PDF《75 t/h 循环流化床锅炉气固流动与燃烧的数值模拟》

? 文章编号:1007 ? 6735(2018)03 ?

0217 ?

08 DOI: 10.

13255/j.cnki.jusst.2018.03.003

75 t/h 循环流化床锅炉气固流动与燃烧的数值模拟 王文洁,????凌????玲,????杨????茉 (上海理工大学?能源与动力工程学院,上海?200093) 摘要:以75?t/h 循环流化床锅炉为研究对象,采用数值模拟方法,对其物料流动与燃烧时 NOx 排 放特性进行研究.通过计算分析燃料颗粒轨迹和改变过量空气系数来研究炉膛出口污染物 NOx 的 生成分布情况,给出了入炉颗粒球形度对流态化的动态影响.数值模拟结果表明,以污染物 NOx 生成量为主要考虑因素时,该锅炉炉膛的过量空气系数宜选在 1.10~1.15 之间,最佳燃烧工 况宜选

一、二次风比例为 1∶1,过量空气系数为 1.12.该数值模拟结果为优化循环流化床锅炉燃 烧提供了实际参考,具有一定的工程应用价值. 关键词:流化床锅炉;

数值模拟;

过量空气系数;

最佳燃烧工况;

球形度 中图分类号:TK?229.6?文献标志码:A Numerical Simulation on the Gas-Solid Flow and Combustion in a

75 t/h Circulating Fluidized Bed Boiler WANG Wenjie, LING Ling, YANG Mo (School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: The?numerical?simulation?method?was?used?to?study?the?material?flow?and?NOx?emission characteristics?of?a?75?t/h?circulating?fluidized?bed?(CFB)?boiler.?The?formation?and?distribution?of?the pollutant?NOx?at?the?furnace?outlet?was?studied?by?calculating?the?trajectory?of?fuel?particles?and changing?the?excess?air?coefficient.?At?the?same?time,?the?dynamic?effects?of?sophericity?of?particles?on the?fluidization?were?given.?The?numerical?simulated?results?show?that?the?excess?air?coefficient?of?the boiler?furnace?should?be?selected?between?1.10?and?1.15,?and?the?optimized?combustion?condition?is further?determined.?The?ratio?of?primary?air?to?the?second?air?should?be?1:1,?and?the?excess?air?factor should?be?chosen?as?1.12.?The?results?provide?a?practical?reference?to?the?combustion?optimization?in?a CFB?boiler,?and?are?valuable?for?engineering?applications. Keywords: fluidized bed boiler;

numerical simulation;

excess air coefficient;

optimized combustion condition;

sophericity ? 上 ?海 ?理 ?工 ?大 ?学 ?学 ?报 第?40?卷?????第?3?期J.?University?of?Shanghai?for?Science?and?Technology Vol.?40????No.?3????2018 收稿日期:2017?09?06 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51736007) 第一作者:王文洁(1994C),男,硕士研究生.研究方向:流动与传热的数值模拟.E-mail:[email protected] 通信作者:杨茉(1958C),男,教授.研究方向:流动与传热的数值模拟.E-mail:[email protected] 循环流化床燃烧技术作为一种新的清洁燃烧 技术正在被快速发展,虽然其发展历史较短,但 已表现出极强的生命力.目前,该技术已取得了 相当大的进展,但仍有许多问题尚未被合理解 释.国内外已有很多人做了相关研究,如郑成航 等[1] 研究了 300?MW 单炉膛大型循环流化床锅炉炉 膛影响二次风射程的相关因素;

Klimanek 等[2] 采用拟二维思想对循环流化床立管进行了数值模 拟研究;

Adamczyk 等[3] 研究了空气和富氧燃烧下 循环流化床的特性;

王康健等 [4] 研究了 75?t/h 循环 流化床污染物的分布情况;

张瑞卿等 [5] 证明了采用 简化的煤燃烧机制是合理有效的;

王爱军等 [6] 得到 了Fluent 软件基本能反映锅炉的实际燃烧这一结 论.目前为止,关于循环流化床的研究只限于局 部简单研究. 本文利用简化的煤燃烧机制和 Fluent 软件, 找到该炉型在特定燃料下控制 NOx 的最佳燃烧工 况.虽然流化床锅炉系统比普通锅炉简单,但其 炉膛内的物料和气体存在着复杂的气固两相流动 [7-10] .

1 炉膛物理模型的简化 循环流化床锅炉结构如图

1 所示.锅炉采用 单锅筒、自然循环、集中下降管、平衡通风、绝 热式旋风气固分离器以及循环流化床燃烧方式, 锅炉本体采用钢架悬吊与钢架支承相结合的承载 方式,且利用膨胀系统消除两部分热胀冷缩的较 大膨胀位移 [11-13] .循环流化床锅炉炉膛一般可以分 成两个区域:上部循环流化稀相区和下部鼓泡流 化密相区.炉膛稀相区四周布满了膜式水冷壁, 下部为一渐缩矩形横截面,最小截面宽度为2?130?mm,深度为 2?130?mm.炉膛布风板、锥段 区域及炉膛易磨损区域均铺设有耐火耐磨材料. 该锅炉属于中小型循环流化床锅炉,故无独立的 外置式换热器,而是采用立管和回料阀的配合来 控制循环回料量,从而来调节锅炉的运行负荷. 由锅炉的结构图可以抽象出锅炉的二维结构 简图(见图 2)和三维结构简图(见图 3).由于计算 机内存配置及计算条件的限制,燃烧模拟主要采 用二维结构进行模拟计算,可为后续三维燃烧研 究提供参考.且通过理论分析可知,对二维炉膛 的模拟分析可以给工程实际提供参考 [14-16] .流动实 验采用三维结构模拟. 该炉膛总高为 21?700?mm,炉膛上部为一固定 横截面,宽度为 3?130?mm,深度为 6?230?mm,最 下部是渐缩矩形横截面,最小截面宽深度均为 2?130?mm.炉膛出口布置在炉膛右上侧,炉膛出 口宽度为2?500 ?mm, 下边界与布风板距离为18?300?mm.一次风的进口在炉膛底部,整体考虑 为平均进风,进口宽度为 2?130?mm.二次风进口 对称布置在炉膛两侧,下部离底部(一次风口)距 离为 2?600?mm,进口宽度为 160?mm.煤口布置在 炉膛左下侧,宽为 124?mm,下边界与布风板距离 ? ? 图175 t/h 循环流化床锅炉结构 Fig.

1 Structure of

75 t/h circulating fluidized bed boiler ? ? 图2二维结构简图 Fig.

2 Diagram of two dimensional structure

218 上??海??理??工??大??学??学??报2018?年?第?40?卷为1?200?mm.回料口布置在炉膛右下侧,宽度为 124?mm,下边界与布风板距离为 1?200?mm.进行 网格划分时,对炉膛底部密相区采用了局部网格 加密方式,整个炉膛共生成约 183?000 个网格,网 格质量高达 0.996.为进一步说明计算结果不受网 格数的影响,在模拟计算前,进行了网格无关性 验证,即将网格尺寸减小到原来的 70%,此时整 体网格数变为原先的

2 倍,炉膛出口的平均努塞 尔数未发生变化.

2 数学模型的建立 由于该物理模型既有流动,又有换热,还包 括颗粒与颗粒、颗粒与气体之间的相互作用,同 时该系统处于燃烧状态.故需在原有的质量守恒 方程、动量守恒方程、能量守恒方程中增加组分 质量守恒方程.所需方程如下: 连续性方程 由该问题为不可压流动,故x方向动量方程 y 方向动量方程 式中:η 为流体的动力黏度;

称为流体的第二分 子黏度,对气体可以取为-2/3. 能量方程 式中:λ 为流体的导热系数;

Sh 为流体的内热源;

Φ 为由于粘性作用机械能转换为热能的部分,称 为耗散函数;

为表面力对流体微元体所做的 功,一般可以忽略. 组分质量守恒方程 式中: 代表单位体积内组分 l 的质量变化 率;

代表组分 l 的对流流量密度;

Jl 代表扩散 流量密度,它由费克定律给出;

Sl 是单位体积内 组分 l 的生成率.由费克定律 ,代入 式(7)得 其中 Dl 为扩散系数. 涡黏性模式湍流方程 其中右端项分别表示生成项、耗散项和壁面项. ? ? 图3三维结构简图 Fig.

3 Diagram of three dimensional structure 第?3?期 王文洁,等:75?t/h 循环流化床锅炉气固流动与燃烧的数值模拟

219 3 所用燃料及计算模型 该循环流化床锅炉所用燃料为中煤,燃料特 性如表1所示.计算用煤粉颗粒直径范围为0.01~4?mm,平均直径为 1?mm,且模拟计算时颗粒 直径分布规律符合Rosin-Rammlar 分布.利用Fluent?16.0 软件进行二维炉膛燃烧的数值模拟时, N-S 方程用 Simple 方法求解,炉膛内的湍流模拟 采用 Realizable?κ-ε 方程,壁面处采用壁面函数法 处理,燃烧反应模型选非预混燃烧模型,且炉膛 内部颗粒及其燃烧产物存在自身辐射和散射,故 选用 P-1 辐射模型,对于内部的气固物质燃烧模型 采用了混合分率C概率密度函数模型(PDF).污染 物的生成考虑 NOx,由于炉膛的燃烧效应,这里 主要考虑热力型 NOx 和燃料型 NOx 的生成.挥发 分析出选用单步析出模型,焦炭燃烧选用动力扩 散模型,类似于煤粉炉的模拟,这里还采用了离 散项模型. ? ? ? 表1中煤的燃料特性 Tab.1 Fuel characteristics of coal 可燃基挥发分/% 低位发热量/(kJ・kg -1 ) 收到基水分/% 收到基灰分/% 14.86 12?000 1.1 56.87 收到基碳/% 收到基氢/% 收到基氧/% 收到基氮/% 收到基硫/% 31.77 1.66 6.2 0.58 1.82 ? ? 由于离散格式的不同对计算的收敛性有很大 影响,故在对空间项相关方程离散时选取了适当 的离散格式.为了提高数值计算结果的精度,对 动量方程、湍动能方程、湍动能耗散率方程采用 了二阶上风差分格式,能量方程以及相关污染物 方程采用了 Quick 格式.为了加快收敛速度,采用Simple 方法来处理压力与速度的耦合.

4 工况选择及结果分析 4.1 数值计算初始工况选定 由设计文件的燃料消耗量,初次选定进煤口 的煤量为 2?kg/s,进煤温度为 473?K.根据文献 [17],选取燃料循环倍率为 10,即循环物料量为 20?kg/s.回料颗粒粒径范围为 0.1~2?mm,平均直径 为0.5?mm,温度为 473?K.根据燃料消耗量以及燃 料成分,选取过量空气系数为 1.05,初始一次风 速为 5.1?m/s,方向竖直向上即+y 方向,经预热后 温度为 473?K;

二次风速为 45.3?m/s,方向水平对 冲,经预热后温度为 573?K. 4.2 结果分析 4.2.1???球形颗粒与非球形颗粒流态化对比 循环流化床锅炉炉膛内的流动属于气固流态 化流动,其主要原因为从炉膛底部进入的一次风 通过与颗粒之间的摩擦形成了拽力,从而使流体 通过床层形成了压力降,进而使床层处于膨胀流 化阶段,其中的颗粒空间位置不再依靠与其相邻 颗粒的接触来维持,绝大多数颗粒处于悬浮翻滚 状态,形成了强烈的气固流化混合流动.通过模 拟计算,跟踪了平均直径D分别为0.8, 1.2, 1.6?mm 的颗粒在不同球形度下的流动状态.图4和图

5 分别为将颗粒处理成球形颗粒、非球形颗 粒所得的迹线图.由图

4 和图

5 可以明显看出, 图4中追踪的

3 个颗粒出现了不同的流动状态, 依次为气体输运、流态翻滚和回落.对比图

4 和图5中的

3 个颗粒,均为类似气体输运,由此可 知,入炉颗粒的球形度对流态化有很大影响,颗 粒球形度越高,相对流态化越好. 4.2.2???气垫 T 型弯头出口结构优势 循环流化床炉内气固两相流动特性与炉膛出 口结构密切相关,工程实际中最常用的出口结构 有直角弯头和气垫 T 型弯头,本文对这两种出口 结构进行了简要的对比分析.图6和图

7 分别是 采用了直角弯头出口后的颗粒直径追踪迹线图和 出口速度分布矢量图.由图

6 可以发现,虽然炉 膛出口处颗粒直径已减小到 2?mm 以下,但是此处 出现了一个漩涡区,见图 7,这会明显增加颗粒对 出口壁面的磨损,不利于炉膛的正常运行.若采 用气垫 T 型弯头出口,则可以明显增加对气团流 动的束缚,增加返混,进而可以增加颗粒与气体 的接触概率,有利于提高脱硫效率.所以本文采 用气垫 T 型弯头出口结构进行后续的模拟研究. ?

220 上??海??理??工??大??学??学??报2018?年?第?40?卷?图4单个球形(球形度为 1.0)颗粒迹线图 Fig.4 Trace of a single spherical particle(the degree of sophericity is 1.0) ? ? ? ? ? ........