某CFB鍋爐旋風(fēng)分離器的CFD模擬研究

黃澤文，劉訓(xùn)志，周家勇

(華西能源工業(yè)股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

某CFB鍋爐的燃料為超細(xì)顆粒，其粒徑分布范圍為0～100 μm，中徑為14 μm，這與常規(guī)CFB鍋爐的燃料顆粒粒徑差異很大，粒徑較小。本文研究對(duì)象鍋爐的小粒徑燃料燃燒后，其飛灰將會(huì)變成超細(xì)飛灰。本文采用CFD模擬技術(shù)模擬超細(xì)飛灰CFB鍋爐旋風(fēng)分離器動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、固體顆粒濃度、分離效率的模擬計(jì)算。

1 計(jì)算模型

本分離器采用切向入口，中心筒偏心布置，帶2個(gè)返料器上升管，為考慮入口、出口結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響，需要擴(kuò)大模型范圍，因結(jié)構(gòu)對(duì)稱，簡(jiǎn)化分析為一半結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。

圖1 幾何模型

2 分析結(jié)果

本文研究100% BMCR工況：以煙氣溫度940℃、分離器入口煙氣量122 648 Nm3/h、進(jìn)入分離器的灰量8.58 t/h進(jìn)行模擬。

飛灰密度2 000 kg/m3。先采用分析10 μm粒徑的分級(jí)分離效率。基于粒徑與分離效率關(guān)系曲線求得d50的大小，再計(jì)算整個(gè)粒徑分布的分離效率。

按照上述工況，計(jì)算得到了分離器內(nèi)煙氣的速度、壓力與溫度分布等。流線速度分布如圖2所示，壓力分布如圖3所示。

圖2 流線速度(m/s) 圖3 中心筒立面速度分布(m/s)

100%BMCR工況下的旋風(fēng)分離器的中心豎向剖面的溫度分布如圖4所示，澆注料內(nèi)壁的溫度分布如圖5所示，熱流密度如圖6所示。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，入口溫度為940℃，出口溫度為934.4℃。為分離器澆注料壁面的熱流密度平均值為30 604 W/m2。

圖4 分離器中心剖面溫度(℃) 圖5 分離器澆注料內(nèi)壁溫度(℃) 圖6 分離器澆注料內(nèi)壁熱流密度(W/m2)

分離器內(nèi)顆粒物濃度分布如圖7、圖8、圖9所示。

(a)10 μm (b)18.5 μm

(a)10 μm (b)18.5 μm

圖9 按8.58 t/h的顆粒物18.5 μm顆粒物計(jì)算的飛灰壁面濃度分布

3 分離效率計(jì)算

對(duì)顆粒物的數(shù)量進(jìn)行追蹤，噴入飛灰顆粒數(shù)量和逃逸的數(shù)量(見(jiàn)表1)。采用10 μm飛灰顆粒進(jìn)行分析，噴入的顆粒數(shù)量11 040顆，逃逸的數(shù)量為7 178顆，根據(jù)圖10計(jì)算求得的d50=18.501 μm。為驗(yàn)證d50重新設(shè)置飛灰粒徑為18.50 μm進(jìn)行分析，模擬結(jié)果：逃逸的飛灰顆粒數(shù)量為5 516顆，分離效率為50.04%，相對(duì)誤差為0.08%，可見(jiàn)計(jì)算方法可靠。

表1 d50計(jì)算和驗(yàn)證

圖10 顆粒相對(duì)粒徑dp/d50與分級(jí)分離效率的關(guān)系曲線

求得d50后，根據(jù)顆粒粒徑與分離效率的關(guān)系圖10計(jì)算粒徑為di的飛灰的分級(jí)效率，二旋灰和布袋灰的粒徑分布如圖12和圖13所示。根據(jù)本項(xiàng)目的燃料入爐要求，二旋灰和布袋灰各占50%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行配比。采用圖11所示的濃度對(duì)分級(jí)效率進(jìn)行修正，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。各循環(huán)倍率下的綜合分離效率如表3所示，如果有更為詳細(xì)的入口飛灰濃度，可根據(jù)表3得到更為詳細(xì)的分離效率。

圖11 顆粒濃度對(duì)分級(jí)效率的修正(1grain/ft3=0.228 mg/m3)

圖12 二旋灰粒徑分布

圖13 布袋灰粒徑分布

表2 綜合分離效率的計(jì)算(循環(huán)倍率為C=20時(shí))

表3 各循環(huán)倍率下的綜合分離效率的計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)超細(xì)飛灰CFB鍋爐旋風(fēng)分離器的CFD模擬結(jié)果，本文研究對(duì)象在100%BMCR工況下，在二旋灰和布袋灰各50%質(zhì)量配比下，爐膛出口至后豎井轉(zhuǎn)彎煙道的壓強(qiáng)為2 120 Pa，中心筒內(nèi)最高速度為79 m/s，切割粒徑d50=18.501 μm，入口灰量為8.58 t/h時(shí)的綜合分離效率為67.18%。其余主要結(jié)論如表4所示。

表4 CFD分析主要結(jié)果匯總