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行业知识

生物质燃烧机试验研究及数值模拟

生物质燃烧机试验研究及数值模拟

搞要:为掌握煤粉无油二级直接生物质燃烧机内部流动、燃烧特征,进行了试验和数值模拟。详细地分析了燃烧器内部速度场、煤粉颗粒浓度场和温度场,结果表明:在燃烧器第一级,其流动特征及煤粉颗粒浓度合理分布有利于加热管道对煤粉颗粒的点燃,点燃过程中加热管道的截面上有3种不同的温度分布;燃烧器第二级内部流动特征有利于气相的混合,第二级的火焰温度比第一级更高。最后把模拟结果同实验数据进行了对比分析。该文的分析结果对于煤粉无油二级直接生物质燃烧机的现场运行及其优化设计都有一定的指导作用。

1  引言

    煤粉锅炉无油点火技术的出现,解决了锅炉启动时的点火用油问题,大幅度地降低了锅炉的启动成本。当前主要的无油点火技术有等离子点火技术和高温热壁面点火技术‘3]。浙江大学首先提出的煤粉无油多级点火技术,是一种高温热壁面点火技术。该技术的特点是首先通过高温热壁面点燃一级煤粉,然后利用其高温烟气依次点燃后续煤粉。这样可以大幅度地减少直接点燃的煤粉量,使点火系统心型化,降低安装、制造成本和运行费用。

    浙江大学热能所对煤粉无油二级直接点火燃烧器进行了大量的试验,获得了宝贵的现场运行数据[4]。由于煤粉无油二级直接燃烧器的复杂性,应用现有的测量手段很难全面、详细的了解设备内部煤粉气流流动、燃烧的过程,这也是几乎所有燃烧系统热态试验都存在的问题[5-7]。数值模拟能够提供比物理模型的实验研究更多的信息。本文将热态试验与数值模拟相结合,深入分析煤粉无油二级直接生物质燃烧机在热态运行中,设备内部的流动、燃烧过程,并将模拟结果与试验数据进行对比分析。第11期    周俊虎等:  煤粉无油二级直接生物质燃烧机试验研究及数值模拟。

2实验系统

2.1风粉系统

    风粉系统包括给粉系统、风系统和风粉混合器。给粉系统由出力(20~80)kg/h和(200~500)kg/h的螺旋给料机组成,分别供给一次、二次煤粉。煤粉在风粉混合器中与空气混合,依次送入无油多级点火系统。试验煤种为开滦烟煤,煤质成分分析见表1。煤粉气流的浓度、速度均可通过给煤量和风量的控制进行调节。

2.2  加热点火和电源系统

    第一级煤粉气流由高温管壁面进行点燃,点火功率由电源进行控制。二级煤粉气流由已经点燃的一级煤粉火焰进行点燃。电源系统包括电源和电容柜,可以输出交变的电流,输幽功率为(lO~lOO)kW

2.3数据采集系统

    实验室主要的数据是温度信号,由热电偶、HP34970A数据采集系统获得。测量的温度主要包括一级点火系统加热管管壁温度、中心温度、出口烟气温度和二级点燃段径向温度分布。在点火系统一级出口处抽取一定量的烟气,采用气相色谱仪进行定量分析,确定气体成分。

3计算区域及网格的划分

  煤粉无油二级直接生物质燃烧机运行过程中,最重要的是加热管道内一级煤粉的点燃及其燃烧过程和一级煤粉气流与二级煤粉混合并点燃二级煤粉的过程。因此在计算的过程中,略去风粉系统(包括第一级进口前的蜗管)的模拟,专注于燃烧器第一级加热管道和第二级混合区域的模拟。

    由于第一级煤粉的点燃主要发生在壁面附近,因此在第一级加热管管壁附近采用了较为细密的边界层网格。与第一级加热管道相连的第二级区域是一级煤粉与二级煤粉混合、燃烧的主要区域,在这个区域采用较小步长的网格。图2是z=0平面网格的划分。

4数学模型

    模拟的过程是在商用软件Fluent平台上完成的,对相应方程的源项通过软件与C语言的接口User Defined Functions进行了修政。

    采用拉格朗日随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动[8]。沿着轨迹煤粉颗粒挥发分的热解采用Stickler的双挥发反应模型[9-10].固定碳的异相反应采用生成C02的整体效应,生成热32866 kj/Kg中相当于CO的生成热9235.47kj/kg加给煤粉颗粒,其余(相当于CO反应生成C02释放的热量)部分23630.53kj/kg加给气体,并采用动力燃烧与扩散燃烧共同控制[11]。辐射传热模型采用Monte-Carlo法[12]。

    采用k+-fg模型模拟气相的流动、燃烧过程,其控制方程可以表述为其中,扮别为直角坐标系中3个坐标轴方向的速度分量、湍流动能k、湍动能耗散率&总焓五、时均混合分数厂及其脉动均方值g;炉1时为连续方程;p为气相密度;乃是变量驴的扩散系数,S@为气相引起的源项或汇项,Spw=由于颗粒引起的源项,反映了煤粉颗粒对气相场作用。

5模拟结果

5.1模拟工况

    通过大量的试验发现:加热管道壁温850℃一级风粉混合物的进口速度15m/s,二级风粉混合物的进口速度20 m/s,进口温度22℃;一级煤粉浓度0.4kg/kg,二级煤粉浓度0.5 kg/kg的工况,是所

有工况中比较典型的。下面以该工况为例来说明设热态运行过程的模拟结果。

5.2气相流场

    计算区域中z=0平面,其中的流动状况对整个流场的流动具有代表性,可以由此平面上流场参数分布,对整个流场有一个初步的了解。一次粉气流进入第一级加热管道后,随着不断的被加热轴向速度逐渐上升,在燃烧器二级入口处达到最大。在第二级一级煤分气流与二级煤粉气流都是从管流进入比较开阔的区域,都存在着回流区,两个回流区相互重叠,有较大的湍流动能,这样会有比较好的混合状况。

5.3煤粉颗粒在流场中的分布

    考察煤粉颗粒浓度在燃烧器第一级和第二级的分布特征,茌x方向上取x= -1.406(第一级进口)、-1.0、-0.4、-0.2、0、0.1、0.3、0.394(出口边界)等8个截面。如图5、图6。

  一级煤粉气流是通过一个蜗管后进入第一级加热管道的,从图7可以看出,由于第一级加热管道旋流的存在,煤粉颗粒主要分布在加热管道的内壁上,并且随着管道加热燃烧的进行煤粉颗粒的总体浓度在减少。

    从图6可以看出,一级煤粉颗粒进入第二级之后浓度已经很低(如图6(a)),进入燃烧器第二级之后从中间向周围扩散。第二级煤粉进入第二级的混区域后,分成主要的两股,一股主要分布在前壁面,另一股主要分布在后壁面,并从壁面上向中间扩散,与一级煤耢气流混合。第二级煤粉发生了一定的贴壁现象。

5.4燃烧的模拟结果

    由于z=0平面、y=0平面上的温度分布在一定程度上能够说明整个温度场的特点,所以对温度场的讨论从z=0平面和y=0平面开始,如图7、图8。

    图9~图13是一次煤粉气流在燃烧器第一级加热管道内的情况。

    从图7~图1 1可以知道一次煤粉气流在燃烧器第一级加热管道内详细的燃烧情况。一次煤粉气流刚刚进入第一级燃烧器的时候,气流主要是通过与管壁对流换热获得热量。这时候的温度分布是从管道壁面到截面中心逐渐降低的,如图9(A)。随着一级煤粉气流在管道内的流动,截面上的温度分布发生变化:截面上从壁面沿径向首先是温度上升然后温度迅速下降,到中心时温度最低,如图9(B)。这是由于随着气流不断的被加热,煤粉颗粒释放出挥发份后其中的固定碳与氧气发生反应放热,造成了从壁面附近沿径向温度的上升。但是煤粉颗粒都集中在管壁附近,管壁附近的氧气大部分被消耗掉,氧气的浓度在壁面附近比较低,如图10(C).固定碳与氧气反应主要生成一氧化碳,放热较少,壁面附近的温度升幅不是很大。高温的一氧化碳主要分布在管道的近壁面,如图10(B),并向管道中心扩散。

一氧化碳在壁面与截面中心之间与氧气混合并燃烧生成二氧化碳,由于生成二氧化碳释放的热量较多,形成了一个高温区。一氧化碳数量还较少没有完全扩散到管道截面的中部,一氧化碳被燃尽后截面上温度急剧下降,中心温度最低。随着气流被进一步加热,截面上的温度分布再次发生变化:在管道中心温度最高,沿径向逐渐降低,管壁温度最低,如图9(C)、(D)。这是由于气流不断被加热,煤粉颗粒与氧气进一步反应产生大量一氧化碳扩散到整个截如图11(B)。在较高的一氧化碳浓度下,氧气的浓度主导了燃烧反应,氧气浓度越高反应就剧烈,该区域的温度也就越高。而此时管道中部氧气浓度高沿径向逐渐降低,如图11(C),所以温度的分布也与此类似。这种情况下相对于氧气的浓度可燃混合气的浓度已经很高。

    结合图7、图8,由图12和图13可以推断出燃烧器二级部分内部燃烧的详细过程。一级煤粉的高温烟气进入燃烧器二级部分之后,与二次煤粉气流混合,得到了充足的氧气进一步燃烧,火焰区域扩温度有所上升,对比图12(a)和图12(b)。氧气分布在整个二级区域,主导燃烧反应的主要是一氧化碳的浓度,如图13。从图12中可以发现火焰逐渐从截面中心向整个截面扩散。参考图6中燃烧器二级区域煤粉颗粒浓度的分布,可以推断较少的二级煤粉颗粒扩散到中部被一次粉气流的高温烟气点燃,所以在接下来的截面上高温区域变小,火焰温度有所降低,如图12(c)、(d)。最后高温烟气和没有燃烧的煤粉一起进入炉膛。

6模拟结果与试验数据的比较

    试验过程中测量的参数主要是第一级加热管道中心温度、第二级部分的径向温度、第一级出口处烟气成分。第一级中心温度的测量从入口lOOmm处开始测量每隔50 mm测量一个点,共测量11个点。在第二级取x=0.104(燃烧器一级出口附远)、x=0.184、x=0.2 64、x=0.334(单位:m)4个截面,在每个截面的y=0这条中心线上从距离壁面lOmm处开始每隔15mm测量一个点,每个截面中心线上共测量8个点。试验工况与模拟工况相同。试验结果与计算结果对比如图14、图15和表2。

    由图14、图15和表2可以看出模拟结果与试验结果比较接近。但是模拟数据和实验数据还存在着一定的差别。图14中,模拟结果是一条理想的“线”上的温度分布,而试验中传感器是有大小尺寸的,它测量的是中心线附近一块区域内的平均温度。在中心线附近随着燃烧的进行,温度梯度变得很大,造成了图14中实验结果与模拟结果的差异,并且这种差异随温度梯度的增大而增大。图15种两种结果差异比较小。表2中,由于测量时烟气是在第一级管道中心附近抽取所以与模拟结果相比燃烧比较充分。总的来说实验数据与模拟数据吻合比较好。

7绪论

    在燃烧器的第一级,加热管道内的一级煤粉气流存在比较强烈的旋流,所以煤粉主要分布在加热管道的近壁面,这有利于高温加热管道对煤粉气流的点燃;气流的轴向速度沿管道逐渐增大,到一级出口时速度最大。在燃烧器第二级,一级煤粉和二级煤粉都是从管流进入比较开阔的区域,都存在回流区,并且这两个回流区域重合,有着比较大的湍流动能。这种流动特点,有利于一级煤粉气流与二级煤粉气流的混合,促进一级煤粉气流在第二级进一步燃烧和二级煤粉气流的点燃。但二级煤粉气流发生了贴壁现象。第11期

    一级煤粉气流进入加热管道后,最初气相仅仅通过对流换热吸收热量,这种情况下加热管道截面上的温度从截面中心向管壁沿径向逐渐升高,壁面的温度最高。随着加热的进行,在管壁附近首先发生着火生成一氧化碳。由于氧气浓度分布的特点,一氧化碳在管壁和截面中心之间与氧气反应最剧烈,产生一个高温区域,这种情况下管道截面温度从管壁沿径向温度逐渐升高,然后又迅速的降低,截面中心温度最低。在加热管道的中后部,煤粉颗粒反应生成的一氧化碳已经扩散到了整个截面。这种情况下氧气浓度主导了反应的进行,加热管道截面上中心温度最高沿径向到管壁温度逐渐降低。实际上由于氧气浓度的降低,燃烧器第一级出口处温度相对于第一级的最高温度已经有所下降。一级煤粉气流的高温烟气进入二级混合区域后,得到了充足的氧气,火焰温度有所上升,并由中心向混合区域的边缘区域扩散,高温区域扩大。高温烟气和没有点燃的二级煤粉一起进入炉膛区域。

    试验结果与模拟结果相比较,趋势大体相同。在实践中可以将数值模拟与试验结合,对燃烧器的设计及运行都会有所帮助。


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点击次数:  更新时间:2017-04-15 21:02:20  【打印此页】  【关闭