余熱鍋爐灰斗內(nèi)兩相流動的三維數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

聶宇宏, 聶德云, 梁 融, 錢飛舟, 胡法議

(1.江蘇科技大學 能源與動力工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003) (2.蘇州海陸重工股份有限公司,江蘇 蘇州 215600)

灰斗是鍋爐的重要設(shè)備,是實現(xiàn)煙氣轉(zhuǎn)向并影響下游的空氣預(yù)熱器的積灰、磨損,并對除塵系統(tǒng)及環(huán)境保護有間接影響.以往灰斗優(yōu)化都是依據(jù)實驗和運行經(jīng)驗選定參數(shù)進行改造,很少在流場及分離效率等理論上深入分析研究再對其優(yōu)化.近年來對灰斗的結(jié)構(gòu)改造不斷提出新的研究方法,以數(shù)值模擬結(jié)合實驗研究為主,對灰斗內(nèi)部的流場和顆粒分離進行分析.

文獻[1]研究了奧托昆普公司設(shè)計的不帶輻射室擋板的余熱鍋爐灰斗；文獻[2]通過實驗提出對余熱鍋爐對流區(qū)物理模型結(jié)構(gòu)的簡化原則；文獻[3]通過實驗對灰斗分離特性做了詳細地研究.直到21世紀以后,隨著計算機技術(shù)與計算流體動力學的不斷成熟,才有學者對灰斗內(nèi)的流場與傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進行研究，文獻[4]采用顆粒軌道法對選配文丘利型油燃燒器的燃油鍋爐爐內(nèi)油滴顆粒的運動和蒸發(fā)過程進行了數(shù)值模擬,雖然對象不是灰斗,但模擬的方法可以借鑒；文獻[5]通過對灰斗的數(shù)值模擬,提出在灰斗內(nèi)部加入擋板從而提高顆粒的分離效率的改進方案.但其對灰斗只進行了二維的數(shù)值模擬,沒有提出灰斗分離效率與擋板角度的關(guān)系.

文中利用FLUENT 6.2軟件采用兩相流模型對余熱鍋爐中的灰斗進行數(shù)值模擬,提出加入擋板來提高分離效率的優(yōu)化結(jié)構(gòu),討論了不同顆粒尺寸下檔板角度對分離效率的影響,有助于更深入地了解灰斗內(nèi)部流動和顆粒的分離機理和性能,為灰斗結(jié)構(gòu)的改進提供依據(jù).

1 物理模型

灰斗結(jié)構(gòu)如圖1,具體數(shù)據(jù)如表1.

圖1 灰斗前視圖Fig.1 Boiler ash Front View表1 灰斗模型數(shù)據(jù)Table 1 Boiler ash model data

標號R1R2L1 L2 L3 L4 L5L6 數(shù)值/mm20005006005800130070017004900

2 灰斗的數(shù)學模型

2.1 數(shù)學模型

為了便于求解,以節(jié)約計算時間和空間,對灰斗的計算進行簡化,在兩相流模型中,對顆粒的運動采用拉格朗日描述,其基本假設(shè)如下:

1)考慮重力,不考慮浮升力;定常流動,氣相為不可壓;忽略散熱損失.

2)認為顆粒為球形,不變形,不旋轉(zhuǎn);顆粒與氣體之間有速度滑移;顆粒為不連續(xù)介質(zhì),各顆粒之間無相互干擾、無碰撞、無聚合;忽略氣相質(zhì)量力控制方程.

2.2 控制方程

采用Lagrange法預(yù)測單顆粒軌跡,便于給出兩相之間的速度和溫度滑移.其氣體相作為連續(xù)相,采用N—S方程描述氣相的流動傳質(zhì)行為.

氣相連續(xù)性方程:

(1)

氣相動量方程:

(2)

(3)

式(3)中,湍流粘性系數(shù)定義為:

μt=ρCμk2/ε

(4)

式中:k為湍流脈動動能；Cμ為模型系數(shù)；ε為湍流脈動動能耗散率.

標準的k-ε湍流模型中,湍流動能方程k和擴散方程ε如下:

Gk-pε-YM+Sk

(5)

(6)

方程中Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能.YM由于在可壓縮湍流中,由過渡的擴散產(chǎn)生的波動.C1,C2為常量,σk和σe為k方程和ε方程的湍流數(shù),Sk和Se由用戶定義.

顆粒作為離散項處理,在Lagrange坐標系中進行計算,顆粒運動方程由顆粒動量變化率等于作用在顆粒上的合力,對于單顆粒質(zhì)量來說：

(7)

式中：右邊第1項為作用于顆粒單位質(zhì)量的曳力,第2項為重力,第3項為其他力的合力,包括虛擬質(zhì)量力、布朗力等,其中,

(8)

顆粒Re數(shù)定義為

(9)

2.3 求解域

由于此模型比較復(fù)雜特別是加入擋板后模型,同時為了能使運算過程能較好地收斂,故采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方式進行劃分,網(wǎng)格總數(shù)約253 000個.

2.4 邊界條件及參數(shù)定義

進口采用mass-flow-inlet邊界條件,煙氣入口流量為3.7×105～3.8×105Nm3/h,煙氣壓力為3.82 MPa,煙氣成分如表2;出口為pressure-outlet邊界條件;板壁面給定壁面無滑移條件.煤氣中含塵量6 g/N·m3,含塵的粒徑為15～90 μm,含塵的主要成分如表3.

表2 煤氣體積成分Table 2 Gas volume component

求解技術(shù)采用了基于壓力的隱式求解器,對于灰斗的氣流場模擬,選用了standard壓力插值格式.

表3 煤氣中含塵的成分Table 3 Gas Containing particles composition

文中用到的顆粒分離的總效率為被吸收的顆粒占進入灰斗顆?？倲?shù)的百分數(shù);不同直徑顆粒分離效率為某一直徑顆粒被吸收的數(shù)目占進入灰斗的這一直徑顆?？倲?shù)的百分數(shù).

3 計算結(jié)果及分析

3.1 初始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖2為初始結(jié)構(gòu)灰斗中心截面的速度矢量圖,從圖中可以看到,該結(jié)構(gòu)下灰斗整體流場比較平穩(wěn),但在拐角處有一較大的漩渦,該漩渦的存在是合理的,有利于提高顆粒的分離效率.但是該區(qū)域中漩渦位置離壁面比較遠,不利于顆粒與壁面的充分接觸,所以需要改變該灰斗結(jié)構(gòu),以提升漩渦位置.該結(jié)構(gòu)下灰斗下方流動速度平穩(wěn),對顆粒的吸收有利,但是出口邊界下方流體流動速度達到7.5 m/s,需要考慮在該區(qū)域加入防護板,防止長期磨損帶來的壁面?zhèn)?圖3為不同直徑的顆粒在灰斗通道內(nèi)的運動軌跡,在入口處不同的位置均勻地射入不同直徑的顆粒,從圖中可以看到,直徑大的顆

圖2 初始結(jié)構(gòu)速度矢量(單位:m/s)Fig.2 Initial structure velocity vector(Unit:m/s)

粒很快會被分離出去,其中大部分直徑較小的顆粒則在氣流的作用下從出口處逃逸,此結(jié)構(gòu)下直徑在60 μm以上的顆粒分離的效率已經(jīng)達到90%以上.

圖3 不同直徑的顆粒的運動軌跡Fig.3 Particles of different diameters trajectory

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果分析

根據(jù)以上的分析結(jié)果,在圖1中A點位置處加入擋板,擋板與水平方向夾角α角分別為15°,30°,45°,60°,75°,對加擋板后的灰斗再次進行數(shù)值模擬.由于模擬結(jié)果眾多,只給出α=60°時的模擬結(jié)果.圖4為α=60°擋板結(jié)構(gòu)速度矢量圖(單位m/s),從圖中可以看出,與初始結(jié)構(gòu)相比,漩渦位置明顯靠近壁面,更有利于顆粒分離,加擋板后的灰斗結(jié)構(gòu)達到了理想的效果,但是出口邊界下方流體流動速度達到8.5 m/s,需要該區(qū)域加入防護板,防止長期磨損帶來的壁面?zhèn)?圖5為α=60°擋板結(jié)構(gòu)下不同直徑的顆粒在灰斗通道內(nèi)的運動軌跡,與圖3比較可以看出加入擋板后顆粒更多的被分離出來.

圖4 α=60°擋板結(jié)構(gòu)速度矢量(單位:m/s)Fig4 α=60°Baffle structure velocity vector(Unit:m/s)

圖5 α=60°擋板下不同直徑的顆粒運動軌跡Fig.5 α=60°Baffles of different particle diameters trajectory

圖6為在無擋板和加入擋板條件下灰斗對顆粒的總分離效率η與擋板角度α的變化曲線,從圖中看出,加入擋板后總的分離效率均有明顯增加,其中擋板角度α=60°時分離效率增加明顯,達到71.2%.而未加擋板時分離效率最低為63.7%.

圖6 總分離效率與擋板角度變化曲線Fig.6 Overall separation efficiency curve baffle angle

圖7為各角度擋板下不同直徑顆粒的分離效率η,從圖中看出,直徑φ在60 μm以上的顆粒,分離效率都很高,而對于45 μm直徑以下的顆粒分離效率相對都很低,但加入擋板后的分離效率相對無擋板情況下普遍增高.對于加入α=60°擋板時顆粒直徑在小于45 μm時,分離效率急劇下降,加入α=60°擋板對直徑較小的顆粒效果不明顯,所以對于大多顆粒物直徑小于45 μm時不適合用此角度擋板,從圖中還可以看出，當加入擋板α=75°時直徑小于45 μm顆粒物分離效率均好于其他角度,那么對于大多顆粒物直徑小于45 μm時可選用α=75°的擋板.

直徑在90 μm以上顆粒分離效率均在90%以上,低于30 μm的顆粒分離效率在20%左右,這一結(jié)論與文獻[3]實驗結(jié)果十分相近,說明文中的模擬結(jié)果基本正確.

圖7 各角度擋板下不同直徑顆粒的分離效率Fig.7 Angles baffle of different diameter particle with the separation efficiency

4 結(jié)論

1)在灰斗加入擋板后有利于顆粒的分離,不同角度的擋板對分離效率的影響不同,從總體分離效率來看擋板角度α=60°時分離效率最高.

2)各結(jié)構(gòu)灰斗對直徑在60 μm 以上的顆粒都有90%以上的分離效率, 對于直徑小于45 μm顆粒的分離效率一般都低于50%,這仍需要通過改進結(jié)構(gòu)來提高小直徑顆粒的分離效率.

3)通過在灰斗內(nèi)部加入擋板,并調(diào)整擋板角度的模擬分析,得出加入擋板后灰斗的顆粒的分離效率大大提高,可以減少積灰和結(jié)垢,有利于余熱鍋爐的長期、安全、穩(wěn)定運行.

參考文獻(References)

[ 1 ] Yang Yongxiang,Jokilaakso Ari,Taskinen Pekka,et al.Using computational fluid dynamics to modify a waste-heat boiler design[J].SmelterGasControl,1999,51(5):36-40.

[ 2 ] Antonio Gomez,Norberto Fueyo,Luis Ignacio Diez. Modeling and simulation of fluid flow and heat transfer in the convective zone of a power-generation boiler[J].AppliedThermalEngineering,2008,28:532-546.

[ 3 ] 周曲蘭,竇文宇,徐通模,等.大容量灰斗分離特性的實驗研究[J].西安交通大學學報,1999,33(2):26-28.

Zhou Qulan,Qou Wenyu,Xu Tongmo,et al.Experimental study on boiler ash separation characteristics of large capacity[J].JournalofXi′anJiaotongUniversity,1999,33(2):26-28.(in Chinese)

[ 4 ] 馬哲樹,姚壽廣. 燃油鍋爐油滴運動蒸發(fā)的數(shù)值模擬[J].華東船舶工業(yè)學院學報：自然科學版, 2002,16(4):53-59.

Ma Zheshu,Yao Shouguang. Numerical simulation of dynamics and evaporation of fuel droplets in the chamber of fuel-burning boiler[J].JournalofEastChinaShipbuildingInstitute:NaturalScienceEdition,2002,16(4):53-59.(in Chinese)

[ 5 ] 趙慶新,周曲蘭,譚厚章,等.余熱鍋爐研究與設(shè)計[M].北京:中國標準出版社，2010:87-91.

[ 6 ] 姚震球. 考慮重力影響的導(dǎo)管槳粘性流場數(shù)值分析[J]. 江蘇科技大學學報:自然科學版,2011, 25(1): 4-7.

Yao Zhenqiu. Numerical analysis of viscous flow field around ducted propeller considering gravity[J].JournalofJiangsuUniversityofSicenceandTechnology:NaturalScienceEdition, 2011, 25(1): 4-7.(in Chinese)

[ 7 ] 江帆,黃鵬.Fluent高級應(yīng)用與實例分析[M].北京:清華大學出版社，2009:54-55.

[ 8 ] 丁晟,閃速煉銅余熱鍋爐輻射室流場溫度場數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].浙江杭州：浙江大學,2011.

[ 9 ] Tadashi Konishi,Susumu Akagi,Hironori Kikugawa.Flow visualization of waste-heat boiler using l/20 seale model and numerical simulation[J].SpringerScience&BusinessMedia,2008:343-355.

[10] 袁益超,全慶華,劉幸拯,等.燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐入口煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].鍋爐技術(shù),2008,39(l):14-18.

Yuan Yichao,Quan Qinghua,Liu Xingzheng,et al.Study on numerical simulation of flue entrance structure optimization of HRSG in gas steam combined cycle[J].BoilerTechnology,2008,39(l):14-18.(in Chinese)