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回料流和二次风射流对循环流化床流动与燃烧特性的影响
作 者: 王正阳
导 师: 孙绍增
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 热能工程
关键词: 循环流化床 方形截面提升管 回料流 二次风射流 数值模拟 锅炉燃烧优化
分类号: TK229.6
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要
循环流化床(CFB)燃烧技术是一种适合我国以煤为主的能源结构的低成本清洁燃烧技术,在近年得到较快的发展。由于循环流化床内气固流动的复杂性,目前对于在回料流和二次风射流等因素作用下提升管内的气固流动特性还缺乏系统研究,而且现有的研究大多局限于圆形截面的流化床,对于矩形或方形截面流化床的流动特性还需要进行更深入的研究。作者设计和建立了一套方形循环流化床冷态试验系统,研究了回料气固两相流和二次风射流的流动特性及其对提升管整体和局部流动特性的影响。通过数值模拟的方法,更好地认识了不同形式二次风射流作用下提升管内气固流动特性。在此基础上,通过对一台440t/h燃用低挥发份贫煤的循环流化床锅炉进行的系统分析和相关燃烧优化实验,考察了回料流与二次风射流对循环流化床锅炉炉内气固混合及燃烧情况的影响。采用压力梯度测量,光纤探针技术对颗粒浓度及速度的测量,以及射流气体示踪实验等手段研究了方形循环流化床提升管气固流动特性的影响因素。结合回料流和主流流动形式来分析床层底部流动的不对称分布以及因此造成的对床层中上部区域气固流动的影响。研究了在实验物料中加入部分粗大颗粒改善底部一次风偏流的现象。研究了不同颗粒循环流率下,回料口高度的不同对系统压力梯度分布和局部颗粒浓度分布的影响,同时还分析了空气分级条件下回料口高置所产生的影响。系统地研究了不同形式二次风射流,包括墙式、角式、中心水平杆式和中心竖直柱式布置二次风对床内气固流动的影响,以及射流在床内的扩散与分布。在进行空气分级之后,床层底部由于一次风速的降低以及二次风射流形成的布幕作用而形成较高浓度的密相区。不同形式的二次风射流附近存在不同的颗粒浓度分布,当射流距离布风板较近时还将影响到底部颗粒浓度的分布。实验发现,气体饱和夹带流率随二次风率的增加而降低,随二次风高度的增加而减少。当系统颗粒循环流率超过空气分级下系统饱和夹带流率时,系统压力梯度趋于呈S形分布,底部压力梯度将不再变化,密相区高度随颗粒循环流率的增加而提高,其底部压力梯度大小主要同底部流化风速有关。在添加粗砂颗粒的空气分级工况下,粗大颗粒在床层底部颗粒群中占有更高的比例,而在上部区域及出口颗粒群中则降低了。本文还利用分形分析的手段研究了二次风射流对提升管局部和整体流动的波动特性的影响。利用气体示踪技术,对回料风和二次风射流在床内的扩散与分布进行了测量,提出改进的提升管内水平墙式二次风射流穿透深度的计算模型,模型预测值同实验结果吻合较好。采用双流体模型对所研究的冷态方形循环流化床实验台部分工况的气固流动进行了模拟。计算结果同实验数据在趋势上吻合较好。这些工作有助于我们更深入地了解射流对床内整体和局部气固流动的影响。在一台440t/h超高压循环流化床锅炉上进行了回料流及二次风射流对床内气固混合和燃烧情况的影响的研究,研究了一二次风比例、二次风上中下三层之间分配、二次风前后墙之间分配,减小二次风管径提高二次风速度以及调整床温、床压和氧气浓度等方法对飞灰含碳量的影响规律,为提高低挥发分煤循环流化床锅炉燃烧效率提供了借鉴。
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全文目录
摘要 4-6 Abstract 6-18 第1章 绪论 18-40 1.1 课题研究背景 18-23 1.1.1 流态化现象与技术 18-19 1.1.2 循环流化床燃烧技术的发展与应用 19-20 1.1.3 循环流化床中的回料气-固两相流 20-22 1.1.4 二次风射流在循环流化床中的应用 22-23 1.2 研究现状 23-38 1.2.1 循环流化床提升管气固流动特性 23-25 1.2.2 矩形或方形截面提升管的流动特点 25-27 1.2.3 多组分颗粒循环流化床的研究 27 1.2.4 分形在循环流化床气固流动分析中的应用 27-28 1.2.5 循环流化床物料入口区域流动特性的研究现状 28-29 1.2.6 循环流化床射流与空气分级的研究现状 29-38 1.3 课题的提出与意义 38 1.4 研究的主要内容和技术路线 38-40 第2章 实验装置及参数测量 40-53 2.1 实验装置 40-42 2.1.1 循环流化床冷态实验系统 40-41 2.1.2 循环流化床冷态实验固体物料物性 41-42 2.2 实验测量系统 42-50 2.2.1 颗粒循环流率的测量 42 2.2.2 提升管压力梯度的测量 42-43 2.2.3 提升管局部颗粒浓度的测量 43-47 2.2.4 提升管局部颗粒速度的测量 47-50 2.3 回料风和二次风射流的示踪 50-52 2.3.1 射流与示踪气体的给入 50-51 2.3.2 示综气体的取样与分析 51-52 2.4 本章小结 52-53 第3章 循环流化床回料入口区域流动特性研究 53-78 3.1 循环流化床压力梯度分布与气体饱和夹带流率 53-55 3.2 循环流化床入口区域颗粒浓度与速度的不对称性分布 55-66 3.2.1 回料气固两相流的流动特性 55-57 3.2.2 提升管颗粒浓度与速度的不对称性分布 57-61 3.2.3 颗粒循环流率对颗粒浓度与速度的不对称性分布的影响 61-63 3.2.4 风速对颗粒浓度与速度的不对称性分布的影响 63-66 3.2.5 床内气固流动不对称性分布小结 66 3.3 粗大颗粒的添加对循环系统的影响 66-69 3.3.1 粗大颗粒的物料性质 66-67 3.3.2 粗大颗粒在提升管和回料系统的分布 67-69 3.3.3 粗大颗粒的添加对提升管入口局部颗粒浓度分布的影响 69 3.4 回料风气体的扩散与分布 69-71 3.4.1 无空气分级时回料风的扩散与分布 70-71 3.4.2 二次风射流作用下的回料风的扩散与分布 71 3.5 回料口高度对床内气固两相流场的影响 71-76 3.5.1 不同入口高度下的床内轴向压力梯度分布 72-74 3.5.2 不同入口高度下的床内径向颗粒浓度分布 74-76 3.5.3 不同入口高度对空气分级的影响 76 3.6 本章小结 76-78 第4章 二次风射流对提升管气固两相流场的影响 78-111 4.1 墙式布置二次风的一些特性 78-91 4.1.1 床存量一定情况下空气分级对系统物料循环的影响 78-81 4.1.2 空气分级条件下床内压力梯度分布 81-83 4.1.3 二次风射流在床内的穿透深度 83-86 4.1.4 多股对冲二次风中单射流在床内的扩散与分布 86-89 4.1.5 空气分级后的床内颗粒局部浓度分布 89-91 4.2 角式布置二次风的一些特性 91-108 4.2.1 角式二次风布置形式 91-93 4.2.2 角式布置二次风射流在床内的扩散与分布 93-96 4.2.3 角式布置二次风床内局部颗粒浓度分布 96-101 4.2.4 角式布置二次风床内局部颗粒速度分布 101-103 4.2.5 两种二次风射流床内流场的分形维数分析 103-108 4.3 粗大颗粒的添加对空气分级循环流化床系统的影响 108-109 4.4 本章小结 109-111 第5章 循环流化床中心二次风的设计与研究 111-128 5.1 水平杆式中心二次风的设计与研究 111-121 5.1.1 水平杆式中心二次风布置形式与分析 111-112 5.1.2 中心二次风输送杆对床内轴向压力梯度分布的影响 112-113 5.1.3 中心二次风射流对轴向压力梯度分布的影响 113-115 5.1.4 中心二次风射流气体扩散与分布 115-117 5.1.5 中心二次风射流对床内颗粒浓度分布的影响 117-119 5.1.6 中心二次风射流对床内颗粒速度分布的影响 119 5.1.7 射流孔径对射流扩散和系统流动的影响 119-121 5.2 竖直柱式中心二次风的设计与研究 121-126 5.2.1 竖直柱式中心二次风布置形式与分析 121-122 5.2.2 二次风射流对轴向压力梯度分布的影响 122-123 5.2.3 二次风射流气体的扩散与分布 123-124 5.2.4 二次风射流对床内颗粒浓度分布的影响 124-125 5.2.5 二次风射流对床内颗粒速度分布的影响 125-126 5.3 中心二次风在循环流化床锅炉中的应用探讨 126-127 5.4 本章小结 127-128 第6章 提升管内气固流动的数值模拟 128-157 6.1 气固两相流动数值模拟研究进展 128-129 6.2 Euler-Euler双流体模型及其主要方程 129-132 6.3 计算域网格划分及边界条件 132-134 6.3.1 网格划分 132-133 6.3.2 模拟参数 133-134 6.4 无二次风情况下床内气固流动的数值模拟 134-140 6.4.1 无二次风情况下的床内压力分布 134-135 6.4.2 无二次风情况下的床内气体速度分布 135 6.4.3 无二次风情况下的床内颗粒浓度分布 135-138 6.4.4 无二次风情况下的床内颗粒速度分布 138-140 6.5 墙式布置二次风床内气固流动的数值模拟 140-146 6.5.1 墙式布置二次风时的床内压力分布 140 6.5.2 墙式布置二次风时的床内气体速度分布 140-141 6.5.3 墙式布置二次风时的床内颗粒浓度分布 141-144 6.5.4 墙式布置二次风时的床内颗粒速度分布 144-146 6.6 角式布置二次风床内气固流动的数值模拟 146-151 6.6.1 角式布置二次风时的床内压力分布 146-147 6.6.2 角式布置二次风时的床内气体速度分布 147 6.6.3 角式布置二次风时的床内颗粒浓度分布 147-149 6.6.4 角式布置二次风时的床内颗粒速度分布 149-151 6.7 中心布置二次风床内气固流动的数值模拟 151-156 6.7.1 中心布置二次风时的床内压力分布 151 6.7.2 中心布置二次风时的床内气体速度分布 151-153 6.7.3 中心布置二次风时的床内颗粒浓度分布 153-154 6.7.4 中心布置二次风时的床内颗粒速度分布 154-156 6.8 本章小结 156-157 第7章 回料流和二次风射流对CFB锅炉气固混合及燃烧的影响 157-175 7.1 循环流化床锅炉介绍 157-159 7.2 燃烧优化实验用煤的特性 159-160 7.3 循环流化床锅炉的操作特性 160-166 7.3.1 循环流化床锅炉床温操作特性 160-162 7.3.2 循环流化床锅炉床压分布 162-163 7.3.3 循环流化床锅炉二次风的分配 163-164 7.3.4 循环流化床锅炉床内物料特性 164-166 7.3.5 部分循环流化床锅炉的飞灰参数 166 7.4 循环流化床锅炉燃烧优化实验 166-173 7.4.1 氧量对燃烧工况的影响 167 7.4.2 床存量对燃烧工况的影响 167-169 7.4.3 不同一二次风比率对燃烧工况的影响 169-170 7.4.4 二次风沿高度方向的分布调整对燃烧工况的影响 170-171 7.4.5 二次风在前后墙的分布调整对燃烧工况的影响 171-173 7.4.6 二次风管径对燃烧效率的影响 173 7.5 本章小结 173-175 结论 175-179 研究工作的未来展望 179-180 参考文献 180-191 攻读学位期间发表的学术论文 191-194 致谢 194-195 个人简历 195
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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 蒸汽动力工程 > 蒸汽锅炉 > 各种类型锅炉 > 燃煤锅炉
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