大型循环流化床环形炉膛气固流动特性CPFD数值模拟和实验研究

发布时间：2017-09-14 14:26

  本文关键词：大型循环流化床环形炉膛气固流动特性CPFD数值模拟和实验研究

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【摘要】：超临界循环流化床锅炉技术是循环流化床锅炉技术发展的必然趋势。对于超临界循环流化床,传统的单炉膛结构中存在二次风穿透不足和受热面布置空间有限的问题,而“裤衩型”炉膛结构会在控制不当时发生“翻床”现象,威胁锅炉安全稳定运行。环形结构的炉膛可以有效地解决二次风穿透问题,同时也为更多的受热面布置提供了充足的空间,是一个非常具有发展潜力的炉型结构。环形炉膛是区别与传统炉型的全新的循环流化床炉型结构,对其中气固流动特性的掌握是实现该炉型应用的必要条件。本论文围绕环形炉膛内气固流动特性以及各炉膛出口物料分配均匀性,以数值计算和实验测量为工具,开展复杂炉膛结构内气固流动特性的研究,讨论不同炉膛结构参数对炉内气固流动特性的影响,为环形炉膛的设计应用和放大推广奠定理论基础。首先,针对流化床内颗粒浓度差异大,且分离器内存在强旋流流动的特点,本文基于BarracudaTM计算平台,探索了适用于流化床内气固流动模拟的CPFD计算模型,采用Wen-Yu/Ergun曳力模型,对循环流化床整个循环回路内气固流动进行三维非稳态数值模拟。模拟结果准确地再现了流化床炉膛内“上稀下浓”的分布特征,以及分离器内的旋转流动和U型返料器的返料特性。对炉内的压力分布特性和炉膛出口流量分配均匀性进行研究,模拟结果与实验测量结果吻合较好。研究得出,在环形炉膛横截面上颗粒浓度在壁面附近高,而中心区域低,颗粒轴向速度具有与之相反的分布特征。计算工况下,炉膛出口颗粒质量流率最大偏差为23.09%。其次,采用高频压力信号采集与CPFD数值模拟相结合的方法,研究环形炉膛密相区气固流型特征。随着表观风速的增加,环形炉膛密相区依次出现鼓泡流态化(single bubble regime)、泡状流化(exploding bubble regime)、湍流流态化(turbulent fluidization regime)。环形炉膛不同气固流型下压力信号功率谱分布特征与常规流化床的结果对比,发现与常规流化床内相似的气固流动存在于环形炉膛中,表明炉膛由常规结构到环形结构的改变并没有对炉内的气固流动产生显著影响。为了优化环形炉膛结构设计,获得流动均匀性较好的炉型结构,采用CPFD数值模拟方法考察不同炉膛结构参数的改变对炉内流动和循环回路物料分配均匀性的影响。研究了不同炉膛高度和炉膛截面长宽比的环形炉膛内的气固流动特性,确定环形炉膛实验台的基础结构(炉膛高5.0 m,炉膛横截面长宽比1.3)。研究了炉顶凸起高度、炉膛出口烟道布置形式和炉膛出口高宽比对炉膛出口气固流动特性的影响,结果表明各结构参数的改变对炉内颗粒浓度轴向分布的结果都未产生较大影响,而炉膛出口颗粒浓度的均匀性是影响返料流率均匀性的重要因素。在660 MW实炉中,颗粒浓度具有与环形炉膛实验台相似的轴向分布特性。在炉膛截面上,颗粒浓度和颗粒轴向速度则呈近似线性的径向分布,但环形炉膛实验台中颗粒浓度和颗粒轴向速度成抛物线性分布。660 MW实炉炉膛出口颗粒质量流率的最大偏差为6.29%,与实验台中最大偏差23.09%相比,660 MW实炉中各并联回路间流量分配的均匀性明显优于实验台。本论文针对环形炉膛这一全新的炉型结构,开展了实验台和660 MW实炉内气固流动特性及炉型结构优化的实验测量和CPFD数值模拟研究,研究掌握了环形炉膛内颗粒分布特征,提出了改善炉内流动均匀性的结构优化策略,研究结果为环形炉膛的结构设计和应用推广提供了基础数据支持。
【关键词】：超临界循环流化床锅炉 环形炉膛 CPFD数值模拟 气固流动特性 均匀性 结构优化
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK229.66
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 符号表9-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 研究背景16-17
• 1.1.1 我国的能源现状与环境问题16
• 1.1.2 循环流化床燃烧技术及发展方向16-17
• 1.2 发展超临界循环流化床锅炉的可行性分析17-18
• 1.3 研究现状18-32
• 1.3.1 国内外循环流化床锅炉的发展概况18-19
• 1.3.2 超临界循环流化床锅炉发展现状19-23
• 1.3.3 环形炉膛的提出及发展现状23-26
• 1.3.4 循环流化床内气固两相流动数值模拟的研究进展26-28
• 1.3.5 循环流化床各并联回路间气固流动不均匀性研究28-29
• 1.3.6 流化床内气固接触流型的研究29-32
• 1.4 本论文的研究内容及研究方法32-34
• 1.4.1 本论文的研究目的与研究内容32-33
• 1.4.2 本论文的研究方法33-34
• 第二章 环形炉膛六分离器循环流化床实验台气固流动CPFD数值模拟34-56
• 2.1 引言34
• 2.2 CPFD数学模型34-36
• 2.2.1 控制方程34-35
• 2.2.2 曳力模型35-36
• 2.2.3 固相应力模型36
• 2.3 物理模型和网格划分36-40
• 2.3.1 实验系统及数值模拟几何模型36-39
• 2.3.2 颗粒物性39-40
• 2.4 参数说明40
• 2.5 环形炉膛循环回路中气固流动特性研究40-54
• 2.5.1 循环回路整体的数值模拟结果41-44
• 2.5.2 炉膛内气固流动特性44-50
• 2.5.3 旋风分离器性能研究50-53
• 2.5.4 炉膛出口气固流动特性53-54
• 2.6 本章小结54-56
• 第三章 环形炉膛密相区气固流动特性研究56-74
• 3.0 引言56
• 3.1 实验操作参数56-57
• 3.2 CPFD数值模拟模型57-58
• 3.3 数据分析方法58-60
• 3.3.1 统计参数58
• 3.3.2 自相关系数58-59
• 3.3.3 Hilbert-Huang变换59-60
• 3.4 环形炉膛密相区气固流动特性60-73
• 3.4.1 CPFD数值模拟结果60-64
• 3.4.2 炉内压力和颗粒浓度分布64-66
• 3.4.3 时域分析结果66-69
• 3.4.5 功率谱分析69-70
• 3.4.6 Hilbert-Huang变换70-71
• 3.4.7 炉内气固流动的均匀性研究71-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第四章 环形炉膛结构设计和多分离器并联优化布置74-102
• 4.1 引言74
• 4.2 数值模拟的几何模型和工况安排74-75
• 4.2.1 几何模型74
• 4.2.2 工况安排74-75
• 4.3 参数说明75
• 4.4 炉膛结构参数对各回路间气固流动均匀性的影响75-94
• 4.4.1 实验台中炉膛高度的确定75-78
• 4.4.2 炉膛截面长宽比对炉内气固流动的影响78-80
• 4.4.3 炉顶凸起高度对炉内气固流动的影响80-86
• 4.4.4 炉膛出口烟道布置方式对炉内气固流动的影响86-91
• 4.4.5 炉膛出口高宽比对炉内气固流动的影响91-93
• 4.4.6 敏感性分析93-94
• 4.4.7 小结94
• 4.5 优化炉型结构及其内气固流动特性研究94-100
• 4.5.1 优化炉型结构94-95
• 4.5.2 优化炉型内气固流动特性的研究95-100
• 4.6 本章小结100-102
• 第五章 660 MW超临界循环流化床环形炉膛内气固流动特性数值模拟102-120
• 5.1 引言102
• 5.2 几何模型和网格102-104
• 5.2.1 几何模型102-104
• 5.2.2 网格划分104
• 5.3 边界条件和颗粒物性104-106
• 5.3.1 边界条件104-105
• 5.3.2 颗粒物性105-106
• 5.4 炉膛内气固流动特性的研究106-118
• 5.4.1 炉内压力和颗粒整体分布106-110
• 5.4.2 炉膛内气固流动特性110-112
• 5.4.3 二次风穿透深度112
• 5.4.4 悬吊屏区的流动112-114
• 5.4.5 炉膛出口烟窗的流动114
• 5.4.6 炉顶凸起空间的流动114-116
• 5.4.7 炉膛出口气固流动特性116-118
• 5.6 本章小结118-120
• 第六章 炉膛结构和尺度的改变对炉内气固流动特性的影响120-148
• 6.1 引言120
• 6.2 常规循环流化床密相区气固流型的研究120-137
• 6.2.1 实验装置120-121
• 6.2.2 ECT传感器设计和图像重建121-122
• 6.2.3 实验物料及工况安排122-123
• 6.2.4 流型识别123-128
• 6.2.5 气固流动特性研究128-134
• 6.2.6 流型转变速度影响因素的研究134-136
• 6.2.7 小结136-137
• 6.3 环形炉膛与常规流化床密相区气固流动特性的比较137-140
• 6.3.1 颗粒分布特性137-138
• 6.3.2 压力信号功率谱分布138-140
• 6.3.3 小结140
• 6.4 环形炉膛实验台与实炉中气固流动特性的比较140-146
• 6.4.1 颗粒浓度和速度轴向分布141-142
• 6.4.2 颗粒浓度和速度径向分布142-144
• 6.4.4 炉膛出口颗粒流动特性144-145
• 6.4.5 小结145-146
• 6.5 本章小结146-148
• 第七章 结论与展望148-151
• 7.1 结论148-149
• 7.2 论文的创新点149-150
• 7.3 未来的工作展望150-151
• 参考文献151-160
• 攻读博士学位期间发表的学术论文160-163
• 攻读博士学位期间参与的科研课题163-164
• 致谢16

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 岳光溪;循环流化床技术发展与应用(上)[J];节能与环保;2003年12期

2 岳光溪;循环流化床技术发展与应用(下)[J];节能与环保;2004年01期

3 刘静,王勤辉,骆仲泱,岑可法;600MWe超临界循环流化床锅炉的设计研究[J];动力工程;2003年01期

4 周强,程乐鸣,骆仲泱,岑可法;方形卧式分离器两相流场的数值模拟[J];动力工程;2004年04期

5 骆仲泱,何宏舟,王勤辉,岑可法;循环流化床锅炉技术的现状及发展前景[J];动力工程;2004年06期

6 吕俊复;于龙;张彦军;岳光溪;李振宇;吴玉新;;600MW超临界循环流化床锅炉[J];动力工程;2007年04期

7 李金晶;李燕;刘树清;岳光溪;李政;;裤衩腿结构循环流化床锅炉床料不平衡现象的数值模拟[J];动力工程;2008年01期

8 聂立;王鹏;彭雷;霍锁善;姚本荣;;600MW超临界循环流化床锅炉的设计[J];动力工程;2008年05期

9 程乐鸣;周星龙;郑成航;王勤辉;方梦祥;施正伦;骆仲泱;岑可法;;大型循环流化床锅炉的发展[J];动力工程;2008年06期

10 郑成航;程乐鸣;周星龙;徐齐胜;王勤辉;方梦祥;骆仲泱;;300MW单炉膛循环流化床锅炉二次风射程的数值模拟[J];动力工程;2009年09期

中国重要会议论文全文数据库 前2条

1 巩李明;聂立;王鹏;苏虎;杨雪芬;;东方锅炉660MW~1000MW超临界环形炉膛CFB锅炉开发[A];中国循环流化床发电生产运营管理(2013)[C];2013年

2 苏虎;聂立;杨雪芬;巩李明;黄敏;姚本荣;胡修奎;谭斌;;东方型350MW超临界循环流化床锅炉的开发与设计[A];中国动力工程学会锅炉专业委员会2011年学术研讨会论文集[C];2011年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 周星龙;600MW循环流化床锅炉炉膛气固流动和受热面传热的研究[D];浙江大学;2012年

，

本文编号：850553