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行业知识

一种新型燃用颗粒工业生物质燃烧机

一种新型燃用颗粒工业生物质燃烧机

【摘要】  针对一种新型的燃用颗粒工业生物质燃烧机.利用计算流体力学软件,通过改变一、二次风速及内二次风旋流强度以及钝体流通阻塞率等参数,模拟生物质燃烧机出口附近流场分布,研究不同参数下回流区大小及回流量的变化,分析流场的湍流强度分布.结果表明,回流区长度与内二次风速、内二次风旋流强度及钝体阻塞率成正比与一次风速成反比.回流量总体上随着内二次风旋流强度、内二次风速、一次风速的增加而增大;改变钝体阻塞率,则有较复杂的变化.湍流强度沿径向呈先增后减的变化,沿轴向则在某个截面后不断衰减.

    我国的燃颗粒工业锅炉以链条炉居多,其实际运行效率只有65%左右,能源利用率低【1川.而采用悬浮燃烧方式的颗粒工业锅炉,则有较高的锅炉效率,由于颗粒锅炉要求把颗粒研磨成很细的粉而制粉系统需要庞大的设备和占用较大的场地。所以国内采用颗粒悬浮燃烧方式的工业锅炉极少,近年来随着国内颗粒制备和运输技术的发展,一些颗粒粉制备企业已经实现了对锅炉用户进行专业集中制粉,这为在工业锅炉上燃用颗粒奠定了基础,

    在工业锅炉上燃用颗粒,生物质燃烧机的设计是关键,由于工业锅炉的炉膛空间较小,这就要求燃烧器应能较好地组织炉内的流场,使颗粒能高效稳定地燃烧,同时又能避免结渣,而回流区大小和回流量是衡量生物质燃烧机稳燃性能的重要指标,本文针对一种新型燃用颗粒工业锅炉旋流生物质燃烧机,通过改变一、二次风速和内二次风旋流强度以及钝体流通阻塞率等参数,研究生物质燃烧机出口附近的流场,考察流场的湍流强度分布,分析各参数下生物质燃烧机的回流区大小及回流量变化,以便为生物质燃烧机的设计及优化提供一定的指导.

1模型介绍

1.1  物理模型

    生物质燃烧机的模型结构如图1.该生物质燃烧机的一次风为直流,内、外二次风均为旋流,一次风出口附近加装有钝体生物质燃烧机二次风采用内,外分段送风方式实现空气的分级供给,以期降低NO。的排放s,q.

1.2数学模型

    本文模拟采用的湍流模型为重整化群(RNG)的k-e模型,该模型是标准k-e双方程模型的修正,在模拟旋转射流问题时,RNG k-e模型优于标准尼{模型【.RNG k-£方程的湍流动能和耗散方程表达

    数值模拟中求解压力与速度的耦合时采用SIM PLE算法,为了更加精确地了解流场变化,对生物质燃烧机一次风和内二次风出口附近区域采用非结构化的四面体网卡各,并对该区域的网格进行加密;模型中其余结构部分均采用规则的六面体网格,在生物质燃烧机出口后增加一段炉膛空间,炉膛空间的网格存在径向、轴向疏密变化,网格总数约为60万.

2  缩果分析与讨论

    在模拟该生物质燃烧机时,保持外二次风不变,通过改变内二次风风速及旋流强度、一次风速和钝体流通阻塞率来考察不同工况下流场变化,并对流场的湍流强度分布进行了分析.

2.1  生物质燃烧机出口流场

    在旋转二次风及钝体的作用下,生物质燃烧机钝体尾部形成一个较大的回流区,气流从生物质燃烧机出口进入炉膛,由于生物质燃烧机与炉膛连接处截面的扩张,气流向两边扩散,从而使回流区在炉膛处进一步扩大,回流区形状如图2虚线,该回流区使大量高烟气回流至生物质燃烧机根部,迅速加热新进的颗粒使之着,同时回流区边界存在一个速度梯度很大的湍流剪切层,为风粉气流与回流的高温烟气间进行质量、热量交换提供有利条件,

2.2参数变化对回流区大小的影响

    图3为参数变化对回流区尺寸的影响,从图中可以看出,生物质燃烧机参数变化时回流区大小在炉膛轴向上的变化较为明显,而径向的变化则不大,分析其原因是工业锅炉炉膛空间较小,流动限制在由生物质燃烧机及炉膛壁面所约束的空间内,回流区在径向得不到充分地发展,从而导致不同工况下回流区宽度变化不大.

为旋流强庋改变对回流区尺寸的影响,随着旋流强度的增大,回流区长度显著增加,从图中可以看出,当旋流强度Q从1. 23增大至2. 14时,回流区的终点位置xnei.a从3.3 m增加至3.8 m处,而Q一3.7时,xhei.d相对于Q一2.14时只增加了0.3 m.可见,随着旋流强度的进一步增大,其对回流区长度的影响逐步减弱,

    从图3(b)可以看出,回流区大小随着内二次风速的增加而增大,内二次风速为21 m/s,32 m/s时,Xh。。d分别为3.0 m和3.75 m.

    一次风速对于回流区变化的影响则与内二次风速相反,如图3(c).在一次风速为26 m/s时,xh,。d一3.0 m,小于18 m/s工况下的3.5 m.这是因为当一次风速增加日寸,其射流刚性增强,使得旋转的二次风气流对于一次风的卷吸作用相对减弱,从而导致了回流区长度缩短,

    定义钝体阻塞率为(b/d)‘,6为钝体高度,d为一次风道内径,见图1.钝体阻塞率用符号B。R表示,模拟时保持钝体扩张角不变通过改变钝体高度来改变阻塞率,考察回流区大小随其变化的趋势,从图3(d)可以看出,当B。R-1. 717日寸,灿,。。f一3.6 m,比B。R=0.576时增加了0.6 m.

2.3叁数变化对回流量的影响

    回流量对燃烧稳定性具有重要影响,回流量越大,对燃烧稳定性越有利,对生物质燃烧机或炉膛某个截面进行速度场积分求得体积回流量Qh:

    图4(b)和(c)中,由于其生物质燃烧机进口气体流量的不同,所以分析时采用相对回流量Qh/ Qr,其中9为某截面处的体积回流量,9为生物质燃烧机进口的体积流量,计算结果显示在各参数下,回流量随轴向距离比的增加均呈现‘双峰”分布,在生物质燃烧机内,回流量在旋转气流的作用下达到第一个峰值,随后由于炉膛截面的扩张,使得气流向两边扩散,炉膛中心负压增大造成回流量再次增力口,形成第二个峰值,

    图4 (a)表明回流量随着旋流强度的增加而增大,在Q一3. 70工况,第二个峰值达到了1.08 ITI3/s左右,明显高于Q一2. 14工况下的0.62 ffl3]s.而前面分析可知,当Q一3.70时的回流区长度相对于Q一2.14时增加得并不多,但是回流量却显著地增大,这对颗粒的稳定燃烧非常有利,

    从图4(b)可以看出,Qh/9总体上随着内二次风速的增加而增大,但在x - 1.75 D~2.25 D截面之间,内二次风速越小.Qh/Q,反而越大,在x一2. 25 D截面,内二次风速为21 m/s时的Qh/ Qr值最大,为0.47左右,显著高于其它两个工况,分析其原因是当风速较小时,其炉膛部分的回流区前移所造成的,这一点可以从图3(b)中看出,为一次风速对回流量的影响,从图中可以看出,在x- 1D截面之前改变一次风速对Qh/Q,的影响不明显,而在该截面之后,降低一次风速可以显著增加Qh/ Qr.当一次风速为18 m/s时,Qh/Q,的第二个峰值高达0.49.但是一次风速不能过低,应防止生物质燃烧机的颗粒堵管,

    图4 (d)给出了钝体阻塞率对回流量的影响,图中,气流在进入炉膛前,阻塞率小的回流量大;而在进入炉膛后,阻塞率大的回流量大,造成这种现的原因是由于在进入炉膛前,较小钝体阻塞率的钝体位置靠近喷口,使得回流区整体前移,造成在前期同一截面上钝体阻塞率小的的回流量反而较大.

2.4  生物质燃烧机出口湍流强度分布

    湍流强度£反映了气流的脉动程度,其值越大,说明流动混合得越强烈,囹5为生物质燃烧机出口各截面湍流强度分布,可以看出,湍流强度沿径向呈先增后减的变化,说明在轴线以及生物质燃烧机和炉膛壁面附近湍流强度较小,与图2速度分布比镜湍流强度沿径向变化的峰值出现在回流区边界附近,这是由于该区域存在较大的速度剪切层大量平均运动能量转化为湍流能量,从而使湍流脉动程度加强,从图中还可以看出,湍流强度在x-1.63 D截面之前有较高的峰值而在该截面之后由于湍流的耗散和输运作甩气流脉动的整体水平不断衰减,径向分布也渐趋平缓.

3结语

    1)该生物质燃烧机钝体尾部存在一个较大的回流区,其长度延伸至炉膛深部,该回流区的存在有利于颗粒的着及稳定燃烧.

    2)增加内二次风旋流强度、内二次风速和钝体阻塞率,减小一次风速,均可以增大回流区的长度,当内二次风旋流强度增大到某一程度时,其对回流区长度的影响逐步减弱.

    3)在各工况下,回流量随轴向距离比的增加均呈‘双峰’分布,回流量随着内二次风旋流强度的增加而显著增大,C3.70工况时回流量的第二个峰值高达1. 08 ffl3]s.相对回流量Qh/ Qr总体上与内二次风速成正比,但在x- 1.75 D~2.15D截面之间,内二次风速越小,Qh/9.反而越大,在x-l D截面之前改变~次风速对Q/Qr的影响不明显,而在该截面之后,Qh/ Qr随着一次风速的降低显著增加,对于钝体阻塞率工况,回流量沿着轴向距离比有较复杂的变化:在进入炉膛煎阻塞率越小,回流量大;在进入炉膛后,阻塞率越大,回流量则越大,

    4)湍流强度在轴线以及生物质燃烧机和炉膛壁面附近的值较小;在x-1. 63 D截面之前,湍流强度有较高的峰值,而在该截面之后,气流脉动的整体水平不断衰减径向分布也渐趋平缓,

    对于颗粒工业锅炉,由于炉膛空间较小,要使颗粒能高效稳定地燃烧,则需要生物质燃烧机有比较合适的回流特性,

    本研究结果,可作为生物质燃烧机优化设计与今后的热态试验之依据,


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点击次数:  更新时间:2018-11-22 21:36:07  【打印此页】  【关闭