CFB混燃煤矸石/煤层气的炉内流动特性数值研究

论文摘要

煤矸石是目前排放量最大的工业固体废弃物之一,具有低挥发分、高灰分、低热值和难燃烧等特点。煤层气是煤炭开采活动中释放出的甲烷,温室效应很强,且易燃易爆,给煤炭开采活动带来隐患。煤矸石和煤层气的排放既污染环境,又浪费了资源。循环流化床燃烧技术现己被公认为一种清洁高效的燃烧技术,因此煤矸石和煤层气在循环流化床中混烧为综合利用煤矸石和煤层气提供了一种新途径,不仅能节约能源,还有利于环保,具有很高的经济和社会效益。本文以采用循环流化床锅炉燃烧技术改造的NG-35/3.82-M型35t/h链条锅炉在为研究对象,对流化床中煤层气燃烧器不同布置位置对炉内气固两相流的流动特性进行数值模拟以及优化设计,并探讨了煤矸石煤层气不同掺混比例对炉内流动特性的影响。通过改变煤层气入口位置和二次风速以及颗粒粒径研究了床内的流化特性,分析了不同设计方式下的流体动力特性。颗粒速度模拟结果表明,煤层气燃烧器布置位置的改变不影响炉内颗粒轴向的速度分布趋势,颗粒的运动形式为中心处向上、近壁面处向下的内循环流动结构。煤层气燃烧器四种不同的布置中,四角切圆布置在炉墙、高度为4m的方式中,在不同的炉膛高度下,颗粒速度波动最小,较其他相对比较平稳。且煤层气入口高度为4m时,可以使入口水平截面气相速度场形成涡流,加强了气固间的混合。因此此种煤层气燃烧器的布置方式为最佳。颗粒空隙率模拟结果表明,煤层气燃烧器布置方式和二次风速对炉膛内颗粒轴向浓度分布有重要的影响。煤层气入口位置为高4m、二次风速35m/s时,能够在密相区上方形成二次高浓度颗粒流。炉内煤矸石煤层气掺混比例对炉内流动特性有重要影响。加入煤层气的比例变大,会使炉内气相扰动变强,这样会加快颗粒的速度,从而缩短在炉内的停留时间,这样不利于炉膛颗粒的燃烧。故存在一个最佳的掺混比例,当掺混比例8/2时,床内颗粒的湍动能力强于其它掺混比例时的湍动能力,炉内速度场和浓度场分布最为合理。文中的研究结果为进一步研究开发煤矸石和煤层气循环流化床混烧技术打下基础,有重要的参考和应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 循环流化床气固混合燃烧技术的应用
• 1.2.1 循环流化床锅炉的发展及其特点
• 1.2.2 气固燃料混合燃烧技术国内外研究现状
• 1.3 循环流化床气固两相流模拟进展
• 1.3.1 两相流动理论基础
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 2 CFB 混燃煤矸石/煤层气物理模型的确定
• 2.1 混合燃料的特性
• 2.2 物理模型及描述
• 2.2.1 锅炉的热力计算
• 2.2.2 炉膛设计计算
• 2.2.3 物理模型及描述
• 3 数学模型及计算方法
• 3.1 CFB 混燃煤矸石/煤层气的流动模型的建立
• 3.2 计算方法
• 3.2.1 网格划分
• 3.3.2 控制方程的离散格式
• 3.3.3 计算条件的设定
• 4 计算结果及分析
• 4.1 床料对炉内流场特性的影响分析
• 4.1.1 床料高度
• 4.1.2 床料粒径
• 4.2 循环流化床内速度场特性分析
• 4.2.1 未通入煤层气时
• 4.2.2 煤矸石/煤层气通入量为8/2 时
• 4.2.3 煤矸石/煤层气通入量为7/3 时
• 4.2.4 煤矸石/煤层气通入量为6/4 时
• 4.2.5 小结
• 4.3 浓度场特性分析
• 4.3.1 煤矸石/煤层气掺混比例为8/2 时
• 4.3.2 煤矸石/煤层气掺混比例为7/3 时
• 4.3.3 小结
• 4.4 循环流化床内湍动能和湍动能耗散特性分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论及建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 不足之处与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录