CN116976162A - 基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，包括：步骤1：构建3D网格模型，步骤2：设定边界条件，步骤3：计算区域设置，步骤4：设置燃烧模拟求解器，步骤5：对模型进行流速分析、温度场分析、NOX生成分析，步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，步骤7：根据标注的核心位置设计脱硝喷枪，步骤8：对步骤7的结果进行分析验证。本设计不仅能够对设计结果进行仿真论证方案的可行性，而且能够通过仿真结果设计脱硝装置，并模拟脱硝效果对脱硝方案进行优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，具体适用于生物质锅炉的燃烧仿真分析以及脱硝设备设计。
背景技术
随着计算机及数值计算的发展，流体、燃烧、传热过程仿真及研究越来越重要，并借助计算机模拟技术在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的突出表现来实现研究工作的可视化。
通过数值仿真技术，可根据湍流、组分的扩散及燃烧等的基本理论建立所需要的数学模型，得到压力、速度、组分反映场、以及污染物的浓度分布等。数值模拟方法能够有效的反映流动、燃烧、污染物的扩散过程，在工程中的应用越来越广，技术也愈来愈趋于成熟。
生物质燃烧锅炉内流体力学CFD模拟中，对锅炉炉排及炉膛整体建立三维几何模型和数学模型，用FLUENT软件对反应器内的流场及组分、燃烧过程进行模拟，分析反应器内的压力、流动、温度及组分的分布情况，分析速度场、压力场、燃烧及污染物(NOx)的分布。
针对降低污染物(NOx)问题，在锅炉顶部装枪，喷枪内口径为19mm，采用SNCR模型模拟脱氮过程。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的锅炉设计研究凭借设计人经验难以进行可视化仿真分析的问题，提供了一种实现可视化仿真分析的基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，所述仿真方法基于如下锅炉结构：
所述锅炉结构包括炉膛结构和燃烧送料结构，所述炉膛结构包括设置于锅炉壳体内的膜式壁炉膛、进水管道和蒸汽管道，所述膜式壁炉膛的底部连通进水管道，所述膜式壁炉膛的顶部连通蒸汽管道；
所述膜式壁管道包括从燃料进口端到燃料出口端方向依次设置的前拱换热壁、后拱换热壁、隔墙换热壁和后墙换热壁，所述膜式壁管道还包括对称设置的两组换热侧顶壁，所述前拱换热壁、隔墙换热壁、后墙换热壁和换热侧顶壁均为竖向管道的膜式壁结构，所述后拱换热壁的中、下部为膜式壁结构，所述后拱换热壁的顶部为类似栅栏的管道结构，所述前拱换热壁、后拱换热壁、隔墙换热壁、后墙换热壁和两组换热侧顶壁管路的底部与进水管道相连通，所述前拱换热壁、后拱换热壁、隔墙换热壁、后墙换热壁和两组换热侧顶壁管路的顶部与蒸汽管道相连通；
所述前拱换热壁的下方为燃烧送料结构的入口，后墙换热壁下方为燃烧送料结构的排灰通道，所述后拱换热壁的下端与后墙换热壁的下端一起将锅炉内部分隔为上方的炉膛空间和下方的燃烧空间；所述燃烧送料结构包括：倾斜向下的送料传送带以及多个位于送料传送带下方或者侧部的送风装置，所述送料传送带位于前拱换热壁和后拱换热壁的正下方；
所述前拱换热壁、隔墙换热壁和后墙换热壁的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁密封连接，所述后拱换热壁下端的膜式壁段的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁以及锅炉壳体的内壁密封连接，所述换热侧顶壁顶部与蒸汽管道密封连接，所述后墙换热壁上部设置有两个烟气出口，所述前拱换热壁与后拱换热壁之间形成有主燃室，所述后拱换热壁与隔墙换热壁之间形成有二燃室，所述隔墙换热壁与后墙换热壁之间形成有沉降室，所述主燃室通过二燃室与沉降室相连通形成炉膛的内部空间；
所述仿真方法包括如下步骤：
步骤1：构建3D网格模型，将锅炉炉膛的三维图纸导入到仿真软件中进行简化，然后生成网格化的有限元分析模型；
步骤1.1：建立锅炉几何模型，将整体结构设计完成的生物质锅炉的图纸导入到有限元模型构建的软件中，对导入的图纸进行分析，提取仿真分析的主要部分，即生物质燃料燃烧区域和炉膛区域；
步骤1.2：对构建的锅炉几何模型进行简化处理，将两组换热侧顶壁、前拱换热壁和部分后墙换热壁作为炉膛区域的外部轮廓边界，然后将送料传送带与锅炉的侧部壳体进行简化作为燃烧区域的外部轮廓边界，然后将后拱换热壁、隔墙换热壁和剩余后墙换热壁的膜式壁部分进行挖空简化处理，使其起到分隔作用，然后根据送料传送带底部的送风装置的布置对燃烧区域的底部轮廓进行划分作为一次风入口，最后将侧部送风口简化后还原到燃烧区域的侧壁上作为二次风入口，生成生物质锅炉的三维几何模型；
步骤1.3：对已建立的锅炉几何模型定义材料属性，根据实际设计情况对生物质锅炉几何模型的各壁面的材料属性进行定义；
步骤1.4：对已建立的锅炉几何模型进行网格划分，定义完成材料属性后，采用先生成四面体再转化为六面体网格的方式进行网格化处理，然后为了提高局部计算精度，将炉膛前壁面、进料口区域、几何体复杂区域和小尺寸风口区域进行加密处理；
步骤1.5：将网格锅炉几何模型生成锅炉整体有限元分析模型；
步骤2：设定边界条件:分析燃烧反应的物质成分、设置锅炉环境参数；入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；
步骤2.1设置参与燃烧反应的生物质燃料参数和空气参数，首先对生物质燃料的的进行元素成分分析和工业分析，然后估算出生物质燃料中的挥发分份额，然后根据设计的燃料使用工况，设定锅炉的燃料输入情况；
然后对空气都参数进行设置，并设置锅炉使用的环境参数信息：温度、压力、相对湿度；
步骤2.2设定锅炉的入口边界条件，包括：空气温度参数、湍动能强度参数、湍动能粘度比参数、一次风量参数、二次风量参数；
步骤2.3设定锅炉的出口边界条件，包括：出口截面积参数、出口压力参数、出口温度参数、回流湍流强度参数、回流湍动能粘度比参数；
步骤2.4设定壁面边界条件：分别包括炉膛、水冷壁和炉排的温度参数、壁厚参数、热条件、内部发射率参数；
步骤3：计算区域设置：设定炉膛区域参数，然后设定炉膛区域的特性；
3.1设定炉膛区域参数：先设定多孔介质区域：水分、挥发分、固定碳的材料流阻；然后设定燃料层的粘性阻力、惯性阻力和流体孔隙度；
3.2设定炉膛区域的特性：将炉膛区域的流体域属性设定为烟气；
步骤4：设置燃烧模拟求解器，将生物质燃料模拟锅炉内的燃烧环境进行多次燃烧实验，在实验过程中收集相关的燃烧实验数据，然后对实验结果数据进行分析，根据分析结果在仿真软件中设定燃烧和NOX生成的化学反应数据、温度传递数据、压力数据和流体流动数据；模型选择上，涵盖生物质锅炉燃烧所涉及的模型包括能量方程、湍流方程、辐射模型、组分输运与反应模型质量守恒模型即连续性模型默认打开状态，其中组分输运与反应模型可以添加化学反应方程，材料设置中，打开组分输运与反应模型后，会出现Mixture多组分混合材料；需要添加烧炉燃烧过程中所涉及的所有组分，设定完成后将数据在软件中整合后形成求解器；
步骤5：对模型进行流速分析、温度场分析、NOX生成分析，利用步骤3中生成的求解器对有限元分析模型进行求解，查看其模型中气体流速、温度以及NOX生成情况；
步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，由于NOX脱硝温度在800度到1250度，NOX最佳脱硝温度在900度到1000度，将有限元温度场分析的结果以及NOX生成浓度云图的结果进行对比分析，在合适脱硝温度的区域内找出NOX浓度开始极速增加点的核心位置进行标注；
步骤7：根据标注的核心位置设计脱硝喷枪，在有限元模型中在步骤6中标注的核心位置附近，寻找多个合适的点位，在这些点位两侧的炉壁上设置对称的脱硝喷枪点位，并设定脱硝喷枪的边界条件，以及求解器中的脱硝反应模型，即SNCR模型，通过模拟开启一组或多组喷枪，分别利用求解器进行求解，得出相对应的添加脱硝反应后的NOX浓度云图；
步骤8：对步骤7的结果进行分析验证，判定出最佳的脱硝喷枪设定组合方式，同时对上述组合方式进行判定，看判定输出NOX是否满足设备的污染物排放要求，如不满足则回到步骤7通过调整脱硝喷枪位置或增加脱硝喷枪数量的方式对脱硝设备进行进一步改进、优化设计，然后在步骤8中再次进行验证，直到仿真结果符合污染物排放要求，此时仿真设计完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法中将锅炉的整体设计图导入到仿真软件中，然后根据锅炉设计的使用状态设计求解器，模拟锅炉内的流体场、压力场、温度场、组分分布和燃烧过程，根据分析结果能够找到设计缺陷、优化脱硝设计方案，进而得出可行性更高的脱硝设计方案。
2、本发明一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法中网格在划分过程中为了匹配几何，先将其整体划分为四面体网格，然后将其大部分转化为六面体网格，在边界及交界面上产生了部分金字塔形网格和多面体网格。网格生成转化有利于在不变化网格尺寸的情况下大大减少网格的数量,即在不降低计算精度的情况下减少了求解器的计算量，这样能加快计算。
附图说明
图1是本发明分析目标的结构示意图。
图2是本发明步骤1中几何模型简化并网格化的流程示意图。
图3是本发明炉膛中心截面速度流线图。
图4是本发明炉膛中心截面温度云图。
图5是本发明炉膛中心截面NOx分布云图。
图6是本发明步骤6中的核心位置标注示意图。
图7是本发明添加SNCR后NOx分布仿真示意图。
图中：膜式壁炉膛1、主燃室11、二燃室12、沉降室13、前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4、后墙换热壁5、换热侧顶壁6、进水管道7、蒸汽管道8。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图7，一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，所述仿真方法基于如下锅炉结构：
所述锅炉结构包括炉膛结构和燃烧送料结构，所述炉膛结构包括设置于锅炉壳体内的膜式壁炉膛1、进水管道7和蒸汽管道8，所述膜式壁炉膛1的底部连通进水管道7，所述膜式壁炉膛1的顶部连通蒸汽管道8；
所述膜式壁管道1包括从燃料进口端到燃料出口端方向依次设置的前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4和后墙换热壁5，所述膜式壁管道1还包括对称设置的两组换热侧顶壁6，所述前拱换热壁2、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和换热侧顶壁6均为竖向管道的膜式壁结构，所述后拱换热壁3的中、下部为膜式壁结构，所述后拱换热壁3的顶部为类似栅栏的管道结构，所述前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和两组换热侧顶壁6管路的底部与进水管道7相连通，所述前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和两组换热侧顶壁6管路的顶部与蒸汽管道8相连通；
所述前拱换热壁2的下方为燃烧送料结构的入口，后墙换热壁5下方为燃烧送料结构的排灰通道，所述后拱换热壁3的下端与后墙换热壁5的下端一起将锅炉内部分隔为上方的炉膛空间和下方的燃烧空间；所述燃烧送料结构包括：倾斜向下的送料传送带以及多个位于送料传送带下方或者侧部的送风装置，所述送料传送带位于前拱换热壁2和后拱换热壁3的正下方；
所述前拱换热壁2、隔墙换热壁4和后墙换热壁5的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁6密封连接，所述后拱换热壁3下端的膜式壁段的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁6以及锅炉壳体的内壁密封连接，所述换热侧顶壁6顶部与蒸汽管道8密封连接，所述后墙换热壁5上部设置有两个烟气出口9，所述前拱换热壁2与后拱换热壁3之间形成有主燃室11，所述后拱换热壁3与隔墙换热壁4之间形成有二燃室12，所述隔墙换热壁4与后墙换热壁5之间形成有沉降室13，所述主燃室11通过二燃室12与沉降室13相连通形成炉膛的内部空间；
所述仿真方法包括如下步骤：
步骤1：构建3D网格模型，将锅炉炉膛的三维图纸导入到仿真软件中进行简化，然后生成网格化的有限元分析模型；
步骤1.1：建立锅炉几何模型，将整体结构设计完成的生物质锅炉的图纸导入到有限元模型构建的软件中，对导入的图纸进行分析，提取仿真分析的主要部分，即生物质燃料燃烧区域和炉膛区域；
步骤1.2：对构建的锅炉几何模型进行简化处理，将两组换热侧顶壁6、前拱换热壁2和部分后墙换热壁5作为炉膛区域的外部轮廓边界，然后将送料传送带与锅炉的侧部壳体进行简化作为燃烧区域的外部轮廓边界，然后将后拱换热壁3、隔墙换热壁4和剩余后墙换热壁5的膜式壁部分进行挖空简化处理，使其起到分隔作用，然后根据送料传送带底部的送风装置的布置对燃烧区域的底部轮廓进行划分作为一次风入口，最后将侧部送风口简化后还原到燃烧区域的侧壁上作为二次风入口，生成生物质锅炉的三维几何模型；
步骤1.3：对已建立的锅炉几何模型定义材料属性，根据实际设计情况对生物质锅炉几何模型的各壁面的材料属性进行定义；
步骤1.4：对已建立的锅炉几何模型进行网格划分，定义完成材料属性后，采用先生成四面体再转化为六面体网格的方式进行网格化处理，然后为了提高局部计算精度，将炉膛前壁面、进料口区域、几何体复杂区域和小尺寸风口区域进行加密处理；
步骤1.5：将网格锅炉几何模型生成锅炉整体有限元分析模型；
步骤2：设定边界条件，分析燃烧反应的物质成分、设置锅炉环境参数；入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；
步骤2.1设置参与燃烧反应的生物质燃料参数和空气参数，首先对生物质燃料的的进行元素成分分析和工业分析，然后估算出生物质燃料中的挥发分份额，然后根据设计的燃料使用工况，设定锅炉的燃料输入情况；
然后对空气都参数进行设置，并设置锅炉使用的环境参数信息：温度、压力、相对湿度；
步骤2.2设定锅炉的入口边界条件，包括：空气温度参数、湍动能强度参数、湍动能粘度比参数、一次风量参数、二次风量参数；
步骤2.3设定锅炉的出口边界条件，包括：出口截面积参数、出口压力参数、出口温度参数、回流湍流强度参数、回流湍动能粘度比参数；
步骤2.4设定壁面边界条件：分别包括炉膛、水冷壁和炉排的温度参数、壁厚参数、热条件、内部发射率参数；
步骤3：计算区域设置，设定炉膛区域参数，然后设定炉膛区域的特性
3.1设定炉膛区域参数：先设定多孔介质区域：水分、挥发分、固定碳的材料流阻；然后设定燃料层的粘性阻力、惯性阻力和流体孔隙度；
3.2设定炉膛区域的特性：将炉膛区域的流体域属性设定为烟气；
步骤4：设置燃烧模拟求解器，将生物质燃料模拟锅炉内的燃烧环境进行多次燃烧实验，在实验过程中收集相关的燃烧实验数据，然后对实验结果数据进行分析，根据分析结果在仿真软件中设定燃烧和NOX生成的化学反应数据、温度传递数据、压力数据和流体流动数据；模型选择上，涵盖生物质锅炉燃烧所涉及的模型包括能量方程、湍流方程、辐射模型、组分输运与反应模型质量守恒模型即连续性模型默认打开状态，其中组分输运与反应模型可以添加化学反应方程，材料设置中，打开组分输运与反应模型后，会出现Mixture多组分混合材料；需要添加烧炉燃烧过程中所涉及的所有组分，设定完成后将数据在软件中整合后形成求解器；
步骤5：对模型进行流速分析、温度场分析、NOX生成分析，利用步骤3中生成的求解器对有限元分析模型进行求解，查看其模型中气体流速、温度以及NOX生成情况；
步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，由于NOX脱硝温度在800度到1250度，NOX最佳脱硝温度在900度到1000度，将有限元温度场分析的结果以及NOX生成浓度云图的结果进行对比分析，在合适脱硝温度的区域内找出NOX浓度开始极速增加点的核心位置进行标注；
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步骤8：对步骤7的结果进行分析验证，判定出最佳的脱硝喷枪设定组合方式，同时对上述组合方式进行判定，看判定输出NOX是否满足设备的污染物排放要求，如不满足则回到步骤7通过调整脱硝喷枪位置或增加脱硝喷枪数量的方式对脱硝设备进行进一步改进、优化设计，然后在步骤8中再次进行验证，直到仿真结果符合污染物排放要求，此时仿真设计完成。
本发明的原理说明如下：
本设计通过仿真认证的方法对设计成品的工作状态进行仿真分析，然后根据仿真结果优化设计，进而得出理论上的设计依据，有效提高了设计效率，降低了实验成本。
实施例1：
一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，其特征在于：
所述仿真方法基于如下锅炉结构：
所述锅炉结构包括炉膛结构和燃烧送料结构，所述炉膛结构包括设置于锅炉壳体内的膜式壁炉膛1、进水管道7和蒸汽管道8，所述膜式壁炉膛1的底部连通进水管道7，所述膜式壁炉膛1的顶部连通蒸汽管道8；
所述膜式壁管道1包括从燃料进口端到燃料出口端方向依次设置的前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4和后墙换热壁5，所述膜式壁管道1还包括对称设置的两组换热侧顶壁6，所述前拱换热壁2、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和换热侧顶壁6均为竖向管道的膜式壁结构，所述后拱换热壁3的中、下部为膜式壁结构，所述后拱换热壁3的顶部为类似栅栏的管道结构，所述前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和两组换热侧顶壁6管路的底部与进水管道7相连通，所述前拱换热壁2、后拱换热壁3、隔墙换热壁4、后墙换热壁5和两组换热侧顶壁6管路的顶部与蒸汽管道8相连通；
所述前拱换热壁2的下方为燃烧送料结构的入口，后墙换热壁5下方为燃烧送料结构的排灰通道，所述后拱换热壁3的下端与后墙换热壁5的下端一起将锅炉内部分隔为上方的炉膛空间和下方的燃烧空间；所述燃烧送料结构包括：倾斜向下的送料传送带以及多个位于送料传送带下方或者侧部的送风装置，所述送料传送带位于前拱换热壁2和后拱换热壁3的正下方；
所述前拱换热壁2、隔墙换热壁4和后墙换热壁5的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁6密封连接，所述后拱换热壁3下端的膜式壁段的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁6以及锅炉壳体的内壁密封连接，所述换热侧顶壁6顶部与蒸汽管道8密封连接，所述后墙换热壁5上部设置有两个烟气出口9，所述前拱换热壁2与后拱换热壁3之间形成有主燃室11，所述后拱换热壁3与隔墙换热壁4之间形成有二燃室12，所述隔墙换热壁4与后墙换热壁5之间形成有沉降室13，所述主燃室11通过二燃室12与沉降室13相连通形成炉膛的内部空间；
所述仿真方法包括如下步骤：
步骤1：构建3D网格模型，将锅炉炉膛的三维图纸导入到仿真软件中进行简化，然后生成网格化的有限元分析模型；
步骤1.1：建立锅炉几何模型，将整体结构设计完成的生物质锅炉的图纸导入到有限元模型构建的软件中，对导入的图纸进行分析，提取仿真分析的主要部分，即生物质燃料燃烧区域和炉膛区域；
步骤1.2：对构建的锅炉几何模型进行简化处理，将两组换热侧顶壁6、前拱换热壁2和部分后墙换热壁5作为炉膛区域的外部轮廓边界，然后将送料传送带与锅炉的侧部壳体进行简化作为燃烧区域的外部轮廓边界，然后将后拱换热壁3、隔墙换热壁4和剩余后墙换热壁5的膜式壁部分进行挖空简化处理，使其起到分隔作用，然后根据送料传送带底部的送风装置的布置对燃烧区域的底部轮廓进行划分作为一次风入口，最后将侧部送风口简化后还原到燃烧区域的侧壁上作为二次风入口，生成生物质锅炉的三维几何模型；
步骤1.3：对已建立的锅炉几何模型定义材料属性，根据实际设计情况对生物质锅炉几何模型的各壁面的材料属性进行定义；
步骤1.4：对已建立的锅炉几何模型进行网格划分，定义完成材料属性后，采用先生成四面体再转化为六面体网格的方式进行网格化处理，然后为了提高局部计算精度，将炉膛前壁面、进料口区域、几何体复杂区域和小尺寸风口区域进行加密处理；
经过ICEM软件对网格进行光顺，所有网格质量都在0.21以上，能够满足燃烧所需的高精度计算。
网格报告信息显示整体网格数量为85.5万。网格在划分过程中为了匹配几何，先将其整体划分为四面体网格，然后将其大部分转化为六面体网格，在边界及交界面上产生了部分金字塔形网格和多面体网格。网格生成转化有利于在不变化网格尺寸的情况下大大减少网格的数量(在原来的基础上至少减少了2/3),即在不降低计算精度的情况下减少了求解器的计算量，这样能加快计算。
步骤1.5：将网格锅炉几何模型生成锅炉整体有限元分析模型；
步骤2：设定边界条件:分析燃烧反应的物质成分、设置锅炉环境参数；入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；
步骤2.1设置参与燃烧反应的生物质燃料参数和空气参数，首先对生物质燃料的的进行元素成分分析和工业分析，然后估算出生物质燃料中的挥发分份额，然后根据设计的燃料使用工况，设定锅炉的燃料输入情况；
表1燃料特性
表2工业分析
表3挥发分份额(估算值)
表4燃料输入情况
然后。对空气都参数进行设置，并设置锅炉使用的环境参数信息：温度、压力、相对湿度；
表5空气参数
表6环境参数
步骤2.2设定锅炉的入口边界条件，包括：空气温度参数、湍动能强度参数、湍动能粘度比参数、一次风量参数、二次风量参数；
表7入口边界条件
步骤2.3设定锅炉的出口边界条件，包括：出口截面积参数、出口压力参数、出口温度参数、回流湍流强度参数、回流湍动能粘度比参数；
表4-8出口边界条件
步骤2.4设定壁面边界条件：分别包括炉膛、水冷壁和炉排的温度参数、壁厚参数、热条件、内部发射率参数；
表9壁面边界条件
| 壁面 | 温度(℃) | 壁厚(m) | 热条件 | 内部发射率 |
| 炉膛 | 264(537.15K) | 0 | 绝热 | 0.7 |
| 水冷壁 | 264(537.15K) | 0.06 | 给定温度 | 0.7 |
| 炉排 | 264(537.15K) | 0 | 绝热 | 0.7 |
步骤3：计算区域设置：设定炉膛区域参数，然后设定炉膛区域的特性；
3.1设定炉膛区域参数：先设定多孔介质区域：水分、挥发分、固定碳的材料流阻；然后设定燃料层的粘性阻力、惯性阻力和流体孔隙度；
表4-10炉排区域
3.2设定炉膛区域的特性：将炉膛区域的流体域属性设定为烟气；
步骤4：设置燃烧模拟求解器，将生物质燃料模拟锅炉内的燃烧环境进行多次燃烧实验，在实验过程中收集相关的燃烧实验数据，然后对实验结果数据进行分析，根据分析结果在仿真软件中设定燃烧和NOX生成的化学反应数据、温度传递数据、压力数据和流体流动数据；模型选择上，涵盖生物质锅炉燃烧所涉及的模型包括能量方程、湍流方程、辐射模型、组分输运与反应模型质量守恒模型即连续性模型默认打开状态，其中组分输运与反应模型可以添加化学反应方程，材料设置中，打开组分输运与反应模型后，会出现Mixture多组分混合材料；需要添加烧炉燃烧过程中所涉及的所有组分，设定完成后将数据在软件中整合后形成求解器；
步骤5：对模型进行流速分析、温度场分析、NOX生成分析，利用步骤3中生成的求解器对有限元分析模型进行求解，查看其模型中气体流速、温度以及NOX生成情况；
步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，由于NOX脱硝温度在800度到1250度，NOX最佳脱硝温度在900度到1000度，将有限元温度场分析的结果以及NOX生成浓度云图的结果进行对比分析，在合适脱硝温度的区域内找出NOX浓度开始极速增加点的核心位置进行标注；
步骤7：根据标注的核心位置设计脱硝喷枪，在有限元模型中在步骤6中标注的核心位置附近，寻找多个合适的点位，在这些点位两侧的炉壁上设置对称的脱硝喷枪点位，并设定脱硝喷枪的边界条件，以及求解器中的脱硝反应模型，即SNCR模型，通过模拟开启一组或多组喷枪，分别利用求解器进行求解，得出相对应的添加脱硝反应后的NOX浓度云图；
步骤8：对步骤7的结果进行分析验证，判定出最佳的脱硝喷枪设定组合方式，同时对上述组合方式进行判定，看判定输出NOX是否满足设备的污染物排放要求，如不满足则回到步骤7通过调整脱硝喷枪位置或增加脱硝喷枪数量的方式对脱硝设备进行进一步改进、优化设计，然后在步骤8中再次进行验证，直到仿真结果符合污染物排放要求，此时仿真设计完成。
Claims (4)
1.一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，其特征在于：
所述仿真方法基于如下锅炉结构：
所述锅炉结构包括炉膛结构和燃烧送料结构，所述炉膛结构包括设置于锅炉壳体内的膜式壁炉膛(1)、进水管道(7)和蒸汽管道(8)，所述膜式壁炉膛(1)的底部连通进水管道(7)，所述膜式壁炉膛(1)的顶部连通蒸汽管道(8)；
所述膜式壁管道(1)包括从燃料进口端到燃料出口端方向依次设置的前拱换热壁(2)、后拱换热壁(3)、隔墙换热壁(4)和后墙换热壁(5)，所述膜式壁管道(1)还包括对称设置的两组换热侧顶壁(6)，所述前拱换热壁(2)、隔墙换热壁(4)、后墙换热壁(5)和换热侧顶壁(6)均为竖向管道的膜式壁结构，所述后拱换热壁(3)的中、下部为膜式壁结构，所述后拱换热壁(3)的顶部为类似栅栏的管道结构，所述前拱换热壁(2)、后拱换热壁(3)、隔墙换热壁(4)、后墙换热壁(5)和两组换热侧顶壁(6)管路的底部与进水管道(7)相连通，所述前拱换热壁(2)、后拱换热壁(3)、隔墙换热壁(4)、后墙换热壁(5)和两组换热侧顶壁(6)管路的顶部与蒸汽管道(8)相连通；
所述前拱换热壁(2)的下方为燃烧送料结构的入口，后墙换热壁(5)下方为燃烧送料结构的排灰通道，所述后拱换热壁(3)的下端与后墙换热壁(5)的下端一起将锅炉内部分隔为上方的炉膛空间和下方的燃烧空间；所述燃烧送料结构包括：倾斜向下的送料传送带以及多个位于送料传送带下方或者侧部的送风装置，所述送料传送带位于前拱换热壁(2)和后拱换热壁(3)的正下方；
所述前拱换热壁(2)、隔墙换热壁(4)和后墙换热壁(5)的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁(6)密封连接，所述后拱换热壁(3)下端的膜式壁段的左右两侧分别与其对应侧的换热侧顶壁(6)以及锅炉壳体的内壁密封连接，所述换热侧顶壁(6)顶部与蒸汽管道(8)密封连接，所述后墙换热壁(5)上部设置有两个烟气出口(9)，所述前拱换热壁(2)与后拱换热壁(3)之间形成有主燃室(11)，所述后拱换热壁(3)与隔墙换热壁(4)之间形成有二燃室(12)，所述隔墙换热壁(4)与后墙换热壁(5)之间形成有沉降室(13)，所述主燃室(11)通过二燃室(12)与沉降室(13)相连通形成炉膛的内部空间；
所述仿真方法包括如下步骤：
步骤1：构建3D网格模型，将锅炉炉膛的三维图纸导入到仿真软件中进行简化，然后生成网格化的有限元分析模型；
步骤2：设定边界条件:分析燃烧反应的物质成分、设置锅炉环境参数；入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；
步骤3：计算区域设置：设定炉膛区域参数，然后设定炉膛区域的特性；
步骤4：设置燃烧模拟求解器，将生物质燃料模拟锅炉内的燃烧环境进行多次燃烧实验，在实验过程中收集相关的燃烧实验数据，然后对实验结果数据进行分析，根据分析结果在仿真软件中设定燃烧和NOX生成的化学反应数据、温度传递数据、压力数据和流体流动数据；模型选择上，涵盖生物质锅炉燃烧所涉及的模型包括能量方程、湍流方程、辐射模型、组分输运与反应模型质量守恒模型即连续性模型默认打开状态，其中组分输运与反应模型可以添加化学反应方程，材料设置中，打开组分输运与反应模型后，会出现Mixture多组分混合材料；需要添加烧炉燃烧过程中所涉及的所有组分，设定完成后将数据在软件中整合后形成求解器；
步骤5：对模型进行流速分析、温度场分析、NOX生成分析，利用步骤3中生成的求解器对有限元分析模型进行求解，查看其模型中气体流速、温度以及NOX生成情况；
步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，由于NOX脱硝温度在800度到1250度，NOX最佳脱硝温度在900度到1000度，将有限元温度场分析的结果以及NOX生成浓度云图的结果进行对比分析，在合适脱硝温度的区域内找出NOX浓度开始极速增加点的核心位置进行标注；
步骤7：根据标注的核心位置设计脱硝喷枪，在有限元模型中在步骤6中标注的核心位置附近，寻找多个合适的点位，在这些点位两侧的炉壁上设置对称的脱硝喷枪点位，并设定脱硝喷枪的边界条件，以及求解器中的脱硝反应模型，即SNCR模型，通过模拟开启一组或多组喷枪，分别利用求解器进行求解，得出相对应的添加脱硝反应后的NOX浓度云图；
步骤8：对步骤7的结果进行分析，判定出最佳的脱硝喷枪设定组合方式，同时对上述组合方式进行判定，看判定输出NOX是否满足设备的污染物排放要求，如不满足则回到步骤7通过调整脱硝喷枪位置或增加脱硝喷枪数量的方式对脱硝设备进行进一步改进、优化设计，然后在步骤8中再次进行验证，直到仿真结果符合污染物排放要求，此时仿真设计完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，其特征在于：所述步骤1包括：
步骤 1.1 ：建立锅炉几何模型，将整体结构设计完成的生物质锅炉的图纸导入到有限元模型构建的软件中，对导入的图纸进行分析，提取仿真分析的主要部分，即生物质燃料燃烧区域和炉膛区域；
步骤 1.2 ：对构建的锅炉几何模型进行简化处理，将两组换热侧顶壁(6)、前拱换热壁(2)和部分后墙换热壁(5)作为炉膛区域的外部轮廓边界，然后将送料传送带与锅炉的侧部壳体进行简化作为燃烧区域的外部轮廓边界，然后将后拱换热壁(3)、隔墙换热壁(4)和剩余后墙换热壁(5)的膜式壁部分进行挖空简化处理，使其起到分隔作用，然后根据送料传送带底部的送风装置的布置对燃烧区域的底部轮廓进行划分作为一次风入口，最后将侧部送风口简化后还原到燃烧区域的侧壁上作为二次风入口，生成生物质锅炉的三维几何模型；
步骤 1.3：对已建立的锅炉几何模型定义材料属性，根据实际设计情况对生物质锅炉几何模型的各壁面的材料属性进行定义；
步骤 1.4 ：对已建立的锅炉几何模型进行网格划分，定义完成材料属性后，采用先生成四面体再转化为六面体网格的方式进行网格化处理，然后为了提高局部计算精度，将炉膛前壁面、进料口区域、几何体复杂区域和小尺寸风口区域进行加密处理；
步骤 1.5 ：将网格锅炉几何模型生成锅炉整体有限元分析模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，其特征在于：所述步骤2包括：
步骤2.1设置参与燃烧反应的生物质燃料参数和空气参数，首先对生物质燃料的的进行元素成分分析和工业分析，然后估算出生物质燃料中的挥发分份额，然后根据设计的燃料使用工况，设定锅炉的燃料输入情况；
然后对空气都参数进行设置，并设置锅炉使用的环境参数信息：温度、压力、相对湿度；
步骤2.2设定锅炉的入口边界条件，包括：空气温度参数、湍动能强度参数、湍动能粘度比参数、一次风量参数、二次风量参数；
步骤2.3设定锅炉的出口边界条件，包括：出口截面积参数、出口压力参数、出口温度参数、回流湍流强度参数、回流湍动能粘度比参数；
步骤2.4设定壁面边界条件：分别包括炉膛、水冷壁和炉排的温度参数、壁厚参数、热条件、内部发射率参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法，其特征在于：所述步骤3包括：
步骤3.1设定炉膛区域参数：先设定多孔介质区域：水分、挥发分、固定碳的材料流阻；然后设定燃料层的粘性阻力、惯性阻力和流体孔隙度；
步骤3.2设定炉膛区域的特性：将炉膛区域的流体域属性设定为烟气。
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