300MW单炉膛循环流化床锅炉二次风射程的数值模拟

　第 29 卷 第 9 期 　2009 年 9 月 动 　力 　工 　程 Journal of Power Engineering Vol. 29 No. 9 　 Sept . 2009 　 收稿日期 :2009204229 　　修订日期 :2009205212 基金项目 :国家科技支撑计划资助项目 (2006BAA03B02208) 作者简介 :郑成航 (19842) ,男 ,浙江衢州人 ,博士研究生 ,主要从事能源清洁燃烧理论与技术方面的研究. 程乐鸣 (联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,电话 ( Tel . ) :0571287952802 ; E2mail :lemingc @zju. edu. cn. 文章编号 :100026761 (2009) 0920801205 　　　中图分类号 : T K229. 6 + 6 　　　文献标识码 :A 　　　学科分类号 :470. 30 300 MW 单炉膛循环流化床锅炉 二次风射程的数值模拟 郑成航1 , 　程乐鸣1 , 　周星龙1 , 　徐齐胜2 , 　王勤辉1 , 　方梦祥1 , 　骆仲泱1 (1. 浙江大学 热能 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所 ,能源清洁利用国家重点实验室 ,杭州 310027 ; 2. 广东电网公司电力科学研究院 ,广州 510600) 摘　要 : 针对大型循环流化床中二次风射流的特性 ,采用 Fluent 数值计算软件对 300 MW 单炉膛 大型循环流化床锅炉炉膛进行了数值模拟 ,研究了二次风口高度、二次风射流角度、二次风风速、一 次风风速和炉内颗粒浓度对二次风穿透性和气固两相混合的影响. 结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 :二次风射流深度随着 一次风风速的增大和颗粒浓度的提高而减小 ;当二次风射流速度增大时 ,射流深度增加 ;二次风射 流角度和二次风喷口位置也会影响二次风射流深度. 关键词 : 循环流化床 ; 二次风 ; 射流深度 ; 数值模拟 Numerical Simulation of Secondary Air Penetration Depth in a 300 MW Single2furnace Circulating Fluidized Bed Boiler Z H EN G Cheng2hang1 , 　C H EN G L e2mi ng1 , 　Z HOU X i ng2long1 , 　X U Qi2sheng2 , 　 W A N G Qi n2hui1 , 　FA N G Meng2x i ang1 , 　L UO Zhon g2y ang1 (1. State Key Lab of Clean Energy Utilization ,Instit ute for Thermal Power Engineering , Zhejiang U niversity , Hangzhou 310027 , China ; 2. Guangdong Power Test and Research Instit ute , Guangzhou 510600 , China) Abstract : Aiming at t he characteristics of the secondary air jet in large2scale circulating fluidized beds , numerical simulation was carried out for the f urnace of a 300 MW large2scale circulating fluidized bed boiler with single f urnace by use of software Fluent . The influence of following factors on secondary air penet ration and gas2solid two p hase mixt ure were studied ,such as secondary air port elevation , secondary air jet angle , secondary air velocity , p rimary air velocity and particle concent ration in the f urnace. Result s show that t he secondary air jet penet ration decreases wit h t he increase of p rimary air velocity and particle concent ration. J et penet ration increases wit h increasing secondary air velocity. Besides , secondary air jet angle and secondary air port position also have effect s on secondary air jet penet ration. Key words : circulating fluidized bed boiler ; secondary air ; penet ration dept h ; numerical simulation 　　在循环流化床锅炉中 ,一次风主要提供床料流 化动力及为燃烧室密相区燃烧补充氧气 ,二次风为 燃料完全燃烧提供氧气. 在循环流化床高参数大型 化进程中[124 ] ,二次风射程是限制其发展的一个重要 因素 ,尽管采用“裤衩腿”炉型能够在一定程度上缓 解二次风穿透深度不足带来的影响 ,但该炉型结构 复杂 ,制造成本较高 ,且在实际运行中常出现翻床等 问题[ 526 ] . 二次风口的布置及二次风风量是锅炉 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及运 行中普遍关注的问题 ,而二次风的设置本质上是如 何优化流场、提高燃烧效率及降低污染物排放的问 题. 国内外学者通过试验和数值模拟的方法对二次 风射流问题进行了研究. Arastoopour [7 ] 采用 Fluent 软件和欧拉方法对直径为 0. 2 m 的上升管进行了 二维和三维数值模拟 ,得到环核结构和边壁颗粒下 降流 ,通过对比试验结果 , 表明模拟效果较好. Taghipour 等[ 8 ]使用欧拉模型对一个高为 1 m 的循 环流化床进行了二维模拟 ,结果表明瞬态空隙率、时 间平均空隙率和床内压力降都与试验结果基本一 致. Koksal 等[ 9 ]通过小型试验台架研究了轴向二次 风对提高稀相区浓度的作用. Knoebig 等[ 10 ] 对大型 循环流化床的气体组分场进行了数值模拟 ,证明炉 膛内燃烧不均匀性是受到二次风风口布置、燃料供 给及返料等因素的影响造成的. 杨建华等[11 ] 进行了 二次风射流穿透深度的试验研究 ,证明提高二次风 穿透能力的措施包括增大喷口直径、提高二次风速 及提高喷入点位置等. 陈继辉等[ 12 ] 对二次风的射程 进行了试验研究和数值模拟 ,结果表明 :二次风的引 入显著改变了炉膛内物料浓度的分布 ;在物料特性 和喷口特性一定的情况下 ,二次风的射程随着二次 风风速的增大而近似成幂函数增加. 但是 ,由于测量手段缺乏以及现场操作困难 ,目 前对大型循环流化床锅炉中二次风射流深度的测量 仍是一大难题 ,且有关大型循环流化床锅炉二次风 射流深度的数值模拟也鲜见报道. 笔者利用 Fluent 软件对我国具有自主知识产权的 300 MW 大型循 环流化床锅炉炉膛内的气固流场进行了数值模拟 , 研究了二次风风速、炉内颗粒浓度、喷口位置和一次 风风速等参数对二次风射流深度的影响. 1 　计算模型及方法 计算模型 (图 1) 是按照国内首台自主研发的 300 MW 循环流化床锅炉的实际尺寸建立的 , z 方 向上高为 37. 1 m , x 方向上宽为 28. 3 m , y 方向上 纵深为 8. 539 m. 炉膛下部设单块大面积布风板 ,尺 寸为 4. 0 m ×28. 3 m. 在 x 方向两边分 2 排各布置 1 6个二次风口 ,第1排二次风口距布风板高度为 图 1 　300 MW 循环流化床计算模型图 Fig. 1 　Calculation model of t he 300 MW circulating fluidized bed 1 m ,第 2 排二次风口距布风板高度为 5 m ,二次风 口直径均为 0. 32 m ;在锅炉后墙距布风板高度为 1 m 处布置 6 个回料口 ,回料口直径为 1. 1 m. 对模型 进行网格划分 ,网格数量为 87. 5 万. 　　设置两相流射流模拟条件为非稳态的两相流 动 ,非稳态时间步为 0. 000 1 s. 壁面条件采用无滑 移边界条件 ,湍流模型采用 RN G k2ε模型 ,模型常 数 c1 = 1 . 42 , c2 = 1 . 68 , cμ = 0 . 09 ,σk = 1 . 0 ,σε = 1 . 3 , σ1 = 0. 85. 采用控制容积法离散控制方程 ,控制容积 界面物理量采用一阶迎风差分格式获得 ,流体压力2 速度耦合基于 Simple 算法. 边界条件包括入口速度 边界、出口压力边界和壁面边界 ,近壁区模拟采用壁 面函数法. 双流体模型中的主要控制方程包括连续 性方程、动量守恒方程以及联系二者的曳力模型. 采用 Gidaspow 曳力模型描述不同颗粒浓度时 气固相之间的动量传递系数 : 曳力系数 CD = 24αg Res [1 + 0 . 15 (αg Res ) 0 . 687 ] (1) 　　相对雷诺数 Res = ρg ds | vs - vg | μg (2) 　　相间动量传递系数 当αg > 0. 8 时 , β= 34 CD αsαgρg | vs - vg | ds α- 2 . 65g (3) 　　当αg ≤0. 8 时 , β= 150αs (1 - αg )μgαg d2s + 1 . 75 αsρg | vs - vg | ds (4) 式中 :αs 和αg 分别为气相和固相的体积分数 ;μg 为 气相剪切粘度 ; ds 为颗粒直径 ,模拟计算中取统一 ·208· 　　　　　动 　力 　工 　程 　　　　 第 29 卷　 直径 0. 4 mm. 2 　数值模拟处理方法 模型锅炉中共 2 层 32 个二次风口 ,不同的风口 位置对二次风穿透性有一定影响. 为了更全面地分 析二次风的穿透性 ,取前后墙上下层各一个共 4 个 典型二次风口进行分析 ,A、B、C、D 4 个喷口的具体 位置示于图 2. 图 2 　4 个典型二次风口位置示意图 Fig. 2 　Schematic of positions of four typical secondary air port s 　　在气固两相流数值模拟计算中 ,对模型进行设 置 ,给定一、二次风风速及初始颗粒浓度 ,使一、二次 风从 0 s 时刻开始进入气固两相流中 ,考察其进入 气固混合物的穿透能力 ,以此来表征气体的射流深 度. 计算二次风射流在气固两相流中的射流深度时 , 有 4 种结果可以定量反映射流的穿透性 :气体射流 流线分布 ;气体射流速度分布 ;炉膛颗粒速度分布 ; 炉膛空间颗粒浓度分布. Knowlton 等[ 13 ] 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了 L max 、L min 、L b 3 种射流深度的定义. 其中 ,L max指射流 崩塌及生成气泡的深度 ; L min是长久依附于喷口气 泡的最初深度 ;L b为气泡失去其动量前所能达到的 最大深度. 定义射流在气固两相流中的最大射流深 度 L 为二次风进入 0. 2 s 后射流速度衰减到入射速 度 0. 1 %时的空间位置距喷口中心的 y 轴轴向距 离 ,如图 3 所示 ,此定义即为 Knowlton 所指的 L b . 图 3 　穿透性定义 Fig. 3 　Definition of penet ration 3 　结果与讨论 3. 1 　不同喷口位置对射流深度的影响 图 4 为当颗粒浓度为 250 kg/ m3 时 ,不同喷口 位置的二次风射流深度随二次风射流速度的变化. 4 个典型喷口位置的射流深度均随着二次风射流速度 的增大而增加 ,最大射流深度不超过 2 m. 上层喷口 位置的射流深度大于下层喷口位置 ,这是由于下层 喷口位置处前后墙之间的空间较小 ,前后墙喷口的 二次风射流之间影响相对较大 ,因此射流深度较小. 同时 ,喷口 D 的射流深度在 4 种不同浓度条件下均 大于其他 3 个喷口的射流深度 ,这与实际炉膛喷口 位置布置有关. 后墙 D 口相邻位置喷口距 x 轴 0 点 的轴向距离分别为 12. 5 m 和 17. 15 m ,而前墙对应 位置处喷口距 x 轴 0 点的轴向距离分别为 11. 3 m 和 17 m ,这说明二次风射流穿透性受到炉膛尺寸和 前后墙喷口的相互影响. 图 4 　不同喷口位置射流深度随二次风射流速度的变化 Fig. 4 　Jet penet ration dept h vs. secohdary air jet velocity at different positions of jet port s 3. 2 　一次风风速对射流深度的影响 图 5 为当二次风射流速度为 70 m/ s、入射角度 为水平向下 30°、炉膛内初始颗粒浓度为 500 kg/ m3 时 ,二次风射流深度随一次风风速的变化. 由图 5 可 知 ,当一次风风速为 0 m/ s 时 ,4 个喷口的射流深度 都较大 ,随着一次风风速的增大 ,射流深度减小 ;当 一次风风速从 2. 24 m/ s 增大到 3. 36 m/ s 时 ,二次 风射流深度大幅减小 ,而在其他一次风速度变化区 间内 ,二次风射流深度的变化相对较小. 这是由于二 次风的入射角度为向下 30°,当没有一次风进入时 , 二次风的能量可以完全转化为动能 ,抵消固体颗粒 对射流的阻力 ,因此射流深度较大 ;而当有一次风加 入时 ,二次风射流的能量一部分用来克服固体颗粒 的阻力 ,另一部分用来抵消一次风向上的速度 ,因此 射流深度相对较小. 4 个典型喷口位置对射流深度 的影响不大 ,但D口位置的射流深度较大 ,这与炉 ·308·　第 9 期 郑成航 ,等 :300 MW 单炉膛循环流化床锅炉二次风射程的数值模拟 图 5 　射流深度随一次风风速的变化 Fig. 5 　Jet penet ration dept h vs. primary air velocity 膛喷口布置有关. 本数值模拟结果与在小型台架上 的试验结果规律相同 :射流深度均随着一次风风速 的增大而减小[12 ,14 ] . 3. 3 　二次风射流速度对射流深度的影响 图 6 为当一次风风速为 4. 48 m/ s 时 ,不同颗粒 浓度条件下射流深度随二次风射流速度的变化曲 线 ,其中射流深度为 4 个典型喷口位置射流深度的 平均值. 由图 6 可知 ,随着二次风射流速度的增大 , 射流深度增加且近似呈幂函数变化. 当颗粒浓度为 250 kg/ m3 时 ,最大射流深度为 1. 6 m ;当颗粒浓度 为 125 kg/ m3 时 ,最大射流深度为 2. 2 m ;当颗粒浓 度小于 250 kg/ m3 ,二次风射流速度从 16 m/ s 增大 到 100 m/ s 时 ,二次风射流深度增加较快 ,而当射流 速度大于 100 m/ s 时 ,二次风射流深度增加的趋势 变缓. Zhong 等[15 ]总结了国内外学者对水平射流深 度的研究 ,证明射流深度随射流速度呈幂函数变化 , 这与本模拟结果相吻合. 图 6 还将数值模拟结果与 文献[ 11 ,16217 ]中的拟合公式结果进行了对比. 文 献[ 11 ]中的颗粒浓度为 125 kg/ m3 ,随着二次风射 流速度的增大 ,射流深度近似呈线性变化 ,且小于模 拟结果 ;文献[ 16 ]和[ 17 ]中的颗粒浓度为 1 000 kg/ m 3 ,拟合公式结果与数值模拟结果较为相似. 图 6 　不同颗粒浓度下射流深度随二次风射流速度的变化 Fig. 6 　Jet penet ration dept h vs. secondary air jet velocity at different particle concent rations 　　在炉膛空间内 ,当二次风风速达到 100 m/ s 时 , 前后墙之间的二次风开始相互影响 ,二次风对冲造 成能量消耗 ,因此射流深度增幅减小 ,这也从另一方 面说明当二次风射流速度达到 100 m/ s 时 ,二次风 的穿透性已经足够为炉膛中心供氧 ,同时造成前后 炉膛的相互影响 , 因此 , 二次风风速应小于 100 m/ s. 对于下层二次风口 ,由于喷口位置处颗粒 浓度较高 ,射流深度随射流速度呈幂函数变化 ,因此 可以适当提高射流速度 ,但是其穿透性效果变化不 明显. 而对于上层二次风口 ,喷口位置处的颗粒浓度 相对较低 ,射流深度较大 ,此处二次风穿透性较好 , 应适当提高其射流速度 ,但射流速度越大 ,需要的风 机压头越大 ,当射流速度大于 100 m/ s 时 ,射流深度 的增幅减小. 因此 ,射流速度可以控制在 100 m/ s 以 内 ,若不能满足氧量供应 ,可以适当扩大喷口尺寸以 增加风量. 3. 4 　颗粒浓度对射流深度的影响 图 7 为不同射流速度条件下射流深度随颗粒浓 度的变化曲线 ,其中射流深度为 4 个典型喷口位置 射流深度的平均值. 从图 7 可以看出 ,随着颗粒浓度 的提高 ,二次风射流深度减小 ,当颗粒浓度高于 500 kg/ m3 时 ,射流深度的变化较小 ,而当颗粒浓度低于 500 kg/ m3时 ,射流深度的变化较大. 由图 7 还可以 看出 ,当二次风射流速度较大且颗粒浓度较低时 ,二 次风的穿透性变化较为剧烈 ,当二次风射流速度较 大时 ,颗粒浓度对穿透性的影响大于二次风射流速 度较小时的影响. 图 7 　不同射流速度下射流深度随颗粒浓度的变化 Fig. 7 　Jet penet ration dept h vs. particle concent ration at different jet velocities 　　对于实际炉膛设计而言 ,在保证炉内流场稳定 的情况下 ,适当提高二次风口的高度 ,降低二次风喷 口处的颗粒浓度 ,是一种较为有效的提高二次风射 流穿透性的方法. 若设置多层二次风口 ,下层二次风 口处由于颗粒浓度较高 ,增大二次风风速对穿透性 的影响较小 ,因此下层二次风口的二次风风速可以 ·408· 　　　　　动 　力 　工 　程 　　　　 第 29 卷　 设置在 50 m/ s 以内 ;而对于上层二次风口 ,由于喷 口位置处颗粒浓度较低 ,增大二次风射流速度可使 射流深度大幅增加 ,因此在综合考虑风机电耗等客 观因素后 ,可以设立一个较大的二次风风速 ,一般为 100 m/ s 左右. 由于本锅炉炉膛下层二次风口在布 风板以上 1 m 的高度 ,其作用主要是作为一次风的 补充 ,二次风的作用主要体现在上层二次风口 ,其高 度为布风板以上 5 m ,因此 ,考虑二次风射流速度 时 ,对下层二次风的穿透性要求不高 ,而要求上层二 次风的穿透深度能达到炉膛中心. 3. 5 　二次风射流角度对射流深度的影响 图 8 所示为当一次风风速为 4. 48 m/ s 时 ,在不 同射流角度条件下射流深度随颗粒浓度的变化曲 线 ,图中所示的射流深度数值为 4 个典型喷口的平 均值. 由图 8 可以看出 ,当二次风射流速度为70 m/ s 时 ,相同颗粒浓度条件下射流角度为向下 30°时的 射流深度最小 ,射流角度为向上 30°和水平射流时 的射流深度较为接近. 当射流角度为向下 30°时 ,随 着颗粒浓度的提高 ,射流深度逐渐减小 ;当射流角度 为水平时 ,射流深度的变化曲线近似为线性曲线 ;当 射流角度为水平向上 30°时 ,射流深度首先保持较 小的变化 ,然后逐渐减小. 在二次风射流速度为 32 m/ s 的条件下 ,当颗粒浓度高于 500 kg/ m3 时 ,射流 角度的变化对射流深度的影响不大 ;而当颗粒浓度 低于 500 kg/ m3 时 ,射流深度受射流角度的影响较 大 ,当射流角度为水平向上 30°时 ,射流深度的增幅 最大 ,当射流角度为水平向下 30°时 ,射流深度的增 幅最小. 图 8 　不同射流角度下射流深度随颗粒浓度的变化 Fig. 8 　Jet penet ration dept h vs. particle concent ration at different jet angles 　　由于实际炉膛的二次风口为 2 层设计 ,下层二 次风喷口位置处颗粒浓度较高 (500 kg/ m3 以上) , 且二次风风速设置在 40 m/ s 左右 ,因此 ,射流方向 对二次风的穿透性影响不大. 可以根据设计要求、实 际经验及流化状态设置二次风口的喷口方向 ,一般 来说 ,向下 30°的设置有利于炉膛内密相区的颗粒 混合 ,因此可以设置下层二次风的喷口方向为水平 向下 30°;而上层二次风风口距布风板的高度为 5 m ,此处的颗粒浓度相对较低 ,射流方向将对射流深 度产生一定的影响 ,不同射流方向产生的射流深度 差异最大可达 1. 4 m 以上 ,因此考虑到二次风的穿 透性 ,可以设计上层二次风的喷口方向为水平方向 或者适当向上偏移. 4 　结　论 (1) 当二次风射流方向为向下 30°时 ,在相同颗 粒浓度条件下 ,随着一次风风速的增大 ,二次风射流 深度减小 ,前后墙喷口位置的布置影响二次风射流 深度. (2) 随着二次风射流速度的增大 ,射流深度增 加 ,且射流深度随射流速度近似呈幂函数变化. (3) 当颗粒浓度高于 500 kg/ m3 时 ,射流深度 的变化较小 ,而当颗粒浓度低于 500 kg/ m3 时 ,射流 深度的变化较大. 在相同颗粒浓度条件下 ,射流角度 为向下 30°时的射流深度最小. 参考文献 : [ 1 ] 　V EN ∋ L ∋ IN EN I. 460 MWe supercritical CFB boiler design for Lagisza power plant [ C]/ / POWER2GEN Europe 2004. Barcelona , Spain : [ s. n. ] ,2004. [ 2 ] 　刘静 ,王勤辉 ,骆仲泱 ,等. 600 MW 超临界循环流化 床锅炉的设计研究 [J ] . 动力工程 , 2003 , 23 ( 1) : 217922185. [ 3 ] 　程乐鸣 , 周星龙 , 郑成航 ,等. 大型循环流化床锅炉的 发展[J ] . 动力工程 ,2008 , 28 (6) : 8172825. [ 4 ] 　吕俊复 ,岳光溪 ,张建胜. 超临界循环流化床锅炉的 可行性[J ] . 锅炉制造 , 2002 ,8 (4) : 125. [ 5 ] 　车东光 , 李振宇. 开远 300 MW 循环流化床锅炉设计 和运行实践 [J ] . 电站系统工程 , 2007 , 23 (1) : 412 45. [ 6 ] 　张彦军 , 李振宇. 国产首台 300 MW 循环流化床锅 炉设计和运行实践[J ] . 锅炉制造 , 2006 , 12 (4) : 102 13. [ 7 ] 　ARASTOOPOUR H. Numerical simulation and experimental analysis of gas/ solid flow systems :1999 Flour2Daniel Plenary lecture [J ] . Powder Technology , 2001 ,119 (2/ 3) : 59267. [ 8 ] 　TA GHIPOU R Fariborz , ELL IS Naoko , WON G Clayton. 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