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                          擋板寬度對熱風爐生物質燃燒流動的數值模擬研

                          作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.irui.tw/news/506.html?????發布時間:2018-04-12 21:12
                          導讀:擋板寬度對熱風爐生物質燃燒流動的數值模擬研究 摘要:針對某鋼廠的熱風爐矩形噴口生物質燃燒機進行了數值模擬研究,主要考察了不同擋板寬度對管道內流場、燃燒室內流場、出口

                          擋板寬度對熱風爐生物質燃燒流動的數值模擬研究
                          摘要:針對某鋼廠的熱風爐矩形噴口生物質燃燒機進行了數值模擬研究,主要考察了不同擋板寬度對管道內流場、燃燒室內流場、出口速度均勻性的影響。結果發現空氣在管道內的速度分布不均勻,管道兩邊的速度比中間大;生物質燃燒機內速度的分布都呈現出兩邊大中間小的情況,但是隨著擋板寬度的增加,擋板邊緣氣流減弱,中間的氣流流速會增加;出口速度的均勻性隨著擋板寬度增加而提高,與實驗結果對比,誤差在1%內。
                              離爐熱風爐是高爐生產的重要設備,它提供給高爐的熱量大約占有整個煉鐵生產流程能耗的四分之一,并且它使用400x)的高爐產生的煤氣,又隨著現在鋼鐵行業的能耗越來越大,所以提高熱風爐熱效率對于降低能源的消耗量有重要的意義。通過熱風爐生物質燃燒機冷態試驗研究了管道內的阻力損失,利用熱力學分析方法,對生物質燃燒機燃燒性能做了評價。趙治國,李文忠等[,]在鞍鋼大型熱態試驗臺上對燃燒器做了相關的熱態試驗研究,主要考察了燃燒強度,火焰穩定性、長度及著火蠃位置等。
                              近年來隨著計算機技術的不斷發展,數值模擬技術在工程技術中充當的角色越來越重要[4-7],數值模擬具有方便、投資小、沒有試驗研究中測量誤差的問題等優點。針對熱風爐生物質燃燒機,管道內有無導流磚對燃燒室至蓄熱室之間的流場特性做了研究,得到了此空間內的流場分布。結果表明有導流磚可以較好地解決偏流問題。數值模擬的研究集中在不同結構生物質燃燒機內流場的分布。
                              針對某鋼廠熱風爐矩形噴口生物質燃燒機的擋板寬度對流動的影響進行了數值模擬研究,主要考察了不同擋板寬度對管道,生物質燃燒機內部,生物質燃燒機出口的影響,并與試驗結果進行了對比,模擬結果與實驗結果誤差在lo/,以內。
                          1  物理數學模型
                              根據某鋼鐵廠提供的圖紙得知:實驗模型生物質燃燒機噴口長600mrri,寬90 mm,高1560mrri,煤氣管直徑280 mm;支持磚長150 mm,寬97 mm,四角的1/4圓弧半徑30 mm;擾流體支持上口寬7 mm,底部半圓半徑48 mm,擾流體總高199 mm;武鋼設計研究院所要求的就是擋板所留縫隙的大小對出口速度場均勻性的影響,所以風管肉部的結構、出口附近的擾流體支撐現狀位置都不改變。
                          1.1  實體模型的建立
                              如圖1所示,空氣自左邊的入口處進入管道,在管道之中自左向右流動,在經過彎道的時候,會出現局部低壓區、漩渦、回流,這些都會嚴重影響空煤氣的速度均勻性,進而影響生物質燃燒機出口處的氣體,導致出口氣流速度分布不均勻,燃燒不充分,CO含量過高,排出的廢氣影響環境,也達不到工業要求的燃燒溫度,而且在局部過氧地方溫度過高,也影響生物質燃燒機的壽命,嚴重時會損害噴嘴。
                              為解決上述問題,在彎道盡頭處放置一塊擋板,擋板示意圖如圖2所示,降低管軸附近的速度,以減小和壁面附近的速度差,增加速度的均勻性。兩邊擋板的度都是320 mm,底部的通風口的寬度是600 mm,為了驗證實驗找出的最佳擋板的寬度,建立了9個模型,各模型擋板寬度見表1。
                          1.2網格劃分
                              對網格的劃分,是本模擬最困難的部分,具體做法是:將模型切割為八個體,通風管道成為三個體,放置擋板的地方設置為一個大體,上面的通風管道由于有小部件雨滴形支撐,所以把它劃分為四個體。網格劃分結構如圖3所示。在畫網格時,先畫線網格,用線網格生成面網格,再用面網格生成體網格,對導流板位置和雨滴形支撐部位加密劃分網格;對包括導流板的那個體根據需要再會進行細劃分,把它劃分為更多的小體,以保證計算的精度。在網格的劃分確保參數的設定,以使得在小部件或是轉彎處的流曲率小于0.97,最后得到的網格數分別如表2所示。
                          1.3邊界條件的設定
                              熱風爐陶瓷生物質燃燒機邊界條件的設置如下:
                              (1)冷態管道進口面是空氣流速進口的邊界條件,先假設在入口出空氣流速分布均勻;常溫空氣進口為質量流量進口條件,氣體流速為22.6 m/s。
                              (2)矩形噴口的邊界條件是壓力出口條件,由于空氣在離開出口截面一段距離之后還是保持原來的流動參數,也就是說空氣是自由發展流動,因此出口壓力為大氣壓,約為101 325 Pa。
                              (3)管道內流動是湍流,在選擇湍流模型之后,要對管道進口的耗散率£和當量直徑進行設定,耗散率設定為5%,當量直徑為管道直徑:280 mm。表2模擬網格數
                              (4)流體是常溫空氣,在流動中與外界沒有任何的傳熱,所以壁面為絕熱條件。
                              (5)管道壁面設定為無滑移速度邊界條件,也就是沿著壁面和法線方向的流體速度都是零,管道壁不可滲透,那么在面上的流量為零。
                          2  計算結果及分析
                          2.1擋板寬度為600 mm的速度分布
                              可以看出空氣在流出管道的速度分布相當不均勻,管道兩邊的速度比中間大,而且緊貼管道壁面右邊的速度比左邊大。那是因為管道有兩個彎道,因為彎道的存在導致流速的偏移,那么出口流速就顯示的不均勻。從圖4(b)可以計算出口截面上的面積加權平均速度和質量加權平均速度分別為:26.502,27.877 m/s。生物質燃燒機出口截面上的空氣流速分布不均勻,在軸心兩邊有速度的波峰值邊緊貼壁面處速度最大,從壁面往軸心處,速度先是逐漸變小,然后再變大并且生物質燃燒機出口截面上的空氣流速幾乎是對稱分布,在調節左右間隙時,可以保持左右縫隙相等。
                          2.2不同擋板寬度對流場影響
                              為了更好地了解生物質燃燒機內部流場的分布,對燃燒器內部流場進行了研究。如圖5所示,是不同擋板寬度下燃燒室內部5 mm處,內部速度分布云圖。
                              在不同擋板寬度下有一個類似的規律,即在擋板的前面有一個低速區,體現了擋板的阻流及弱化速度集中的作用。從圖5申可以看出速度的分布都呈現出兩邊大中間小的現象,但是隨著擋板寬度的增加,擋板邊緣氣流減弱,中間的氣流流速會增加。在擋板支撐物和雨滴形固定物附近會產生局部的低速度區域,主要是由于擾流部件的擾流作用,隨著擋板寬度的增加,在擋板前一個面的流動速度均勻性越來越好。
                          2.3  出口截面的速度分布結果
                              為了考察生物質燃燒機出口速度分布及均勻性,對出口處流場做了研究如圖5所示,出口處速度分布云圖。
                              為了量化出口均勻性的變化,在模擬軟件里將每個模型的出口截面的質量加權平均速度和面積加權平均速度導出,見表3,以計算出口氣體速度均勻性。
                              速度均勻性指數表征了速度分布均勻性程度,均勻性指數計算公式如式(1)所示:
                              從圖5和圖6可以看出,出口速度場的分布大都是軸對稱分布,而且每個模型的近壁面處氣體流速大于中間流速。隨著擋板寬度變小,縫隙變大,中間氣體的流動速度與緊貼壁面兩邊的流動速度差值越來越小。在擋板寬度為600 mm的情況下,中間會有兩個速度的不同擋板寬度下生物質燃燒機內流場分市波峰值;但是隨著擋板所留縫隙越來越大,中間速度波峰會逐漸消失,以至于軸心附近很大一塊區域速度幾乎一樣。從圖6可以看出隨著擋板寬度的加大出口截面流速分布均勻性提高。
                              為了驗證模擬的準確性,把模擬結果與冷態試驗結果進行了對比,如圖7~圖8所示,結果顯示模擬結果與實驗結果一致,在擋板寬度為320 mm的情況下,氣體流速均勻性最好。根據計算,擋板寬度為600 mm的情況下,均勻性從95.27%增加到97.14%。在對比實驗均勻性結果時,均勻性指標的相對誤差保持在lo/,。說明建立的模型是合理的,能用該模型研究燃燒器出口流速均勻性的問題,同時,也驗證了實驗結果的準確性。
                          3  結  論
                              采用數值模擬的方法對熱風爐矩形噴口生物質燃燒機內部流場進行了研究,結論如下:
                              (1)在爐膛的縱切面中,緊貼壁面的氣體流速比中間的大,而且在雨滴形支撐和擋板支撐物的附近會有低速區。
                              (2)生物質燃燒機出口截面氣體速度分布圖的中間有兩個速度波峰值,速度最大值都是坐落在緊貼壁面的附近。
                              (3)隨著擋板寬度的減小,軸心附近的速度波峰值會逐漸消失。
                              (4)對同樣的擋板,流量越小,空氣流動越均勻。
                              (5)在爐膛內部流動截面圖、生物質燃燒機出口速度分布圖以及基于質量和面積的速度加權值的均勻性指標都明顯的顯示出左右擋板寬度為320 mm時,氣流均勻性最好,均勻性指標達到97.140A。
                              (6)與實驗均勻性結果對比,模擬得到的均勻性指標的相對誤差保持在10以內。

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