生物质炉传热性能及结构的研究

第43卷第3期锅炉技术No S2012年5月BOILER TECHNOLOGYMay,2012生物质炉传热性能及结构的研究汪小将,卞致瑞,杨丽(北京科技大学机械工程学院,北京100083)摘要:采用有限元方法,对SY40型生物质炉的传热过程进行模拟。研究了生物质炉的工艺参数和结构参数对传热效率的影响并根据研究结果,对生物质炉结构进行改进。关键词:生物质炉;传热效率;结构分析中图分英号:TH14文獻标识码:A文章编号:1672-4763(2012)03-0073040前言燃烧产生的高温混合烟气在炉子的烟道内流动。同时,高温的烟气将热量由接触的钢板传生物质( biomass是指有机物中除化石燃料导到另一侧的流动的水,使水吸收热量,水的温外的所有来源于动、植物能再生的物质。如木度升高。材,人、畜粪便,城市生活垃圾等。生物质能则是出水口指直接和间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和储藏在生物体内的保温材料排烟口能量。生物质能资源丰富,目前1-2我国生物质观察孔能总量约相当于7.5亿吨标准煤,预测到2020年达8.5亿吨至10亿吨标准煤,是仅次于煤炭石油、天然气的第四大能源。在能源价格飞涨,环境问题日益突出的今天,生物质能作为第四大绿色清洁可再生能源,其技术的研究与开发现已进水口青灰口成为世界重大热门课题之清灰口2图1生物质炉物理模型生物质炉是将生物质(如木材)直接送入燃烧室内燃烧。生物质炉的工作过程分为生物质1.2数学模型在燃烧器(燃烧室)内燃烧产生高温烟气;烟气在Fluent求解器设定为三维、定常、分离式求炉膛和烟道里流动并将热量传递给烟道另一侧解器先选取k- epsilon二方程模型,能量方程模的水,使水温升高型进行计算。在计算湍流方程和能量方程基本1生物质炉模型建立收敛的条件下,再加入DO( Discrete Ordinates)辐射模型继续求解。1.1生物质炉物理模型生物质炉子的物理模型来源于工业生产中2生物质炉仿真分析的炉模型,其基本结构如图1所示。生物质炉本节从操作工艺参数方面来研究生物质炉的基本结构为螺旋输送器,燃烧器,烟道,进风传热效率的影响因素。口,烟气出口,水道,进水口,出水口和管壁。其2.1烟气进囗速度影响因素分析工作原理为:通过螺旋输送器进入燃烧器的生物质与鼓入炉内空气中的氧气充分直接燃烧,和出H中国煤化工度对传热效率CNMHG收稿日期:2010-01·16作者简介:汪小将(1982-),男,硕士,主要研究现代设计理论及方法锅炉技术第43卷图2中换热效率曲线表示生物质炉换热效图3中出水温升曲线表示生物质炉出水平率随烟气进口速度变化的关系。当烟气进口速均温升随烟气进口温度变化的关系。当烟气进度从4m/s等差递增到9m/s时,换热效率从口温度从750℃等差递增到950℃时,出水平76.96%下降到56.63%;且当烟气速度大于均温升从16.52℃上升到1995℃6m/s的时候换热效率递减的速率逐渐减小,从从以上的结果和分析可以得出以下结论:当5.5%减少到1.78%。增大烟气温度时(也就是保证燃料充分完全燃烧或者同时尽量减少空气供给量),可以有效提高一换热效率一-出水温升水的出口温升,同时可以提高生物质炉的换热效率23水的进口速度影响因素分析8642图4中换热效率曲线表示生物质炉换热效率随进口水速变化的关系。当水速在0.15m/s至0.25m/s的范围之间时,换热效率保持递增;当水速在0.25m/s至烟气进口速度v{m8)0.325m/s范围内,换热效率也递增,但递增的速图2中出水温升曲线表示生物质炉出水平持递当图2烟气进口速度对换热效率和出水温升的影响曲线率下降;当水速大于0.325m/s后,换热效率保均温升随烟气进口速度变化的关系。当烟气进一-换热效率口速度从4m/s等差递增到9m/s时,出水平均温升从23.41℃上升到31.53℃,当烟气速度05420大于6m/s的时候,出水平均温升上升的速率增大,从1.16℃上升到1.7℃从以上的结果和分析可以得出以下结论:当增大烟气速度时(也就是增加燃料量和空气),可0.150.20025030035以有效提高水的出口温升,但生物质炉的换热效进口水速m率降低,换热效率降低的速率在>v=6m/s后图4进口水速度对换热效率和出水温升的影响曲线减小。22烟气进口温度影响因素分析图4中出水温升曲线表示生物质炉出水平图3中换热效率曲线表示生物质炉换热效均温升随进口水速变化的关系。当水速从0.15率随烟气进口温度变化的关系。当烟气进口温m/s上升到0.35m/s时,出水温升从2804℃度从750℃等差递增到950℃时换热效率从—直下降到12.55℃,然而,温升下降的趋势有61.59%上升到70.24%;且当烟气温度>800℃所减缓。时,换热效率递增的速率趋向于一致从以上的结果和分析可以得出以下结论水速的变化对换热效率的提高不是很明显,但741→换热效率是出水温升可以在很大范围内通过进水速度来一-出水温升72调节。3生物质炉结构对传热效率的影响以及结构的改进设计图3烟气进口温度对换热效事和出水温升的影响曲线设计,轿煌中化工阝位的结构参数,研NMHG率的影响,并烟气进口温度C根据此研生物质炉的结构进行改进第3期汪小将,等:生物质炉传热性能及结构的研究3.1炉膛水管半径对传热效率的影响3.1.1炉膛水管半径与换热效率的关系研究炉膛水管位于燃烧器的正上部,是高温烟气从燃烧器出来首先接触的部位,而且水管不但与运动烟气对流换热,而且吸收来自于高温烟气的辐射,因此,炉膛水管在此处热交换速率最大图5中换热效率曲线表示生物质炉换热效率随炉膛水管半径变化的关系。当炉膛水管半径从23.5mm递增到38.5mm时,换热效率从图7x0截面上R38.5炉膛水管速度矢量图61.59%上升到64.75%,增大了2.8%从以上两者的速度矢量图的分析对比可以换热效率得出:首先,对于炉膛水管的换热。烟气在经过645--出水温升管4和管5时,与半径为38.5mm的管子比半径为23.5mm的管子换热量要大,因为前者换热面积和对流速度都要大。而在烟气经过管3时,半径38.5mm的管子换热面积增大,而半径23.5mm的管子烟气平均相对速度要大。烟气在经过管1和管2时,对于半径38.5mm的管子,烟气炉膛水管半径/mm的换热量甚至要少于半径23.5mm的管子。其图5炉膛水管半径对换热效率和出水温升的影响曲线次,烟气在炉膛水管以外的部分与水管的换热分图5中出水温升曲线表示生物质炉出水平析。从2图对比可以看出烟气在炉膛以外的管均温升随炉膛水管半径变化的关系。当炉膛水道相对运动速度变化不大,而烟气与水管的接触管半径从23.5mm递增到38.5mm时,出水平面积不变,因此,在炉膛水管以外的部分烟气与均温升从17.47℃上升到18.26℃。水管的换热几乎不变。再次,从燃烧器四周烟气3.1.22种炉膛水管半径的对比研究的流向来看,炉膛水管直径的增大,并未堵塞烟分别取炉膛水管半径23.5mm和38.5mm气的正常流动。为分析对象,按照从左到右从上到下的顺序分别通过对比可以得出结论:增大炉膛水管半标记5根水管的序号为管1、2、3、4和5。径,增大了烟气与水管间的换热面积,而具体对炉膛水管半径从23.5mm增大为38.5mm于每根管子的换热量的影响不同。对于管4和时换热面积增大了约9%,而换热效率仅增大管5是显然有利的,对于管1和管2,却不一定增2.8%,以下是半径为23.5m(图6)和半径为大了其与烟气的换热量;对于整个生物质炉来38.5mm(图⑦)的模型在z=0截面上的速度矢说,其整体换热效率提高;炉膛水管半径增大,没量图。有阻塞烟气在炉膛内的流动。3.2出水口位置对传热效率的影响以炉膛底面的对角线交点为原点,以指向烟气出口和水进口方向为z的正坐标轴,研究2个出水口在z坐标上的位置与换热效率的关系。图8表示的是换热效率和出水温升随出水口在z坐标上位置的关系。根据生物质炉的模型推算,出水V凵中国煤化工范围为-10物L以MHG010:生图8中换热效率曲线表示生物质炉换热效图6x0截面上R23.5炉膛水管速度矢量图率随z坐标值变化的关系。当出水口在z坐标轴锅妒技术第43卷上从z为90mm(生物质炉后面)移到z为160mm过程中,换热效率从64.84%先下降到64.68%再上升到65.64%在z为50mm处达到最大值,然后再下降到63.98%在z为100mm处,换热效率再次上升。Q管4管赵645图10出水口位置改进前后对比根据以上计算结果分别对炉膛水管和出水80口位置进行改进。100-50050100150200改进前后尺寸和位置关系对比,见图9和图出水口z轴坐标mm10所示图8出水口位置对换热效率和出水温升的影响曲线4结语图8中出水温升曲线表示生物质炉出水平均温升随z坐标值变化的关系。出水温升的变由以上研究可得出以下结论:化趋势与换热效率的变化趋势一致。(1)增大炉膛水管半径,具体对于每根管子从以上的结果和分析可以得出以下结论:改的换热量的影响不同。对于管4和管5是显然有变出水口位置可以在一定程度上提高换热效率利的,对于管1和管2,却不一定增大了其与烟气并提高出水温升;对于本生物质炉,其在z50处的换热量;对于整个生物质炉来说,其整体换热换热效率最高,出水温升最大效率提高;炉膛水管半径增大,没有阻塞烟气在3.3生物质炉结构改进设计炉膛内的流动。(2)出水口位置的改变使水的流向和流速发生了变化,通过这种变化在一定程度上提高换热效率并提高出水温升;对于本生物质炉模型,出水口位置在z50处换热效率最高,出水温升最大参考文献[]毛玉如方梦祥等.生物质能流化床转化利用技术实践[锅炉技术,2003,34(2):72.器[2]邓可蕴.21世纪我国生物质能发展战略[J].中国电力图9炉膛水管半径改进前后对比2000,33(9):82-384.The Finite Element Analysis of the maker of the oRT TireWANG Xiao-jiang, BIAN Zhi-rui, YANG Li( School of Mechanics Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: The paper takes simulation to heat transferringof the biomass boiler withthe Finite Element Method, The influence of the pro中国煤化工 heattransferring efficiency of the boiler is analyzed; furtherYHCNMHGmade tothe structure based on the resultsKey words: biomass boiler: heat transfer efficiency; process parameter; optimizations