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循环流化床锅炉旋风分离器气流温度性能研究
摘要:本文在对江苏某电厂循环流化床旋风分离器数值研究的基础上,结合生产现场实践,对分离器气流温度的性能特性进行研究分析,研究结果表明:随着入口温度的升高,旋风分离器内部轴向速度升高,切向速度减小,压力损失与分离效率减小,但是幅度均不明显。因而在保证锅炉稳定燃烧基础上的实际运行中,提高入口处温度不能够达到提高旋风分离器分离效率的目的,同时还会出现分离器内壁形成结渣等状况,对旋风分离器的运行安全造成影响。
关键词:循环流化床 旋风分离器 性能研究
旋风分离器是循环流化床锅炉的主要部件之一,其性能对循环流化床锅炉的燃烧及效率有着十分重要的影响。而旋风分离器作为一种重要的分离设备,虽其结构简单,但内部三维湍流流场十分复杂,对此,本文选用FLUENT流体分析软件,采用计算流体力学方法,从计算模型入手,同时以电厂75 t/h循环流化床锅炉的旋风分离器实际运行参数为基础,分析研究在额定工况下温度变化对旋风分离器性能的影响,并通过飞灰含碳量的测定数据对其性能影响进行了分析验证。
1 旋风分离器数值模拟 1.1 数值模拟理论基础
本文对江苏徐州大屯某电厂75 t/h循环流化床锅炉锅炉额定负荷
的实际数据进行了计算,为旋风分离器进行数值模拟提供了理论基础。
1.2 湍流模型
本文选取连续性方程、动量方程以及能量方程等对控制流体运动的方程进行描述,并采用SIMPLEC算法求解控制方程。
一般的,对于旋风分离器气相流场多使用标准模型,模型以及RSM模型进行模拟。但标准模型与模型都主要基于各项同性的模型,对此,本文选用了更适合强旋流场模拟的雷诺应力模型(RSM)。
1.3 计算模型与网格划分 1.3.1 几何模型与网格划分
本文选用的是现场实际的直切式旋风分离器为模型,其模型和结构尺寸如图1所示。同时针对其筒体与进气管连接处形状尖锐等结构特点,采用了分块生成网格的办法。
对于分离特性比较明显的区域如旋风分离器内部、圆筒体以及圆锥体,本文选取了Y=3 m和Y=9 m两个曲线对旋风分离器的性能进行研究,并将坐标轴的横坐标定为曲线长度,具体曲线起点至终点的长度如图1所示。
本文选用ICEM-CFD软件完成了物理模型的网格划分,具体的将旋风分离器分成上、下两部,并用interface链接,其网格质量可达0.6以上,网格数量约在170万左右。
1.3.2 边界条件
边界条件:入口处:气流为常温空气,速度取值11.47 m/s;出口处:所有变量在出口截面法向上梯度为零,即按照充分发展管流条件进行处理;壁面处:采用无滑移条件,并用壁面函数对近壁网格点进行近似处理。
2 模拟结果与讨论
本文在额定工况即75 t/h锅炉负荷下,在进口设置温度分别为750 ℃、850 ℃、900 ℃时对旋风分离器进行了数值模拟,以此讨论温度对旋风分离器性能的影响。
2.1 压强分析
(1)圆筒内区域(Y=3 m)。
不同温度下圆筒内区域的静压及动压分别呈“V”型和“M”分布。总的来说,随着温度的升高,静压及动压均呈递减趋势。具体来说,对于静压,在圆筒中心处取到最小值,且随着旋风分离器半径的减小而减小;对于动压,在升气管外部区域随半径的减小而增大,在升气管内部区域随着半径的减小而减小,且有极小值0 Pa。
(2)圆锥体内区域(Y=9 m)。
旋风分离器圆锥体内部区域的静压及动压分布状况与圆筒内区域类似,依然呈“V”型和“M”分布。当温度升高时,静压及动压略微减小,且静压有极小值-5000 Pa,而随着旋风分离器半径的减小,动压先增大后减小,有极大值约为4000 Pa。
2.2 内部流场分析
为分析旋风分离器内部流场的变化情况,可在入口温度变化时,对切向速度与轴向速度变化进行模拟研究。
圆筒内流场特点与圆锥体内类似,其切向速度与轴向速度均分别呈“M”和“W”分布,与计算模型的分布相吻合。总的来说,当温度升高时,旋风分离器的流场的分布形态不变,切向速度略微减小,而轴向速度略微升高。具体来说,切向速度随着旋风分离器半径的减小,先增大后减小,有极大值80 m/s,轴向速度在升气管外部随着旋风分离器半径的减小,先减小后增大,有极小值,在升气管区域,随着半径的减小也减小。
2.3 分离效率与压降
旋风分离器的分离效率与压力损失是评价其性能的常规指标。根据不同温度下,旋风分离器各个粒径分级效率的追踪情况,可得出不同温度下的分级效率曲线如图2所示。
同时根据计算流体力学,可得出额定工况下,设置不同温度时旋风