（工程热物理专业论文）超临界煤粉锅炉低NOltxgt燃烧数值模拟.pdf

华北电力又学碳士论文 摘要 开发大型、高效、清洁、投资低等性熊的超峪爨和超超l 黢爨燃煤搬缓是鳃淡我国 电力短缺、能源剥用率低秘环境污染严重灼最现实、最有效懿途径之一。利耀数值模 拟来璎究锅炉燃烧秘n o ；生成过程，骈究低n o 。燃烧技术，甭来指导实际工程和设 计，己经得到了广泛的关注和应丽。 本文采用商业软件f l u e n t 对国产首台超临界华能沁北6 0 0 m w 锅炉进行了炉 内流动、传热、燃烧和n o 。生成过程数值模拟研究，得出了炉内烟气温度场、速度 场和燃烧产物的组分浓度分布。通过与锅炉试验数据进行了对比，鳆者吻合较好。表 明所采用的数学模型和计算方法适用于旋渡燃烧锅炉的数值模拟。本文静研究结果可 以用来攒导锅炉的优化设计秘运行调整。 关键词：旋滚燃烧器，锅炉燃烧，数值模擞，氮氧纯物 a b s t r a c t d e v e l o p i n gl a r g ec a p a c i t y c o a l f i r e d s u p e r - c r i t i c a lb o i l e rw i t hh i g he f f i c i e n c y , c l e a n n e s sa n dl o wi n v e s t m e n ti st h em o s tp r a c t i c a la n de f f e c t i v ew a yt os o l v ep r o b l e m so f o u rc o u n t r y i n c l u d i n g s h o r to fe l e c t r i c i t y , l o we n e r g yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i th a sb e e nw i d e l yp a i da t t e n t i o nt or e s e a r c ht h ep r o c e s so fb o i l e r c o m b u s t i o n a n dn o xp r o d u c t i o n ，a n dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fl o wn o xt h o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n + a n dt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt op r a c t i c a lp r o j e c t a n dd e s i g n ， t h et h e s i sd o e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ht h o u g hf l u e n tb u s i n e s ss o f t w a r et o q i n b e i6 0 0 m wb o i l e rw h i c hi st h ef i r s tn a t i o n a ls u p e r c r i t i c a lu n i t t h et e m p e r a t u r ef i e l d ， v e l o c i t yf i e l da n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o np r o d u c t i o na r ec a l c u l t e d w i t h c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n tag o o dc o i n c i d e n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb eo b s e r v e d i ti sp r o v e dt h a tt h em a t h e m a t i cm o d e la n dc a l c u l a t i o n m e t h o da p p l i e di nt h et h e s i sa r es u i t a b l ef o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs w i r lb o i l e r t h i s a b o v er e s u l t so ft h i st h e s i sc a l lp r o v i d ei m p o r t a n tv a l u ef o ro p t i m u md e s i g na n do p e r a t i o n a d j u s t m e n to fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r s c u ix i n g y u a n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f h us a n g a o k e yw o r d ：s w i r lb u r n e r ，b o i l e rc o m b u s t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o x 华北电力火学顺士论文 摘要 开发大型、赢效、潺法、投资低等性能魄越炼界魏超超l 嶷爨燃煤枫维是解决我国 瞧力短缺、能源剩黑率低秘环凌污染严重黪最现实、最有效静途径之一。利厢数值模 拟泉研究锅炉燃烧和n o 。生成过程，研究低n o 。燃烧技术，用来指导实际工程和设 计，已经褥到了广泛的关注和应用。 本文采用商业软件f l u e n t 对国产首台超临界华能沁北6 0 0 m w 锅炉进行了炉 内流动、传热、燃烧和n o 。生成过程数值模拟研究，碍如了炉内烟气湿度场、速度 场和燃烧产物的组分浓度分在。通过与锅炉试验数据邀行了对比，援嚣吻台较好。表 明鼹采用的数学模型和计算方法适耀予旋滚燃烧锅炉的数值模拟。本文静研究缩采可 以建来指导锅炉静优纯设计帮运行调整。 关键试：旋流燃烧器，销炉燃烧，数值模攒，氮氧化物 a b s t r a c t d e v e l o p i n gl a r g ec a p a c i t yc o a l - f i r e ds u p e r - c r i t i c a l b o i l e rw i t hh i g h e f f i c i e n c y ， c l e a n n e s sa n dl o wi n v e s t m e n ti st h em o s tp r a c t i c a la n de f f e c t i v ew a yt os o l v ep r o b l e m so f o u rc o u n t r y i n c l u d i n g s h o r to fe l e c t r i c i t y , l o we n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i th a sb e e nw i d e l yp a i da t t e n t i o nt or e s e a r c ht h ep r o c e s so fb o i l e r c o m b u s t i o n a n dn o xp r o d u c t i o n ，a n dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fl o wn o xt h o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt o p r a c t i c a lp r o j e c t a n dd e s i g n t h et h e s i sd o e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ht h o u g hf l u e n tb u s i n e s ss o f t w a r et o q i n b e i6 0 0 m w b o i l e rw h i c hi st h ef i r s tn a t i o n a ls u p e r c r i t i c a lu n i t t h et e m p e r a t u r ef i e l d ， v e l o c i t yf i e l da n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o np r o d u c t i o na r ec a l c u l t e d w i t h c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n tag o o dc o i n c i d e n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb eo b s e r v e d i ti sp r o v e dt h a tt h em a l h e m a t i cm o d e la n dc a l c u l a t i o n m e t h o da p p l i e di nt h et h e s i sa r es u i t a b l ef o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs w i r lb o i l e r t h i s a b o v er e s u l t so ft h i st h e s i sc a np r o v i d ei m p o r t a n tv a l u ef o ro p t i m u md e s i g na n do p e r a t i o n a d j u s t m e n to fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r s c u ix i n g y u a n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f h us a n g a o k e yw o r d ：s w i r lb u r n e r ，b o i l e rc o m b u s t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o x 声明 y 8 6 8 0 2 1 本入郑霾声鞠；魏处掰撬交蕊硕士学薤论文麓簸赛攥耪镊妒低n 纨燃烧数蓬搂藏， 是本人程华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写邋的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材誊违。与我一同工作的同惠对本研究所傲的任何贡献均已谯论文中作了明确懿 遂疆势表示了漆意； 学位论文作者签名；缝戳) 日 期：型q ：墨8 f 关于学位论文使用授权的说明 零入竞垒了解华恕电力大学有关僳整、搜麓警攮论文匏怒定，瑟：学校有投保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密豹学位论文在解鬻藤遵守诧规定) 稚者签名： 基期： 巡i 盔：涉 导师签名： 强期；塑： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 在我国各种能源中，煤炭资源最为丰富，经探明，地下深度1 0 0 0 m 以内的储量 为1 1 0 0 亿吨，屠世界第三位。扶1 9 9 0 馨超，我国煤炭生产及消费一直位居世界第一 位，占世界煤产缀的2 5 。煤炭资源占我国能源生产葶鞋消费总量的7 5 左矗，露这 状况至少在最近的2 0 3 0 年内不会改变i lj 。攒统计，2 0 0 4 年全国原煤产量达1 9 5 亿 睫，用予火力发瞧豹弼煤9 5 亿睫，至2 0 2 0 绩诗年发电蠲潆将达2 0 亿穗，在今爱 2 0 3 0 年内，煤电仍将占6 0 以上。因此，我国的能源结构决定了火电以煤为主的 格届。爨2 0 2 0 年，我国发邀装辊容量萼簪麸磊翁的4 , 4 亿千瓦时增加弱9 亿千瓦时。 但目前我国的发电机组发电效率低，2 0 0 4 年全国平均煤耗为3 7 9g ( k w h 1 ，面日本 1 9 9 8 年的煤耗仅为3 2 2 9 ( k w h ) ，这说明我国还有很大的节能空间。煤农燃烧过程中， 会产尘大量的澎染物，导致严重黪大气澎染、骥恧秘承污染。媒燃烧绘我国生态巧境 带来的污染问顾也日趋突出，由于煤燃烧产生的s 0 2 、c 0 2 、n o 。和粉尘量分别占到 其总撵熬曩茨9 0 、7 1 、6 7 弱7 0 。投摇可靖续发震躐路，为获褥凑静熊藿转换 率和低的污染物排放率，开发新一代的大型、高效、清洁、投资低等性能的燃煤机组 代替现有的3 0 0 m w 和6 0 0 m w 亚福界枫组，成为装备电力工业的主流视型。 目前，在控制电站锅炉氮氧化物方颟，还没有特别完善的技术，但氮氧化物对人 类赖以生存的环境以及入类自身的危害却极其严重：一方面，氮氧化物是形成酸雨的 主要因素：另一方瑟n o 。程一定条 牛下可鞋耱碳氢纯合甥一起形残竞饯学爝雾酸繇 大气环境，严重危害人类健康，恶化人类赖以生存的环境。随着我国电力工业的迅遽 发震，炎奄装穰容量逐年大藕痉增掘，n o 。污染淘蘧将越来越褥翻久稻豹重税。据数 字统计，我国火力发电量每增加1 0 0 亿k w h ，n o 。的排放爨将增加2 9 3 8 万吨【2 】， 2 0 0 0 年燃煤发电厂n o 。捧放为2 9 0 万吨，比1 9 9 5 年增加9 3 万吨，预计2 0 1 0 年加上 汽车等燃油产生的n o ，我国的n o 。总排放量可能超过1 0 0 0 万l 】遽，比1 9 9 5 年增加 2 2 9 万吨【3 j 。图1 1 魁德国不来梅大学的j o h nb u r r o w s 根据欧空局的e n v i s a t 卫星于 2 0 0 3 年1 月到2 0 0 4 每6 胃瓣约爨撞摄戆资辩数据，分据到全臻上空大气层二戴纯氮 浓度图，图中表明北方大部地区n 0 2 严重超标。中国环境科学研究院和清华大学等 革位靛磁究终采表筏，酸雨污染绘我鬣遗残的损失每年超谴1 1 0 0 亿元，大气污染掰 造成的损失每年约占我国g d p 的2 3 之间，这对我国敲响了警钟。因此，文明、 合理、高散、低污染魄利甬有限的煤炭资源，开发低污染燃烧技术，降低n o 。的排 放摄是当前亟德解决的首要问题之一。 华北电力大学硕士学谯论义 图1 - 1 地球上窝n 0 2 分布圈 分辑嚣际上煞燃煤发泡援本豹发展趋势，褥采霜两耱技术路线来提高效率和降低 排放。其一是利用煤化工种已经成熟的煤气化技术，蒸汽燃气联合循环技术实现岗效 清洁发电，其代表技术为i g c c ，另一个发展方向即为通过提高常规发电机组的蒸汽 参数来提高效率，帮怒癌赛_ 辊缝帮超怒稳赛橇鬣。超滴赛发窀梳组在发达甏家己经广 泛应用，国际上超超临界机缎的参数殴经达到2 5 3 0 m p a 左右，蒸汽温度失 5 6 6 6 1 0 c ，热散率可达4 2 4 5 。如果新增火电机缎全部采用超超临界技术，将节 药标煤i 毒6 亿涟饽二，减少s 0 2 撵藏2 0 7 万缱年，减少n o 。撵掖1 0 3 力淹，年，闻 贬临界机缎相比，超超临界技术减少c 0 2 摊放1 4 。 1 2 低n o ；燃烧 1 2 。1 祗n o ；燃烧技术 瓣羲，控篱攀援燃煤耪瞧站镰炉n o x 攘敦瓣按术罐戆可分为两类： 1 烟气净化技术：通过处理烟气中的n o 。来降低n o 。排放嶷。这种烟气净化装 鬣虽然能够大幅度降低n o 。的排放浓度，但初投资巨大，运行费用很高。 2 低n o ；燃烧技泰：瘸改交燃烧条 孛靛方法来簿低n o 。静撑教，统称为低n o 。 燃烧技术。在降低n o 。排放的技术中，低n o 。燃烧技术是采用最广、相对简单、经 济并艇最有效的方法。 豢翅熬羝n 镄燃烧技术有黧下尼耱： ( 1 ) 低过量空气系数燃烧 ( 2 ) 空气分级燃烧 ( 3 ) 燃料分缀燃烧 ( 4 ) 烟气辩循环 ( 5 ) 浓淡分离 华北电力大学硕士学位论文 l 。2 。2 低n 瓴燃烧器 从燃烧角度来讲，燃烧器的燃烧往能对燃烧设备的_ 西丁靠性和经济性起着主委作 翔。一方面是锅炉麓依靠燃烧器来组织燃烧，舅一方面，占n o 。绝大部分的燃料墅 n o ，是在煤粉着火阶段形成的。因貌，尉掰上一节的燃烧技术，通过特殊设计燃烧器 结构达戮最大黻度的稀稍n o ；静生成这就是低n o ；濑烧器。 根搽不闲静低n o ，燃烧技术，发装了戮下凡装低n o 。燃烧器o a , 5 i ： f ) 空气分级低n o 。燃烧器：这种燃烧器躬设计特点燕在燃烧器喷口附近形成 群 l 豹寰燃料隧，霈要考虑一次菇一媒粉火焰与二次风混合位置，既要考虑 二次风及时与已着火懿煤粉气流溺合，防壹不完全燃烧损失，也要防盎二次 风避旱约与一次风混合露影响对n o 。熬毒露制作躅。毯舞器大公司静空气分缀 燃烧器：德国款坦谬勒公司戆s m 型低n o 、燃烧器、巴藏黔d r b 型、 p a ) ( 一d r b 型； 爨d r b - - x c l 型低n o 。燃烧器、巴毒零串克。爨立静h t - n r 系劐 低n o ；燃烧爨、美国福簸惠勒的c f s f 低n o ；燃烧器、德髫巴奄科尧黪w s 葶nd s 低n o 。燃烧器、奖国瑞联斯多克的c c v 型低n o ；燃烧器、哈尔滨锅炉 厂的h g - - s t w 型燃烧器和日本三菱公司的p m 低n o ；燃烧器。 ( 2 ) 燃料分级低n o 。燃烧器：由于空气分级燃烧可能造成黄火过程不稳定的勰题， 为了提高着火过程的稳定性和进一步降低n o 。的浓度，德国矮坦谬勃公司舞 发了m s m 型低n o 。燃烧器。 ( 3 ) 烟气再循环低n o ；燃烧器：通过抽取空预器前的烟气，与空气濑合肟送入炉 膛来降低燃烧温度、氧气浓度，进而降低n o 。的排放浓度。主疆有三菱的s g r 型烟气再循环燃烧器。 ( 4 1 浓淡分离低n o 。燃烧器：在燃烧器喷口前，将均匀的一次风煤粉气流分为两 股煤粉浓度不同的气流。使喷入炉膛的煤粉在不间的条件下燃烧：寓燃料区 域和富氧区域。主要有；巴布科克日立的h t - n r 系列低n o 。燃烧器和和曰 本三菱公司的p m 低n o 。燃烧器，同时我国哈尔滨工业大学、浙江大学、西 安交通大学、东北电力学院也研制了浓淡燃烧器并应用于实际应用取得了很 好的效栗。 1 3 怒粒弄稠越超临界燃煤发电技术 超漆界桃缱翻越超嫡界发魄枫缱已经髭戒熟、先遂静技术5 翻，在发达国家得捌广 泛采用。趣峻爨枧终秘怒超l 豳界发l 电枫组褒撬缝静可靠槛、哥用率、熟梳动往、梳缎 卷会警方嚣曩经霹以积援临界极组媲美，蠢了缀多离犍运行经验 表1 1 我嚣己投运 的超峪具电厂) 。我国石漏髓二厂聪台6 0 万予夏超辐爨搬组熬可援率高剿9 0 戬上， 华j 电力人学硕士学位论文 裹于同褰量的亚螨爨枫组，表明了超蝮暴极组秘越超妊雾极缝一撵可以实瑗褰鹃可靠 性。大力发展趣临爨枧组和超超峪界枧组，对于我国火彀结构戆调整春霪大豹意愚， 是我国燃煤瞧厂应大力发鼹的技术。 表1 i 我国已投运的超临界电厂 电厂制造厂台数功率( m w )参数m p a c ：c 华能石溺叠二厂a b b26 0 02 4 2 5 3 8 5 6 6 鑫由电厂夔苏联 25 0 02 3 5 4 5 4 0 5 4 0 华能南京电厂 前苏联23 2 02 3 5 4 5 4 0 5 4 0 外高桥二期 西门予 29 0 02 3 5 3 5 4 2 5 6 8 华能营口电厂前苏联 2 3 2 02 3 5 4 5 4 5 5 4 5 华l 伊敏毫广藏苏联 25 0 0 2 3 5 4 5 4 5 5 4 5 绥中发电厂前苏联 28 0 0 2 3 5 4 5 4 5 5 4 5 漳州后石三瑟 6 6 6 02 5 4 5 4 2 5 6 9 牮能澈j e 电厂系一哈一哈 26 0 0 2 4 2 5 6 6 5 6 6 1 4 煤粉锅炉炉内数值模拟的研究综述 1 4 1 国内外研究状况 过去解决炉内燃烧过程问题的方法是零缝依靠试验测量，如炉蠹冷态空气动力场 试验、燃烧试验调整等，这样会需要消耗大量的人力、物力。 自从1 9 7 2 年s p a l d i n g 和p a n t a n k a r 谯第十四届国际燃烧会议上正式提爨炉内三 维流动过程的计算机模化建议后，随着计算机技术的飞速发殿，炉内燃烧过程的数馕 模拟计算方法取得很大的进展。 许多国家的科研工作者在炉内燃烧过程的数傻模拟作了大量的工l 乍，在这个领域 中做出贡献的有s p a l d i n g ，p a n t a n k a r ，c r o w e ，s m o o t 以及周力行等人i 。势开发了 系列的商业软件，其中f l u e n t 、p h o e n i c s 、s t a r c d 和c f x 等大型软 牛最具代 表性。 1 4 1 i 国外衔究进栽 1 美国杨百翰大学先进燃烧工程研究中，办【g 】用该中办开发的粉煤燃烧计算软件 p c g c - 3 对8 5 m w 静窃淘熬煤锅炉燃烧过程进行了数值模拟； 2 英国帝鼙理工学院l o c k w o o d 等入【9 对圈角翻向燃烧煤粉锅炉炉内的三维两 糨流动、传热与燃烧过程逡幸亍了模羧； 3 l a f l e s h ，r c l 。】等在荐燃技术控制n o 。的生成方面进行了数值模蓣磷究：。 4 文献【l l ，1 2 ，1 3 分别对稳燃、不阕差分格式对于伪扩散的影响、焦炭的燃烧特 憋进行了觋突； 5 。文麸 1 4 ，1 5 ，1 6 1 分男4 对墙式分毒旋流燃烧器炉肉燃烧过程、n o 。静生成模藿散 了数蝗模拟研究。 4 华j e 电力大学硕士学位论文 1 4 1 2 国内研究进展 1 文献0 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 分别对旋流燃烧器气固两相流动、燃烧、n o 。生成 模型遴牙了数傻模毅磷究； 2 文献 5 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 对旋流燃烧锅炉进行了炉内燃烧过程、n o ，的生成模型做了 数值模拟研究； 3 + 文献【2 7 】对锅炉炉内酶煤耪燃烧过程及结渣豹数值穰缀研究，势编写了鞠关方 面的软件； 4 ，文献 2 8 ，2 9 对w 型火焰炉进行了粉锅炉燃烧过程，污染锡，主成的数篷模羧磅 究： 5 文献 3 0 ，3 1 对四角切圆锅炉进行了炉内燃烧、污染物嫩成数值模拟研究。 1 4 2 数值模拟软件f l u e n t f l u e n t i “1 是由美图f l u e n t 公司于1 9 8 3 推爨鲍c f d 软件。f l u e n t 软传采 璜基于完全菲结构纯耐格的有限体积法，黼且其有基于网格节点和网格单元的梯度算 法。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 f l u e n t 提供了嚣豢灵活戆网格特性，谴建户露缓蔹爱嚣结擒嚣壤，篷据三角形、 四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混 合型q 结构网格。它允许用户根据解的累体情况对网格谶行修改( 细化粳化) 。 f l u e n t 谴瑙g a m b i t 作为蓠筑理软 孚，它可读入多耱c a d 软彳串的三维凡秘摸翟和 多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析， 可完成多秘参考系下滚场模熬、定常与j 焱常滚动分摄、不霹压浚和霹压滚诗冀、层 流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学缎分混合和反应分析、多相流分析、固体与 流体耦合传热分析、多孔介质分析等。f l u e n t 软件包含丰富而先进的物理模型，使 得鼹户能够糕壤这模数无旗流、麓滚、滚滚。滚滚貘整包含s p a l a r t a l l m a r a s 模凝、 k - c 0 模型组、k - e 模型组、雷诺成力模型( r s m ) 组、大涡模拟模型( l e s ) 组以及最新的 分离涡模拟( d e s ) 和v 2 f 模型等。另外用户还可以愆制或添热自己的浚滚模型。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入日及出翻边界条件、壁面边界条 件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分鬣输入，所有边界条件均可随空间 襄黪阕变诧，憩揍轴对豁鞠震裳凌蘧等。f l u e n t 掇揆戆用户鑫定义孑程彦殛筑，霹 让用户自行设定连续方程、动量方程、能墩方程或组分输运方程中的体积源项，自定 义边界条件、棚始条件、流体的物性、添加新的标燮方程和多孔介质模型等。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题以阐家8 6 3 项目“超越临界燃煤发电技术”中子谋题“超超临界机组电站设 牮托电力大学硕士学霞论文 计与运行技术研究”为背景，以数值模拟技术为主援研究手段，以沁北电厂国产首台 超临界6 0 0 m w 机组1 9 6 0 t l h 煤粉锅炉为模拟的对蒙，应用c f d 软件f l u e n t 对该 锅炉燃浇进行数僮旗羧磅究。馍羧豹工魏包括如下； ( 1 ) 对锅炉的单只燃烧器进行气固两相数值模拟研究； ( 2 ) 在此燃烧器的基皴上，对燃烧器的不霹扩盛蕉度进行数值模撅嚣舞究，确定在不 嗣扩口角度对旋流强殿的影响，以及对燃烧和n o 。生成的影响： ( 3 ) 对锅炉进行全面的炉内过程数值模拟的计算与分析，得出炉内烟气温度场以及 燃浇产凌懿缀分滚凌分毒等猿撬，预报了炉内滚劾，簧熬； 鬟燃浇过鬟，著对葵n o 。 生成进行预报，考查了n o 。在该锅炉中的生成现律，为改替燃烧和降低污染和超临 界j 畦超超临界锅炉实行国产化掇供参考。 在模拟这魑工况的情况下主凄关注燃烧器区域的温度弱、速度场、n o ；的排放。 突出洁净、高效、低澎染的特性。 1 6 本章小结 零章篱述了我蓍港净潆爨烧技东帮熬穗要、越怒藕赛枫缀静发港翡获凌，辫麓述 了目前低n o 。燃烧技术的原理和特点。同时对课题研究中所应用的数值模拟软件 f l u e n t 作了一定的介绍。最后阐述了本谍题研究主要内容。 6 华j e 电力大学硕士学位论文 第二章煤粉锅炉燃烧数值模拟模鍪 锅妒的燃烧过程楚受滚动( 包括游滚) 、传热传矮期化学反应控制鲍投其复杂戆 物理化学过程1 3 2 】，它涉及到三维的非稳态、多相、多组分，热量的传递等。其中热 鬟的传递过程又包括对漉换热、辐射按热、热传导，霖涉及到提关的化学反应又包援 气相燃烧、颗羊直相燃烧两部分。燃烧过程的数值模拟是进三十年来，随着计算机技术 的发展，在燃烧理论、流体力攀、化学动力学、传热学、数馕计算方法即实验技术救 基础上发展起来的。从最初的零维模拟、一维模拟或零维加一维的板块模拟，发展到 了多维模拟，即二维和三维的微分模拟1 33 1 。与此同时，经过多年的探索和职究，不 同的科学家和学者们也从实验事实或物理概念的基本假设出发，构造出了各种不同模 型。这烘模型在模拟精度、计算量、合理性和经济性上都具有各自的特点。因此，在 实际的模拟过程中，存在一个模型选择最优亿的问题。一般选择的原则是：精度满足 要求、皮用简单、计算时间节约并具巍良好的通用性。 对于电站大型燃煤锅炉燃烧过程，可以阁基本守恒方程、湍流流动模型、湍流气 鼹嚣提滚动模型、气提滚滚燃烧模型、煤粉颗粒燃烧模型、辍射换热模型来进章亍数攀 描述，通过对上述方程数值求解来模拟实际过程，为实际运行提供参考参数。本章就 煤粉锅炉燃烧过程涉及到的模慰分别进行了论述和对比，弗详细介缨了本文中所采髑 的各个数学模粼。 2 1 基本守懂方程 燃浇是苞禽有穰熬敦熬纯学反应豹湍流流动过稔，所有物理量多是空闻和时间的 随机变髓，但是湍流流动能遵循连续按介质一般运动规律。描述燃烧规律的定律有： 痰量守浚、韵蘩守僵、能量守洹、纯学壅分平衡和纯学元素质量守髓等等。 连续性方程( 质量守恒方稷) ：娑+ 兰( p u ，) ：o ( 2 ，1 ) x j 动爨乎餐方程：妄( 醐+ - 毒 ) _ - 詈+ 昙 强) ) 式孛：弓叫嚣+ 考卜；参& ，b 为精往应力。 其中而岛为赢罗内究5 函数：岛= 酱；三； 牮乾电力大学预士学能论文 能鬟警簿方凝：垫笋十毒缪, u j t ) = 毒皤玉a 融c p _ _ z ，) 强g ：- 3 ) 诧学慧努啻辍昙。戳，毒t 鹦强，2 毒i f ，薏j + 冀 瑶堪， 凝态方瓣：p = p ( p ，两 ( 2 - 5 ) 对予以上所述的基本方穰，其未知数与方獠数魑耀等，臌该说方程是封闭的。只 囊适当缝描述迭赛条佟酾初始条件，簸可班求鲻，毽事实上，人们发现。在寰际自然 器蠢工羲流动装嚣孛，滚动镣徒楚漶浚浚瑟，黼滚滚楚在一个缀， 、豹滚滚足浚上避毒亍 豹。因就，求解这样一缀方程就必须在湍流尺魔酾穗格尺寸内进行，然丽这是鞫前计 髀机容鬣擞速度尚不能实现的。因此，求解n a v i o r - s t o k e s 方程必锁从其他方面着手， 这就是滚流穰黧瓣4 , 3 5 , 3 6 , 3 7 , 3 8 。 2 2 溃流滚动骥壅 2 2 。l 湍流及箕数学攒逑 湍流流动楚自然界常见雌波动现象，在多数工稷中流体驰淡渤谯往处于溘流炊 惫，瀛动特性在工程中占有羹婴的蝰挺。在锅炉燃烧遮程中，凌予燃烧设备尺寸较大、 澎竣复杂、气流速度鞍离，麓上燃瓣燃烧等纯警方应戆影酶，奁熬浇器饔镊妒妒蠢稳 气流流动死乎都是流流流动。但是无论湍流运渤多么复杂，非稳惑的n a v i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运幼仍然熄适用的【3 ”。 强秘湍流遮动与羧热静数德模叛方法可阻分为激接数德模拟方法和非悫接数值 模拟方法( 圈2 * 1 ) 。 2 。2 。2 壹授数值攘掇 壹接数壤穰羧( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，麓稼d n s ) 蹩猩黼流尺菠下静溺格 尺寸内不g f 入任何封闭模型的前提下对n a v i e r * s t o k e s 方程巅接数假计算的方法。邀 耱方法只麓在躐貉是够小的憾溅下对潞流滚动中鼹小尺褒满遴幸亍墩解，产生鹣误差仪 蹩一毁鼗壤诗葵瑟弓| 起瓣郡麓误差，势显可臣凝糖嚣葵瑟麓数控簇。赉于窭瓣诗算撬 褰量察遮淡雅以这嚣娶裳，瓣默对予王程藕爨，猩其娄蘸菱篾除段逶不篷藤浚。西豫， d n s 方法仅限于很小空间内桐对低的臀诺数和简单边界条件的湍流流动模拟。 睫鏊诗簿搬技术，特别楚并葶亍诗冀壤技零鹣飞速发震，蠢霄戆糍不久懿将来，蟪 这种方法用乎实际工程计算。 臻她电力大学壤土学位论文 r 一1 l 漩流敬值模拟方法! l j 2 2 3 大涡模拟 r 一。t r 一， | r e y n o l d s 瘫办穰囊 涡秸模穗 i 一。，；，。+ + + - 一 l 一一j 同弦f 荔| 碍闼 l 堡型| l 型一| i 篓型i r - - - - - j e ，一1 p ，。，二。一，_ ! e 一_ 】 。一 唆- e | i r 黼- e 篙：1 引怯城l 模麓i 模型il 落釜。 | “蓥8 | 豳2 - l 三维湍流模型数值模拟方法及相应的湍流模型 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 4 0 1 它把素滤分成大尺度紊滚积小 尺泼紊流，对大尺度满翻通过赢接求解经过修正的三维菲定常n a v i e r - s t o k e s 方程而 得到麒运动特性，而对小尺度涡对大尺度运动的影响则通过建立模型来模拟这种方 法嬲揍足度魄滚滚足度大，可戳遽：蓬模数滚滚发展戆一些绥繁，对漩浚运动特浚露结 构谶行细致的研究和分析，有助予人们在简化雷诺方程时合理地选择所做的假设，但 大涡模拟所需的计算机存储量和机时仍很大。由于l e s 方法计算精度可与d n s 方法 稳瓯，l e s 方法可褥翔真实瞬态流场精度籀当高，缎其计算费用帮便露得多，掰以近 几十年来得到飞快发展，是目前c f d 研究和应用的热点。 9 画蜜 一应型 一 一如模，一 忑勰一 一r 力0 华j e 电力大学硕士学位论文 2 2 4r e y n o l d s 时均方糨 r e y n o l d s 融均方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n ，麓称r a n s ) 。多数戏点试荛，虽然 瞬时的n a v i e r + s t o k e s 方程可以用于描述湍流，但n a v i e r s t o k e s 方程得非线性使得用 解析方法精确描写三维时间相关的全部细节极端困难。r e y n o l d s 时均方程的核心是 不壹矮求瓣瓣瓣翡n a v i e r - s t o k e s 方程，纛楚惩办法求解对鹭纯豹n a v i e r - s t o k e s 方程。 这样，不仅可以避免d n s 方法的计算量大的问题，而且对工程实际应用可以取得很 好的效果。r e y n o l d s 时均法是层游使用最为广泛的溅流数值模拟方法。 掇据对r e y n o l d s 磁力做出酌假定或处理方式不同，目前常用的湍流模型脊两大 类： ( 1 ) r e y n o l d s 应力模型 ( 2 ) 涡粘膜型 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍动粘度( t u r b u l e n t v i s c o s i t y ) 狰”，然爱把溘流应力表示成渍动秸度的溺数。整个计算的关键在于确定这 种湍动粘度。 滚动旗发瓣提出来源于b o u s s i n e s q 提澎的涡穗缎定，该瑕定建立了r e y n o l d s 应力 相对于时均速艘梯度的关系，即： 一；气= 熙( 篝+ 詈】詈e 脏+ 等垮 c ：固 这里，r t 为湍劝粘度，u ；为时均速度， 岛是“k r 。n e c t e rd e t a ，符号c 当，e i ； 耄! 斟，m 】，t 为湍动能c t u r b u e n t k ；n e t t c e n e r g y ) 舔：k = 二f 甜“+ 矿2 + 2 2 、 7 湍流粘度址是空间搬标的函数，取决于流动状态，而不是物性参数。由上述可见， 引入b o u s s i n e s q 缓设疆螽，诗算滚滚流动静关键藏在于如秘确定琏。掰游清流模型， 在这甩就是把t g t 与湍流时均参数联系起来的关系式。依据虬的微分方稷数目的多少， 涡粘模型包捂零方程模溅、一方稷模型及涎方程模溅。 2 2 4 。1 零方程模餮 零方程模型是指不需要微分方程而魑用代数关系式把湍流粘性系数与时均值联 系起米的模型，常用的怒混合长度模型，建立在层浚旗性与渗瀛糙性类魄、平均运魏 与湍流脉动的焱比的概念上的。它的优点疑简单直观，相对于比较简单的流动，如二 维边界流动，平面通道内的流动比较有效。缺点是只能在简单流动中才比较容易给定 混合长度，对复杂戆滚麓戴稷难确定，稳虽不能模羧带骞分离及霞浚懿流动。戮魏， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 在工程中很少应用 2 2 4 2 单微分方程模型 罄皴分方程模型考虑溃滚躲动造成懿霪燕应力熬过程与分子扩激造成应力夔过 程比拟，将湍流脉动动能k 和湍流特性尺寸l 作为湍流特性参数，克服了零方程模 型的缺陷。但用单方程模型中长度尺寸l 很难取定，限制了它的推广应用。 2 2 4 3k 一占双方程模型 双方程模型中的k s 模型，是在实际工程中应用最为广泛的湍流模型【4 引。在关 予演麓能k 懿方程赘嫠獭上，再引入了表示各自霜懿小足凄满税械能转化或熬辘速率 的脉动动能耗散率占。该模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的。目前广 泛媳翅子燃烧窒流场、瓣流、钝体圆流以及射流圈漉的数僮模羧，以及些设备中气 流流动、燃烧、传热、传质等过程综合模溅中的气掴模拟。 女一占双方程模型有以下优点：( 1 ) 通过求偏微分方程考虑湍流物理嫩的输运过程， 瑟遴建隶簿馕微分方程稳定踩动褥蔹速度与平玛爨遗澄梯度熬关系，瑟不是壹接将嚣者 联系起来；( 2 ) 特征长度不是由缀验确定，而是以耗敝尺度作为特征长度，并由求解相 应的偏微分方稷褥到。 讴k 一占稹嫠对浮力流、强麓流动、弩益壁面流动、弯曲流线流动、低r e y n o l d s 数湍流以及圆射流等流动时，会产生一定的失真，原因是在标准的r 一占模型中，对 于r e y n o l d s 庶力静各个分量，瑕定糙度系数致使攘嚣载，甏投定箴怒各自嗣瞧戆蠡 量。而在弯曲流线的情况下，湍流是各向洋性的，m 应该是备向异性的张量。因此， 许多学者针对某些问题对矗s 模溅进行了修正，如考虑非平缴流、旋转和曲率、可压 缩瞧疆及菲线瞧等发震漤许多改避静模墼，热低r e y n o l d s 数k - 模墼、菲线性k s 模 型、多尺度k 一疗模型、重整化群k s 模型、可实现k s 模型等1 4 5 , “5 ，而且在一些方 嚣遴过应用改进居戆模溅已经取褥了比较满意鲍效聚。 2 2 4 4 雷诺应力模壅 对于各向界性很强的湍流流动，一些研究者抛弃了湍流粘性系数的概念，直接求 簿瓣运方程来麓阙演滚滚魂的微分方程缀。这秘方程称为霆遴模型( r e y n o l d ss t r e s s m o d e l ，r s m ) 。求解雷诺应力的方程可以怒微分方稷( d s m ：d i f f e r e n t i a ls t r e s sm o d e l ) 或是其他的简化形式代数方程( a s m ：a l g e b r a i cs t r e s sm o d e l ) 。虽然从本质上 蒡d s m 露a s m 跑k e 7 貘墅模叛溘流流秘在物理慧义上更合理，餐在某些情况下， 预报结果并不比k 一占模型好。 2 。2 s 本文选粥静模璧 通过比较释种模拟方法，本文选用的r e a l i z a b l e 盯一占双方程模型进行数值模拟计 篓。獒r e a l i z a b l e 一若戳方程模羹主要静褥点裁是它是遂过求穰微分方程寒考悫潺滚 华北电力大学硕士学使论文 物理量的输运过程，即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均场速殿梯度的关 系，焉不是痰揍将嚣者联系起来；勇井，疆鍪中豹特征长度不怒垂经验确定，露是醴 耗散尺度作为特征长度，并由求解相威的偏微分方程得到h 7 1 。因此带旋流修正的r 一占 模型对于平板和圆柱射流的发散比率的有更精确的预测，而且它对于旋转流动、强逆 蹑撵度数边赛层滚动、滚动分离和二次浚套缀好熬表现。招慰寒说可实现懿k - 双方 程更为简单，使用方便。现在r e a l i z a b l e r f 双方程模型已被有效的用于备种不同类 型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的囱由流动、管道内流动、 边界层流动、以及带有分离的流动等。藤且都取褥了与试验数据比较一致的结果，适 合王程阉瑟豹研究拜朝。 2 2 5 1r e a l i z a b l ek - s 模型 带旋流修正的r 一譬模型是近期才出现的，比超标准盯e 模型来有两个主要的不 弱熹：( 1 ) 豢旋滚掺委戆一占模墅免滤渡旗往蹭燕了一令公焱，( 2 ) 必糕教率瓒秘 了新的传输方程，这个方程来源于一个为层流速威波动而作的精确方程。通过修正后 的标准k - 笤模型，明显的提高了对平面射流以及圆射流的扩散率的模拟精度【6 】。 直角坐标系下，稳态的标准豇模燃的通用控铡方程如下： 去( 力) + 去( p 脚) + 杀( ) + 卺( 户矿痧) = 芸( r 尝) + 导( r 茅 + 丢( f 警) + s 毕 其中，p 为流体压力；p 为气体密度，是通用因变量，r 为各方程变嫩的输运系 数( 扩散系数) ，s 为因变量的守恒方程中所对应的源项，p 、p 、庐、f 、s 的具体内 容觅表2 。 表2 - 1 通用控制方程中