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行业知识

生物质燃烧机颗粒燃料和氧气配比的研究

生物质燃烧机颗粒燃料和氧气配比的研究

摘要:电厂采用的生物质燃烧技术应达到稳燃、低污染、防结渣及防高温腐蚀的要求。中国电厂燃用生物质的生物质质偏差,生物质种多变。在燃用这些生物质的时候,锅炉的稳燃能力较低。针对这些问题,提出中心给粉旋流生物质燃烧技术。由于生物质燃烧机的气固流动特性对生物质燃烧机的性能有很大的影响,利用可实现的肛£和Lagrangian随机轨道模型对中心给粉旋流生物质燃烧机的气固两相流动进行数值模拟,并将计算结果和三维相位多普勒测速技术(Phase-Doppler anemometry,PDA)试验结果进行详细比较,计算值和试验值速度分布的趋势基本相同。计算和试验结果表明,在轴向方向产生了回流区,切向速度分布出现典型的Rankine涡结构,中心线咐近区域的径向速度小。当颗粒的轴向速度衰减为0之后,颗粒的运动方向发生偏转,开始向后上方运动。颗粒迂回型运动轨迹延长了生物质在回流区中的停留时间。

我国动力用生物质的特点是生物质种多变,生物质质偏差。国内采用旋流生物质生物质燃烧机的锅炉,基本是引进国外技术制造的。由于发达国家燃生物质的生物质质为优质生物质,国外的燃烧技术在燃用中国的难燃生物质时,存在低负荷稳燃能力差、NO。排放量高、高温腐蚀等问题。

    VAR DE LANS等‘11的研究表明,生物质颗粒在旋流生物质燃烧机回流区内的运行轨迹和停留时间将直接影响生物质燃烧机NO,的排放水平。数值模拟对强旋湍流气固流动特性,并对生物质燃烧进行了模拟。XU等‘41利用PDA测量了开缝钝体生物质燃烧机的气、固两相的平均速度和脉动速度分布,得出了颗粒粒径和颗粒体积流量的分布规律。ZHOU等‘51研究了生物质燃烧机的气、固两相的流场结构和混合机理。近年来,随着计算机的快速发展,数值模拟得到了广泛的应用[6-7]。GU等‘81利用数值模拟的方法研究了一、二次风的混合特性对旋流燃烧器NO。的影响。王志强等‘91采用试验和数值模拟的方法研究了中二次风摆角对炉内流场的影响。

    哈尔滨工业大学提出了中心给粉旋流燃烧器[10-14],在燃用贫生物质、烟生物质、劣质生物质的大容量锅炉上先后应用,实现了高效、稳燃、低污染、防结渣及防高温腐蚀[10-11]。旋流生物质燃烧生物质燃烧机喷口结构比较复杂,都是由多重直流、旋流同心射流形成的独特两相流动来保证生物质燃烧机的性能。本文对中心给粉生物质燃烧机的气固两相流动特性进行了数值模拟,分析了气固两相流动特性对生物质燃烧机性能的影响,并与PDA试验结果进行了对比,对计算模型进行了验证。

1  试验系统和测量方法

    PDA是基于多普勒原理工作的,可以测量两相流动的速度、粗径及颗粒体积流量分布[15-18]。本试验采用丹迪公司生产的三维PDA。试验台主要由风机、给粉机、生物质燃烧机模型、试验段和三维PDA等组成,结构简图如图1所示。风机将风送到风箱,然后通过各自的风管分别为生物质燃烧机的一次风、内二次风和外二次风供风。由给粉机向一次风管供粉。PDA通过测量窗进行测量。试验段简体直径为850 mm,生物质燃烧机最外层扩口直径(即生物质燃烧机直径1为176 mm,两者直径比为4.83,大于3.00,生物质燃烧机射流的流动为低受限流动。玻璃微珠的密度是2 500 kg/m3,平均粒径是42 jLm。

    模化对象为某厂1 025 t/h锅炉所用中心给粉旋流生物质生物质燃烧机,生物质燃烧机模型中(图1)的一次风管中没有安装浓缩器,由给粉机向浓一次风中供粉,相当于一次风中的颗粒全部浓缩到浓一次风中的极限情况,试验参数见下表,表中颗粒质量浓度是玻璃微珠的质量流量与一次风中空气质量流量的比值。对沿射流方向的7个截面的三维速度进行了测量,生物质燃烧机中心线附近测点较密。每个点采样3 000个,用0~8 Um的玻璃微珠示踪气相流动特性,用10~100 Um的玻璃微珠示踪固相流动特性。

2数值模拟

    在生物质燃烧机的模拟中,所构建的物理模型与文中生物质燃烧炉模型完全相同。

    本章计算中,将整个计算域分为两个依次联结的部分,入流信息通过前一个计算域的传递,以数据文件的形式进入第二个计算域,从而完成最终流场的计算。整个计算域是从一次风管开始,至燃烧器出口截面800 mm的距离,直径为800 mm的范围,将整个计算域划分为内二次风轴向叶片区域、外二次风切向叶片区域和生物质燃烧炉一次风管及出口区域。内、外二次风区域采用三维非结构网格。在一次风道和生物质燃烧炉区域的模拟中,采用二维轴对称结构四边形网格,如图2所示。图2生物质燃烧炉及出口区域网格    为了尽可能减少伪扩散的影响,避免由于回流产生的压力计算不准确,在生物质燃烧炉出口采用分块划分网格,尽量使来流方向与网格方向保持一致。并在生物质燃烧炉喷口区域进行网格细分,以获得较好的收敛结果。

    以FLUENT 6.2.16软件作为计算平台,采用可实现肛s模型来模拟气相湍流流动。因为固相的流动为稀疏悬浮流,颗粒相体积分数很小,可忽略计,所以采用离散相模型(Discrete particle model,

DPM)中的拉格朗日随机轨道模型来模拟固相的流动,气相与固相之间的耦合计算采用计算单元内颗粒源项算法(Particle source in cell,PSIC)。采用有限差分法来离散微分方程,对控制方程的求解采用SIMPLEC算法,二阶迎风差分格式。

3  结果与讨论

3.1生物质燃烧炉出口流场

    图3为通过数值计算得出的生物质燃烧炉出口流场速度的分布图。从图3中可以看出,生物质燃烧炉出口射沆在旋转的内、外二次风及扩口的导向作用下,以一定的射流扩展角射入空间。在生物质燃烧炉的中心区域存在回流区。在射流发展的过程中,一次风速逐渐衰减至零,此后速度变为负值,开始出现“心”形中心回流区。可以使更多生物质颗粒在惯性的作用下,进入中心回流区,使生物质在回流区的停留时间变长,有利于生物质的着火、稳燃。风速v/(m.s-l)

3.2流场计算结果与试验的对比

    图4为生物质燃烧炉出口7个截面轴向速度计算结果和试验结果,7个截面分别位于x/d=0.1,0.3,0.5,0.7,1.0,1.5和2.5的位置上。从图4中可以看出,计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。在x/d=0.1~0.7这4个截面,计算值和试验值的速度分布呈双峰分布,靠近壁面的峰区为二次风流动区域,靠近中心的峰值始终高于靠近壁面的峰值。随着一次风粉向二次风的扩散,二次风向边壁扩散,两个轴向速度峰值逐渐减小,靠近的壁面的轴向速度峰值逐渐增加,峰值位置向边壁移动。在x/d=0.1的截面出现中心回流区。

    和试验值相比,计算值的二次风轴向速度衰减较慢,且外侧峰值位置更加靠近边壁。在x/d=l.0~2.5之间的截面,计算值的二次风轴向速度峰值依然存在;模拟的中心区域的轴向速度衰减快。分析产生差异的原因,可能是数值模拟中,湍流模型本身就存在机理上的不足。虽然可实现尼一s模型与标准的k一s模型相比,建立了新的耗散率方程和可实现的旋涡粘性方程,但是它仍然属于k-a模型的范畴内,适合于模拟各向同性的湍流。但是由于工程计算的精度相对要求低一些,同时其形式简单,计算量小,所以在现有条件下,一些工程计算中仍然以此来计算实际的强旋流动问题。

    图5为生物质燃烧炉出口7个截面径向平均速度计算结果和试验结果的分布图。从图5中可以看出,计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。计算结果和试验值在生物质燃烧炉出口至x/d=0.7截面,气、固两相径向速度分布呈双峰结构,靠近生物质燃烧炉中心的峰区为一次风粉流动区域,外侧峰区为二次风流动区域,靠近外侧的峰值始终高于靠近中心的峰值;随着一次风粉向二次风的扩散,二次风向边壁扩散,两个径向速度峰值逐渐减小,两个峰值位置向边壁移动。

    在生物质燃烧炉出口至x/d=0.7截面,中心给粉燃烧器在中心线附近的径向速度为负值,说明一次风粉流向中心线移动,从而使中心线附近的颗粒浓度增加。与试验值相比,计算结果的径向平均速度的外侧峰值速度偏高,峰值位置更加靠近边壁。随着射流进一步发展,计算结果和试验结果所得的径向平均速度趋于平缓。

    图6为生物质燃烧炉出口7个截面切向平均速度计算结果和试验结果的分布图。从图6中可以看出,计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。在x/d= 0.3的截面,切向速度分布是典型的Rankine涡结构,中部比较窄的区域是似固核区,外围较大的区域似自由涡区,两个截面的速度分布非常接近。模拟的切向平均速度从x/d=l.0开始,切向速度峰值位置向中心线方向移动;试验测得的切向平均速度从x/d=0.7开始,切向速度的峰值位置向中心线方向移动,说明靠近中心区域的风粉混合物在二次风的带动下,开始旋转;随着射流的发展,切向速度分布趋于平缓。与试验结果相比,计算出的二次凤切向平均速度衰减较快。

3.3  颗粒运动轨迹特性

    图7为颗粒运动轨迹图,图8为计算得出的中心回流区,这里只考虑气相对颗粒相的作用,不考虑颗粒对连续相的影响,认为是一个单向耦合的过程。本文跟踪了粒径为42 Um的颗粒随机运动轨迹。从图7可以看到,大部分颗粒集中在中心线区域,跟随一次风进入测量体。当颗粒的轴向速度衰减为2009年12月陈智超等:中心给粉旋流生物质颗粒燃烧机气固两相流动的数值模拟0之后,颗粒的运动方向发生偏转,开始向后上方运动,进入中心回流区中,并逐渐与二次风混合。颗粒迂回型的运动轨迹,在一定程度上延长了颗粒的停留时间。

4结论

图8  中心回流区

    (1)计算和试验结果表明,在轴向方向产生了中心回流区,切向速度分布出现典型的Rankine涡结构。由于可实现k-a模型在模拟强旋流动中具有机理上的不足,导致计算值和试验值存在一定的误差。

    (2)利用随机轨道模型,跟踪了粒径为42 Um的颗粒随机运动轨迹。大部分颗粒集中在中心轴线区域,跟随一次风进入测量体。当颗粒的轴向速度衰减为0之后,颗粒的运动方向发生偏转,开始向后上方运动,进入中心回流区中,并逐渐与二次风混合。颗粒迂回型运动轨迹延长了生物质在回流区中的停留时间。

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点击次数:  更新时间:2017-07-12 21:50:44  【打印此页】  【关闭
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