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碱回收锅炉黑液雾化冷态数值模拟研究

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 碱回收锅炉数值模拟研究进展

1.2.2 黑液雾化的研究进展

1.3 本文研究内容

第2章 黑液雾化过程数值模型

2.1 黑液喷嘴雾化过程数值模型

2.1.1 溅板式喷嘴

2.1.2 压力—旋流喷嘴

2.2 单喷嘴黑液雾化特性研究数值模型

2.2.1 VOF模型

2.2.2 液相湍流模型

2.3 炉膛内黑液雾化效果研究数值模型

2.3.1 离散相模型

2.3.2 液滴破碎模型

2.3.3 液滴碰撞与聚合模型

2.3.4 气相湍流模型

2.4 本章小结

第3章 压力—旋流雾化喷嘴数值模拟研究

3.1 压力—旋流雾化喷嘴数学物理模型

3.1.1 物理模型与简化

3.1.2 网格划分(ICEM)

3.1.3 数值方法

3.1.4 边界条件及模型求解设置

3.2 初始化设置方案研究

3.2.1 黑液流动状态

3.2.2 喷嘴内黑液初始体积分数

3.2.3 黑液属性

3.3 黑液喷射过程

3.4 喷嘴进口压力的影响

3.4.1 速度场分析

3.4.2 质量流量与液膜厚度

3.4.3 雾化特性参数及喷嘴流场

3.5 喷嘴结构尺寸的影响

3.5.1 旋流片孔径

3.5.2 喷嘴出口直径

3.5.3 确定装配方案及优化建议

3.6 本章小结

第4章 碱回收锅炉冷态数值模拟研究

4.1 碱回收锅炉数学物理模型

4.1.1 物理模型

4.1.2 网格划分(ICEM)

4.1.3 数值方法

4.1.4 边界条件及模型求解设置

4.2 压力—旋流喷嘴工作压力及雾化特性参数

4.2.1 喷嘴工作压力

4.2.2 喷嘴出口速度分布

4.2.3 喷嘴雾化特性参数

4.3 碱回收锅炉空气速度流场分析

4.3.1 一次风流场分析

4.3.2 二次风流场分析

4.3.3 三次风流场分析

4.3.4 碱回收锅炉中心对称截面流场分析

4.4 碱回收锅炉冷态流场模拟结果

4.4.1 炉膛内压力分布

4.4.2 炉膛内湍动能分布

4.4.3 炉膛内黑液颗粒分布

4.5 本章小结

结论

未来工作展望

参考文献

声明

致谢

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摘要

碱回收锅炉中黑液雾化效果决定了其燃烧状况。黑液的雾化效果较好时,液滴在炉膛内的运动过程中得到适当干燥,并在炉膛底部形成一定形状的焦床,使燃烧维持在良好状态。然而,如果此时的雾化液滴太小,又会过早进入熔融状态,不能形成良好状态的焦床,而且会伴有大量机械携带,此时黑灰易在水冷壁、水冷屏等处积累形成碱块,若在吹灰时掉下,便会破坏焦床。若雾化质量较差,大尺寸液滴在运动过程中干燥程度不佳,又会堵塞喷口。因此,鉴于黑液的特殊性质,有必要通过数值模拟研究碱回收锅炉内黑液的雾化效果,以便于碱回收锅炉及黑液喷枪结构设计的优化,从而降低生产成本,提高锅炉的运行效率。
  本文首先采用控制体积分数方法的多相流模型(VOF模型)对压力—旋流雾化喷嘴进行了数值模拟研究:验证了黑液的层流假设,发现黑液粘度及表面张力与雾化液滴粒径成正比,而黑液密度与雾化液滴粒径成反比;通过研究喷嘴不同的初始化方法、进口压力及结构尺寸对黑液雾化特性的影响,总结出五种较优的喷嘴结构尺寸搭配方案,并结合工况要求,获得了其工作压力与雾化特性参数;确定了黑液颗粒的最终稳定速度约在3.5m/s左右。
  其次,利用湍流模型模拟得到碱回收锅炉的稳态空气流场,发现一次风射流在四个墙角处发生撞击,造成能量损失,不利于加强混合;二次风两侧的射流偏向了侧墙,有可能形成结渣,加速腐蚀等影响;三次风的高速射流能够有效地冲散炉膛中心的高速上升气流,有效地抑制了机械携带。但是总体来说,该碱回收锅炉的配风还是很合理的。
  最后,使用离散相cone喷雾模型,拟合五种优化搭配喷嘴的雾化特性参数,通过耦合计算,将黑液液滴与碱回收锅炉的稳态空气流场结合,并且考虑了液滴运动过程中的破碎、碰撞与合并,得到碱回收锅炉的冷态流场,进一步分析了碱回收锅炉的压力场、湍动能分布及颗粒分布。研究发现:前墙及右墙壁面存在结渣隐患;使用开口尺寸为16mm,旋流片孔径为11mm的喷嘴(16-11喷嘴)时,炉膛内黑液的雾化效果好于开口尺寸为8mm,旋流片孔径为8.5mm的喷嘴(8-8.5喷嘴);喷嘴的雾化锥角及初始液滴尺寸范围是影响炉膛内黑液干燥和燃烧效果的主要雾化特性参数,当黑液液滴的最小尺寸大于0.6mm时,对液滴的干燥及机械携带的抑制均有较好的效果。

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