基于CPFD方法的超临界CFB锅炉燃烧与磨损特性研究

作     者：林宬 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何伯述

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：超临界循环流化床锅炉 CPFD 数值模拟 低氮燃烧 空气分级燃烧 磨损 

摘      要：我国煤炭资源丰富,且煤种齐全,为更好地利用各煤种,循环流化床(CFB)锅炉技术应运而生并在我国得到了广泛应用和大力发展。超临界CFB锅炉技术则结合了CFB燃烧和超临界蒸汽循环的优势,成为这其中重点研发方向。然而在实际运用中,CFB存在循环回路气固分布不均匀、炉内磨损严重和氮氧化物原始排放高等问题,进而影响了超临界CFB锅炉的安全稳定运行及其进一步大型化发展。本文以一台具有三个旋风分离器的350 MW超临界CFB锅炉为研究对象,使用基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法的软件Barracuda,针对CFB锅炉炉内颗粒流动、燃烧、氮氧化物排放以及磨损等方面进行数值模拟研究。为研究超临界CFB锅炉的低氮燃烧特性,首先对CPFD方法模型进行模型验证以及网格无关性检验,对实际工况下的模拟结果进行了流动与燃烧的分析。之后通过对二次风进行改造探究了不同二次风配比(SA/(PA+SA))、不同上下二次风高度位置和不同二次风风口大小(风速)对超临界CFB锅炉氮氧化物原始排放的综合影响,为实际锅炉运行提供了指导。并确定了本研究中最佳低氮排放的二次风改造组合,即采用高二次风配比(0.60)、上下二次风位置均在炉膛锥段(上/下二次风口高度为6.30 m/2.50 m)、小二次风口(0.36×0.36 m)时,空气分级燃烧效果最好,NO和NO的排放最少。对于CFB炉内磨损问题,基于CPFD方法和实际运行工况,对350 MW超临界CFB锅炉包括其分离器筒体在内的颗粒冲刷导致的物理磨损进行数值模拟研究,并对原始结构进行改进,建立两种新结构CFB锅炉,通过改变CFB锅炉炉膛与分离器的连接方式以及采用不同形式的分离器来探究其磨损优化情况。结果发现,改进后的结构不仅满足颗粒循环的流态稳定、温度分布均匀、分离器内颗粒质量流率分布均匀等CFB锅炉基本设计要求,同时由于颗粒流动方式相较原始结构的巨大变化,炉内稀相区区域特别是炉膛四个直角区域附近的物理磨损和分离器筒体内壁面的磨损都得到了进一步改善,为今后超临界CFB锅炉优化磨损结构设计方面提供了新思路。