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                          雙通道生物質燃燒機空氣動力學特性數值模擬及

                          作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.irui.tw/news/573.html?????發布時間:2018-06-13 22:12
                          導讀:雙通道生物質燃燒機空氣動力學特性數值模擬及研究 [摘要] 對雙通道生物質燃燒機出口空氣動力特性進行了數值計算,并對影響其特性的一、二次風量、旋流葉片角度、中心擴錐角度和

                          雙通道生物質燃燒機空氣動力學特性數值模擬及研究
                          [摘要]  對雙通道生物質燃燒機出口空氣動力特性進行了數值計算,并對影響其特性的一、二次風量、旋流葉片角度、中心擴錐角度和直流二次鳳噴口擴角等多種因素進行了分析,其結果與冷態模型試驗基本吻合。推薦的運行參數及結構尺寸對該燃燒器的試驗、結構改進和運行具有一定的參考價值。
                          雙通道生物質燃燒機結構特點
                              雙通道生物質燃燒機是目前廣為采用的一種新型生物質顆粒燃燒機,其特點是將旋流二次風通道分隔成2個通道,二次風分開送入爐中,分級燃燒,以降低NO。的生成,其結構如圖1所示。當旋流二次風與直流二次風的風量不同時,其綜合強度也不同,因而回流區大小不同,從而可適應負荷、煤種變化的需要。旋流風與直流風的大小通過各自風道中的調節擋板進行調節。由于調節擋板遠離燃燒器噴口,不接受火焰高溫輻射,因而不存在過熱卡死的問題。
                              為增大回流區的長度和寬度,更加有利于煤粉的燃燒,在該雙通道生物質燃燒機一次風出口處加裝了鈍體。本文即針對此種情況對燃燒器出口空氣動力場進行數值分析。試驗結果表明:燃燒器運行參數及結構尺寸改變時,回流區長度與鈍體底邊的相對寬度都存在一最佳值。在回流區中,主氣流與回流區之間階層內形成很大的速度梯度,使兩者之間發生強烈的紊流擴散混合,從而造成強烈的動量、質量和熱量交換,這對穩定火焰和強化著火有很好的作用。
                          2  冷態空氣動力場數值模擬計算
                            模型和方法
                            目前廣泛研究和應用的紊流輸運模型基本上是圍繞(p瓦礦)(紊流脈動輸運通量)進行的,主要有紊流粘性系數模型和雷諾應力模型2種。在紊流粘性系數模型中,Lander - Spalding的K-e模型通用性好,在大多數情況下可得到近乎真實的解。筆者認為紊流流動過程的復雜性及工程計算中的多層次決定了紊流流動模型的多樣性,目前尚不存在統一的紊流模型,不同的模型有不同的應用范圍。因此,本文從實際對象出發,以K-e模型為基礎,同時結合旋轉流動修正模型(Richardson Correction),壁面紊流模型(Wall Function)、熱力發電。
                          2.2  控制方程組
                              本文所研究問題的基本守恒方程包括連續性方程、動量方程和紊流模型方程。紊流模型采用K -e雙方程模型。這些方程都有1個通用形式,構成了1個通解法的基礎。下面給出圓坐標系下經簡化的軸對稱通用控制方程:
                              生物質燃燒機出口流動形式是軸對稱有旋轉的流動,此時雖然晶一0,但是w≠0,其中中是某個具有“比”性質的物理量(u,v,w,島e),p是密度,7是對稱軸,r為徑向尺寸,r為擴散系數,S為源項,方程(5)左邊為對流項,右邊前2項為擴散項,最后1項為源項。
                          2.3  財流擴散方程網格系統構造和計算方法
                              采用軸對稱圓柱坐標不等距正交浮動網格系統,根據所計算問題的不同可靈活配置區域的大小和空間步長。按方法B(即網格點放在控制容積的中心)布置控制容積面的位置,在邊界上采用狹縫單元布置邊界結點。在計算過程中對標量采用主網格,對速度矢量采用副網格,構成交錯網格布局。本文采用SIM PLE方法(解壓力耦合方程的半隱式算法)進行求解。
                          3  試驗臺系統及測量方法
                              以山西某電廠3號鍋爐雙通道生物質燃燒機為研究對象,進行了冷態模型試驗,試驗模型與原燃燒器的比例為1:2,燃燒器模型結構尺寸見表
                              測試時,一、二次風量均由均速管測量,速度場用五孔探針配以多臺微壓計進行測量,并用飄帶法測量回流區的長度和寬度。
                          4影響生物質燃燒機空氣動力學特性的因素
                          4.1  旋流葉片傾甬對空氣動力場的影響
                              所研究的雙通道生物質燃燒機采用了軸向固定葉片式旋流器,即在一次風道內加裝一定數量的旋流葉片,該葉片按照特定的型線彎制,呈一定的傾角a,葉片之間通道的導流作用可使二次風氣流具有一定的旋轉速度,并在出口形成旋轉射流。圖3和圖4分別表示在葉型合理的前提下,二次風旋流葉片傾角a分別為55。、600、65。、700時數值計算所得的燃燒器出口流場甜速度分布和回流區的相對大小(計算是針對錐形鈍體進行的)。傾角的增加提高了旋流射流的旋流強度,使出口切向速度提高,軸向速度峰值沿徑向外移,射流擴展角增大。同時,射流的旋流強度增大,也使流體微團的離心力加大,旋轉射流的切向角動量衰減更快,從而產生更大的軸向和徑向負壓力梯度,驅動更多的流體反向流動,使中心回流區增大,回流率提高,為煤粉氣流提供足夠的著火源。當a由55“提高到650H寸,中心回流區長度增加約20%,回流區寬度增加了25%~30%左右。由文獻[1]可知,葉片傾角的增加使出口氣流脈動速度均方值加大,并且其峰值沿徑向外移;在徑向氣流主流區和回流區交界處,湍流正應力具有峰值,該交界處是湍流脈動強烈煤粉氣流著火的有利區域。隨著葉片傾角的增大,3個方向湍流正應力均提高,脈動強度和混合強度加強。但是當d超過650時,回流區變化不明顯,這是由于葉片局部阻力系數迅速增加引起二次風阻力過大所致。一般來說,對于燃燒揮發分不太大的貧煤,二次風旋流葉片角度在650左右比較合適。
                          4.2直流二次風量、旋流二次風量、一次風量對空氣
                              動力場的影響
                              圖5為燃燒器在裝設中心錐形鈍體情況下,當直流二次風量、旋流二次風量、一次風量分別增大15%時,數值計算所得的燃燒器出口u速度分布。由圖5可知:
                              (1)直流二次風的強弱影響了整個空氣動力場的結構,直流二次風量的變化,將在很大程度上決定氣流出口實際旋流強度。當二次風量增大日寸,燃燒器出口氣流的后期混合強烈,對燃燒的穩定性影響較大。氧化氣氛對防止結渣和高溫腐蝕有重要作用。隨著直流二次風量的增加,中心回流區在寬度上略有減小,回流量減少。在計算中還發現在風速相近的情況下次風通道的直流和旋流部分的面積比為1 3~1:2之吼對回流區有較好的控制能力和良好的分級送風特性。
                              (2)隨著旋流二次風量的增大,中心回流區在寬度和長度上都相應增加。回流區長度范圍x-(0~1400) mm,回流區最寬位置在x一720mrn處,計算表明最大的逆向速度位于x- 240 rrnm附近,為  2.64 m/s左右,最大回流量位置沿軸向向后移動。
                              計算結果表明,在一定的旋流葉片開度下,隨著旋流二次風量的增大,回流區的范圍稍微變長、變寬。回流量增大的幅度較回流區的增加幅度略大。
                              (3)隨著一歡風量的加大,中心回流區的大小主要在軸線方向上的兩個端部上減小。其原因是一次風量的增加對回流區起到了破壞作用,使氣流回流減弱,這是由于一次風與二次風混合,減弱了射流的旋流強度,使射流的擴展角相應減小。計算表明空氣動力場最大回流量位置不變,而回流量減少,且減少的幅度較大。計算所得回流區尺寸與冷態模型試驗結果比較見表2。
                          錐形鈍體尾跡回流區的計算值略大于實測值,其原因可作如下分析:(1)本文進行的數值模擬是將計算流場看成一嚴格對稱流場,鈍體后部的渦流及流線分布十分對稱,對稱軸線兩側互不干擾,回流區域的發展非常穩定,然而實際的物理場則極難達到嚴格對稱。軸線附近由于非對稱而產生的流動震蕩會對回流區域的穩定性造成很大的影響,致使回流區域縮短。文獻[1]揩出:將一分界薄板置于楔形鈍體后部的對稱軸線上,以消除流動的非對稱性震蕩,這樣可使回流區的長度明顯增加;(2)在冷模試驗中,回流區的長度和寬度是用飄帶法測得的,本身存在一定的誤差,這也是造成計算值與實測值存在差異的原因之一。總之,通過與模型試驗結果的對比,說明本文所采取的數值模擬方法是比較準確可行的。
                          4.3-次風中心擴錐角度對空氣動力場的影響
                              在阻塞率相同的情況下,改變一次風擴錐角度(分別取l3一扣。、250、300),分析燃燒器出口流場的特性,其回流區相對大小如圖6所示。
                              從圖6可看出,隨著中心擴錐角度的增大,氣流將沿徑向導向外側,使中心回流區寬度和長度均有所增加,回流量增大。同時,出口氣流的湍流脈動水平明顯提高,強化了氣流之間的熱、質交換,對煤粉的著火和穩燃均十分有利。但一次風擴錐角度過大,會削弱旋流二次風的旋流強度,因此,擴錐角度的選取在結合具體煤種的同時,還應與擴口直徑、噴口氣流流速相匹配。
                          其回流區的相對大小比較如圖7所示。由圖7可見,直流二次風噴口擴角為12”和15。時,回流區變化不明顯,擴角的大小對空氣動力場的影響不大;而當直流二次風噴口擴角為loo日寸,回流區的寬度和長度減小較大。這是因為,隨著直流二次噴口擴角的增大,直流二次風對旋流二次風的徑向約束作用減弱,于是旋流二次風在旋轉離心力的作用下沿徑向運動增強,造成射流內部真空度增大,從而導致回流增強。但并不能證明直流二次風噴口擴角越大對燃燒越有利,當二次風擴角增大到一定程度時,由于直流二次風‘‘壓火”作用減弱,易發生“飛邊”現象。針對該生物質燃燒機,建議直流二次風噴口擴角為12。~150比較合適。
                          5結  論
                          研究論文
                              建立了雙通道生物質燃燒機出口空氣動力學特性的數學模型,對帶中心鈍體的雙通道生物質燃燒機出口空氣動力場特性進行了數值模擬計算,并對影響空氣動力特性的多種因素進衙了分析,計算結果表明:
                              (1)將直流二次風量增加15%,中心回流區長度增加,寬度減小,回流量減少;將一次風量增加15%,回流區長度,寬度均略有減小。一次風量的增加對回流區起到了破壞作用,使氣流回流減弱。因此,一次風量對旋流射流的空氣動力特性有重要的影響;將旋流二次風量增加15%,中心回流區在寬度和長度上都相應增加。
                              (2)隨著二次風旋流葉片傾角的增大,射流的擴展范圍不斷增加。射流的旋流強度增大,流體微團的離心力加大,同時旋轉射流的切向角動量衰減加快,產生了更大的軸向和徑向負壓力梯度,驅動更多流體反向流動,使回流區長度和寬度均增加。
                              (3) -次風出口鈍體擴角由20。增加到300,燃燒器出口氣流沿徑向導向外側,使中心回流區寬度和長度均有所增加,回流量增大,同時,出口氣流的湍流脈動水平明顯提高,強化了氣流之間的熱、質交換。
                              (4)直流二次風噴口擴角在12。~150之間變化時,回流區的變化不明顯。當直流二次風噴口擴角為10。時,回流區的寬度和長度相對于擴角為17時減小較大。
                              (5)將數值模擬計算結果同冷態模型試驗的結果進行了比較,兩者吻合較好。該計算結果對實際設備的運行、改造具有較好的指導意義。將本文教值模擬計算所推薦運行參數和結構尺寸應用于山西某電廠410 t/h鍋爐雙通道生物質燃燒機的改造,燃燒器出口空氣動力特性有了較大的改善,實際運行情況表明該燃燒器低負荷穩燃性能良好。

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