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行业知识

生物质燃烧机空气动力场的数值研究

生物质燃烧机空气动力场的数值研究

搞要:生物质是一种以煤代油的新型洁净环保燃料。对水煤浆燃烧机的空气动力场进行了数值模拟,分别研究了一次风扩口角度、二次风扩口角度和二次风旋流强度等燃烧器结构参数对流场的影响,研究结果表明,一次风扩口角度的增加使回流区由大变小;二次风扩口角度和旋流强度的增加均使回流区增大;此类燃烧器釉向速度以“M”形分布,切向速度以“N”形分布,出口处形成一中心回流区;得到了一合理的燃烧器结构型式,该燃烧器既能保证稳定燃烧,又能有效防止结焦或结渣。研究结果为生物质燃烧器的设计、制造和运行提供了借鉴。

0  引言

    生物质是20世纪70年代世界石油危机时发展起来的一种以煤代油的新型洁净环保燃料,由60%~70%的煤粉与40%~30%的水及少量添加剂混合而成。由于存在水份蒸发过程,延迟了生物质的着火时间,增加了着火热,其所需着火热为同种煤粉着火热的1.6 6~1.87倍‘1]。生物质燃烧机因其能卷吸大量的高温烟气来加热生物质,使生物质顺利着火并保持稳定的燃烧,故在工业和电站锅炉中得到了广泛的应用。

    燃烧机的燃烧效果很大程度上取决于炉内空气动力场。炉内空气动力场的研究以往主要是实验室冷态试验或实际锅炉的冷态测试。近十多年来,随着炉内空气动力场理论的形成,以及计算机技术和计算方法的迅速发展,使得炉内流场的数值求解成为了可能[7-12]。目前关于燃烧器及炉内流场的数值研究主要集中在煤粉燃烧器和燃气轮机燃烧室方面,而燃生物质锅妒及生物质燃烧器方面的研究鲜见报道。

    本文以生物质轴向可动叶轮式燃烧机为对象,采用CFD计算软件对单个生物质燃烧机的空气动力场进行数值模拟,研究燃烧器结构参数对其流场的影响,并通过优化燃烧器的结构参数,以获得既能稳定燃烧,又能有效防止结渣的旋流燃烧器,为生物质燃烧器的设计、制造和运行提供有益借鉴。

1  计算模型、基本方程和计算方案

1.1  计算模型

    研究的生物质燃烧机结构如图1所示,采用燃油点火,配压缩空气雾化喷枪。生物质燃料由供浆泵向喷枪输送,经压缩空气雾化喷出。鼓风机将一次风、二次风送入燃烧器,一次风为直流风,二次风经轴向可动叶片形成旋转气流,流出喷口后在中心形成回流区,卷吸炉内高温烟气至燃烧器出口附近加热并点燃燃料。

    计算域为单个燃烧机附近的区域,大致为两个燃烧器之间的水冷壁和炉膛。由于燃烧器几何形状并不规则,故采用非结构化网格划分计算区域。根据燃烧机出口附近的流场特性,对燃烧器部位进行网格细分以反映流场的剧烈变化,整个计算域网格数为100万左右,燃烧器的计算域及网格划分如图2所示。

1.2基本方程

    将气相视为连续性介质,在欧拉坐标系中描述。气相湍流采用新型可实现性k-8双方程湍流模型,它是Shih于1995年提出的带旋流修正的k-8方程,解决了标准“£模型[151中的扩散问题,能较好她反映燃烧器出口处气流旋转流动特性。三维气相流动可实现性k-8方程湍流模型的控制方程可写成如下统一形式.

其中(p为通用变量,“、v、w分别为x、y.z方向上的速度分量,p为流体密度,Fcp为各方程变量的扩散系数,品为由气相引起的源项。式中连续性方程及动量方程的扩散系数及源项的具体]。而对于后及£方程,因其采用了改进的旋涡粘度,从而建立了新的扩散方程。

    对于庀方程,扩散系数Fcp=肚。ff/(Jk,源项S(p=Gk-p£;对于£方程,扩散系数Fcp="。fi/(J。,源项s十=pC.S8 - pC2£2/(k+√肚£/p)。其中¨。fr为有效粘度系数;(。和6。分别为庀方程和£方程的湍流普朗特数;G。为由于平均速度梯度产生的湍流动能;S为速度变形张量的模;C,和C2为模型系数[14]。

    模拟过程中选用的模型常量分别为:彳。=4.04;  C2 =1.9;Ok =1.0;OE =1.2.

1.3  讣算方案

    为了增加可比性,在模拟计算过程中,保持一二次风量比不变,一次风占15%,二次风占85%。对生物质燃烧机的一次风、二次风扩口角度及二次风旋流强度‘18]对空气动力场的影响进行研究。表1列出了研究计算方案。采用SIMPLE方法进行求解。采用速度入口和压力出口的边界条件,在壁面和湍流核心区应用壁面函数法[19]。为避免非线性问题的发散,采用欠松弛系数法。收敛判据为流场迭代的残差<10-4,进出口流量误差<1%。

2  计算结果与讨论

2.1  一次风扩口角度对冷态流场的影响

    图3示出了二次风扩口角度为300,二次风旋流强度为1.05时,一次风扩口角度对生物质旋流燃烧器回流区的影响。在燃烧器出口附近,随着扩口角度的增如,中心回流区稍有加大。这是因为在一次风扩口处,一次风气流与二次风气流刚好相遇,发生动量交换,二次风高速气流卷吸一次风低速气流,在流场中心形成回流。同时随着一次风扩口角度的增大,扩口宽度也变大,中心气流的回流余地增大,且一次风与二次风相遇的位置离中心线变远,因而中心回流区存在增大的趋势。在燃烧器较远处,中心回流区开始发生衰减,随着一次风扩口角度的增大,衰减速度加快,中心回流区宽度变窄,回流区长度减小。因为一次风扩口角度的增大,使得二次风出口截面积变小,在风量和其他条件一定的情况下,二次风主流气流速度会增加,在二次风扩口壁面的阻挡和中心负压的共同作用下发生反弹,挤压中心回流区,从而使中心回流区的宽度变窄,长度变小,回流量减少。

2.2  二次风扩口角度对冷态流场的影响

    图4示出了一次风扩口角度为200,二次风旋流强度为1.05时,二次风扩口角度对生物质旋流燃烧器回流区的影响。随着二次风扩口角度的增加,回流区和回流量都有着明显的增加。当二次风扩口角度为350时,旋流气流量较大,旋转强烈,但回流区尾部开始出现开放的迹象,当扩口增至400时,气流被壁面和射流之间的负压区吸引,形成完全开放气流,从燃烧器一出口就贴墙运动,即形成所谓“飞边”现象‘20]。虽然此时水媒浆燃烧器出口处形成宽大的回流区,可以卷吸高温烟气的大量回流,但是这样的贴墙气流容易引起锅炉结渣并使燃烧效率降低。

2.3  二次风旋流强度对冷态流场的影响

轴向叶轮式燃烧机借助叶轮的轴向位移改变叶轮外围直流风通道的截面大小,以改变通过叶轮的旋流风和通过叶轮外围的直流风之间的比例,达到调节气流旋转强度的目的。当叶轮在最前位置时,全部空气经过叶轮,旋流强度达到最大值。当叶轮后移时,在叶轮外缘和锥套之间形成一个锥状的环形通道,部分空气直接无旋转通过,使总的气流旋流强度降低。图5示出了一次风扩口角度为200,二次风扩口角度为300时,旋流强度S对炉内空气动力场的影响。随着旋流强度的增加,回流区和回流量都有着明显的增加,当S =1.11即叶轮在最前位置时,气流呈现半开放状态,回流区和回流量较其他两种旋流强度要大。回流区和回流量的增大有利于回流高温烟气,使生物质稳定燃烧,但是随着气流的开放,射流扩展角增大,易产生贴墙运功,导致火焰发散。特别是对于一些炉膛较小的锅炉,易造成火焰贴壁现象引起锅炉结焦或结渣,因此,旋流强度的选择应在一个合理的范围内。

2.4燃烧器理想冷态流场分布

    通过上述研究可以发现,当燃烧器一次风扩口角度为200,二次风扩口角度为300,二次风旋流强度为1.05时,燃烧器出口处形成较为理想的冷态空气动力场,具有良好的回流特性,这样较大的回流区和回流量有利于生物质的稳定着火和燃烧,图6为燃烧器出口处速度分布。由图6(a)可知,在燃烧器出口附近,轴向速度存在最大值和最小值,并以“M”形分布。随着射流的发展,其轴向速度逐渐衰减,分布趋于平缓。燃烧机出口处形成的回流区在旋转射流的主体段上迅速变宽,在距燃烧器出口较远处,回流区逐渐变窄。由图6(b)可见,燃烧器切向速度呈现出对称于射流中心的分布特点,随着射流的发展,切向速度逐渐衰减,并以“N'’形分布,体现出轴对称旋转射流的连续性。回流速度的最高点位于出口处昀轴心位置,这对于在一次风出口处建立集中的高温烟气回流区加热火焰根部,防止炉内结渣都是十分有利的。

3  工程应用实例

    燃烧器是锅炉的核心设备之一,是燃料着火的关键,其性能的好坏直接关系到点火燃烧的稳定、燃料燃烬程度及负荷变动适应能力,影响到锅炉的安全经济运行。本文将优化得到的轴向可动叶轮式燃烧机应用于某企业QXS14-1.25/130/70-Y型原燃油改燃生物质锅炉,对其炉内燃烧过程进行了计算,并与实测结果进行了比较。该锅炉前墙上下布置两只燃烧器,布置位置与原燃油燃烧器相同。

    生物质的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程,它包括生物质预热、水份蒸发、挥发份析出和燃烧、焦炭燃烧与燃烬四个过程,涉及流体流动、传热传质和化学反应等‘1]。在进行生物质中水份蒸发计算时,假设煤的存在对水的蒸发过程没有影响,即完全忽略固相的存在对内部传热的影响,且认为浆滴中的水份均勾地分布在浆滴所占的空间中。生物质中气相湍流燃烧采用混合分数/概率密度函数模型,挥发份的析出采用双匹配速率模型,焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型,煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型,辐射传热计算采用Pl模型。对气相和颗粒相分别采用不同的处理方法,将气相视为连续性介质,在欧拉坐标系中描述;把生物质中的煤粉颗粒相视为离散相物质,在拉格朗日坐标系中描述,并考虑两相之间的质量、动量和能量的相互作用。

    数值计算结果表明,燃用生物质锅炉炉内最高温度为1638K,锅炉效率为86.75%,燃料燃尽率为95.66%。图7为满负荷工况下锅炉中心截面上的温度分布,燃烧器出口有一高温区,该高温区起始于一次风出口与二次风出口交汇处,随后径向向外扩展。鉴于生物质难于着火,需要提供较大的回流区,卷吸周围高温烟气以供给热量,这里,二次风经由旋流器形成旋转气流,流出喷口后在中心形成较大的回流区,卷吸炉内的高温烟气至燃烧器出口附近,从而更快地将生物质加热到着火温度并点燃,且二次风不断和一次风混合,使燃烧过程不断发展,臻于燃尽。除了中心回流区的高温烟气被卷吸外,在燃烧器喷出气流的外围也有部分高温烟气被卷吸。前墙上下布置的旋流燃娆器采用相同的气流旋转方向,虽然燃烧器之间中心处的切向速度会很小,但是速度梯度却很大,传热、传质较强烈,而且两燃烧器的火焰均能正常发展,基本上互不干扰。

    现场热态试验结果表明炉内充满度较好,气流无明显刷墙、贴壁现象,基本无结渣,炉膛温度为1598K,锅炉效率为87.97%,数值计算结果与实测结果较为吻合。研究结果表明,依据冷态空气动力场优化得到的燃烧器可以保证生物质的着火及稳定燃烧,具有较好的工程应用价值。

4  结论

    本文就生物质轴向可动叶轮式燃烧机结构参数对空气动力场的影响进行了数值模拟研究,主要结论为:

    (1)在燃烧器出口附近,随着一次风扩口角度的增加,回流区宽度变大,回流量增大;在燃烧器出口较远处,随着一次风扩口角度的增加,衰减速度加快,回流区宽度变窄,长度减小,回流量相应减少。

    (2)-次风扩口角度和旋流强度的增加均使回流区和回流量明显增加。但扩口角度或旋流强度过大易造成气流贴墙运动,引起锅炉结焦或结渣,并使燃烧效率降低。

    (3)所研究的生物质燃烧机的空气动力场特点是轴向速度以“M”形分布,切向速度以“N”形分布,旋转气流在燃烧器出口处形成一中心回流区,有利于稳定生物质的着火及燃烧。

    (4)工程应用实例表明数值计算结果与实测结果较为吻合,优化后的生物质燃烧机运行情况良好,燃烧稳定,可较好地防止结渣,保证生物质锅炉的安全运行。

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点击次数:  更新时间:2018-09-06 21:36:47  【打印此页】  【关闭