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生物质燃烧机(30万大卡)

生物质燃烧机
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型生物质燃烧机一级燃烧室结构

利用计算机数值模拟方法对某厂大型生物质燃烧机的一级燃烧室进行结构优化设计,以Fluent软件为平台,对一级燃烧室内生物质、空气以及油火炬混合物的气固两相耦合燃烧过程进行了数值模拟研究,得到了在一定条件下最优的一级燃烧室结构参数,可为大型点火生物质燃烧机的实体试验和工业应用提供参考。

    我国电网容量不断增加,电网峰谷差不断扩大,在用电低谷阶段,大容量机组被迫频繁起动调峰和低负荷运行,大大增加了电站锅炉的点火及稳燃用油。

    大型点火与稳燃技术可以大幅度降低油耗,已经成功应用于国内各大电厂燃用贫煤、烟煤和褐煤的锅炉。本文在分析影响大型生物质燃烧机一级燃烧室结构尺寸的诸多因素基础上,对其点火过程中内部气固两相流的燃烧进行了数值模拟,研究不同一次风风速和生物质浓度对一级燃烧室出口处生物质燃烧状况的影响,并对一级燃烧室的结构进行了优化。大型生物质燃烧机的原埋

    大型生物质燃烧机是利用机械雾化使燃油高强度燃烧(图1),燃烧形成的高温火焰使一部分生物质温度迅速升高并着火燃烧,已经着火燃烧的这部分生物质又与剩余生物质混合并将其点燃。由于生物质点火是分级进行的,主要利用生物质燃烧产生的热量,故可大量节省锅炉点火用油。

    性能良好的大型生物质燃烧机应满足防结渣、防磨损、防超温的要求,实现上述目标的基础就是一级燃烧一级生物质浓缩燃烧室室的喷口能提供稳定的、热流密度大的高温火焰。影响一级燃烧室供高温点火热源的主要因素有以下3个方面。

    (1)燃油雾化燃烧功率决定了点燃生物质热能的大小,相应地决定了可点燃的生物质量。在一定的一次风速和生物质浓度下,也初步确定了一级燃烧室的直径。

    (2)生物质挥发分含量的高低,对大型点火影响较大。生物质挥发分含量越高、一次风温越高、生物质越细,则生物质着火所需的热量越低,在相同点火燃油热功率低污染燃烧和气固多相流测量等方面的研究和教学。

    (3)为了给在一级燃烧室内的生物质提供一个稳定燃烧的空间,避免二级生物质过早与其混合,燃烧室的长度是优化设计时必须考虑的一个因素。

2  点火燃烧过程的数值模拟

    模拟的大型生物质燃烧机一级燃烧室简化计算区域见图2,图2中三表示一级燃烧室的长度。雾化油燃烧火焰温度高达1 900 K,该火焰进入一级燃烧室后与生物质和空气混合物发生动量和热量交换,提供点燃生物质所需的热量。为满足一级燃烧室点火需要,设定大型出力为40 kg/h,油火炬进口速度为60 m/s,油火炬进口圆管直径为200mm。生物质空气混合物的温度取一般中速磨煤机输出生物质的温度(353 K)。

    模拟煤种为某电厂实际燃用的大同混煤,其煤质分析见表1。假设生物质粒径分布遵循Rosin -Ram mler规律,生物质粒径最小为1弘rri,最大为1 80弘m,平均为60 lj-m,均匀性指数为2。模拟计算中,一级燃烧室内气体的辐射吸收系数按Wsggm-cell-based计算,其散射系数近似为各向同性[ II]。此外,假设气体的粘度为常数,其值为1. 72×10 -  kg/(m4s);导热系数与温度呈线性关系,其表达式为:

    生物质燃烧过程的模拟是一个复杂的过程。本模拟为三维稳态模拟,对流场和温度场运用SIM PLE算法进行迭代求解。生物质挥发分的析出采用双方程模型,焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型,辐射传热用P-l辐射模型,生物质颗粒跟踪采用随机轨道方法,湍流计算采用可实现怍£双方程模型,并用混合分数一概率密度函数方法模拟气相的湍流燃烧。

    采用三维网格进行建模。一级燃烧室的高温油火焰与生物质气流交汇区域存在剧烈的动量和热量交换,为使计算能够更加精确地反映流场和温度场变化,采用具有较好适应复杂外形和流场剧烈变化的四面体网格,其它区域采用规则的六面体网格。网格的总数量约20万。

3  计算结果分析

3。1  一级燃烧室速度和温度场分布

    图3、图4是一次风速为20 m/s、生物质浓度为0.5、一级燃烧室长度三一1 000 mm工况下燃烧室速度场和温度场,图5为一级燃烧室出口截面温度场。由图3和图4可知,油火焰进入一级燃烧室后,与生物质气流发生动量交换,使其流动产生偏辖。同时,高温油火焰又与生物质气流发生热交换,使得一级燃烧室中的部分生物质温度快速上升,达到着火温度,挥发分析出并着火燃烧。图5中出口截面处的平均温度为1 065 K。

3.2 -级燃烧室长度对生物质燃烧特性的影响

    图6为在一次风速为20 m/s、生物质浓度为0.5工况下一级燃烧室长度三分别为750 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mru和1 250 mm时的挥发分燃尽率。由图6可见,随着一级燃烧室的长度不断增加,挥发分的燃尽率不断增大。当三一750 mm日寸,挥发分的燃尽率为13.78%,当1-1 000 mm时,挥发分的燃尽率为15. 29%,而当一级燃烧室长度变化为三一

当一级燃烧室的长度/三。.H寸,逐渐增加/的值一级燃烧室中的挥发分和焦炭的燃尽率也随之增大;当一级燃烧室的长度/>三。rt时,随着三值的增加焦炭燃尽率的增长趋势变平缓。另一方面,过长的一级燃烧室会推迟燃烧室中的生物质气流与第二级生物质气流的混合,影响分级燃烧的效果。同日寸,过大的三将使得一级燃烧室的筒壁出现超温现象,从而影响大型生物质燃烧机的使用寿命。

3.3生物质浓度对生物质燃烧特性的影响

    图10为在一级燃烧室长度为1 000 mm、一次风速为20 m/s的工况下生物质浓度分别为0.2、0.35、0.5、0.65和0.8时的生物质挥发分燃尽率。从图10可知,生物质挥发分燃尽率随着生物质浓度的增大先升高后降低,在生物质浓度为0.5左右处有一最大值。这主要是由于生物质总量增大,使得挥发分相对析出率降低。同时,浓度越高的生物质气流升温所需的热容量越大,从而降低了一级燃烧室内的整体温度水平,不利于挥发分的析出与燃尽。

    图11为不同生物质浓度与焦炭燃尽率的变化关系。当生物质浓度小于0。5时,焦炭的燃尽率随着浓度的增加而增大;当生物质浓度大于0。5时,情况则相反。这是由于低生物质浓度时,相对丰富的氧气易于到达生物质颗粒的表面,生物质趋向于非均相着火燃烧,焦炭的燃尽率随浓度的增加而增大,而当浓度大于0。5时,生物质气流相对缺氧,此时生物质燃烧中占主导地位的是挥发份的析出与燃烧,生物质趋向于均相着火燃烧。

4结论

    (1) -级燃烧室的长度对挥发分和焦炭燃尽率有很大影响。随着燃烧室长度三从750 mm增加到1 250 mm,生物质的挥发分和焦炭的燃尽率分别从13。78%和1。68%上升到17。45%和2。85%。

    (2)随着生物质浓度的增加,生物质挥发分和焦炭的燃尽率先增加后降低。这主要是由于生物质总量不断增大,使得挥发分相对析出率降低;同时浓度越高的生物质气流升温所需的热容量越大,从而降低了一级燃烧室内的整体温度水平,不利于挥发分和焦炭的燃尽。

    (3)燃用大同混煤(Vflaf- 31.09%)时,在一次风速为20 m/s、一级燃烧室筒径为350 mm工况下,一级燃烧室的长度三、生物质浓度以1000mm、0.5 kg/kg为最佳。

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