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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (6): 1139-1147    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.06.013
机械与能源工程     
采用动网格技术的煤粉-玉米秸秆掺烧飞灰沉积数值模拟
周昊(),张昆,李亚威,张佳凯
浙江大学 能源工程学系，能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
Numerical simulation of fly ash deposition in coal and corn stalk co-combustion with dynamic mesh technique
Hao ZHOU(),Kun ZHANG,Ya-wei LI,Jia-kai ZHANG
Zhejiang University, Institute for Thermal Power Engineering, State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(1564 KB)   HTML
摘要：

为了研究煤粉和生物质掺烧形成飞灰的结渣特性，采用基于动网格技术的计算流体动力学（CFD）模型对煤粉-玉米秸秆掺烧积灰结渣实验（玉米秸秆掺比分别为0、5%和10%）进行数值模拟. 模拟过程中考虑灰渣导热系数和灰渣表面温度的变化，并将模拟结果和实验结果进行比较. 模拟结果表明：飞灰撞击质量流率随沉积进行而减小，这是因为沉积物引起的动网格变化影响探针附近流场；3种工况下飞灰在探针表面的最终沉积效率分别为75%、80%和87%，说明了玉米秸秆掺烧形成飞灰的易结渣倾向；灰渣实时形貌在动网格执行下得以实现. 在换热特性方面，灰渣表面温度和热流密度的模拟值和实验值较为接近；3种工况下0~100 min热流密度降低率分别为52.13%、46.96%和53.25%.
关键词： 灰沉积;  计算流体动力学（CFD）;  动网格技术;  生物质;  表面温度;  有效导热系数    
Abstract:

The computational fluid dynamics (CFD) model based on dynamic mesh technique was used to simulate the slagging experiment of pulverized coal-corn stalk blended combustion (the proportion of corn straw is 0, 5% and 10%, respectively) in order to investigate the slagging characteristics of pulverized coal and biomass blended combustion. The thermal conductivity of the slag and the surface temperature of the slag were considered in the simulation; the simulation results were compared with the experimental results. The simulation results show that the mass flow rate of fly ash impacting decreases with the deposition because the deposition (leading to the dynamic mesh) changes the flow field near the probe. In the three conditions, the deposition efficiency of the fly ash on the probe surface was 75%, 80% and 87%, respectively, at 100 min, which indicates that the corn-blended condition is easier to slag. Real-time variation of deposition can be realized by the dynamic mesh technique. In terms of the heat transfer characteristics, the modelling values of slag surface temperature and the heat flux through the deposit are in agreement with experimental ones. The reduction rate of heat flux within 100 min for the three cases was 52.13%, 46.96% and 53.25%, respectively.
Key words: ash deposition    computational fluid dynamics (CFD)    dynamic mesh technique    biomass    surface temperature    effective thermal conductivity
收稿日期: 2018-11-07 出版日期: 2019-05-22
CLC:  TK 16  
作者简介: 周昊（1973—），男，教授，博导，从事煤的低污染优化燃烧技术研究. orcid.org/0000-0001-9779-7703. E-mail： zhouhao@zju.edu.cn
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周昊
张昆
李亚威
张佳凯

引用本文:

周昊,张昆,李亚威,张佳凯. 采用动网格技术的煤粉-玉米秸秆掺烧飞灰沉积数值模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(6): 1139-1147.

Hao ZHOU,Kun ZHANG,Ya-wei LI,Jia-kai ZHANG. Numerical simulation of fly ash deposition in coal and corn stalk co-combustion with dynamic mesh technique. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(6): 1139-1147.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.06.013    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I6/1139

图 1  300 kW中试实验台示意图
图 2  炉膛内结渣探针示意图
灰成分（wt.%） 灰成分（wt.%） 工业分析（wt.%，ad） 元素分析（wt.%，daf）
项目 SH Corn 项目 SH Corn 项目 SH Corn 项目 SH Corn
Na2O 0.27 0.77 Cl 0.13 3.53 C 78.42 49.69 Mad 2.8 12.1
MgO 0.40 6.18 K2O 0.53 8.78 H 4.46 5.51 Vad 31.1 52.5
Al2O3 37.29 10.41 CaO 3.55 9.30 N 0.94 2.01 FCad 55.3 10.7
SiO2 50.63 52.76 TiO2 1.16 0.51 S 0.79 0.38 Aad 10.8 24.7
P2O5 0.32 1.66 MnO 0.03 0.08 O 15.39 42.41 HHV （MJ/kg） 27.4 12.4
SO3 0.90 2.16 Fe2O3 4.78 3.84 ? ? ? ? ? ?
表 1  神华煤和玉米秸秆参数
图 3  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰渣表面温度随时间的变化
图 4  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰渣有效导热系数随厚度的变化
图 5  数值模拟使用的计算域示意图
图 6  数值模拟使用的计算域网格划分
图 7  不同计算域网格数对应探针表面飞灰沉积质量
图 8)  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰分熔融相比例随温度的变化
图 9  动网格中节点位移计算示意图
图 10  结渣数值模拟计算流程示意图
图 11  结渣过程的探针表面飞灰撞击和沉积质量流率
图 12  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰渣厚度随时间的变化
图 13  模拟中灰渣形貌随时间的变化图
图 14  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰渣表面温度随时间的变化
图 15  掺有不同比例玉米秸秆的神华煤灰渣热流密度随时间的变化
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