循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器性能特性數(shù)值模擬

雷 蕾，袁隆基

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

旋風(fēng)分離器是循環(huán)流化床鍋爐［1］的重要部件之一，其性能對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒及效率具有十分重要的影響.其作為一種常用的氣固分離設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高和壓降適中等特點(diǎn)，對(duì)于清潔燃燒以及社會(huì)環(huán)保等具有較大的作用.從現(xiàn)階段的研究狀況來看，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者［2－3］對(duì)于旋風(fēng)分離器的研究主要集中在理論計(jì)算和優(yōu)化模型2個(gè)方面，提出的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法多為經(jīng)驗(yàn)型或者是半經(jīng)驗(yàn)型，缺乏數(shù)學(xué)模型理論指導(dǎo)，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器的性能.

筆者考慮到在鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)無法對(duì)旋風(fēng)分離器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在75 t·h－1循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)基礎(chǔ)上，利用流體分析軟件，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，分析不同工況下的旋風(fēng)分離器性能特性.

1 旋風(fēng)分離器性能評(píng)價(jià)

旋風(fēng)分離器主要的性能指標(biāo)是分離效率和壓力損失.分離效率的提高，壓力損失的降低，意味著鍋爐燃燒效率的提高.分離效率用來表示分離器性能的好壞，與分離器的結(jié)構(gòu)、操作環(huán)境和顆粒的粒徑分布有關(guān).

旋風(fēng)分離器的壓力損失即壓降，它主要受到的影響:①切向進(jìn)口處由于煙氣與管壁進(jìn)口的摩擦;②氣流在旋風(fēng)分離器內(nèi)，由于自身的運(yùn)動(dòng)形態(tài)(旋轉(zhuǎn))以及與管壁之間摩擦導(dǎo)致的壓力損失.在計(jì)算壓力損失時(shí)，引入阻力系數(shù)ζ，它表示壓力損失與進(jìn)口壓力的比值，旋風(fēng)分離器壓力損失為

式中:vi為進(jìn)口氣流流速;ρg為氣體密度.

2 旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬

根據(jù)江蘇某電廠循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組負(fù)荷情況，選擇在負(fù)荷分別為 60，75，90 t·h－1時(shí)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示.

表1 旋風(fēng)分離器各參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

在利用流體分析軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立中，采用RSM湍流模型［1］模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)［4－6］，隨機(jī)軌道模型對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的離散相進(jìn)行數(shù)值模擬［1，7－8］;使用有限體積法建立離散方程，差分格式為2階，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，在求解實(shí)際物理模型過程中詳細(xì)闡述了邊界條件、初始條件的設(shè)置.

循環(huán)流化床的鍋爐負(fù)荷作為研究旋風(fēng)分離器性能的可控因素，在求解過程中對(duì)初始參數(shù)及邊界條件進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置.在其他條件不變的情況下，分別以鍋爐負(fù)荷為 60，75，90 t·h－1對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析旋風(fēng)分離器的性能變化.

其物理模型在某電廠CFB鍋爐上進(jìn)行數(shù)值模擬與特性試驗(yàn)，幾何模型選用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際模型，如圖1所示，主體高度為13350 mm;上段高度為6100 mm;進(jìn)口寬度為635 mm;進(jìn)口高度為2700 mm;筒體直徑為3000 mm;升氣管直徑為1280 mm;升氣管高度為3000 mm;升氣管插入深度為1930 mm.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際幾何模型

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，對(duì)于復(fù)雜的湍流流動(dòng)模型，六面體等結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，與實(shí)際的模型更加接近，形成的網(wǎng)格質(zhì)量也較高，因此盡量將模型劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.利用ICEMCFD軟件［9］，將模型進(jìn)行分區(qū)處理，如圖2所示，從而盡可能多地得到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，完成物理模型的網(wǎng)格劃分.將分離器分成上、下2部分分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，中間用interface鏈接，網(wǎng)格質(zhì)量可達(dá)0.6以上，網(wǎng)格數(shù)量為170萬個(gè)左右.

圖2 旋風(fēng)分離器網(wǎng)格分區(qū)劃分示意圖

邊界條件:入口處氣流為高溫?zé)煔?，速度分別選取幾種工況下計(jì)算出來的煙氣流速;出口采用壓力出口;壁面采用無滑移條件，對(duì)近壁網(wǎng)格點(diǎn)用壁面函數(shù)近似處理.

氣相流場(chǎng)模擬設(shè)置:由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)特性存在強(qiáng)旋流，故用k－ε模型不能準(zhǔn)確地模擬出其流場(chǎng)特性，用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動(dòng)，使用有限體積法建立離散方程，壓力速度耦合采用2階差分格式和SIMPLCE算法求解控制方程.

同時(shí)，由于在旋風(fēng)分離器內(nèi)部，分離特性比較明顯的區(qū)域主要集中在圓筒體與圓錐體，因而選取y=3 m和y=9 m的2個(gè)截面對(duì)旋風(fēng)分離器的性能進(jìn)行研究.數(shù)值模擬中，橫坐標(biāo)的選取以入口處為起點(diǎn)，沿直徑方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向.

3 模擬結(jié)果及分析

循環(huán)流化床的負(fù)荷是研究旋風(fēng)分離器性能的可控因素之一.根據(jù)理論分析，對(duì)求解過程中的初始參數(shù)及邊界條件進(jìn)行合理的設(shè)置.在其他條件不變的情況下，分別以鍋爐負(fù)荷為 60，75，90 t·h－1對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，用計(jì)算流體力學(xué)方法分析討論旋風(fēng)分離器內(nèi)部壓強(qiáng)、流場(chǎng)、分離效率以及壓力損失的變化.

3.1 壓強(qiáng)分析

3.1.1 圓筒內(nèi)壓強(qiáng)分布

不同鍋爐負(fù)荷圓筒內(nèi)靜壓、動(dòng)壓分布分別如圖3，4所示，旋風(fēng)分離器內(nèi)部圓筒內(nèi)(y=3 m)靜壓以及動(dòng)壓的分布對(duì)稱，靜壓呈“V”形分布，動(dòng)壓呈“M”形分布，當(dāng)鍋爐降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐的靜壓、動(dòng)壓都隨之減小，減小幅度比較大，靜壓由13.0 kPa降到6.0 kPa，動(dòng)壓由7.5 kPa 降到3.0 kPa 左右，在升氣管區(qū)域內(nèi)，靜壓隨著半徑的減小而增大，動(dòng)壓隨著半徑的減小而減小，且變化幅度較大.

圖3 不同鍋爐負(fù)荷圓筒內(nèi)靜壓分布

圖4 不同鍋爐負(fù)荷圓筒內(nèi)動(dòng)壓分布

3.1.2 圓錐體內(nèi)壓強(qiáng)分布

在旋風(fēng)分離器內(nèi)圓錐體區(qū)域內(nèi)(y=9 m)，靜壓動(dòng)壓分布如圖5，6所示，其靜壓與動(dòng)壓分別呈現(xiàn)“V”和“M”形分布，當(dāng)鍋爐降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，旋風(fēng)分離器圓錐體內(nèi)的靜壓和負(fù)壓都隨著減小，在升氣管區(qū)域外部，靜壓隨著錐體半徑的減小而減小，動(dòng)壓隨著半徑的減小，先增大后減小，動(dòng)壓有極大值為6.0 kPa;在升氣管區(qū)域內(nèi)，靜壓隨著半徑的減小而減小，動(dòng)壓也隨著半徑的減小而減小，靜壓可低到負(fù)壓，而動(dòng)壓最低可到達(dá)0.

圖5 不同鍋爐負(fù)荷圓錐體內(nèi)靜壓分布

圖6 不同鍋爐負(fù)荷圓錐體內(nèi)動(dòng)壓分布

3.2 內(nèi)部流場(chǎng)特點(diǎn)分析

循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷改變時(shí)，對(duì)于旋風(fēng)分離器來說，入口速度是影響其性能的重要因素.

圓筒內(nèi)(y=3 m)流場(chǎng)特性(如圖7，8所示)與圓錐體內(nèi)(y=9 m)流場(chǎng)特性(如圖9，10所示)類似，切向速度分布均呈“M”形，軸向速度均呈“W”形分布，且左右對(duì)稱，并與計(jì)算模型的分布相吻合.總的來說，循環(huán)流化床在降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，旋風(fēng)分離器內(nèi)的切向速度與軸向速度都減小，分布比較規(guī)則.

圖7 不同鍋爐負(fù)荷圓筒區(qū)域切向速度分布

圖8 不同鍋爐負(fù)荷圓筒區(qū)域軸向速度分布

圖9 不同鍋爐負(fù)荷圓錐體內(nèi)切向速度分布

圖10 不同鍋爐負(fù)荷圓錐體內(nèi)軸向速度分布

3.3 分離效率與壓降

隨著分離效率的提高，壓力損失的降低，整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率提高.對(duì)分離效率進(jìn)行研究時(shí)，采用分級(jí)效率ηi指標(biāo):

式中:tr為某一粒徑的顆粒被旋風(fēng)分離器下端捕集到的粒子數(shù);tr－es為某一粒徑的粒子在入口處總的追蹤粒子數(shù).

被旋風(fēng)分離器下端捕集到的粒子數(shù)［10］的多少直接受顆粒特性影響，在對(duì)循環(huán)流化床鍋爐不同負(fù)荷下的分離效率進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)置初始顆粒數(shù)和粒徑分布，以碰壁數(shù)作為捕集粒子數(shù).

通過對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在 60，75，90 t·h－1負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)各粒徑的分級(jí)效率進(jìn)行模擬，得出不同負(fù)荷下旋風(fēng)分離器各個(gè)粒徑的分級(jí)效率曲線如圖11所示.

圖11 不同鍋爐負(fù)荷分級(jí)效率曲線

從圖11可以看出:當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷越高時(shí)，各個(gè)粒徑下的分級(jí)效率也相對(duì)較高，這就意味著旋風(fēng)分離器分離效率的提高.通過計(jì)算，3種工況下的分離效率與總壓降如表2所示.

表2 不同鍋爐負(fù)荷分離效率與壓降

4 顆粒飛灰含碳量分析

飛灰含碳量是衡量電站鍋爐和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo).當(dāng)飛灰含碳量高時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率低，鍋爐內(nèi)燃燒不完全，這不但會(huì)導(dǎo)致發(fā)電成本升高，而且也會(huì)增大固體顆粒的排放，使粉煤灰的可利用價(jià)值降低，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響.溫度為800 ℃，負(fù)荷分別為60，75，90 t·h－1時(shí)，飛灰含碳量分別為 7.95%，6.67%，5.83%.當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率降低，而飛灰含碳量增高，這與實(shí)際運(yùn)行相吻合.在實(shí)際運(yùn)行中，在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，正常的入口風(fēng)速會(huì)對(duì)分離效率產(chǎn)生較大影響，影響指標(biāo)可用對(duì)不同直徑小粒徑的分離效率的相對(duì)變化率來表示.采用增大引風(fēng)機(jī)閥門開度的方法提高旋風(fēng)分離器入口的風(fēng)速，達(dá)到提高分離效率的目的.引風(fēng)機(jī)閥門開度主要用于調(diào)節(jié)爐膛出口，即旋風(fēng)分離器入口負(fù)壓的大小.以鍋爐負(fù)荷為60 t·h－1時(shí)為例，引風(fēng)機(jī)閥門開度變化時(shí)，飛灰含碳量的變化如表3所示.

表3 不同引風(fēng)機(jī)閥門開度的飛灰含碳量 %

由表3可以看出:當(dāng)鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)的閥門開度越大，飛灰含碳量越低，其主要原因是引風(fēng)機(jī)閥門開度變大時(shí)，負(fù)壓增加，則旋風(fēng)分離器的入口風(fēng)速增大，其分離效率升高.當(dāng)旋風(fēng)分離器的分離效率提高時(shí)，飛灰含碳量低，鍋爐的機(jī)械不完全燃燒損失減小，鍋爐的燃燒效率提高.

5 結(jié)論

1)當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，圓柱體與圓錐體內(nèi)切向速度與軸向速度均降低，旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流動(dòng)減弱，在壓降中占主要部分的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)損失減小，總壓降也隨之減小;當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率將減小.這是由于降負(fù)荷時(shí)煙氣量減少，導(dǎo)致進(jìn)口速度降低，旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度減小，小顆粒受到的離心力降低使小粒徑顆粒的分離效率降低.

2)低負(fù)荷時(shí)，正常的入口風(fēng)速會(huì)對(duì)分離效率產(chǎn)生較大的影響，在實(shí)際運(yùn)行中，可采用增大引風(fēng)機(jī)閥門開度的方法提高旋風(fēng)分離器入口的風(fēng)速，達(dá)到提高分離效率的目的.

3)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同工況下飛灰含碳量的測(cè)量分析可知:當(dāng)旋風(fēng)分離器的分離效率高時(shí)，飛灰含碳量低，鍋爐的機(jī)械不完全燃燒損失減小，鍋爐的燃燒效率提高.

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