仝志輝,劉漢濤,馬理強(qiáng),李海橋
(1. 中北大學(xué) 山西省太陽能光熱綜合利用工程技術(shù)研究中心, 山西 太原 030051;2. 中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030051)
為了深度利用鍋爐尾部煙氣能量,降低排煙溫度,通常會(huì)在空氣預(yù)熱器尾部至除塵器間安裝煙氣余熱深度利用裝置,然而由于煙氣在流動(dòng)方向存在較大的偏轉(zhuǎn)、煙道截面變化以及受熱面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因[1-2],煙氣在流動(dòng)過程中,一方面可能存在流動(dòng)死區(qū)、渦流和回流[3-4],在煙道及受熱面產(chǎn)生松散型積灰,另一方面可能存在煙氣流動(dòng)不均,導(dǎo)致受熱面換熱不均[5],換熱效率下降,飛灰濃度場(chǎng)的不均勻還會(huì)使煙道及受熱面磨損加劇. 因此,加裝受熱面后鍋爐尾部煙道內(nèi)煙氣分布是否合理,直接影響鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[6-7]. 理論分析和實(shí)驗(yàn)方法很難在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大的煙道內(nèi),對(duì)煙氣的氣固兩相流場(chǎng)分布特性進(jìn)行研究[8-9]. 采用數(shù)值方法對(duì)尾部煙道內(nèi)多相流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行研究,無法保證計(jì)算的精度以及控制計(jì)算量[10-11],因此,本文采用RNG湍流模型模擬連續(xù)相煙氣,離散相模型模擬飛灰分散相,雙向耦合飛灰顆粒與煙氣,將煙氣深度余熱利用裝置簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型. 對(duì)煙道內(nèi)煙氣兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬. 通過煙氣均布裝置對(duì)煙道流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). 通過壓力、速度以及速度不均勻系數(shù)等對(duì)均布裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析.
由煙氣在煙道內(nèi)的平均流速可知,煙氣流動(dòng)在湍流區(qū)域,煙氣湍流三維控制方程為
質(zhì)量守恒方程
動(dòng)量方程
標(biāo)量φ的時(shí)均輸運(yùn)方程
采用k-εRNG湍流模型封閉方程組[12]
在計(jì)算模型中,煙氣流量為872 121 m3/h,飛灰體積流量為41 127 m3/h,飛灰顆粒占煙氣流量的體積分?jǐn)?shù)為4%. 因此,將煙氣視為連續(xù)相,飛灰顆粒視為分散相,采用離散相模型(Discrete Phase Model)處理. 離散相的各個(gè)顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系下進(jìn)行軌道積分.
飛灰顆粒的控制方程
式中:fD(u-up)為單顆粒質(zhì)量曳力;Rep為顆粒雷諾數(shù);CD為阻力系數(shù);f為附加加速度項(xiàng);u,up為煙氣和飛灰顆粒速度;ρ,ρp為煙氣和飛灰顆粒密度.
余熱利用裝置采用多孔介質(zhì)模型計(jì)算,模型中的粘滯阻力和慣性阻力系數(shù)通過Ergun公式計(jì)算為
式中:ε為余熱裝置孔隙率,ε=0.566;Dp為當(dāng)量直徑,Dp=0.03.
在模擬計(jì)算中,流體相通過SIMPLEC算法求解. 采用三階精度的QUICK格式對(duì)流體方程的對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行差分.
按設(shè)計(jì)煤種及煤耗量,對(duì)煙氣及飛灰量進(jìn)行計(jì)算. 得到計(jì)算的邊界條件如表 1 所示. 出口按壓力出口邊界條件進(jìn)行計(jì)算,出口處表壓值為-5 500 Pa(G).
計(jì)算三維模型如圖1 所示,模型包括進(jìn)口煙道部分(進(jìn)口煙道尺寸為5.988 m×2.988 m)、余熱回收裝置(尺寸為6.638 m×5.988 m×8.010 m)以及出口煙道(出口處尺寸為9.247 m×7.260 m)部分. 余熱回收裝置與出口煙道部分采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 進(jìn)口煙道由于包含煙氣擋板,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用了四面體網(wǎng)格. 由于此次計(jì)算主要考慮煙氣擋板的布置對(duì)煙氣分布的影響,因此進(jìn)口煙道部分,特別是煙氣擋板周圍網(wǎng)格進(jìn)行了加密,煙道壁面區(qū)域、余熱利用裝置區(qū)域以及出口煙道部分采用了較粗糙的網(wǎng)格. 分別單獨(dú)對(duì)出口煙道、余熱回收裝置以及進(jìn)口煙道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后采用Interface連接. 考慮到計(jì)算區(qū)域較大,煙氣擋板厚度太小(6 cm),余熱回收裝置部分簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)區(qū)域,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算,最終計(jì)算總結(jié)點(diǎn)數(shù)519 158, 網(wǎng)格數(shù)1 209 185.
表 1 計(jì)算入口初始條件
圖1 計(jì)算模型Fig.1 The computational model of boiler tail flue
原設(shè)計(jì)檔板如圖1 所示,布置在進(jìn)口煙道拐彎處,第一列煙氣檔板自左往右間距逐漸增大,第二列檔板自左往右間距逐漸減小. 對(duì)煙氣在煙道內(nèi)的速度及壓力計(jì)算結(jié)果分別如圖2~圖4 所示. 從圖2 可以看出,煙氣在剛進(jìn)入煙道時(shí)的分布比較均勻,但離開進(jìn)口煙道進(jìn)入第二組煙氣檔板后,由于煙氣分配不合理,右側(cè)煙氣流速較大,左側(cè)煙氣流速較低. 最左側(cè)擋板煙氣流速在(2~6m/s),而最右側(cè)擋板右側(cè)煙氣流速都在8 m/s以上. 從余熱回收裝置(2)內(nèi)速度分布可以看出,煙氣進(jìn)入余熱利用裝置時(shí)分布很不均勻. 如圖3 所示,左側(cè)煙氣流速很低,右側(cè)煙氣流速較高,導(dǎo)致煙氣進(jìn)入余熱利用裝置后換熱均勻. 圖4 煙道中間截面壓力云圖表明不同檔板位置壓力分布也不均勻. 從圖5 粒子軌跡也可以看出,飛灰在右側(cè)比較密集,而左側(cè)比較稀疏,因此,為了更合理地組織煙氣流動(dòng),改進(jìn)煙道內(nèi)速度和壓力分布,需要改進(jìn)進(jìn)口煙道擋板的傾角.
圖2 煙道中間截面處速度矢量Fig.2 The velocity vector at the center of the flue
圖3 z=8 m及12.5 m處速度矢量分布Fig.3 The velocity vector distribution at z=8 m and 12.5 m
圖4 煙道中間截面處壓力云圖Fig.4 The pressure contour at middle section of the flue
圖5 計(jì)算區(qū)域內(nèi)的飛灰粒子軌跡Fig.5 Calculation of the fly ash particle trajectory
根據(jù)以上煙氣分布和流動(dòng)特性的分析,為改善煙氣分布,現(xiàn)將兩列擋板改為等距擋板,如圖6 所示,將擋板在紅色粗線的位置分別均勻分隔成等距離的8段和7段. 煙氣進(jìn)口處較小的導(dǎo)流板間距為455.9 mm,后部導(dǎo)流板間距為728.6 mm. 重新對(duì)煙氣流動(dòng)過程進(jìn)行模擬計(jì)算. 從圖7 的計(jì)算結(jié)果可以看出,在z=8及z=12.5的截面上,煙氣速度分布相對(duì)圖3 更加均勻,速度范圍在2.9~3.5 m/s之間. 從圖8 可以看出,最左側(cè)擋板處流速為2.3~2.9 m/s,最右側(cè)煙氣擋板處流速在2.3~3.5 m/s之間. 此種情況下,流場(chǎng)的不均勻主要體現(xiàn)在擋板的凹面與凸面. 凹面流速普遍較大,而緊靠凸面一側(cè)流速很低,這一現(xiàn)象可以從圖8 擋板處局部速度矢量分布看出,甚至在凸面較大范圍的區(qū)域內(nèi)流速都接近0. 降低這一影響的主要措施是設(shè)計(jì)接近流線形的煙氣擋板. 從圖9 粒子軌跡可以看出,檔板均布以后飛灰顆粒分布比較均勻,表明煙氣流動(dòng)比較合理.
圖6 均布擋板布置圖Fig.6 The flow-equalizing equipment
圖7 z=8 m及12.5 m處速度矢量分布Fig.7 The velocity vector distribution at z=8 m and 12.5 m
圖8 y方向中間截面處速度矢量Fig.8 The velocity vector distribution at the middle section in the y direction
圖9 均布擋板計(jì)算區(qū)域內(nèi)的飛灰粒子軌跡Fig.9 Calculation of the fly ash particle trajectory in flow-equalizing equipment
采用速度不均勻系數(shù)Mu定量評(píng)價(jià)出口煙氣出口處氣流速度的不均勻性.
σn,a=0.024 731,Mu,a=1.07.
計(jì)算結(jié)果表明,出口截面處速度均勻性很好.
為模擬煙道煙氣流場(chǎng),將煙氣視為連續(xù)相,飛灰相視為分散相. 對(duì)連續(xù)相采用 RNG湍流模型,離散相采用離散相模型(Discrete Phase Model),飛灰顆粒與煙氣之間進(jìn)行雙向耦合,對(duì)煙氣兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬. 得出以下主要結(jié)論:
1) 按原設(shè)計(jì)方案中擋板的位置進(jìn)行計(jì)算時(shí),右側(cè)煙氣流速較高,左側(cè)煙氣流速較低,流速相差約6 m/s左右. 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)擋板進(jìn)行了均布設(shè)計(jì)并進(jìn)行了流場(chǎng)模擬,數(shù)值模擬結(jié)果表明,最左側(cè)擋板處煙氣流速在2.6 m/s左右,最右側(cè)煙氣擋板處煙氣流速在2.8 m/s左右. 擋板的凹凸設(shè)計(jì)會(huì)使煙氣在凹凸面不均勻.
2) 由出口截面上的速度分布以及速度不均勻系數(shù)可以看出,煙氣從喇叭口流出后速度分布比較均勻. 表明優(yōu)化改進(jìn)的檔板合理地組織了煙氣流動(dòng),使深度余熱利用裝置受熱均勻.