某CFB鍋爐旋風分離器的CFD模擬研究

黃澤文，劉訓志，周家勇

(華西能源工業股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

某CFB鍋爐的燃料為超細顆粒，其粒徑分布范圍為0～100 μm，中徑為14 μm，這與常規CFB鍋爐的燃料顆粒粒徑差異很大，粒徑較小。本文研究對象鍋爐的小粒徑燃料燃燒后，其飛灰將會變成超細飛灰。本文采用CFD模擬技術模擬超細飛灰CFB鍋爐旋風分離器動力場、溫度場、固體顆粒濃度、分離效率的模擬計算。

1 計算模型

本分離器采用切向入口，中心筒偏心布置，帶2個返料器上升管，為考慮入口、出口結構對流動的影響，需要擴大模型范圍，因結構對稱，簡化分析為一半結構(見圖1)。

圖1 幾何模型

2 分析結果

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、進入分離器的灰量8.58 t/h進行模擬。

飛灰密度2 000 kg/m3。先采用分析10 μm粒徑的分級分離效率?；诹脚c分離效率關系曲線求得d50的大小，再計算整個粒徑分布的分離效率。

按照上述工況，計算得到了分離器內煙氣的速度、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工況下的旋風分離器的中心豎向剖面的溫度分布如圖4所示，澆注料內壁的溫度分布如圖5所示，熱流密度如圖6所示。經過統計，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 分離器澆注料內壁溫度(℃) 圖6 分離器澆注料內壁熱流密度(W/m2)

分離器內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顆粒物計算的飛灰壁面濃度分布

3 分離效率計算

對顆粒物的數量進行追蹤，噴入飛灰顆粒數量和逃逸的數量(見表1)。采用10 μm飛灰顆粒進行分析，噴入的顆粒數量11 040顆，逃逸的數量為7 178顆，根據圖10計算求得的d50=18.501 μm。為驗證d50重新設置飛灰粒徑為18.50 μm進行分析，模擬結果：逃逸的飛灰顆粒數量為5 516顆，分離效率為50.04%，相對誤差為0.08%，可見計算方法可靠。

表1 d50計算和驗證

圖10 顆粒相對粒徑dp/d50與分級分離效率的關系曲線

求得d50后，根據顆粒粒徑與分離效率的關系圖10計算粒徑為di的飛灰的分級效率，二旋灰和布袋灰的粒徑分布如圖12和圖13所示。根據本項目的燃料入爐要求，二旋灰和布袋灰各占50%的質量分數進行配比。采用圖11所示的濃度對分級效率進行修正，具體計算結果如表2所示。各循環倍率下的綜合分離效率如表3所示，如果有更為詳細的入口飛灰濃度，可根據表3得到更為詳細的分離效率。

圖11 顆粒濃度對分級效率的修正(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 綜合分離效率的計算(循環倍率為C=20時)

表3 各循環倍率下的綜合分離效率的計算

4 結語

根據超細飛灰CFB鍋爐旋風分離器的CFD模擬結果，本文研究對象在100%BMCR工況下，在二旋灰和布袋灰各50%質量配比下，爐膛出口至后豎井轉彎煙道的壓強為2 120 Pa，中心筒內最高速度為79 m/s，切割粒徑d50=18.501 μm，入口灰量為8.58 t/h時的綜合分離效率為67.18%。其余主要結論如表4所示。

表4 CFD分析主要結果匯總