基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法技术

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、NO

【技术实现步骤摘要】
基于生物质锅炉有限元分析的脱硝设计仿真方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：
[0008]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：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]所述仿真方法包括如下步骤：
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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NO
X
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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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NO
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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、NO
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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NO
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生成情况；步骤6：根据分析结果设计脱硝设备，由于NO
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脱硝温度在800度到1250度，NO
X...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊建，高勇，任鲁军，李哲，
申请(专利权)人：武汉光谷蓝焰新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：