朱國華-cfb鍋爐氣固兩相流建模與仿真

1、本科畢業(yè)設計（）題目：CFB 鍋爐氣固兩相流建模與仿真院：機械與自動控制學院學專業(yè)班級：過程裝備與控制工程 09（1）班 姓 名：朱國華學號：B09360129指導教師：章利特系學院院長胡旭東二O 一三 年 五 月 二十 日浙江理工大學機械與自動控制學院畢業(yè)設計誠信我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設計，凡他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。設計說明書與圖紙均由本人獨立完成，沒有、剽竊他人已經(jīng)或未的研究成果行為。如出現(xiàn)以上知識的情況，本人愿意承擔相應的責任。人（簽名）：2013 年 5 月 31 日摘要我國煤炭資源相對豐富，使得我國電站鍋爐和工業(yè)鍋爐以燃燒煤為主，因此CFB鍋爐被廣泛應用在這些

2、領域，并且CFB鍋爐正在朝著大型化，臨界化的方面發(fā)展。CFB鍋爐燃燒方式與傳統(tǒng)鍋爐不同，因水冷壁泄漏及爆管造成的事故接近鍋爐事故停爐總數(shù)的50%，該問題成為裝置長周期、滿負荷運行的瓶頸，嚴重制約了CFB鍋爐的應用和發(fā)展。對于CFB鍋爐的模擬仿真技術，其數(shù)值模擬方法不受物理模型和實驗模型的限制，能夠較全面地反映多種的相互影響，揭示出難以覺察而有價值的信息，這對提高設計和放大的可靠性有意義。它還能提供許多實驗難以提供的數(shù)據(jù)，降低實驗費用，加快設計開發(fā)速度，縮短設計周期。本文從磨損機理出發(fā)，CFB鍋爐實際工況與流體介質(zhì)物性，采用Fluent進行數(shù)值計算，獲得CFB鍋爐內(nèi)流速場合壓力場等關鍵流體動力學

3、參數(shù),通過分析比對，得到的主要結論如下：（1）顆粒粒徑和一次風風速是影響鍋爐內(nèi)氣固兩相流場結構的重要會共同影響顆粒沉積和爐管壁磨損；，（2）適當布置的防磨梁結構能對水冷壁起到有效的磨損防護作用。本文研究成果對CFB鍋爐防沉積、耐磨損性能的結構改進設計和操作運行控制具有一定的理論指導意義。： CFB鍋爐；水冷壁；磨損機理；磨損AbstractRelative abundance of coal resourin our country, make our countryers ion boiler and industrial boiler to burn coal the main CFB b

4、oiler is widely used in these areas, the development of CFB boiler is toward large-scale, critical development. CFB boiler combustion mode and the traditional boiler is different, because of thewater wall leaking and tube-burst accident near the boiler accidents caused by boilerstop 50% of the total

5、, this probleme the bottleneck of long period, full loadoperation, seriously restricting the application and development of CFB boiler.For CFB boiler simulation technology, the numerical simulation method is notrestricted by physical mand experiment m, which can comprehensivelyreflect a variety octo

6、rs influence each other, reveal the imperceptible and valuableinformation, which has significant meaning to improve the reliability of the designandlification. It can also provide many experiments provides data, reduce thecost, speed up the design, development, shorten the design cycle.This article

7、embarks from the wear mechanisms, CFB boilractical conditions and fluid physical properties, using Fluent software to numerical calculation, obtainthe velocity occasuch as through theprere fieldhe CFB boiler key fluid dynamics parameters,ysis, the mains are as follows:(1) the particle size and a win

8、d speed of the gas-solid two-phase flow fieldheboiler structure, the important factorsfurnace wall wear;t will influence the particle deition and(2) the proper arrangement of wear beam structure can effective wear protection erms of water wall.This article research results of CFB boiler deition prev

9、ention, wear-resisting performance of the improved structure design and operation control has a certaintheoretical guiding significance.Keywords: CFB boiler；water wall； wear mechanism；wear prediction目錄摘要Abstract第 1 章 緒論11.1研究背景與意義1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2CFB 鍋爐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2CFB 鍋爐氣固兩相流模擬仿真研究的意義3沖蝕磨損數(shù)值計算研究現(xiàn)狀3水冷壁沖蝕磨損研

10、究現(xiàn)狀4研究的基本內(nèi)容5基本內(nèi)容5擬解決的主要問題5第 2 章 CFB 鍋爐水冷壁磨損機理研究與防磨措施72.1 沖蝕磨損的定義72.2 CFB 鍋爐內(nèi)磨損. 72.3 內(nèi)循環(huán)磨損8第 3 章 CFB 鍋爐流場計算數(shù)學模型93.1.CFB 鍋爐幾何模型9CFB 鍋爐的工作參數(shù)和介質(zhì)物性10數(shù)學模型和控制方程的建立10數(shù)學模型的建立10控制方程的建立11第 4 章 CFB 鍋爐的Fluent 計算144.1 三維建模網(wǎng)格劃分14CFB 鍋爐氣固兩相流特點15縱向氣固兩相流流場分析15徑向氣固兩相流流場分析16縱向渦流的形成及近壁面顆粒運動分析19一次風風速對過渡區(qū)流場的影響20一次風風速對流場近

11、壁面回流的影響22不同物料顆粒粒徑的影響23防磨梁結構的影響24第 5 章 總結與展望285.1 本文研究工作總結285.2 研究工作展望29參考文獻30致 謝33第 1 章 緒 論1.1研究背景與意義能源和環(huán)保是現(xiàn)代社會發(fā)展所必須解決的重點問題，越來越多的人其重要性。我國是煤產(chǎn)大國，同時煤消耗總量也十分驚人。目前一次能源消耗中煤炭占 76，預計在 21 世紀中葉，如果人類無法找到大規(guī)模的替代能源的話，人類還必須重新依賴煤炭作為最主要的能源1。尤其是在電力行業(yè)燃煤發(fā)電在我國國民經(jīng)濟中具有極其重要的地位和作用，發(fā)電用煤占煤炭總消費量的 l3，總發(fā)電量的 702。因此高效清潔的煤燃燒技術是非常重要

12、燃煤發(fā)電約占的。CFB 鍋爐，即循環(huán)流化床技術，是為了解決大氣污染嚴重，能夠有效燃燒低熱量的煤質(zhì)近年來快速發(fā)展的一項潔凈煤燃燒技術，由于循環(huán)流化床燃燒方式的快速發(fā)展，循壞流化床鍋爐技術也得到快速的發(fā)展3。流化床燃燒技術是介于層燃燃燒和煤粉燃燒之間的一種燃燒技術，層燃燃燒和煤粉燃燒都有自己的優(yōu)缺點。層燃燃燒效率較低，煤粉燃燒相對于層燃燃燒效率較高但是其排放物中有害物質(zhì)含量高。循環(huán)流化床技術的發(fā)展基本上克服了二者的缺點，并保留了其優(yōu)點。并且已經(jīng)在多個方面尤其是在電力和工業(yè)鍋爐方面得到廣泛的應用。它通過和脫硫劑的多次循環(huán)，反復進行低溫燃燒和脫硫反應，達到了適應性強、燃燒效率高、污染控制性好和易于調(diào)節(jié)

13、負荷等優(yōu)點4。然而煤液化系統(tǒng)中 CFB 鍋爐進行研究，其燃燒方式與傳統(tǒng)鍋爐不同，因水冷壁泄漏及爆管造成的事故接近鍋爐事故停爐總數(shù)的 50%，該問題成為裝置長周期、滿負荷運行的瓶頸，嚴重制約了CFB 鍋爐的應用和發(fā)展。本文擬針對煤液化CFB鍋爐水冷壁為對象，采用煤液化CFB鍋爐實際工況參數(shù)建模，研究參數(shù)變化對CFB鍋爐水冷壁的沖蝕磨損分布規(guī)律的影響，結合沖蝕磨損機理和水冷壁材料的磨損率與影響的關系研究，采用Fluent對CFB鍋爐內(nèi)氣固兩相流進行數(shù)值計算，并在氣固兩相介質(zhì)參數(shù)的基礎上加入沖蝕磨損邊界條件，計算水冷壁的沖蝕率分布，為CFB鍋爐爐內(nèi)結構優(yōu)化設計和運行提供一定的參考。圖1-1水冷壁磨損

14、變形圖圖1-2水冷壁管表面防護材料磨損1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1 CFB 鍋爐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀 20 年代德國人發(fā)明第一臺流化床鍋爐以來，流化床技術一直都是電力所研究和深入探索。1938 年在麻省理工學院的 Warren，KLewis 和吉里蘭Edwin，R Gilliland 的共同努力研發(fā)下，發(fā)明了快速流化床。在上世紀 50 年代，循壞流化床技術真正進入工業(yè)運用5。上世紀八十年代左右，循環(huán)流化床鍋爐技術的實驗成功，鼓舞了各國的科研工作者。各主要發(fā)達國家投入大量的人力，物力加快此項技術的理論研究和工業(yè)應用。國內(nèi)對循環(huán)流化床鍋爐技術的研究起步較晚，但是由于我國特殊的國情：環(huán)

15、境污染嚴重、煤質(zhì)差促進了循環(huán)流化床鍋爐技術的飛速發(fā)展。到上世紀 90 年代末我國的循環(huán)流化床鍋爐的成績。1992 年，東方鍋爐廠和在工業(yè)應用和理論研究上已經(jīng)取得了Ahlstrom 公司合作并引了 410th 循環(huán)流化床鍋爐示范項目，該項目在 1996 年投產(chǎn)。2003 年，哈爾濱鍋爐廠公司具有知識的 410th 循環(huán)流化床鍋爐試運行成功。目前國內(nèi)運行的循環(huán)流化床鍋爐大概有 3000 多臺。CFB 鍋爐正方向朝著規(guī)模大型化，超臨界方向發(fā)展。大型化因其容量的有效放大有利于提高其產(chǎn)品的容量，提高競爭力。超臨界發(fā)展有利于提高 CFB 鍋爐的熱能的轉化效率，減少耗煤量和運行費用。水冷壁管是布置在鍋爐爐膛

16、四周的輻射受熱面，管子外壁直接與高溫火焰接觸，水冷壁的作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，在管內(nèi)產(chǎn)生蒸汽或熱水，并降低爐墻溫度，保護爐墻。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損問題成為裝置長周期、滿負荷運行的瓶頸，嚴重制約了CFB 鍋爐的應用和發(fā)展。1.2.2 CFB 鍋爐氣固兩相流模擬仿真研究的意義循環(huán)流化床氣固兩相力特性的研究，是循環(huán)流化床研究的重要方面。因為流體動力特性決定著裝置的運動風速及變工況的極限、輔機的能耗、床內(nèi)傳熱量、溫度分布、床內(nèi)存料量和受熱面磨損情況等。鑒體動力特性研究的重要性，從70年代以來，已在循環(huán)液態(tài)化氣固兩相規(guī)律，諸如顆粒行動、顆粒的速度分布、床層空隙率分布、氣體速度分布

17、、顆粒流率、氣固混合等性能方面進行了大量研究。隨著計算機技術和多相理論的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相的重要，并得到了廣泛的應用。數(shù)值模擬方法不受物理模型和實驗模型的限制，能夠較全面地反映多種的相互影響，揭示出難以覺察而有價值的信息，這對提高設計和放大的可靠性有意義。它還能提供許多實驗難以提供的數(shù)據(jù)，降低實驗費用，加快設計開發(fā)速度，縮短設計周期6。1.2.3 沖蝕磨損數(shù)值計算研究現(xiàn)狀特性的實驗研究方面：華7得出顆粒沿床層徑向國內(nèi) CFB 內(nèi)顆粒呈中間相對較稀、周邊相對較濃的環(huán)狀狀態(tài)，矩形截面邊角處存在顆粒濃度8認為流化床的再分布過程，邊角處顆粒濃度是在同一截面上是最大值；的

18、邊緣區(qū)域和中心區(qū)域，向下運動的顆粒對混合起著更重要的作用，在其它區(qū)域9通過對床內(nèi)截面上的顆粒向上運動的顆粒對混合起主導作用；速度顆粒的環(huán)核的典型特征；祁海鷹10得矢量場分析，得出循環(huán)流化床出循環(huán)流化床頂部區(qū)域內(nèi)顆粒基本向上運動的且大部分顆粒間的速度差別比較11得出流小，邊緣區(qū)域顆粒的速度小于顆粒分布較多區(qū)域內(nèi)的顆粒速度；化床中心區(qū)域顆粒濃度較低，越往兩側濃度增加，兩邊基本上呈對稱分布；剛12得出在循環(huán)流化床稀相區(qū)兩相中仍存在著不均勻的結構的結論；星13得到的結論是顆粒濃度的徑向分布不具有相似性，不僅與徑向位置有14、15等的研究結果都表明：關，而且還與床層截面高度有關。局部顆粒速度的徑向分布呈

19、現(xiàn)出不均勻分布，在中心稀相區(qū)，顆粒主要向上運動，其速度約為表觀氣速的 155 倍；在環(huán)隙區(qū)，顆粒大部分向下運動且速度較小。國外 CFB 內(nèi)顆粒特性的實驗研究方面：Parssinen16與 Zhu17得出在顆粒高質(zhì)量流率情況下顆粒的速度沿徑向分布的更趨于不均勻，表觀截面氣速對顆粒速度分布的影響比顆粒質(zhì)量流率大得多；KimGranly Hansen18得出循環(huán)流化床內(nèi)顆粒的湍流速度為軸向速度的分布明顯呈環(huán)核型結構，軸向脈動均速度分布表明在整個床層截面上顆粒的湍流脈動強度都較高；Knowlton19等人利用 Fluent的雙流體模型結合顆粒流的運動理論對大尺度循環(huán)流化床內(nèi)氣固進行了二維數(shù)值模擬，同樣

20、得到了在流化床中間段，氣相和顆粒沿床層徑向方向，在區(qū)速度向上，邊壁附近向動，明顯呈現(xiàn)典型的內(nèi)循環(huán)結構。1.2.4 CFB 鍋爐水冷壁磨損研究現(xiàn)狀與防磨措施CFB 鍋爐中的磨損主要集中在布風裝置、爐膛水冷壁、埋管受熱面、爐內(nèi)懸吊屏和對流受熱面以及耐火材料。各國研究員都對水冷壁的磨損做了大量試驗研究工作，典型的試驗是建立冷態(tài)試驗臺對 CFB 鍋爐流場進行模擬分析，對于水冷壁的磨損研究主要是對 CFB 水冷壁磨損機理、磨損MMC 耐磨涂層的研究20。受熱面水冷壁的磨損主要形式為沖蝕和沖擊21,22,因此現(xiàn)有常見的水冷壁的防磨措施有：、防磨措施和1)現(xiàn)最為常見的水冷壁防磨措施為水冷壁的表面防磨處理，選

21、擇適合的耐磨耐火材料，表面熱噴涂處理增強材料的耐磨性能。通過表面處理來提高水冷壁耐磨耐火的特性；2)根據(jù)鍋爐的運行狀況及各部位的磨損機理的不同，合理的結構設計，對鍋爐不同部位進行優(yōu)化設計改變易磨部位的局部結構，一方面可以通過改善 CFB 鍋爐的結構來改變其氣固兩相流流場，提高水冷壁處流場的均勻性，沒有明顯的速度壓力變化，來減少氣固兩相流對水冷壁的磨損，另外可以通過改善水冷壁易磨部的局部結構，包括改善水冷壁與耐火材料交界處的流場特性使得耐火材料與水冷壁管保持平直，防止局部產(chǎn)生易磨區(qū)改善水冷壁幾何形狀；3)運行防磨，合理的給煤，合理的控制風量，降低煙氣的流速，控制床料及煤粒的篩分比。保證爐內(nèi)煤不結

22、焦的同時減小其煙氣對受熱面水冷壁的磨損。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管磨損是目前阻礙循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展的主要瓶頸，研究其磨損機理和采取有效的防磨措施是現(xiàn)在的研究熱點。但無論是從磨損機理出發(fā)進行表面涂層還是經(jīng)驗法設計防磨研究，都是不夠充分的。本文從研究CFB鍋爐氣固兩相流特性入手，在沖蝕機理研究的基礎上，基體動力學計算的方法，計算CFB鍋爐水冷壁的沖蝕磨損分布，為CFB鍋爐爐內(nèi)結構優(yōu)化設計和運行提供一定的參考。1.3 研究的基本內(nèi)容1.3.1 基本內(nèi)容本次畢業(yè)設計中研究的主要內(nèi)容包括：人研究的基礎上，根據(jù)CFB鍋爐磨損機理中的力學作用機制，基于CFB水冷壁鍋爐的實際工況和流體介質(zhì)物性，開展CFB鍋爐氣固

23、兩相流的數(shù)值模擬和水冷壁磨損，并結合失效案例，驗證計算結果的準確性。具體方案包含以下三個方面：1)CFB鍋爐氣固兩相流建模，選取氣固兩相控制方程，主要是氣相湍流模型和固體顆粒相運動模型，確定及壁面邊界條件，構造區(qū)域的幾何模型；2)CFB鍋爐氣固兩相流場數(shù)值計算及分析，根據(jù)氣固兩相流場特性進行網(wǎng)格劃分，選取合適的數(shù)值離散格式和求解方法，數(shù)值計算并對比分析不同幾何結構參數(shù)、運行工況參數(shù)、固體顆粒物性參數(shù)下的CFB鍋爐流場特性；3)完成鍋爐水冷壁沖蝕磨損防護。1.3.2 擬解決的主要問題本文主要通過采用Fluent進行模擬仿真計算，在冷態(tài)模型中，獲得CFB鍋爐氣體流速、壓力等關鍵流體動力學參數(shù)的分布

24、規(guī)律，并通過對比不同爐膛結構的流體力學參數(shù)的分布規(guī)律，完成對 CFB 鍋爐水冷壁磨損的點問題：。解決以下兩1)2)3)完成CFB 鍋爐氣固兩相流模擬仿真；完成CFB 鍋爐水冷壁失效分析；開展CFB 鍋爐結構改進驗證。第 2 章 CFB 鍋爐水冷壁磨損機理研究2.1 沖蝕磨損的定義沖蝕磨損是指液體或者固體以松散的小顆粒按一定的速度或者角度對材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或者過程。我國煤礦較豐富電站和工業(yè)鍋爐以燃煤為主，鍋爐內(nèi)壁沖蝕磨損現(xiàn)象尤為嚴重。2.2 CFB 鍋爐內(nèi)磨損CFB 內(nèi)水冷壁的的破壞分為高溫腐蝕和磨損兩個方面，前者主要的影響因素為爐膛火焰的溫度高低以及燃煤中含硫量的大小，

25、后者磨損的主要影響是煙氣灰粒的流場速度大小、分布以及顆粒的大小性質(zhì)23,24。具體可分為以下三個方面：(一) 物料的循環(huán)方式的影響不同的物料循環(huán)方式，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)受熱面的磨損部位，磨損程度有較大的差異，其中最大的影響是返料系統(tǒng)的循環(huán)方式，因其影響氣固兩相流的形式，不同的返料方式受熱面的磨損情況有很大不同。(二) 物料的特性磨損能力與物料的顆粒直徑、濃度密切相關，其直接關系到受熱面的磨損狀況，物料直徑很小，受熱面所受的沖蝕磨損很小。隨著物料直徑的增加，其對受熱面的磨損率也隨著增大，當物料直徑達到某臨界值后（約為0.1mm），受熱面的磨損幾乎不變或者變化十分緩慢。(三) CFB鍋爐結構的影響C

26、FB鍋爐結構的影響主要為區(qū)域防磨結構的影響，受熱面水冷壁結構分布影響。區(qū)域防磨結構主要形式為防磨梁結構及過渡區(qū)的結構，防磨梁結構將影響防磨梁上下兩側近壁面流場的速度的大小回流煙氣物料的，影響近壁面水冷壁所受到的沖刷磨損。過渡區(qū)結構的影響主要為影響區(qū)域渦流的形成，對區(qū)域流場的穩(wěn)定及受熱面的磨損有較大影響，穩(wěn)定的流場可以減小該區(qū)域受熱面速度壓力的變化從而減少磨損。因為流場中大角度的沖擊將大大提高其沖擊面的磨損量，所以水冷壁的分布影響主要考慮其水冷壁排管與流場是否保持平行，其接管、焊縫是否平整等。(四) 運行工況的影響CFB鍋爐的運行的工況參數(shù)對其磨損影響主要包括爐床溫度和煙氣速度兩方面。鍋爐管壁的

27、抗磨損能力受溫度影響比較明顯，其影響管壁耐磨層的硬度以及熱應力的大小。另外耐磨層與金屬的膨脹系數(shù)不同，以及高溫腐蝕的影響。2.3 內(nèi)循環(huán)磨損循環(huán)流化床鍋爐物料固體顆粒的運動特點是物料沿壁面形成“面壁流”。當物料呈湍流床時，沿四周壁面的物料濃度較中心大，沿壁面向動。而中心區(qū)物料顆粒稀少（濃度低），并隨氣流向上運動。當氣流速度再增大時，沿壁面明顯下降的高濃度氣固兩相出現(xiàn)湍動，下降環(huán)流與上升中心流發(fā)生摻混循環(huán)。稱為“內(nèi)循環(huán)”。面壁流現(xiàn)象對爐內(nèi)傳熱與受熱面的磨損影響極大。磨損嚴重時不僅影響鍋爐的安全運行，還限制了循環(huán)流化床鍋爐的某些優(yōu)點的發(fā)揮，磨損使得費用增加，停工時間的增加，也給生產(chǎn)帶來損失25。第

28、 3 章 CFB 鍋爐流場計算數(shù)學模型3.1.CFB 鍋爐幾何模型本文研究的CFB原理圖如3-1所示：圖 3-1 CFB 鍋爐原理圖本次研究以神化煤液化CFB鍋爐為原型，因主要研究爐膛結構及一次風邊界條件影響的的爐內(nèi)密相區(qū)及密稀相過渡區(qū)氣固兩相流的行為，所以在研究中忽略二次風，返料、旋風分離器等影響。其結構如圖3-2所示，其y軸方向上的高度為36850mm，一次風出口面積3040mm14240mm，下部錐段高度為7100mm，爐膛為644014240mm出口旋風分離器為直徑為5600mm的圓形出口，出口中心高度為39650mmm.其幾何模型如下圖3-2、圖3-3。圖 3-2 CFB 鍋爐爐膛正

29、視圖圖 3-3 CFB 鍋爐爐膛三維圖為驗證比較防磨梁的作用，另作比較模型圖3-2為在原來鍋爐模型爐底水平向上高度26390mm處構建防磨梁結構。防磨寬80mm、高80mm水平繞爐膛一周結構，安裝位子處于水冷壁安裝高度。圖3-4加防磨梁結構圖圖3-5防磨梁結構放大圖3.2 CFB 鍋爐的工作參數(shù)和介質(zhì)物性工作介質(zhì)的物性參數(shù)見表3-1表3-1氣相和固相的物性參數(shù)3.3數(shù)學模型和控制方程的建立3.3.1數(shù)學模型的建立計算機模擬仿真氣固兩相時，氣固兩相流模型的精確程是數(shù)值實驗成功與否的關鍵點26。目前人們應用較多的是求解兩方程模型，有工況意義數(shù)值煤粉密度1200kg/水力直徑6542m出口水利直徑5

30、600mP1壓力1.1234e5 PaP2出口壓力1.0237e5 Pa采用的是修正的RNG的u氣流速度，m/s式中灰特性系數(shù)為常數(shù)，可通過數(shù)值模擬得出的顆粒濃度以及氣流速度等計算出相對磨損量的數(shù)值，從而可定性的分析工況變化對爐內(nèi)磨損的影響。爐內(nèi)的壓力分布：壓降主要受氣速（ 顆粒終端沉降速度，氣相速度）、固相顆粒循環(huán)流率（）、固氣密度比（/）、床徑（）和顆粒徑（）比等有關，得出以下關聯(lián)式：（3-13）由于物料重力引起壓降比其他打一個數(shù)量級以上，故一般可以采用下式計算床層的壓降：（3-14）為簡化求解過程，給出以下假設：假設流場顆粒尺寸均勻，忽略氣體因變化引起的密度變化；認為氣體不可壓縮并忽略氣

31、體密度的脈動，顆粒質(zhì)量的脈動、阻力相的脈動和非定常相關項。氣固兩相的連續(xù)性方程：（3-15）方程（3-21）為適用于氣固兩相的連續(xù)性方程。為第i 相的密度和速度向量。暫不考慮相之間的質(zhì)量交換和化學反應，方程（3-21）的有端的為零。氣相動量守恒方程：（3-16）顆粒相動量守恒方程：（3-17）第 4 章 CFB 鍋爐的 Fluent 計算本章基于第三章的氣固兩相流的數(shù)學模型和物性參數(shù)，對CFB鍋爐內(nèi)氣固兩相流及水冷壁磨損失效研究。4.1 三維建模網(wǎng)格劃分本文根據(jù)CFB鍋爐實際尺寸，利用UG建立三維模型，利用Gambit進行網(wǎng)格劃分，再由fluent進行模擬計算。基于模型的對稱性以及便于后期計算

32、減少模型沿對稱面切半構建網(wǎng)格計算網(wǎng)格大小約為為2.15計算量，增加精度，一次風選用速度邊界條件，出口選用壓力邊界條件，網(wǎng)格質(zhì)量檢測最小為1.74801e-006，最大為0.616402。網(wǎng)格模型如圖：圖4-1三維網(wǎng)格模型4.2 CFB 鍋爐氣固兩相流特點4.2.1 縱向氣固兩相流流場分析圖4-2原模型一次風風速度10m/s圖4-3 原模型一次風風速10m/s對稱面速度云圖顆粒軌跡圖圖4-4 原模型一次風風速度10m/s對稱面速度矢量圖圖4-5沿壁面流場速度矢量圖由圖4-2與圖4-3可以知道CFB氣固兩相流云圖中過渡區(qū)深藍域其流場速度小，沿壁面甚至有回流速度出現(xiàn)，如圖4-5上所示。在過渡區(qū)兩側流

33、場分別出現(xiàn)渦流如圖4-4所示。受熱面水冷壁的磨損形式主要有，沖刷和沖擊。沖刷磨損是煙氣物料的方向與受熱面平行時，物料沖刷受熱面造成磨損，因此對于CFB鍋爐內(nèi)一次風的大小不能無限量的大下去，一方面過大的一次風將增大煙氣物料對受熱面的沖刷磨損，也不易鍋爐內(nèi)的充分燃燒，另外，圖4-2可以知道在旋風分離器路口處，由道的變小，此處的流場速度是非常大的，在實際生產(chǎn)過程中旋風分離器的磨損情況也是非常嚴重的，因此過大的一次風，不易于CFB鍋爐內(nèi)旋風的磨損防護29。CFB鍋爐內(nèi)另一種磨損形式為沖擊，沖擊磨損為固體方向和受熱面呈一定角度和垂直時，固體物料沖擊，碰撞受熱面而造分離器物料的成磨損，在流場出現(xiàn)渦流結構的

34、時候，沖擊磨損尤為突出30，因此過渡區(qū)流場出現(xiàn)渦流結構，其受熱面以及水冷壁的磨損較為嚴重。4.2.2 徑向氣固兩相流流場分析在實際生產(chǎn)過程中CFB爐膛四周，內(nèi)壁拐角處常常是磨損較為嚴重的區(qū)域，為從氣固兩相流場中更好的分析解釋這個原因本文將在原模型8m/s的一次風工況下，分別取水平面上10m、15m、20m三點做橫截面來觀察其切面流場的速度矢量。圖4-6 原模型一次風風速8m/s時10m水平截面處速度云圖圖4-7 原模型一次風風速8m/s時10m水平截面處速度矢量圖圖4-8 原模型一次風風速8m/s時15m水平截面處速度云圖圖4-9 原模型一次風風速8m/s時15m水平截面處速度矢量圖圖4-10

35、 原模型一次風風速8m/s時20m水平截面處速度云圖圖4-11 原模型一次風風速8m/s時20m水平截面處速度矢量圖分析對比圖4-6、圖4-8、圖4-10，可以看出其流場沿壁面速度隨著高度的增加在不斷的減小，其四周低速區(qū)的面積在不斷的增加，由此可以知道內(nèi)壁流的形成，是物料顆粒在上行過程中隨著流體速度的減小，四周壁面低速區(qū)的增大，于在重力的影響下其物料在低速區(qū)容易沿壁面形成回流，其形式如圖4-5所示。另外從速度矢量圖中可以了解，在圖4-7與圖4-9中四周內(nèi)壁拐角處都有形成二次渦結構，二次渦大大增加了流體中煙氣、物料顆粒相對于受熱面的沖擊角度，其對受熱面水冷壁的沖蝕磨損是大大增加的，圖4-7與圖4

36、-9相比近壁面的速度更大，若假設煙氣速度和顆粒速度相同，則磨損量就和煙氣速度的三次方成正比，因此圖4-7處近壁面的相對磨損更大31。在圖4-11中沒有明顯的二次渦結構，由此可以知道隨著高度增加，爐膛近壁面拐角處的二次渦，并且速度減弱，相比流場對近壁面水冷壁的磨損也在減弱，這也解釋了在實際生產(chǎn)過程中，爐膛底部四周拐角處水冷壁更容易磨損的原因。4.2.3 縱向渦流的形成及近壁面顆粒運動分析在本文第二章中已得出密度1200kg/m3 粒徑0.52mm的顆粒的臨界速度為3.96m/s圖4-5為模擬所用的一次風速度為10m/s，鍋爐氣固兩相流的速度云圖，可以明顯的看出CFB流場的特點是，爐膛中部流體速度

37、大，帶動固體顆粒上行，其速度在爐膛水平面上由中心向兩側梯度減少，沿壁面處的速度呈現(xiàn)深藍色表明速度極小，而已經(jīng)計算其臨界速度為3.96m/s，因此在重力的影響下在兩側的流場速度無法動固體顆粒上行，相反固體顆粒沿壁面出現(xiàn)回流現(xiàn)象。從壁面處速度矢量圖4-4可以明顯的看出，固體顆粒沿壁面回流，在過渡區(qū)與高速上行的流體相遇形成明顯的渦流，這種循環(huán)現(xiàn)象被稱為“內(nèi)循環(huán)”。這種面壁流想象對爐膛四角落區(qū)域管壁的磨損十分嚴重。一方面物料上升過程中沖刷，另外內(nèi)循環(huán)大量物料沿四壁回落，對水冷壁管進行劇烈沖刷。內(nèi)循環(huán)出現(xiàn)的區(qū)域范圍越大，對受熱面的接觸面積越大，磨損的面積也越大。的固體顆粒速度越大，其對受熱面的磨損越嚴重

38、，固體物料在交界區(qū)域，方向的改變對水冷壁造成磨損，過渡區(qū)形成局部渦旋流導致此區(qū)域的磨損。影響“內(nèi)循環(huán)”的很多主要有一次風風速，顆粒粒徑，以及爐膛機構。下文將分別一次風風速，顆粒粒徑，以及爐膛機構三個方面研究。4.2.4 一次風風速對過渡區(qū)流場的影響本文研究對無防磨梁結構模型分別以一次風大小為 6m/s、8m/s、10m/s、 12m/s 進行模擬仿真。不同大小一次風影響爐膛內(nèi)流場速度分布如圖 4-12,圖 4-13，圖 4-14,圖 4-15。圖 4-12 一次風風速 6m/s 時縱向對稱面速度云圖圖 4-13 一次風風速 8m/s 時縱向對稱面速度云圖圖 4-14 一次風風速 10m/s 時

39、縱向對稱面速度云圖由上圖可以知道隨著一次風速度的圖 4-15 一次風風速 12m/s 時縱向對稱面速度云圖，其過渡區(qū)域深藍色低速區(qū)的面積在減小，同時可以知道 CFB 鍋爐內(nèi)過渡區(qū)渦流結構也在減小，爐膛近壁面處流場速度在增加，內(nèi)循環(huán)的區(qū)域面積在減小，隨著一次風速度增加過渡區(qū)受熱面以及水冷壁所受到的沖擊磨損在減弱，但是受熱面所受的沖刷磨損隨著速度的增加在加劇。一次風的加大有利于防止物料沉積，防止爐床過熱結焦，同時也加劇了煙氣物料對受熱面的沖刷磨損。一次風的速度大小一方面控制著爐膛顆粒的流化以及燃燒，另一方面，在整個 CFB 鍋爐循環(huán)中，起到防止物料沉積帶著煙氣廢料的作用。所以在選擇其實際大小的時候

40、，要考慮進料量保證充分燃燒，以及 CFB 鍋爐整體循環(huán)流暢性，包括物料的充分流化，防止物料沉積等方面。保證正常運行。功能的前提下考慮盡量減小受熱面的磨損。在受熱面水冷壁的磨損防護方面，為了減少其受到煙氣的沖刷磨損，要保證下層水冷壁焊縫與水冷壁要打磨平整，上下管子接口要平整，水冷壁管安裝場豎直速度方向保持一致性。為了減小在過渡區(qū)的沖擊磨損，過渡區(qū)增加高溫耐磨材料，控制一次風風速減小其渦流的大小。4.2.5 一次風風速對流場近壁面回流的影響圖 4-16 近壁面回流圖流場中物料在重力的影響下其沿壁面的特點如圖 4-16 所示。為更好的對比了解一次風對流場內(nèi)物料速度的影響，分別以一次風大小為 6m/s

41、、8m/s、10m/s、12m/s 模擬計算得出速度矢量圖,分別統(tǒng)計不同矢量圖中回流出現(xiàn)時流場所在回流無因次高度 L.(4-1)L=h/H式 4-1 中 L 為回流無因次高度，h 為近壁面產(chǎn)生回流時流場相對于爐膛底部高度，H 為爐膛高度。表 4-1 一次風風速對應近壁面回流無因次高度一次風風速V/(m/s)681012近壁面回流無因次0.7270.5420.5020.352高度L爐床底部近壁面最3.0583.6314.4285.392大回流速度/Vm/(m/s)為了更好的反應出近壁面回流高度與一次風速度大小的關系，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)做出近壁面回流高度隨一次風速度變化曲線，如圖 4-17。圖 4-17

42、 近壁面無因次高度隨一次風風速變化流場速度是影響磨損的重要，為了更好的比對一次風速度對爐床底部磨損的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)做一次風風速與爐床底部回流最大速度之間的曲線圖 4-18.圖 4-18 爐床底部最大回流速度隨一次風風速變化由圖 4-17 所示，CFB 鍋爐爐膛近壁面回流形成高度隨著一次風風速的增加而減小。近壁面回流高度減小將減小回流物料所影響的受熱面面積，一次風速度的增加將減少回流，減少物料的沉積，以及近壁面回流物料對受熱面磨損的面積。但是隨著一次風速度的提高，使得其物料到達過渡區(qū)時回流最大速度也隨著增大，因此回流物料對受熱面的沖蝕磨損量也隨著增大。實際生產(chǎn)中為避免物料沉積，往往選用較大的一次

43、風進行操作，其減小避免了物料沉積所帶來的危害，但也加劇了局部受熱面的磨損情況。為了減小回流物料對水冷壁管的磨損，盡量保證水冷壁安裝，焊接位子與流場豎直方向保持平行。4.2.6 不同物料顆粒粒徑的影響為驗證不同顆粒粒徑對 CFB 鍋爐內(nèi)氣固兩相流流場有較大影響，本文在原模型上以 9m/s 的一次風風速度，分別以粒徑為 0.52mm、0.4mm、0.2mm 模擬驗證：圖 4-19粒徑0.52mm 時縱稱面速度云圖圖 4-20 粒徑 0.40mm 時縱稱面速度圖圖 4-21 粒徑 0.20mm 時縱稱面速度云圖比較圖 4-19、圖 4-20、圖 4-21，可以看出隨著粒徑的減少對于相同一次風下的顆粒

44、云圖，顆粒越小，其出現(xiàn)深藍色低速區(qū)的面積越小，相比面壁流回流的物料約少，過渡區(qū)渦流區(qū)域面積越小。因此對受熱面的沖擊磨損也越小。本文在研究過程中為了方便選取工況，取了所占比例最大的顆粒粒徑0.52mm，在實際生產(chǎn)過程中物料大小很難控制，當運行中顆粒組分中粗顆粒較多時，燃煤粒徑分布達不到循環(huán)流化床鍋爐的要求，顆粒粒子循環(huán)量少，粗顆粒將沉浮于燃燒室下部燃燒，造成密項床燃燒額過大，爐床將超溫結焦32,33。為了減小對鍋爐的內(nèi)壁的磨損，防止結焦，選用大風量一次風以保證不同粒徑的物料能夠充分流化。4.2.7 防磨梁結構的影響本文為直觀的驗證防磨梁結構的作用，基于原有的模型上于水冷壁安裝位置處加設一層防磨梁

45、，做驗證性研究。分別做了 10m/s 與 11m/s 的兩種結構的速度云圖，來比較探討防磨梁的作用。圖 4-22 一次風風速 10m/s 加防磨梁結構對稱面速度云圖圖 4-23 一次風風速 10m/s 原結構結構對稱面速度云圖圖 4-24 一次風風速 11m/s 加防磨梁結構對稱面速度云圖圖 4-25 一次風風速 11m/s 原結構結構對稱面速度云圖比較兩種工況下兩種結構的縱向截面速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，防磨梁結構具有均勻流場，打斷面壁流的作用，有利于減小壁面回流物料速度，這樣沿壁流對防磨梁上沿的垂直水冷壁管的磨損就大大減小，同時從防磨梁溢出的灰流依然沿垂直水冷壁管排表面留下，但不會緊貼管壁表面，且

46、速度大大減小，從而對防磨段水冷壁起到保護防磨作用。為了更直觀的看出防磨梁結構對流場的影響，10m/s工況分別取兩種結構防磨梁安裝高度下方200mm處的截面速度云圖做比較。如圖4-26、圖4-27所示。圖4-26原模型水冷壁安裝高度下200mm處界面圖速度云圖圖4-27加防磨水冷壁安裝高度下200mm處界面圖速度云圖觀察比較發(fā)現(xiàn)，圖4-27中流場沿壁面相比圖4-26沒有明顯的速度變化，表現(xiàn)出防磨梁結構對流場有均勻流場的作用，速度變化將影響水冷壁的受熱以及加大磨損等情況，穩(wěn)定的流場有利于水冷壁的受熱，也將降低磨損。同時觀察發(fā)現(xiàn)4-27相比圖4-26安裝有防磨梁結構的模型其煙氣高速流場不會緊貼內(nèi)壁表

47、面，圖4-27爐膛一周呈現(xiàn)藍色，使得其近壁面處流場速度相比原模型壁面流場速度大大減小，從而煙氣，回流物料對近壁面水冷壁的沖刷磨損也大大減小。由前文4.3.5可以知道，爐膛近壁面回流高度的越高其對受熱面水冷壁的磨損越面積越大，越不容易防護，防磨梁起到打斷近壁面回流的作用，減小物料沿壁面回流速度。因此防磨梁結構對其結構以下的水冷壁起到一定的防磨作用。第5章 總結與展望5.1 本文研究工作總結本設計擬針對煤液化CFB鍋爐水冷壁為對象，采用煤液化CFB鍋爐實際工況參數(shù),包括一次風量、顆粒流量、粒徑等，研究各種參數(shù)變化對CFB鍋爐水冷壁的沖蝕磨損分布規(guī)律的影響，通過收集煤液化企業(yè)中CFB鍋爐的運行參數(shù)，

48、結合沖蝕磨損機理和水冷壁材料的磨損率與影響的關系研究。采用Fluent對CFB鍋爐內(nèi)氣固兩相流進行數(shù)值計算，選取氣相連續(xù)、動量守恒方程和RNG k-湍流模型，固相的顆粒離散相模型，相間作用主要考慮顆粒曳力，相間耦合的氣固兩相流模型；氣相采用無滑移壁面邊界條件和壁面函數(shù)法確定第一個節(jié)點的速度、湍動能、耗散率等參數(shù)，顆粒相選取適合的沖擊 反彈關系式?；贔luent計算， 氣相采用速度進口、壓力出口或OUTFLOW出口條件，顆粒相采用進口流量。將CFB鍋爐幾何結構簡化為長方體，保持CFB鍋爐通道結構、尺寸、方位。加入防磨梁改變爐膛內(nèi)結構，計算不同參數(shù)條件下的CFB鍋爐氣固兩相流場，并在氣固兩相介質(zhì)

49、參數(shù)的基礎上加入沖蝕磨損邊界條件，計算水冷壁的沖蝕率分布，完成對水冷壁的沖蝕磨損失效。仿真模擬CFB鍋爐氣固兩相介質(zhì)溫度，流場的分布數(shù)據(jù)，在沖蝕機理研究的基礎上，基，獲得鍋爐內(nèi)的壓力，體動力學計算的方法，計算CFB鍋爐水冷壁的沖蝕磨損分布，為CFB鍋爐爐內(nèi)結構優(yōu)化設計和運行提供一定的參考。本文主要得到以下結論：（1）顆粒粒徑和一次風風速是影響鍋爐內(nèi)氣固兩相流場結構的重要會共同影響顆粒沉積和爐管壁磨損；，（2）適當布置的防磨梁結構能對水冷壁起到有效的磨損防護作用。本的主要創(chuàng)新工作在于：采用煤液化CFB鍋爐實際的操作工況和流體介質(zhì)的物性參數(shù)，選擇了合適的CFD運算模型，完成CFB鍋爐內(nèi)水冷壁磨損失

50、效預測，分析了不同爐膛結構對氣固兩相流場的影響，對防止煤粉沉積、降低爐管壁磨損的CFB鍋爐結構設計和操作運行具有一定的指導意義。5.2 研究工作展望隨著計算機技術的發(fā)展，對計算機模擬仿真技術也在越來多的應用到循環(huán)流化床的研發(fā)和改進中去。但基于計算機硬件要求及沒有成型的模型做參考，簡化的計算模型雖然具有一定的代表意義，但與實際模型有較大的差距，不能最真實反應實際工況情況。這將使得模擬仿真的數(shù)據(jù)在實際應用中存在誤差。研究中，定性定量的來模擬CFB鍋爐內(nèi)的流場分布，采用冷流體模型，沒有考慮到CFB鍋爐內(nèi)復雜的燃燒傳熱過程。選擇的計算工況，顆粒粒徑以主要顆粒的平均粒徑為主。因此在未來的研究中，選用更好

51、的測試儀器，測量CFB鍋爐的實際操作工況，模擬仿真中加入燃燒傳熱過程使得仿真結果更為真。另外針對于防磨梁的防磨效果驗證，本文的結果有一定的參考價值，如若選取多種防磨梁結構，進行驗證改進實驗。具有更高可比性和真實性。參考文獻1潔凈煤技術J：化學工業(yè)2005（5）：252，電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術的現(xiàn)狀及發(fā)展J：，2007：1922大學3 Hansen.K .G，Solberg.T ，BjZrn HA three-dimenal simulation of gasparticle flowand ozoneitionhe riser of a circulating fluidized bedJ，Ch

52、emical EngineeringScience，59(2004)：521752244趙果然循環(huán)流化床鍋爐國內(nèi)外現(xiàn)狀概述鍋爐制造2009（4）：19215，李靜海循環(huán)流化床稀相局部空隙率的測量J，化工冶金，1996，17(3)：2422476基于Fluent 的多相模擬反應器的設計J計算機與應用化學，2007,24（9）：115811587華，陳，超臨界循環(huán)流化床鍋爐在節(jié)能減排中的技術特點分析J華東電力，2010（9）:32358，光導測量流化床內(nèi)顆粒的運動特性J山東工業(yè)大學學報，1998，28(1)：28329，PIV技術應用于循環(huán)流化床顆粒運動測試J，化學反應工程與，2004，20(4)：29429910 祁海鷹，由長福，等顆粒相邊界條件對其濃度分布的影響機制J，力學學報， 2001，33(5)：60161111，鐘志強