卧式循环流化床锅炉炉内流动和燃烧的数值模拟

卧式循环流化床锅炉炉内流动和燃烧的数值模拟

循环流技术是一种高效清洁的燃烧技术，具有燃料适应性强、燃烧效率高、低nox和so2排放等优点。卧式循环流化床燃烧技术是清华大学在传统循环流化床燃烧技术基础上开发的一种新型循环流化床技术,它使流化床的炉膛高度大大降低,接近相同容量炉排炉的高度。它凭借高效、环保、燃料适应性广、造价低廉等特点,在工业锅炉应用领域显现了一定竞争优势。针对传统循环流化床燃烧技术,研究者们已经开展了广泛的模型研究:国外一些学者建立了循环流化床数学模型,哈尔滨工业大学开发了适于燃用煤矸石的循环流化床燃烧模型,赵云华等利用计算流体力学(CFD)技术对管式流化床炉内流动情况进行了模拟研究,肖显斌采用多维模型对循环流化床锅炉宏观与局部特性进行了数值模拟,白志刚等使用商业软件Fluent6.2对DG-440/13.7-Ⅱ2型循环流化床锅炉的燃烧特性进行了数值模拟。可以看出,数值模拟方法被广泛应用于循环流化床锅炉特性研究。有鉴于此,本文采用数值模拟方法研究卧式循环流化床炉内流动与燃烧特性。针对卧式循环流化床的研究工作刚刚起步,本文借鉴传统立式循环流化床锅炉的建模方法,建立卧式循环流化床锅炉燃烧的数学模型,并以此研究卧式循环流化床锅炉炉内流动和燃烧特性。1qxf7-1.0-65/70-aii炉本文模拟的对象为7MW卧式循环流化床热水锅炉,型号为QXF7-1.0-95/70-AII,具体结构见图1。该炉设计燃用二类烟煤,煤质分析见表1。锅炉设计参数见表2。2根据流和燃烧的数值模拟2.1蒸发分的释放和燃烧过程在流化床内,假设气相和颗粒相均为连续介质,按Euler模型进行计算。用RNGk-ε模型来模拟炉内湍流。对于卧式循化流化床炉内曳力系数采用哈尔滨工业大学赵云华等提出的气固阻力分析模型。对于挥发分的释放和燃烧过程,本文采取了简化处理:对于颗粒终端速度大于气流速度的煤颗粒,认为其挥发分在密相区均匀释放并迅速燃烧;对于颗粒终端速度小于气流速度的煤颗粒,认为其挥发分在稀相区均匀释放并迅速燃烧。考虑到实际情况,本文对于焦炭燃烧反应也进行了一定简化,认为其是一个两步反应的单收缩核模型,即在焦炭的表面只生成一氧化碳,C+CΟ2→2CΟ.(1)一次燃烧产物扩散到颗粒外的反应区,与氧气燃烧生成二氧化碳,二氧化碳双向扩散,2CΟ+Ο2→2CΟ2.(2)表3给出气固两相动力学模型、传热模型及燃烧模型的基本方程。2.2分块划分、连接QXF7-1.0-95/70-AII型卧式循环流化床锅炉几何模型如图2所示。鉴于该型锅炉结构较为复杂,在划分三维网格时采取分块划分的方法。各区域采用不同的网格结构,以便提高网格质量。对于外形较不规则的密相区采用四面体网格;对于稀相区、副燃室及末级燃尽室由于形状比较规则,划分成六面体网格;旋风分离器按形状的规则度分为四面体和六面体网格;末级燃尽室与分离器的连接部分采用六面体网格;返料器为四面体网格。整个计算区域网格数约为18万,计算区域的几何尺寸见表4。2.3稳态求解器的选择考虑到三维条件下热态的模拟计算,由于网格数量多,涉及到的数学模型复杂,计算量很大,因此采用Fluent6.3.26稳态求解器作为流体动力学计算平台。具体边界条件见表5。3结果和讨论3.1试验结果分析为验证卧式循环流化床数学模型的可靠性,将按2.1节所述数学模型计算所得到的卧式循环流化床炉内各处颗粒质量浓度、温度的平均值与热态试验测量结果进行对比研究。局部颗粒浓度的定量比较见图3。图3中各测点位置见图1。在各测点,虽然模拟值与试验值有所偏差,但平均误差不超过20%,并且颗粒浓度分布趋势与试验结果基本一致。这证明以本文所述模型进行卧式循环流化床炉内热态运行工况模拟是可行的。模拟计算所得到的各截面平均温度与试验数据比较分析见图4。从图4可以看到,无论是试验数据还是模拟结果,都显示出从密相区开始温度逐渐下降,在分离器出口区域达最低值。这表明主燃烧室下部密相区的燃烧放热量较多,高于换热量,而在主燃烧室上部稀相区,温度水平由于燃烧放热量小于换热量而逐渐降低,并在副燃室、燃尽室温度沿烟气流动方向下降趋缓。由此可见,本文所用模型能够较真实地反映卧式循环流化床炉内流动与燃烧情况,因此本文后续研究工作将以此为基础展开。配风比例及给料量变化是影响卧式循环流化床锅炉运行工况的两大因素。下面将利用本文建立的数学模型对卧式循环流化床锅炉配风、给料规律予以详细研究。3.2二次风比率的影响图5是一二次风比率r1/r2分别为1∶1、1.5∶1、1.8∶1时卧式循环流化床炉内各点温度的分布情况。从图5可以看出,在主燃室上部的稀相区,温度随一二次风比率的增加而降低。这是因为在密相区,随一二次风比率的增加,一次风对密相区的冷却作用减弱,因而密相区温度升高,同时使得密相区燃烧份额增加,进入稀相区的可燃物减少,因而在炉膛上部的稀相区,温度随一二次风比率的增加减小。在副燃室、燃尽室,虽然二次风减弱,但温度仍然随着一二次风比率减小而升高。在密相区内,一二次风比率偏高或偏低均可导致密相区温度过高而发生结焦,研究发现一二次风比率r1/r2为1.5∶1时,不容易发生结焦,锅炉运行较安全。3.3给料量对炉温的影响额定工况下,QXF7-1.0-95/70-AII型卧式循环流化床锅炉给料量约为0.46kg/s。为分析其给料规律,本文分别计算30%、60%、90%给料量时炉内温度分布情况,并将计算结果比较分析。图6为不同给料量下炉内各点温度分布情况。当给料量增加时,起初新加入的冷料不参与燃烧,且吸热量多,使得温度下降,但当新增加的冷煤逐渐达到着火温度,就会使放热量增加,温度就会缓慢上升。当给料量减少时,炉内温度并不会立即下降,而是经过一段时间后,床温才会缓慢下降。总之,床温的变化滞后于给料量的变化。因此,卧式循环流化床锅炉实际变负荷运行时,应该注意给料量对炉温的影响。虽然本文计算结果与试验数据趋势一致,但二者偏差较大,这主要是由于目前试验中炉内各处测点单一,即单点测值并不能真实地反映该处截面的平均参数。因此,今后研究工作将改进试验方案,增加测点数量,以便获得更可靠的数据来修正本文所述计算模型。3.4次风配比根据模型计算结果,卧式循环流化床锅炉设计、运行时需注意2点:1)设计时,需考虑一二次风合理配比,建议设置独立二次风机或二次风箱,以增加配风的灵活性;2)运行时,要充分注意到床温变化的迟滞性,因此建议给料平稳均匀,以减少炉内温度的不均匀性。4不同给料量条件下的模型计算本文建立了卧式循环流化床燃烧过程的数学模型,并将数值计算结果与试验数据比较,表明本文模型适用于卧式循环流化床炉内的燃烧过程的模拟。利用该模型,本文考察了配风、给料量等因素对炉内温度场的影响。计算结果表明:1)当给料量不变时,在密相区内,一二