| 達冠生物質燃燒機工作原理的數值分析 |
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鄭州達冠節能環保設備有限公司
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生物質燃燒機工作原理的數值分析 摘 要：通過數值計算方法研究了彎管和文丘里管組合結構生物質燃燒機的濃淡分離特性，分析了煤粉顆粒直徑和煤粉密度變化對生物質燃燒機出口濃淡分離特性的影響．結果表明：彎管和文丘里管組合結構的生物質燃燒機既可以實現濃淡分離，又可以達到煤粉濃側氣流不貼壁和中間給粉的效果；當煤粉顆粒直徑為10 lum時，濃淡分離效果不明顯；當顆粒直徑為50 lum時，分離效果較好，并且濃度核心的最大煤粉濃度隨著St的增大而增大；當顆粒直徑為100 lum時，隨著St的增大，出現了多個濃度核心． 濃淡分離的生物質燃燒機越來越多地應用在大中型電站鍋爐中，這種生物質燃燒機具有降低著火點、穩燃、降低NO，生成量等特點．彎管和文丘里管在煤粉生物質燃燒機中都是有助于加強濃淡分離的重要結構．彎管的離心作用使煤粉氣流發生分流，從而實現水平或者上下的濃淡分離，但同時也會出現濃側煤粉氣流貼壁現象．當煤粉氣流通過文丘里管時，會在出口處形成中間濃、四周淡的分離效果．彎管內過分貼壁的煤粉氣流勢必會造成生物質燃燒機出口的侵蝕，而且較容易引起生物質燃燒機出口壁面的結焦，影響了鍋爐的安全運行．為了克服彎管濃淡分離貼壁的缺點，采用彎管后接文丘里管的組合結構，既能夠達到濃淡分離的效果，又能使煤粉不貼壁，達到中心給粉的目的． 關于彎管和文丘里管的試驗研究和數值模擬很多．周吳等口1采用試驗和數值模擬方法研究了彎管后加裝撞擊式濃淡分離器的情況．荊有印等[1對管內氣固兩相流動進行了數值模擬．謝菲等口。對文丘里管內的氣固兩相流動進行了數值模擬．周志軍等一1模擬了不同結構尺寸文丘里管內的氣固兩相流動．Lee J等口1對文丘里管內的氣固兩相流動進行了大量的試驗和理論研究． 筆者應用Fluent流體仿真軟件模擬彎管和文丘里管組合結枸生物質燃燒機內的氣固兩相流動，研究了這種生物質燃燒機的濃淡分離特性，對比了不同密度和粒徑煤粉顆粒的氣固兩相流動，得到這種新型的濃淡生物質燃燒機對不同煤種和粒徑的分離效果，并改變燃燒器局部尺寸，研究其對生物質燃燒機性能的影響． 1.3 邊界條件 (1)進口邊界：氣相采用速度入口邊界條件，給定氣相入口速度和修正湍流黏度，且入口速度均勻分布，平均速度Uo=26 m/s，雷諾數Re=765 368. 固體顆粒都是球形且直徑相同，固相給定入口質量流率．顆粒均勻分布在入口截面上，每個網格單元追蹤的個體顆粒數為10個． (2)壁面條件：采用標準壁面函數法作近壁面處理．采用無滑移邊界條件；顆粒相在壁面處滿足沒有能量損失的完全彈性碰撞條件( reflect)． (3)出口條件：氣相出口采用pressure outlet邊界條件；固相出口邊界為逃逸邊界( escape). 1.4 網格劃分 采用不同數量級的網格進行模擬計算，對網格的敏感性進行了無關性檢驗，最終確定使用1。O×105～1.5×10 5個結構化網格． 1 數學模型和計算條件 2 結果和討論 1.1 模型建立 計算區域的物理模型如圖1所示．圖l(a)是只有彎管的情況，圖l(b)是只有文丘里管的情況，圖1(c)是彎管和文丘里管組合結構的情況． 1.2 數學模型和假設 氣相采用分離渦( DES)模擬方法，具體方法見文獻[6l-文獻[9l.固相顆粒的運動方程和固相湍流采用的離散隨機游動(DRW)模型見文獻[10l. 針對本次研究對象的特點，考慮到氣固兩相流動的實際特性，進行如下假設：(1)顆粒為大小均勻的球形顆粒；氣相流體為牛頓流體；各相物理性質不變．(2)流動為三維、定常、不可壓縮、等溫流動．(3)不考慮分子擴散和布朗運動對固體顆粒運動的影響．(4)顆粒相的體積濃度較小，可忽略顆粒間的互相碰撞作用．(5)考慮氣體—顆粒間的單向耦合作用．(6)不考慮顆粒的破碎． 為了驗證模擬方法的正確性，對Lee[5]的試驗工況進行了數值模擬．煤粉顆粒為球形，密度為1 340 kglm;/，平均粒徑為43 lum，St為3.8．圖2給出了模擬結果與Lee試驗結果的對比，橫坐標是固氣比Z，縱坐標是壓差比，△pm和△戶。分別是混合物和氣體通過文丘里管的壓差值．從圖2可以看出，模擬結果和I．ee的試驗結果近似，說明采用的模擬方法是正確的． 2.1 煤粉顆粒密度和粒徑變化的影響 在圖1物理模型的計算過程中，煤粉粒徑為100 lum，密度為1 200 kglms.圖3(a)為彎管生物質燃燒機出口的煤粉濃度分布，圖3(b)為文丘里管生物質燃燒機出口的煤粉濃度分布，圖3(c)為彎管和文丘里管組合結構生物質燃燒機出口的煤粉濃度分布．從圖3可以看出，彎管的濃淡分離效果很好，但是高濃淡區域貼壁．文丘里管則中間濃、四周淡，濃淡分離效果較差．彎管和文丘里管的組合結構既能達到濃淡分離的效果，而且實現了中間給粉、高濃度區域不貼壁的效果． 在模擬彎管和文丘里管組合結構生物質燃燒機內的氣固兩相流動時，筆者計算了3種不同直徑、7種不同密度即21種工況下顆粒的St，如表1所示． 圖4表示了相對穩定后粒徑為10 Mm的顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度，可見對于該粒徑的顆粒，St（0.021-*0. 063 9）較小，顆粒有較好的跟隨性．在文丘里管喉部被濃縮的煤粉氣流跟隨空氣又回到了壁面位置．壁面上的任何位置都有煤粉分布，相對而言，在文丘里管上壁面的煤粉顆粒比下壁面多些．隨著顆粒密度的增加，下部壁面聚集的顆粒趣來越少．由于流經整個生物質燃燒機的氣流速度非常快，這種高Re的湍流使得煤粉流呈現出一種無序形態，在出口表現為有的濃度核心在中間，有的濃度核心被吹偏在兩邊．總之，彎管和文丘里管組合結構對10 lum小顆粒的分離作用較差，出口下部仍然存在較大數量的煤粉顆粒，上、下濃淡分離的效果較差， 圖5表示了相對穩定后粒徑為50 lum的顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度．彎管和文丘里管的組合結構使得出口煤粉濃度核心區集中在中心上部，并不貼壁．隨著St的增大，與進口煤粉濃度相同的等值線逐漸收縮，顆粒更多地聚集在出口的上部．這是因為其St在1附近，此時顆粒自身的慣 力與所受到的流體拖拽力基本上處于同一個數量級．結合圖6發現，對于50 lum的煤粉顆粒，其濃淡分離作用隨著煤粉密度的增大而不斷增強，濃度核· 626 ． 顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度．隨著St的增大，出口煤粉濃度核心由一個逐漸變成兩個，這兩個濃度核心之間的距離不斷變大，并有在其下方出現第三個核心的趨勢．這是因為St不斷增大，顆粒自身的慣性力大于所受流體的拖拽力，顆粒表現出大顆粒特性．圖7表示了密度對出口最大煤粉質量濃度的影響，隨著密度的增大，100 lum煤粉顆粒濃度核心的最大煤粉濃度也在減小．隨著高濃度區域的增大，高濃度區域有均勻化的趨勢． 2.2 生物質燃燒機結構變化的影響 為了研究生物質燃燒機結構變化對生物質燃燒機分離效果的影響，改變彎管的角度及文丘里管漸縮段的尺寸，如圖9所示．圖9還給出出口上半區域和出口中心線． 通過對比模擬結果，研究了生物質燃燒機性能的變化．St在1附近時，顆粒自身的慣性力與所受到的流體拖拽力基本上處于同一個數量級，所以統一采用粒徑為50 lum，密度為1 200 kglm3的煤粉顆粒，文丘里管漸縮段長度L分別為250 mm、350 mm、450mm和550 mm，彎管彎曲角度d（即流向與豎直方向夾角）分別為30。、60。和90。．出口上半區域 圖10表示的是不同結構生物質燃燒機所對應的出口水平中心線處的平均煤粉質量濃度．彎管角度由30。變化到60。的過程中，中心線處的煤粉平均質量濃度逐漸增加，即分布在中心線處的煤粉是增加的．結合圖11可知，在此過程中煤粉向出口上半部分移動聚集，因此彎管角度為60。時，中心線處的煤粉平均質量濃度大于彎管角度為30。的情況．彎管角度繼續增大，大部分煤粉已越過中心線，聚集在上半部分，因此在彎管角度為90。的情況下，中心線處的煤粉質量濃度已遠遠小于另外兩種情況．當文丘里管漸縮段L增加時，中心線處的燥粉平均質量濃度有減小的趨勢．結合圖11，發現上半區域的煤粉質量濃度增加，說明隨著文丘里管漸縮段的增長，煤粉濃淡分離作用增強． 當彎管角度和文丘里管漸縮段長度L變化時，圖11給出生物質燃燒機出口處上半區域的煤粉平均質量濃度曲線．由圖11可知，隨著彎管角度的增大，上半區域的煤粉平均質量濃度逐漸增大，即生物質燃燒機出口處上半部分布的煤粉逐漸增加，煤粉的濃淡分離現象越明顯．出現這種現象是因為彎管角度越大，煤粉經過彎管時受到的離心作用越大，煤粉氣流的濃淡分離作用就越明顯．相對于彎管角變化帶來的影響，文丘里管漸縮段長度變化的影響較小，L增大時，大角度情況下生物質燃燒機上半部的煤粉平均質量濃度先減小后增大．但結合圖10可以得出，彎管與文丘里管的濃淡分離作用是相互加強的，文丘里管漸縮段越長，煤粉的積聚越明昱． 3 結 論 (1)彎管和文丘里管的組合結構既能實現濃淡分離的效果，又能實現中間給粉和高濃度區域不貼壁的效果． (2)彎管和文丘里管的組合結構對10 um小顆粒的出口濃淡分離效果較差，主要是因為小顆粒的跟隨性和空間彌散性較好． (3)彎管和文丘里管的組合結構對50 lum顆粒的出口濃淡分離效果較好．隨著St的增大，出口最大煤粉濃度增加，濃度區域減小且有濃縮的趨勢． (4)對于100 Mm的顆粒，出口濃度核心隨著St的增大由一個變為兩個，核心間的距離增加，最大煤粉質量濃度減小且有平均化的趨勢． (5)改變生物質燃燒機的局部尺寸時，彎管角度越大，煤粉氣流的濃淡分離效果越明顯；文丘里管漸縮段越長，煤粉的積聚作用越明顯．
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