循环流化床锅炉内气固两相流动的数值模拟

摘要

水煤浆流化--悬浮燃烧锅炉结合了水煤浆和循环流化床两种洁净煤技术，该技术是在循环流化床锅炉应用基础上发展起来的。循环流化床锅炉（CFBBCirculatingFluidizedBedBoiler）以其高效低污染等优点在全世界范围已经得到迅速的发展。循环流化床锅炉内是典型的气固两相流，对其流动特性的研究，是循环流化床燃烧技术研究的重要方面。本文利用商用CFD软件Fluent，基于EULER双流体模型对工业应用的循环流化床锅炉冷态缩小模型上部稀相段内的气固两相宏观流动特征及密相区鼓泡流态化特性进行数值研究。 数值计算结果表明：双流体模型能够很好的反映循环流化床锅炉内稀相气固两相的流动状态。将炉膛压降沿轴向的分布规律与理论值对比，验证了数值模拟计算的准确性。同时，得到炉膛内颗粒固含率呈中心高，边壁低的“环-核”流动结构及颗粒轴向速度中心处向上，边壁处向下的内循环流动形式。另外，改变操作气速与质量循环流率，沿轴向炉膛中下部区域及沿径向边壁区颗粒固含率分布的影响比较显著。同时，操作条件对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒向上速度变化的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化。边壁处的气固两相流动规律还有待于进一步研究。不同粒径的颗粒在炉膛中的运动分布规律不同，沿炉膛高度方向，颗粒粒径越大，炉膛下部的颗粒固含率就越大。不同的二次送风结构对炉膛稀相段的气固宏观流动特性的影响显著；二次风进口入射角为与轴向方向成60°向上入射（结构B）情况下，炉膛内气流对颗粒的扰动作用较明显，颗粒主要分布在炉膛中上部区域y=1.5-3.5m范围内，最有利于炉膛内的燃烧和传热效率；计算得到二次风的纵向射流深度最大。 模拟床料密度（GeldartB类颗粒）对循环流化床锅炉密相鼓泡床的气固流态化特性的影响，结果表明：GeldartA类和B类颗粒的密度对气固流态化特性的影响规律相同，表现为密度较小颗粒床层内的气固混合效果及床层稳定性较好。 结合水煤浆流化-悬浮燃烧所采用的异重流态化特性，对变工况下，改用不同床料的密相鼓泡床内的气固流态化进行研究。分析可知，在低气速下，床料2（密度较小）比床料1（粒径较小）床层内气固混合的效果及床层的稳定性更好，密度对密相区鼓泡床内的气固流态化影响较大。在高气速下，情况则相反，粒径对不同异重流化床料床层内的气固流态化影响较大。床料1（密度较大）更有利于异重流态化特性的体现；气速的改变并不影响密度对异重流态化特性的控制作用。以上研究结果为今后工业应用中，异重流化床床料的选择提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章前言

第二章循环流化床气固两相流数值模拟研究概述

2.1循环流化床锅炉简介

2.1.1循环流化床锅炉的工艺流程

2.1.2循环流化床的工作原理

2.1.3循环流态化工况的理论分析

2.2多相流的数值模拟

2.2.1颗粒轨道模型

2.2.2多相流模型

2.3双流体模型的应用现状

2.4 结 论

第三章双流体模型在CFB两相流动中的应用

3.1双流体模型的应用验证—算例一

3.2双流体模型的应用验证—算例二

3.3本章小结

第四章循环流化床锅炉内上部稀相气固流动特性的数值模拟

4.1数值计算方案

4.1.1几何模型及网格划分

4.1.2气固两相的物性参数

4.1.3操作工况的计算

4.1.4差分格式及算法

4.1.5边界条件及初始条件

4.2模拟结果与分析

4.2.1压降分布研究

4.2.2颗粒固含率分布

4.2.3颗粒速度分布

4.2.4颗粒温度分布

4.3操作条件对颗粒流动特性的影响

4.3.1径向非均匀流动特性

4.3.2轴向非均匀流动特性

4.4颗粒粒径对颗粒流动特性影响的模拟

4.4.1径向非均匀流动特性

4.4.2轴向非均匀流动特性

4.4.3不同粒径颗粒在出口处运动情况

4.5不同二次送风结构对气固两相流动特性的影响

4.5.1二次送风结构对炉膛内气固两相流动结构的影响

4.5.2二次送风结构对炉膛内颗粒固含率的影响

4.6本章小结

第五章循环流化床锅炉异重流态化床料的数值模拟

5.1模型参数的准确性验证

5.1.1计算方案

5.1.2颗粒间恢复系数的影响

5.1.3颗粒粘度模型的影响

5.2不同密度床料的数值模拟

5.3异重流态化床料的数值模拟

5.3.1计算结果及分析

5.3.3改变操作工况对床料流态化特性的影响

5.3本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢