（热能工程专业论文）使用超细煤粉再燃技术的锅炉炉内过程的数值模拟.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 y. 考虑了 焦炭对 n o 的还原作用。 通过对元宝山电 厂3 # 炉的模拟表明: 采用超细煤粉再燃技术， 可有效降 低n o x 排放达5 0 。计算的结果对其它机组有参考价值和定性指导意义。 关键词:超细煤粉， 再燃 ，数值模拟 abs tract i n t h i s p a p e r , n u m e r i c a l s im u l a t i o n o f f u r n a c e c o m b u s t i o n p r o c e s s u s i n g p u l v e r i z e d c o a l re b u rn i n g w a s c a r r i e d o u t . t h e s i m u l a t i o n s o f fl o w , h e a t t r a n s f e r , c o m b u s t i o n , a n d a n a l y s i s o f the r e s u l t s g o t p l e a s e d c o n c l u s i o n s . t h e k - s m o d e l w a s u s e d i n s i m u l a t i o n o f g a s l o w ; t h e p d f m e t h o d w a s u s e d t o s i m u l a t e t h e g a s c o m b u s t i o n ; c o s t o c h a s t i c t r a c k i n g m e t h o d i n l a g r a n g e a n c o o r d i n a t e s s y s t e m w a s u s e d i n t r a c i n g t h e t r a c k s o f p a rt i c l e ; t h e r a d i a t i o n i s p - 1 me t h o d ; d e v o l a t i l i z a t i o n mo d e l i s t h e t w o c o m p e t i n g r a t e s m o d e l . i n t h e s i m u l a t i o n o f n o x , t h e c r e a t i o n o f t h e r m a l n o x , p r o m p t n o x , f u e l n o x a n d t h e c o k e s d e o x i d i z e e f f e c t o n no wa s c o n s i d e r e d . t h e r e s u l t o f s i m u l a t i o n o f 3 # b o i l e r i n y u a n b a o s h a n p o w e r p l a n t s h o w t h a t p u l v e r i z e d c o a l r e b u r n i n g c a n e m i t l e s s t h e n o p o l l u t i o n t o 5 0 %. t h i s w i l l o f f e r r e f e r e n c e a n d i n s t r u c t t o o t h e r b o i l e r s e t . x u y a n - w u ( p o w e r p l a n t t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u t o n g k e y wo r d : p u l v e r i z e d c o a l , r e b u r n i n g , n u m e r i c a l s i mu l a t i o n 第一章绪论 1 . 1 .本课题的研究意义 煤炭的直接燃烧是造成我国大气污染的主要来源， 其中氮氧化物气体 ( n o x ) 是 危害大，且较难处理的大气污染物，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，还是 造成酸雨和光化学反应的主要物质之一，而且对臭氧层的破坏，温室效应的引起也 有一定的影响。据报导，2 0 0 。 年全国的电站锅炉n o x 平均排放浓度为7 5 0 m g l m , n o x的排放总量为 2 5 8 . 0 2万吨，比 1 9 9 5 年增加了 9 3万吨。即使到 2 0 1 0 年，n o x 排放浓度降到6 5 0 m g l m , n o x 排放总量仍高达5 9 4 . 7 4 万吨， 我国是燃煤大国， 开 展对降低n o x 排放的治理具有十分重要的意义。因此必须解决煤的清洁燃烧问题， 尽量减少燃煤带来的n o x 排放。国家环保局于 1 9 9 6 年 3 月7日 发布了 火电 厂大 气污染排放标准( g b 1 3 2 2 3 -9 6 )己明确规定，对从 1 9 9 7年 1月 1日起初步设计 通过的新、扩、改建火电厂3 0 o m w 及以上机组，固态排渣煤粉炉n o x 排放浓度不得 超过6 5 0 m g / m 3 ， 液态排渣煤粉炉不 得超过1 0 0 0 m g l m o 国内外在降低锅炉n o x 排放方面进行的工作大致可分为以下3 个方面:( 1 ) 锅 炉燃烧技术的改进。( 2 )无催化情况下向炉内喷氨水。( 3 )有催化物的氨水喷射系 统。后两类技术都是在锅炉燃烧生成 n o x以后，用氨来还原n o x 。这不仅增加设备 投资和运行维护费用，还可能引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。因此，要降 低n o x 的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。改进炉内燃烧状况的主要方 法有:低 n o x 燃烧器;分段燃烧技术;再燃烧技术和烟气再循环等。综合考虑n o x 值和成本两个方面，超细煤粉再燃烧具有相当的优势，己经引起了人们越来越大的 注意。 燃料再燃技术是一种非常有效的降低n o x 排放的先进燃烧技术，在国外通常采 用的是天然气作为再燃燃料。鉴于我国煤炭储量大的实际情况，用煤作为再燃烧燃 料具有十分重要的现实意义。煤粉的超细化是使煤作为再燃燃料的有效方法。用数 值模拟的方法对采用此技术的煤粉炉炉内还原区的流动和化学反应过程实施模拟， 求解出温度场和n o x 的浓度场，用数值结果来验证了此技术的可行性，可为工程设 计提供参考。 1 . 2 .本课题的研究背景及技术现状 在通常煤粉炉的燃烧温度下，煤燃烧过程中产生的氮氧化物中n o 占9 0 % 以上， n o , 有5 % 一1 0 % 左右， 这两者统称为n o x e 燃烧温度大 于1 0 0 0 0 c 时， 若不 采取控 制 措施， 将会有 5 0 0 - v 2 0 0 0 m g / m ( 标准状态) 以 上的n o x 生成，并主要以n o的形式 排入大气。随着环保法规的日益严格，人们被迫寻求减少和控制煤燃烧中生成 n o x 的技术。目 前降低n o x 排放的主要技术措施有3 种，即在燃烧过程中控制n o x 的生 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 成，炉内还原脱硝和烟气脱硝。实践证明:再燃烧是一种应用最广、相对简单且经 济的方法，因而此技术值得重视。 目 前国内 清华大学，东南大学，西安交通大学，华中理工大学等在用煤粉做再 燃燃料方面都做了一些工作。 其中清华大学的钟北京等在一维沉降炉中做了六种不同煤种的燃烧反应实验， 对影响还原效果的因素做了综合分析;得出的结论是:1 )褐煤对n o 的还原能力强 于烟煤，且煤焦的异相还原机理起了主要作用;2 )煤的挥发分、煤焦的比表面积 和煤灰中的金属氧化物的含量都对 n o的还原具有重要影响，煤的挥发分越高、煤 焦的比表面积越大、煤灰中的金属氧化物的含量越多，对 n o的还原能力就越强; 在n o 的还原反应中，再燃区化学当量比和温度对n o 的还原率也起着重要的作用， ( 化学当量比) s r 越小，温度越高，越有利于n o 还原反应的进行。此外，通过理 论计算对再燃时燃烧工况的优化进行了具体分析，认为:得到较好的再燃效果，再 燃区温度为1 1 0 0 时，空气过量系数应保持在a = 0 . s 左右;而再燃区空气过量系 数为。 = 0 . 7 时， 再 燃温度应1 1 5 0 0c -1 2 0 0 0c 范围内 ， 。 东南大学和西安交通大学张强等则从煤质的角度对影响n o x 还原的因素进行了 讨论。得到得结论是:烟煤的显微组分由镜质组、壳质组和惰质组构成。每种组分 又根据成分的不同，分成数几十种亚组分，从煤岩学角度而言，有的组分在再燃烧 中对n o x 还原有利 ( 活性组分) ，有的组分对n o x 还原不利 ( 惰性组分) ;通过实验 研究发现:神俯煤的镜质组是活性组分，丝质组是惰性组分。因此，当用神俯烟煤 作为再燃燃料进行再燃烧时，应没法除去其中的丝质组。另外，利用煤的工业分析 及元素分析结果，尽量选择氢含量高，氮含量低， 热值高的煤，对减少 n o x的排放 也极为有利。但他们仅仅是作了实验结果的分析，未进行深入的理论研究，也未就 煤 粉细 度对再 燃的 影响 进行探讨 2 1 而华中理工大学姜秀民等对超细煤粉的物理特性和对燃烧的影响作了一些研究 工作，得出结论:1 )在细化、超细化煤粉的燃烧过程中有更多的co气体参与燃 烧中的气体反应过程，颗粒表面形成的以co 气体为主较强的还原气氛在减少燃料 n o x 的释放方面起到比常规煤粉更为突出的作用。 2 ) 在煤粉燃烧过程中随着粒度的 减小，燃料中会有更多的含氮官能团参加析出挥发分的反应，而生成更多以挥发分 形式析出的氮( v n ) ，以焦炭氮( c n ) 形式析出的氮随之减小。3 )在细化、超细化煤 粉的燃烧过程中， 颗粒表面形成以c o 气体为主的还原气氛延缓并减弱了最初有机硫 析出的从s 等气体进一步氧化形成s 0 2 ，导 致更多的h 2 s 等气体可以 进一步 与煤中 的矿物质发生反应形成无机形式的硫化物，从而增加了煤的自 身固硫作用的 机会与 可 能 。 试 验 结 果 表 明 随 着 粒 度 的 减 小 ， s 0 2 的 生 成 量 也 随 之 减 少 a l 综上所述，目 前国内对再燃烧的反应机理进行了比较深入的研究，有些单位还 对炉内的再燃烧过程进行了数值模拟;在超细煤粉的燃烧特性方面也做了一些探 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 讨。 在国外， 介绍超细煤粉再燃的文章已有较多报道。 如在 1 9 9 8 年国际电能生产会 议上发表的 “ 超细煤粉在对冲和四角切圆的燃烧工况下对 n o x控制参数影响的比 较” :在1 9 9 9 年电力与能源系统国际会议上发表的“ 分级燃烧和再燃烧技术对蒸 汽发电机组的效率和 n o x排放的影响” 。这些论文对影响超细煤粉再燃的因素进行 了综合分析、并进行了t业实验 ( p u b l i c s e r v i c e c o m p a n y o f c o l o r a d o 1 7 2 m w w a l l - f i r e d c h e r o k e e 3 b o i l e r ) ，他们得出的结论是:超细煤粉再燃可减少 n o x 排放6 8 %至7 5 %，从 0 . 6 1 l b / m m b t u 下降为0 . 7 5 1 6 / m m b t u ; l o i( 飞灰未燃尽损 失)会从 1 %提高到 2 %，但与煤质有关;超细煤粉用于主燃料时会提高 n o x的排 放，而用于再燃燃料时会减少n o x的排放;再燃时的煤与空气的化学当量比对 n o x 的排放和 l o i 有重要影响，当再燃区化学当量比下降时，n o x的排放也会下降并在 0 . 8 4 时趋于稳定， 而l o i 会随着化学当量比下降而迅速上升。 在欧洲和美国， 都有 该技 术 进行 工业 运行的 报道 4 1 1 . 3 .炉内过程数值模拟综述 在过去几十年中， 煤粉的燃烧技术的发展主要是基于电厂锅炉运行所积累的经验及 一些小规模试验装置所测得的数据， 这些经验和数据会局限燃烧技术的应用。 尽管小规 模试验装置对燃烧过程能提供有价值的信息， 但由于其试验花费昂贵， 并且由于在非预 混火焰中 湍流反应流的复杂本质， 所得结论很难直接运用到实际燃烧系统中 去。 而燃烧 各个过程所采用的模型，由于其能提供小试验不能 提供的 燃烧过程信息，并且花费少， 所需时间少，因此， 在设计、改进、 分析和优化燃烧过程及节能系统中， 燃烧模型越来 越受欢迎。 随着电子计算机技术的不断发展， 燃烧过程的数值模拟己 经成为燃烧理论研究和燃 烧装置设计的重要手段， 它把燃烧理论试验和燃烧装置设计有机地结合起来， 能够详细 地模拟炉内 燃烧所产生的温度场、 速度场， 压力场以及各种组分的分布和污染物的产生 等。因此， 应用燃烧过程数值模拟方法可以 进行燃烧装置设计和运行性能预测， 在实际 运行中可以优化运行条件， 从而提高锅炉运行的安全性和经济性， 并且可以有效地控制 污染物的生成。 随着大型计算机技术的发展，从七十年代开始，国内外学术界开始比较系统的 把计算传热学和计算流体力学用于研究层流和湍流气体燃烧、液雾及煤粉燃烧， 包 括有回流及旋流的燃烧，初步建立了数学模拟方法和数值计算方法，并且取得了明 显的成绩。 煤粉在炉内的燃烧是一个非常复杂的物理化学过程。炉内过程全模拟就是通过 对内煤粉火焰的流动，燃烧和传热三大主要物理，化学过程建立数学模型并进行数 值计算，预测炉内气相流场分布，煤粉颗粒运动轨迹，燃烧产物的组分浓度分布， 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 炉内温度分布以及壁面温度和热流分布等。 l . f . r i c h a r d s o n首先提出了关于微分方程的有限差分近似解。s p a l d i n g首先 在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解，并在继承前人研究成果的基础上，创 立了 “ 紊流模型方法” ，提出了一系列的紊流燃烧模型。8 0年代以来，中国，俄罗 斯， 美国， 欧洲，日 本等国学者相继发展了锅炉炉内燃烧过程数值计算的研究工作。 澳大利亚的b o y d 和 l o w e ( 1 9 8 6 ) 对 5 0 o m w 塔式切向燃烧锅炉进行了模拟。气相 场用s i m p l e 方法求解k 一 双方程紊流模型，用拉格朗日 颗粒轨道法对煤粉颗粒运 动做了模拟，用随机法对其在炉膛内的扩散分布进行了描述，两项祸合用了 p s i c 法， 并分别计算了煤热解， 挥发分燃烧和焦炭燃烧。 炉内辐射换热用了离散辐射法。 为了 验 证模拟 计算， b o y d 将其结果 与 实 际 炉子的 冷 态流 场进行了比 较s 7 德国斯图加特大学的g o r n e r 对侧墙有8 个切向进风燃烧器的锅炉炉膛( 燃褐煤) 内的三维两相流动， 传热与燃烧过程进行了数值模拟。 气相场的求解运用将p o s s i o n 方程的直接法和压力修正相结合的方式，模型为标准的k 一 双方程模型。且用简 单代数表达式考虑了颗粒相的存在对有效粘性系数的影响。颗粒相采用轨道模型， 用m o n t e - c a r l 。 法考虑了颗粒的紊流扩散，煤粉热解采用了简单的单方程模型，焦 炭燃烧采用较简单的扩散一动力模型，挥发分的气相燃烧采用快速反应模型，辐射 传热采用六通量热流模型或半随机的m o n 七 e - c a r l 。 法进行计算。计算结果给出了热 态气相流场，颗粒轨道及分布，以及焦炭和二氧化碳的浓度分布，计算所得得热流 分 布 和实 验 值进 行了比 较， 计算 值高 于实 验值， 有 较大的 差别s 7 国内一些高校和科研院所对炉内工况的数值模拟也做了一定的工作，并取得一 定的成果。清华大学，华中科技大学煤燃烧研究室，浙江大学热能所在这方面都做 了大量的工作。 1 . 4 .论文主要内容 本人在做论文期间的主要工作如下: . 详细分析了影响 n o x生成的因素， 再燃技术的特点及影响因素， 超细煤粉再燃烧 对n o x 生成的影响。 . 运用 c f d软件对元宝山电 厂 3 # 炉锅炉炉内 燃烧进行了 模拟， 计算出了炉内 n o x , ， c o 氧气 等组 分和 温度 ， 速度 等 参 数的 分 布 ， 比 较了 使用 超细 煤粉 再 燃和 没有采用超细煤粉再燃的锅炉炉内n o x 及其他一些参数的的分布，为改善、降 低污染提供参考。 本文全面分析了炉内燃烧过程数值模拟计算的各种模型;对n o x 的危害性及其 生成机理进行了论述和分析;在综合分析的基础上，选用合理的数学模型，对元宝 山电厂3 #炉的流动、 燃烧、 传热和污染物的生成进行了模拟，得到了合理的结果， 并对计算结果进行了分析。提出了一些建议和展望， 将对拟采用超细煤粉再燃的锅 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 炉的运行和设计提供有益的参考。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第二章炉内燃烧过程的数值模拟 对于电站大型燃煤锅炉燃烧过程，可以用基本守恒方程、气相湍流方程、煤粉 颗粒燃烧模型、颗粒相的湍流流动模型、辐射换热模型来进行数学描述，它们的数 值求解即为炉内过程全模拟数值计算。本章内容主要介绍基本守恒方程和本课题需 要用到的一些数学模型。 2 . 1 基本守恒方程 炉内燃烧过程可视为带有辐射传热反应流系统，遵循质量守恒、动量守恒及能 量守恒。可用数学形式表示为连续方程、动量方程、能量方程。为了便于求解，需 要对上述方程进行雷诺平均，雷诺平均以后的方程称为平均流控制方程，如下: 连 续 方 程 : a p a t + a p u ; _ 0 ( 2 - 1 ) 动量方程 a(a ,)+ a (pv iii卜 a 卜 au;ax i cp on i 一 puui 一 -lpax ; ( 2 - 2 ) 能量方程: a ( p c , t ) + aa (pc,l。 一 aaxi ftaxi 一 ，ult :一 (2-3) 状态方程: o t p= p ( t ) ( 2 - 4 ) 其 中 ， u ; 和 u ; 分 别 是 三 个 坐 标 方 向 的 平 均 速 度 和 脉 动 速 度 。 于 为 平 均 温 度 ， 9 ， 为 i方向的重力加速度分量。p 和兄 分别是分子热运动而引起的动力粘度系数和导热 系数 2 . 2 流动模型 由于 ( 2 - 2 )和 ( 2 - 3 ) 并不封闭， 因 为 雷 诺 平 均过 程中 引 入了 未知 关 联 量u: 川。 该项为动量输运项，称为紊流应力或雷诺应力 为分子热运动引起的牛顿应力 应力远远大于牛顿应力。 a u . 二 二 、 _ 一 it一俐 m 可 刀 日 狈 o 汰i 在方程( 2 - 2 ) 中，把雷诺应力项作 并且，在大多数紊流流动中，雷诺 2 . 2 . 1 .流动模型的发展 紊流数学模型的发展首先由b o u s s i n e s q 针对二维边界层问题， 把由紊流引起的 脉动速度关联量紊流雷诺应力用模拟层流中时均速度的梯度来表达，即为: 加一即 pv 节_ _ a u_ r , = - p u v 一 p t 百- ( 2 - 5 ) 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 其中: ， 表示雷诺应力; u 表示主流方向 均流速度;p 在当 时 称为 混合系数， 就是后来的湍流粘性系数;y是与主流方向垂直的空间坐标。 方 程建立以 后， 关 键的问 题就变成了 如何求 解尸 ， 的 值， 由 此引 起了 各 种求解从 的数学模型。 根据求解u ， 所用的方法不同， 可以 把模型分为代数方程模型和微分方 程模型;而根据建模所需微分方程的数目，可以分为零方程模型 ( 代数方程模型) 、 单方程模型和双方程模型。 本算例采用的k 一 即为双方程模型的一种;下面主要介绍一下双方程模型。 2 . 2 . 2 .流动 模型概述 7 将提出的二维关系式推广到三维情况，以张量形式表示: i a u , a u , i 公 ， =产 r 二 一 一 十万 丁 一 l ox; ox; 2 一育户 入口 。 ( 2 - 6 ) 式中， k 为 紊流脉动 动能，氏为k r o n e c h e r 函 数， 即: ,5 v = 0 8 ; = 1 1 护j 1=j 根据确定所需要的微分方程的数目， 可以把紊流粘性系数模型分为零方程模型、 单方程模型和双方程模型。下面主要介绍双方程模型。 2 . 2 . 3 .双方程模型 为了更好的描述双方程模型，先介绍一下单方程模型。 单方程模型是将紊流脉动动能k 和紊流特性尺度l 做为紊流特性参数，紊流粘 性系数可表示为 p = c , p k 其中 ，c 。 是常 数 i 2 l 可由 混合长度1 ， 得到 ( 2 - 7 ) k 根据微分方程确定。经严格推导， 并经适当模化以后，k d k ” f ,u , a k 1 尸 d t 一 a x , l v k w t j 方程的形式为: +, u , a u ; 一 a u , i s u , 仁 oi x ; 难以确定l的困难:一方面在复杂amtm m l nwzat h 用代数式给出的l 的方法无法考虑对流和扩散作用对l 的影响 另一方面， ，所以实际上应用并 不广泛。 双方程模型将影响紊流粘性系数的两个特征量k 和l 处理成各自的微分方程控 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 制的因变量，建立 k 和 l 控制方程的基础是n a v i e r - s t o k e s 方程。由于直接建立以 l 为因变量的微分方程较困难， 所以 转化为另外两个特征量k 和z ， 其中z 二 k l , 选择不同的m和n ，就构成了不同的双方程模型。 后来从雷诺应力输运方程存在耗散项需要模化和方便地提供湍流尺度 ( 长度和 时 p7 ) 来 讲 ， h a r 1 o w (81和l a u n d e r 191建 议 ， 把 湍 流 动 能 耗 散 夸 作 为 待 求 解 的 第 二 个变量， 这就是应用最多的是k 一 双方程模型。 其中二 = c , k i l - ( 即m = 3 / 2 , n = - 1 ) 将单方程中的k 方程中最后一项用p e 来表示， 并将算式左边分成两项， 则得k 一 双方程模型中最常用的k方程形式: a ( p k ) + a ( p u ; k ) 叙 。 。 。 a k 1 . . a u , = -i i 十 i a x , l 6 , a x , s t a x j a u ,日 u , +气 了 一 户 i 一一p e a x ,x i ( 2 - 9 ) 类似的，可得到 方程如下: a ( p e ). 下a ( p e ) 宁 “， a x _ 立 二 a x , l 0- , 加 + 。 _ 二 6 l a u , + j 一 a u ; 一 c , “ k i a x , a x , i x j 兰( 2 - 1 0 ) k 双方程模型由于比较简单，只要适当的选择系数，则可有比较好的通用性。由 于其普遍适用性，k 一 模型在实际流体动力学问题中应用得非常广泛，但对于标 准k 一 方程，湍动能 k和特性尺度 l都是标量，它们导得的湍流粘性系数无法体 现出湍流输运的各相异性 即所有垂直应力相等。这样，二维的影响就不能准确预测，这在高强度旋流中 尤为 突出 1 u 。 针 对本文 所 研究的 炉内 流 场， 虽 然 存在 旋 流， 但 其旋 度不 高， 不 至 于 对计算产生很大影响。 标准k 一 模型的另一个缺点是不能用于低雷诺数的层流条件。k 一 模型适用 于高雷诺数，充分发展的湍流流动区域。因此，模拟层流与湍流之间的过渡区需采 取补充模型。 对模拟层流之湍流的过渡区主要有2 种方法，即改进的适用于近壁低雷诺数的 k 一 。 方程和壁函数。 对 于 低 雷 诺 数 法 ， 湍 流 模 型 必 须 包 括 考 虑 充 分 发 展 湍 流 至 层 流 的 转 变 项 1121 。 在 k 一 模型中，在k 的偏微分方程中要包括新项，或是k 或 方程中都包括，这些项 以一种 “ 衰减函数”的形式，该函数是与壁距离、分子粘度和k 或a 局部值的函数。 在壁函数方法中，采用一个普朗特提出的分析表达式来模拟从壁至计算区域中 的 最 近点的 速度和温度分布 3 。 针对标准k 一 模型在强旋流动中存在的问题 本课题决定采用 r n g k 一 。 1 4 3 模型。 r n g k 一 模型正是通过引入尺度n = s s k 参 量 ， 使 之 可 以 用 来 处 理 各 向 异 性 的 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 湍流流动。而且 r n g k 一 模型对于低r e 数区域，可直接积分到壁面，无需象标准 k 一 。 模型那样有相应的处理。下面简要给出它的表达式: 湍流动能和耗散方程分别为: a k _。 、 、 a k 1 u ; - 一 一 =行 k 一 + 二 : 一 r十 一 二 厂 一 汰 j o x j l t - k 少 o x ; j ( 2 - 1 1 ) 。 :_ : _ : ， . 。 r. 、 、 。 二 1 u， 二 尸 一=七1 丁几 一七z 下十万 厂 i 产十1 -! x i k is o x j l c s ) “， ( 2 - 1 2 ) k = u ; u ; l 2f , = c g * 一 一湍流 动能 产生 项 g k = 2 ,u , 凡 凡 一一_ 、 ， _ ， _一 1 a u _ a u、 s o 一平 均 应 变 力 张 量 s = 2 ( ax i + axi ) 其 余四 个参数数 值可 参考 重整 化 群理 论 5 i6 2 . 3 .两相流模型 2 . 3 . 1 .概述 炉内燃烧过程涉及到煤粉颗粒和气体的两相流，正确的预测炉内过程，气固两 相流是其中一个重要的方面。煤粉颗粒的运动和弥散对其燃烧过程影响很大，如煤 粉所接受的辐射能、煤粉在气流中的温度、气体中的含氧量、挥发分的释放，对煤 粉气流的着火燃烧及焦炭燃烧过程起决定性的作用。各种燃烧室和燃烧器数值计算 的应用都说明了煤粉运动和弥散的规律对燃烧过程的稳定性、经济性及污染物的排 放影响很大。 气固两相流动实验研究以及半经验和解析法的研究已有较长的历史，但数值计 算则是近一、二十年发展起来的。由于气固两相流数值计算能密切配合工程运用， 因而受到越来越广泛的重视。现在，描述多相流体流动的理论模型综合起来有以 下 四种:无滑移连续介质模型、小滑移连续介质模型、滑移一扩散连续介质模型和分 散的颗粒群轨道模型。前三种是在欧拉坐标中考虑多相流的运动，最后一种模型则 是 运 用拉 格朗日 方法， 也就是 跟踪 颗 粒运 动 轨 迹的 方 法来描 述 颗粒运动 , v 本课题采用的是颗粒轨道模型。 2 . 3 . 2 . 连续介质模型 先介绍一下连续介质模型。 无滑移连续介质模型是由 s p a l d i n g首先提出的。它的主要优点是:处理方法 简单，计算方便. 缺点是:不考虑颗粒相和流相之间的速度滑移及阻力作用，即 认 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 为颗粒相和流相具有相同的温度和扩散系数，这和实际的多相流实际情况差异很 大， 所以目 前该类模型应用较少 l9 718 1 小滑移连续介质模型则考虑了颗粒相和流相之间的速度和温度滑移，因而更接 近实际情况。但是这种模型和小滑移连续介质模型都是假定相与相之间无相对速度 或相对速度只是由于颗粒相扩散引起，但实验表明，颗粒相和流相以及不同尺寸组 的颗粒群之间的滑移不仅是湍流扩散的结果，主要是因为他们彼此的平均速度有较 大差 异的 结果2 0 1 ， ， 。 滑移一扩散连续介质模型的特点克服了以上两种模型的缺陷， 它不但考虑了颗 粒相的湍流扩散，而且更主要的是考虑了相与相之间的因初始动量不同引起的平均 速度的滑移。因此能较全面的考察和研究多相流动。但是这种模型的计算工作量很 大， 并 随 相 数加倍增 长。 而 且用欧 拉 法处 理颗粒 群会引 起伪 扩散2 2 3 2 . 3 . 3 . 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型因分别考虑稀疏相和连续相而被称为颗粒分离流( d p s f ) 模型。其 优点是可以比较容易地考虑颗粒的结合与破裂，考虑挥发、燃烧等化学过程，考虑 颗粒的大小、温度和成分的变化等，因而在液雾和粉煤燃烧系统中有广泛的应用。 颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标系下，计算单个粒子或粒子云团在流场中运动 的轨迹，及颗粒参数沿轨道的变化规律。颗粒的瞬时位置是颗粒初始位置和时间的 函数。根据颗粒轨道的确定方法，把d p s f 模型分为确定性轨道模型( d f s ) 和随机轨 道模型( s s f ) o颗粒轨道可以由其运动方程求解得来。如果颗粒在湍流中运动，还 需考虑流体湍流脉动引起的颗粒弥散作用。 本 课 题 采 用了 随 机 轨 道 模 型( s s f ) 2 8 7 2 4 1 ， 下 面 介 绍 一 下 随 机 轨 道 模 型( s s f ) 随机轨道模型是在考虑气相湍流基本结构的基础，模拟气流湍动对颗粒扩散的 影 响 在 湍 流 流 动 中 ， 颗 粒 的 扩 散 主 要 是 由 湍 流 引 起 的 : 尸 为 颗 粒 驰 豫 时 间 ， : ， 为 连续相湍流涡团的拉格朗日时间。该模型假定: 一当: ; ) ) : ， 时， 颗粒不 受湍 流 影响， 运 动完 全由 平 均流决定， 颗粒无 扩 散; 二 、当: ; ( ( : 时 ， 颗 粒 完 全 跟 随 连 续 相 湍 流 脉 动， 颗 粒 扩 散 亦 与 连 续 相 相 同 然而在多数实际两相流动中，颗粒一般多受连续相湍流脉动的影响，其运动部 分是由于与流体的对流作用，部分是由于开始穿越周围流体时与流体的湍流扩散作 用。 如 何 确定 涡的 特性 和涡与 颗 粒相 互 作用的 时 间 是 此 模型的 关键。 假定 涡的 内 部 是 均 匀的 基 础上， 定 义涡的 特性长 度1 : 和生 存时间: ; 分别为: 1， 一 c u 14 k 3 1 2 / 6( 2 - 1 3 ) 2 k w2 不。= c n+ n ( 3 - 1 4 ) h c n 可进一步氧化生成n o 。虽然第二个方程反应进行程度较小，但随温度的升 高，其重要性显著增大。 瞬发型n o 只有在燃料比较富集的情况下，即碳氢化合物c h 较多、氧浓度相对 较低时才会发生， 因此在实际燃烧中考虑很少， 一般瞬发型n o 所占比例在5 %以下。 瞬发型n o 与温度的关系不大。要降低瞬发型 n o ，只需供给足够的氧气，阻止 h c n 等中间产物的生成即可。 3 . 2 . 3 .燃料型n o 的形成 煤中的氮含量一般在 1 % -2 . 5 % ( d a f ) 之间，氮含量与煤阶之间只存在微弱的依 赖关系。 一般 氮含量随 煤阶的 升高 而略有增大， 碳含量8 5 % ( d a f ) 时 达到最 大。 4 8 1 4 9 现 代 分 析 技 术x p s 和x a n e s 己 广 泛 用 于 煤中 氮 官 能 团 的 研究 5 0 1 5 1 ) ， 研 究 表明 ， 煤 中 氮一般均为有机氮， 煤燃烧过程中， 煤中 含有的 氮( 燃料氮) 便氧化生成n o . 燃料 氮是燃煤过程中n o x 的主要来源( 7 5 9 6 - 9 5 9 6 ) 。原因是燃烧温度不太高，燃料中氮以 n -c 或n -h 键的形式存在，n -c 与n -h比氮分子中的n =n 键能弱，更易于氧化 断裂生成n 0 ,所以燃料型n o 比热力型n o 更易于形成。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 煤在燃烧过程首先要经过的步骤是热解反应，在热解初期煤迅速脱除挥发分， 其中包括轻的碳氢化合物、焦油等。燃料氮分布于挥发分和半焦中，图1 给出有关 燃料氮在煤燃烧过程中的演变过程: ch n r - n一 n ( ) + ( % h a r - - - - n j n o 半( 乙 ) 一 比 。 n h : 十o x ( ? 1 0 ) h c n +( ) i( n ( ) ) n( n , o - . v 8 . 一na , 哩 卜 n1 l 7 n 3 n, ) c c a l - n n , ( ) 干r以 ) 日 ). 姨 n z 0 - -吩 n , o 衬h a r _. n 2 图1娜 ,w ar 在 n 琳i 4 i 程 ey 3 9 i l. 3 . 5 c .c mg 挥发分中的含氮物种以 小分子( 如 h c n , n h 3 ) 以 及多环芳香化合物形式存在 之 后， 挥发分的 含氮化合物通过迅速的 气相均相反应及气固多相反应， 生成n 2 , 丛o, n o 等物质， 而焦炭的气化反应很慢， 生成氮氧化物所需的时间远长于挥发分气化所 需时间。 煤脱除挥发分的程度随着温度的升高不断增大。 初级脱挥发分放出焦油等物质， 其中含氮量与原煤含氮量相近;次级脱挥发分放出甲烷、氢气等气体，因此使焦炭 的n / c 比 升高; 但随 着热解温度的 进一步 提高， 放出 较多h c n 及n h , ， 使n / c 比 在 高温下趋于下降。 w a n z l 等 5 2 的 研究结 果也 表明 ， 燃 料 氮 在 低 温条 件下 不易 释 放出 来。 中 等 温 度 及较短的停留时间条件下进行的热解，煤脱挥发分程度较小，产生的焦炭含氮量较 原煤高。而在高温下热解产生的焦炭，其含氮量一般较低，半焦中氮的富集决定于 热 解 温 度 和停留 时间， 在7 5 0 0c - 1 0 0 0 0c 温 度范围内 达到 最高。 b l a i r 等5 3 认为 脱 挥 发 分 后 半 焦中 残留 的 氮 是n o