗相运动轨迹示意图。

3.4  粒径对分离效果的影响

    为揭示该分离器对不同粒径的煤粉的分离效果,选择对100 ht,m的煤粉和真实煤粉在弯头角度日=10。、导流板角度d=300的分离器内流动进行了数僮模拟计算,保持分离器其它边界条件不变。选择该工况的原因是,此时淡侧出口处煤粉浓度较高,更换粒径后,可以明显地观察浓度变化。真实煤粉颗粒粒径按Rosin - Rammler分布,最小直径20·576.最大直径200 ym,平均粒径50 ym,煤粉均匀fl生指数为1.1。图10 6)和图10 b)分别为50和100卜Lm两种粒子在该工况下的离散相轨迹。可以看出,分离器对100 ym粒子的分离效果略好于对50 ym粒子的分离效果。这是因为100 ym大粒子由于惯性大,在管道内不易随气流湍流发生弥散,很少能跟随气流绕过导流板进入淡侧。显然,颗粒越大,分离效果越明显。该工况下,100 ym煤粉的分离效果为50 ht,m煤粉分离效果的1.12倍。同时浓淡侧速度偏差亦有所减少,这是由于100 ym粒子由于惯性大,不易随浓侧气流加速,从而使浓侧出口一次风风速有所降低,该工况下输运100 ht,m粒子的浓淡侧速度偏差仅为7.83 m/s,输运50 ym粒子的速度偏差为11.4 m/s。

  为真实煤粉的轨迹,由图可知,对该颗粒的分离效果不如对50 ym粒子的分离效果,因为真实煤粉中存在着大量粒径小于50 ht,m的粒子,小粒子能通过导流板间隙进入淡侧,减弱了分离器的分离效果。在此工况下,浓侧出口煤粉浓度为0.70。该分离器50 ym浓侧出口煤粉浓度为0.81。

4应用效果

    张家口电厂3号炉的实际应用中,导流板运行角度为30。,分隔板长度L为41.2 cm,弯头均为900。根据数值模拟结果可知,该条件下分离器可以保证较好浓淡分离效果的前提下,能较好地控制了浓淡侧的速度偏差,达到降低NOx的目的。这与数值模拟的结果一致。改造后,机组在300 MW负荷、氧量6%的条件下,NOx排放量大为降低,浓度仅为226.79 mg/mi,取得了非常好的效果,也进一验证了数值模拟的准确性和指导性。

5  结论

    采用数值模拟的方法对有不同导流板角度、弯头角度和分隔板长度的浓淡分离器内的气固流动特性进行了模拟,数值模拟结果表明:

    d)弯头的角度对浓淡分离器分离煤粉的能力起着决定作用,介离效果随弯头的角度单调递增,角度越大,浓淡分离的效果越显著。在角度大于60。后,由于浓侧出口煤粉浓度已接近于1,继续增大弯头角度,对分离效果的增强影响不大。且增加弯角度可以抑制部分速度偏差。

    Q)导流板的角度对浓淡分离器性能的影响没有弯头明显,但仍不可忽略。导流板角度增大,分离器分离效果增强。但过大的导流板角度会急剧增大浓淡侧的速度偏差,导流板角度为90。时,浓淡侧速度偏差达到了30 m/s;同时也加大分离阻力,阻力较正常运行加大了1 kPa。这对于分离器的运行都是不利的。选择合适的导流板角度显得尤为重要。

    G)分隔板过短分离效果降低,浓淡侧风速趋于平衡。分隔板过长浓淡分离效果略有增强,但分离器阻力增加,风速差亦显著增加。

    半)粒径大小对分离器的性能也有很大的影响。大颗粒的分离效果较小颗粒增加0. 12倍,垂直浓淡煤粉生物质燃烧机内气固两相流的数值模拟

侧风速越趋于平衡。真实煤粉由于富含小颗粒,而使分离效果下降,仅为均匀粒子的86%。

    6)弯头角度过大,会导致煤粉对弯头管壁的冲击作用增强,弯头磨损加剧。优化导流板的角度,可以在减小弯头磨损的条件下,也可以取得不错的分离效果,这需要设计人员根据实际情况更好地设计分离器。


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点击次数:  更新时间:2017-03-09 13:37:35  【打印此页】  【关闭