SNCR在中温分离CFB锅炉上的CFD研究应用
1.2模拟对象
采用CFD技术可减少物理模型试验､缩短研发周期､节约研究费用,获取大量的空间分布的瞬时数据,还能实现可视化的效果,特利用CFD准确模拟本锅炉,建立了一套1∶1的三维模型(见图2),以得到最基本的温度场与流场分布,最优化SNCR喷枪位置,确认反应效率,确认喷枪的数量和流量｡考虑到锅炉的几何布置的对称性,三维模型从锅炉中心线剖开,只包含了一个分离器,且模型从炉膛标高12.54m至省煤器出口26.2m结束｡
1.3模型简化与假设
根据SNCR装置的实际运行环境,在满足工程要求的条件下,为了便于模拟计算,本文对SNCR装置结构以及烟气状况做如下假设和简化:
(1)烟气各组分与还原剂气体为不可压缩的理想气体;
(2)流动是定常流动;
(3)流体物性参数为常数;
(4)不考虑系统漏风､灰分的影响;
(5)水冷壁简化为光滑换热壁面,烟道壁面设定为水冷壁导热;
(6)大型换热元件,如蒸发管束､高温过热器､低温过热器及省煤器等简化为均匀多孔换热介质｡
1.4数学模型
1.4.1气相湍流模型
本文采用欧拉法,将SNCR装置烟气流场的烟气作为连续相处理,通用方程为:
式中,(ρ)/t为瞬态项;div(ρυ)为对流项;div(Γgrad)为扩散项;S为广义源项;Γ为广义扩散系数;是通用变量;t为时间,s;υ为速度,m˙s-1;ρ为烟气密度,kg˙m-3｡在连续方程､动量方程和能量方程中,S和Γ分别代表1､υ､T和0､μ､K/c等常数和变量｡其中,T为温度,K;μ为动力粘度,Pa˙s;K为传热系数,W˙m-2˙K-1;c为比热容,J˙kg-1˙K-1｡
根据SNCR装置内烟气流动时湍流的情况,本文采用Realizablek-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动｡
1.4.2多孔介质模型
多孔介质的动量方程是在标准的动量方程基础上附加动量源项而得到的｡源项由两部分组成,一部分是粘性损失项,另一部分是内部损失项｡
式中,Si为i方向上的动量源项,Pa˙m-1;υj为j向流体速度分量,m˙s-1;μ为流动动力粘度,Pa˙s;ρ为密度,kg˙m-3;D､C分别为粘性和惯性阻力系数矩阵｡
对于大型换热元件的压降,可简化为简单的均匀多孔介质,其压降损失公式如下:
式中,α为介质渗透性;C2为内部阻力因子,可看成是沿着流动方向每一单位长度的损失系数｡
1.4.3物质输运模型
由于SNCR中的流动介质有烟气和氨气,这就涉及到考虑流动中物质的混合情况,因此采用混合物的物质输运模型]来模拟这一情况｡通过求解描述每种组成物质的对流､扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运,可以模拟多种同时发生的化学反应｡
当选择解化学物质的守恒方程时,通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Yi守恒方程采用以下的通用形式:
式中,Ji为物质i的质量扩散,由浓度梯度产生;Ri为化学反应的净产生速率;Pi为附加速率｡
式中,Di,m为混合物第i种物质的扩散系数｡
在系统中出现N种物质时,需要解N-1个这种形式的方程｡由于质量分数的和必须为1,第N种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到｡为了使数值误差最小,第N种物质必须选择质量分数最大的物质｡
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