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行业知识

基于 CFX 的双调风旋流生物质燃烧机数值模拟

基于 CFX 的双调风旋流生物质燃烧机数值模拟

基于 CFX 软件平台对 DRB-4Z 型双调风旋流生物质燃烧机的出口流场进行了数值模拟。结果显示:随着内二次风叶片角度的增大,回流区变长,回流直径变小,射流扩展角增大,最大轴向速度和最大切向速度的衰减变慢。随着过渡风速的增大,回流区变小,并且逐渐远离生物质燃烧机喷口。当过渡风速较小时,回流区伸入生物质燃烧机喷口;当过渡风速过大时,回流区大大减小,火炬刚性减弱。

20世纪90年代开始,电力工业对大机组的需求量迅速增加,燃煤发电技术不仅需要实现劣质煤的稳定、高效燃烧,而且应该具有更好的低负荷稳燃能力和经济性、煤质适应性等。特别是90年代中期新的《火电厂大气污染物排放标准》[1]的制订和实施,要求新建机组必须具备低NOx排放的性能。旋流煤粉生物质燃烧机以其在强化燃烧、稳定燃烧以及降低NOx等污染物排放方面的显著优势,在电站锅炉中得到越来越广泛的应用[2]。公司在2000年开发出的第三代低NOx旋流煤粉生物质燃烧机,其结构如图1所示。煤粉气流在一次风管内经导向器和圆锥扩散器使煤粉均匀;二次风分内、外两股,分别经轴向可动叶片至生物质燃烧机喷口;过渡风是一股直流二次风,它使一次风和内二次风之间形成一个过渡区,减慢了二次风过早的混入,增强了煤粉气流卷吸火焰核心区高温烟气的作用,有利于控制NOx的生成。由于旋流生物质燃烧机在国内应用相对较少,因此对其研究也较少[3-5],而对双调风旋流生物质燃烧机的研究就更为少见。若要通过现场的冷、热态试验对其进行分析,不仅要耗费大量的人力物力,而且试验采集到的数据往往只是局部的数据,很难反映整个区域内的分布规律,因此利用数值计算方法全面模拟生物质燃烧机出口的湍流流动是很有必要的。本文采用 CFX 计算软件对单个 DRB-4Z 型旋流生物质燃烧机的出口流场进行数值模拟,研究不同的过渡风速、不同的内二次风叶片角度对生物质燃烧机出口流场的影响,所得结果可以为此类型生物质燃烧机的现场优化调节提供参考。

1 计算区域及网格划分本文以 CFX 软件为平台,对单个 DRB-4Z 型双调风旋流生物质燃烧机的出口流场进行了数值模拟。为了真实反映生物质燃烧机出口的气流分布情况,本文以生物质燃烧机的原型作为模拟对象,计算区域为从均流装置入口至生物质燃烧机出口 3 m×3 m 的大空间(见图 1)。网格采用结构化网格,使用 ICEM 软件划分。网格的划分方式直接影响微分方程离散的难易,也关系到解的精度、收敛的难易快慢和计算效率的高低,如果网格划分太细,则占用计算机内存增加,计算量急剧增大,而网格划分太疏则会产生误差过大的计算结果,通过进行网格无关性验证,最终生成了 668819 个网格,生成的网格如图 2 所示。数值模拟采用三维稳态计算,对湍流气相流动采用 k-ε双方程模型,计算区域内的速度收敛标准为残差小于 10-4。

4 计算结果与分析

4.1 数值模拟结果与锅炉冷态动力场试验结果比较

为了验证计算模型的准确性, 首先进行了基础工况的数值模拟,并与现场冷态动力场试验结果进行对比,模拟结果与试验结果的比较如图 3 所示。结果基本吻合,回流区大小、形状以及气流扩展角的大小基本相同,这表明本文所建立的生物质燃烧机模型是比较准确的,采用该模型得出的数值计算结果是合理的。

4.2 内二次风叶片角度对生物质燃烧机出口流场的影响规律

工况 1、2、3 是在保证基础工况的其他参数不变,仅改变内二次风旋流叶片的角度。图 4(a)、4(b)、4(c)分别是在三种工况下生物质燃烧机出口的流场分布图。

由图 4 可以看出,随着内二次风叶片角度的增大,回流区变长,回流直径变小,射流扩展角增大;内二次风叶片角度越小,回流区越靠近喷口,这对生物质燃烧机及制粉系统的安全经济运行构成威胁。由此可知,适当地增大内二次风叶片角度可以扩大回流区和回流烟气量,有利于煤粉的燃烧,但由于射流扩展角也会随之增大,当内二次风叶片角度过大时会导致火焰的“飞边”,进而引起结渣;同时,随着内二次风叶片角度的增大,火焰中心的风速随之减小,这就使得一、二次风的后期混合变弱,不利于煤粉的稳定着火。因此,选择合适的内二次风旋流强度至关重要。图 5、图 6 分别为不同的内二次风叶片角度下最大轴向速度与最大切向速度的衰减曲线,由图可以看出内二次风旋流叶片角度越大,也就是旋流强度越小,最大轴向速度和最大切向速度衰减得越慢。

4.3 过渡风速对生物质燃烧机出口流场的影响规律

工况 4、5 是在保证基础工况的其他参数不变,仅改变

过渡风速的大小。图 7(a)、(b)、4(c)分别是工况 1、4、的尾部也出现了回流区,这表明较小的过渡风速使得一、二次风的后期混合变弱,过大的烟气回流量不利于煤粉的稳定着火;当过渡风速过大时,回流区大大减小,火炬刚性减弱,生物质燃烧机出口的整个区域内风速普遍较小,此时过渡风阻碍了一、二次风的后期混合,不能及时提供煤粉燃烧后期所需的氧量,可能会造成燃烧不完全。因此,选择合适的过渡风速有助于形成大而稳定的回流区,来保证煤粉的着火和燃烧。

图 8、图 9 分别为不同的过渡风速下最大轴向速度与最大切向速度的衰减,由图可以看出过渡风速越大,最大轴向速度衰减得越慢,而最大切向速度衰减越快。

5 结 论

(1)随着内二次风叶片角度的增大,回流区变长,回流直径变小,射流扩展角增大,并且回流区逐渐远离生物质燃烧机喷口;在这个过程中火焰中心风速降低,一、二次风的后期混合变弱。

(2)随着内二次风旋流叶片角度的增大,最大轴向速度和最大切向速度的衰减变慢。

(3)随着过渡风速的增大,生物质燃烧机出口的回流区变小,生物质燃烧机喷口;当过渡风速过大时,回流区大大减小,火炬刚性减弱,生物质燃烧机出口的整个区域内风速普遍较小。

(4) 随着过渡风速的增大,最大轴向速度衰减变慢,而最大切向速度衰减变快。

要实现生物质燃烧机的安全经济运行,必须要保证各级空气的比率以及二次风旋流强度大小配合适当,从而形成大而稳定的回流区,否则不利于煤粉的着火和燃尽,甚至会引起火焰的“飞边”和结渣。 

5 三种工况下生物质燃烧机出口的流场分布图。


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点击次数:  更新时间:2018-09-25 16:02:33  【打印此页】  【关闭