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计算流体动力学在大容量垃圾焚烧炉优化
设计中的应用
第22卷第4期
2()()9年4月
广东电力
GUANGDONGELECrRICP0WER
文章编号:10()7—290X(20O9)04一()039—04
计算流体动力学在大容量垃圾焚烧炉
优化设计中的应用
张卫
(广州环保投资有限公司,广州51O660)
摘要:为实现大容量垃圾焚烧炉的优化设计,.
,
求解炉内燃烧烟气的温度场和流速场,得到详细的燃烧过程,流场和烟气排放控制过程;在分析烟气流分布对
热传递,烟气停留时间,烟气排放质量分数等因素的影响的基础上,提
出了垃圾焚烧炉的优化设计方案.
关键词:计算流体动力学;大容量垃圾焚烧炉;烟气流
中图分类号:TK222文献标志码:B
Applicati0n0fC0mputati0nalFluidDynamicsinoptimumDesign0f
Large—capacityWaste—t0一energyFurnace
ZHANGWei
(GuangzhouEnvironmentalPrOtectiOnlnvestmentCO..Ltd..Guangzhou51()660,China)
capaciAbstract:Torea1jzetheopfimumdesignoflarge—
,ywaste-tenergyfur几ace,combusCiOnsimu1ationisperfOrmedwith
cOmputationalfluiddynamics(CFD).—tenergyfurnaceisdividedintO
sOmesma1lids;F1uentandFLICareusedrespectiVelyforthemodelingoffurnacegasflowandbedcombustiontOwork
,flow
,flue
gasretainingjnterValandmassfracti0nOff】
.,.
energyfurnace.
Keywor’ds:computationalfIuiddynamics(CFD);large—capacitywastefir
edfurnace;fIuegasf1ow
计算流体动力学(computationalfluid
dynamics,CFD)是应用数学方法描述物理和化学
现象的一种数据模型模拟工具,通过cFD可以得
到详细的燃烧过程,流场和传热图像,此外,还可
以进行质量和能量守恒方程,湍流方程,化学反
应,粒子运动和辐射方面的分析.
Fluent软件是目前国际上通用的商业CFD软
件包,在国际CFD市场上占主导地位,只要涉及
流体,热传递和化学反应等工程问题,都可用
网格生成程序,使复杂的几何结构计算变得容易和
收稿日期:(1
轻松,所生成的网格包括二维的三角形,四边形网
格,三维的四面体,六面体和混合网格.:
本文主要探讨运用CFD进行大容量垃圾焚烧
炉优化设计的问题.
1Fluent程序的组成部分和求解步骤
Fluent软件由前处理器,求解器和后处理器
,其
中的Gambit用于网格生成;求解器是流体计算的
核心,可对基于结构化或非结构化的网格进行求
解;后处理器具有强大的后处理功能.
Fluent程序的求解步骤?1:
广东电力第22卷
a)确定几何形状,生成计算网格(用Gambit
也可以读入其它指定程序生成的网格);
b)选择二维或三维网格来进行模拟计算;
c)输入网格;
d)检查网格;
e)选择解法器;
f)选择求解的方程,如层流或湍流(或无粘
流),化学组分或化学反应,传热模型等,确定其它
需要的模型,如风扇,热交换器,多孑L介质等模型;
g)确定流体物性;
h)指定边界条件;
i)确定条件和控制参数;
j)流场初始化;
k)计算;
1)检查结果;
m)保存结果,进行后处理等.
2垃圾焚烧炉的燃烧模拟
CFD广泛应用于大型垃圾焚烧炉的数值模拟
计算当中,能够计算和预测速度,温度,速度矢量
和浓度场等,有助于设计最佳状态的余热锅炉和焚
烧炉,
CFD进行分析的典型案例有:流动状况分析,例
如改善烟气流动速度;排放控制,例如对C0的控
制;按照欧洲标准控制烟气停留时间;增加垃圾焚
烧炉的容量.
Fluent/CFD可以模拟宽广范围内的燃烧(反
应流),但必须保证所使用的物理模型适合所研究
建立床层燃烧模型和气体流动模型,对大型垃圾焚
烧炉进行数值计算,如图1所示.
床层是气,固两相燃
烧,挥发分生成物有
CH(m=,n=
),C0,C02和H2,
床层顶部逸出气体有
CH,Co,Co2,H2,
02和N2.
炉膛是气相燃烧,二
次风速度为8【】m/s,温度
烟气对设备影响很大,影响设备效率的主要因
素是烟气的种类,颗粒大小,温度和流动速度等,
因而在设计过程中要充分研究空气喷嘴的位置,传
热墙,局部几何形状等.
CFD燃烧模拟是以控制量为基础,将锅炉分
成若干小区域来进行的,并采用质量和能量守恒方
程分析每个控制区域,因此,在很大程度上依靠数
界条件设置网格.
运用Fluent软件模拟大容量(80(jt/d)垃圾焚
烧炉,选用Do辐射模型,足一,标准湍流模型,
组分运输燃烧模型以及非结构化四面体网格,共划
分250()()0个网格,
变化,改变并精确定义区域内网格.
图2大容量(800l/d)垃圾焚烧炉的典型计算网格
cFD燃烧模拟需构建求解模型和设置边界条
件等,边界条件及求解程序在Fluent软件中的生
成界面如图3所示.
在构建模型时,要求求解模型除求解质量和能
量守恒方程中的各参数外,还需要求解湍流方程,
辐射,化学反应,粒子流动等相应参数.
在求解模型中,采用三维动力方程和质量守恒
方程描述流动,其中动力方程(
程)描述每个区域内的推动力,压力和粘性力的影
第4期张卫:计算流体动力学在大容量垃圾焚烧炉优化设计中的应
用
图3垃圾焚烧炉CFD模拟的边界条件和求解程序界面
,采用数学
达式.
lC—e湍流模型有湍流动能参数良和动能离散
率,两个参数,
列出的.
期望的热传递.
的主要成分N:,Co,H!o和O!.烟气燃烧有一
个或多个主要的气化产物.
范围较广(温度和发射率范围很大).是获得准确的
7()%,1(】()%.
烈氧化时,颗粒运动,
(H0和C0).
.
整个垃圾焚烧被分成干燥,高温分解,点燃,
气化,燃烧,
(Co,H,)释放大量的能量(占总燃烧能
量的3()%,5《)%).
炉内燃烧烟气,得到炉内热负荷.
:
CH+2——C+2HO.(1)
此宏观反应被分解为下面3个反应:
CH4+!一Co+2H10,(2)
C0+().501——C0.(3)
C0一CO+().501.(4)
其中,混合和反应速度影响反应式(2)和反应式
(3).反应式(4)
NO包括燃料型,
算复杂性,
下,Fluent简单模型不能精确模拟燃料中的No.
,二次风,冷却
量;二次风系统必须满足降低炉排上C0的含量的
要求,
’使C0氧化为CO,必须有
()()?以上才
全氧化.
二次风的主要作用是冷却燃烧室和使燃烧速度
减慢,(湍流)
充分,
大,可以使C0与O充分混合,从而燃烧完全.
3大容量垃圾焚烧炉的cFI)分析结果
31CFD分析结果
建立大容量垃圾焚烧炉CFD模型后,得到的
烟气流场分布如图4所示.
图4大容量垃圾焚烧炉烟气流场分布
通过Fluent软件对大容量垃圾焚烧炉进行数
值模拟,得到炉膛温度分布图和热传递速度分布
图,如图5和图6所示.
广东电力第22卷
图5大容量垃圾焚烧炉炉膛温度分布图7cFD仿真估算烟气停留时
间的结果
图6大容量垃圾焚烧炉炉膛热传递速度分布图8大容量垃圾焚烧炉
?分布
烟气停留时间是影响垃圾焚烧炉燃烧的重要因
,因此,烟气停
留时间也决定着燃尽程度,在有氧且温度高于8O0
?的条件下,增加烟气停留时间可以提高燃尽率.
在CFD燃烧模拟中,为保证烟气有足够的停留时
间,运用Fluent程序进行仿真估算,结果如图7
,保证燃烧充分的烟气停留时间
最少为2s.
炉内c0的含量是评价是否完全燃烧的重要因
素,,由于二次风
产生涡流,将C0带到炉前,从而确保C0完全
燃烧.
炉内的温度分布如图9所示,从图9可知,热
量集中在炉前,这是因为C0得到完全燃烧.
图9大容量垃圾焚烧炉内温度分布
在锅炉设计中,
(下转第73页)
第4期邱杨等:亚临界压力6()0Mw机组发电机振动故障诊断及处理
c)复查低一发对轮中心,对比2【)07年小修后
低一发对轮中心数值与2()()6年小修后的低一发对
轮中心数值记录,进行微量调整.
d)回装9号瓦,再将9号瓦轴瓦与轴瓦上部
垫铁之间的间隙调整至厂家标准值下限【).15mm.
4结论
a)由于设计原因,上海汽轮发电机厂60()
Mw发电机两端轴承容易出现支撑垫铁松动,轴
瓦下沉的情况,在下沉量达到一定程度时将引发动
静摩擦和转子中心变化,造成转子振动值上升,并