（工程热物理专业论文）高温空气无油点火及低负荷燃烧器运行的数值模拟.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 高温空气无油点火技术是一种先进的燃烧技术，具有广阔的应用前景。 目前我国电 站燃煤锅炉在起炉时必须燃用大量宝贵燃油，这就使得研究高温 空气无油点 火技术具有十分重要的现实意义。 现在电网的峰谷差加大， 大量 机组参与调峰， 造成锅炉在低负荷燃烧不稳定时必须投汕稳燃，所以开发先 进的低负荷燃烧器也是一项意义重大的 工作。 本文的主要内容就是结合 国家 8 6 3项 目: 燃煤锅炉超低负荷洁净高效 控制与运行技术的研究 ，用 f l u e n t 5对抚顺 电厂 1 # 锅炉 7 5 %负荷和改用低 负荷燃烧器后的 燃烧过程进行数值模拟和比 较，并对高温空气无油点火装置 不同的运行参数进行模拟和比较，为锅炉和燃烧器采用合理的设计 、经济清 洁的运行提供技术参考。 关键词:电站锅炉，煤粉燃烧 ，无油点火，低负荷燃烧器，数值计算 abs t r a c t h i g h t e mp e r a t u r e a i r n o n - o i l i g n i t i o n i s t h e a d v a n c e d b u r n i n g t e c h n o l o g y w i t h v a s t p r o s p e c t . l o t s o f p r e c i o u s o i l mu s t b e c o n s u m e d w h e n b o i l e r s o f p o w e r p l a n t s t a r t n o w . t h u s i t i s o f g r e a t i m p o rt a n c e t o r e s e a r c h h i g h t e m p e r a t u r e a i r n o n - o i l i g n i t i o n t e c h n o l o g y . t h e p e a k - v a l l e y d i f f e r e n c e o f p o we r g r i d i s b e c o m i n g g r e a t e r a n d g r e a t e r , s o a l o t o f u n i t s h a d t o t a k e p a r t i n p e a k - l o a d . t h e o i l mu s t b e p u t i n t o u s e w h e n t h e c o mb u s t i o n o f b o i l e r i s n o t s t e a d y u n d e r l o w l o a d . i t i s a g r e a t s i g n i f i c a n t wo r k t o d e v e l o p a d v a n c e d l o w l o a d b u r n e r . t h e t h e s i s i s a p a rt o f t h e n a t i o n a l 8 6 3 p r o j e c t : . i a p p l y t h e s o f t w a r e f l u e n t 5 s i m u l a t i n g a n d c o mp a r i n g b u r n i n g p r o c e s s o f b o i l e r 1 # o f f u s h u n p o w e r s t a t i o n b o t h 7 5 % l o a d c o n d i t i o n a n d b u r n e r r e f o r m e d w o r k i n g c o n d i t i o n . i t w i l l p r o v i d e t e c h n o l o g i c r e f e r e n c e f o r r a t i o n a l d e s i g n c l e a n a n d e c o n o m i c o p e r a t i o n o f b o i l e r a n d b u r n e r b y s i m u l a t i n g a n d c o m p a r i n g d i f f e r e n t o p e r a t i o n p a r a m e t e r o f h i g h t e m p e r a t u r e a i r n o n - o i l b u r n e r . ke y w o r d s : p o w e r s t a t i o n b o i l e r , c o a l c o m b u s t i o n , n o n 一o i l i g n i t i o n， l o w l o a d b u r n e r , n u m e r i c a l s i mu l a t i o n , l i u h a i b o ( e n g i n e e r i n g t h e r m a l p h y s i c s ) d i r e c t e d b y p r o f . s u n b a o mi n 华北电力大学硕士论文 摘要 高温空气无油点火技术是一种先进的燃烧技术，具有广阔的应用前景。 目前我国电 站燃煤锅炉在起炉时必须燃用大量宝贵燃油，这就使得研究高温 空气无油点 火技术具有十分重要的现实意义。 现在电网的峰谷差加大， 大量 机组参与调峰， 造成锅炉在低负荷燃烧不稳定时必须投汕稳燃，所以开发先 进的低负荷燃烧器也是一项意义重大的 工作。 本文的主要内容就是结合 国家 8 6 3项 目: 燃煤锅炉超低负荷洁净高效 控制与运行技术的研究 ，用 f l u e n t 5对抚顺 电厂 1 # 锅炉 7 5 %负荷和改用低 负荷燃烧器后的 燃烧过程进行数值模拟和比 较，并对高温空气无油点火装置 不同的运行参数进行模拟和比较，为锅炉和燃烧器采用合理的设计 、经济清 洁的运行提供技术参考。 关键词:电站锅炉，煤粉燃烧 ，无油点火，低负荷燃烧器，数值计算 abs t r a c t h i g h t e mp e r a t u r e a i r n o n - o i l i g n i t i o n i s t h e a d v a n c e d b u r n i n g t e c h n o l o g y w i t h v a s t p r o s p e c t . l o t s o f p r e c i o u s o i l mu s t b e c o n s u m e d w h e n b o i l e r s o f p o w e r p l a n t s t a r t n o w . t h u s i t i s o f g r e a t i m p o rt a n c e t o r e s e a r c h h i g h t e m p e r a t u r e a i r n o n - o i l i g n i t i o n t e c h n o l o g y . t h e p e a k - v a l l e y d i f f e r e n c e o f p o we r g r i d i s b e c o m i n g g r e a t e r a n d g r e a t e r , s o a l o t o f u n i t s h a d t o t a k e p a r t i n p e a k - l o a d . t h e o i l mu s t b e p u t i n t o u s e w h e n t h e c o mb u s t i o n o f b o i l e r i s n o t s t e a d y u n d e r l o w l o a d . i t i s a g r e a t s i g n i f i c a n t wo r k t o d e v e l o p a d v a n c e d l o w l o a d b u r n e r . t h e t h e s i s i s a p a rt o f t h e n a t i o n a l 8 6 3 p r o j e c t : . i a p p l y t h e s o f t w a r e f l u e n t 5 s i m u l a t i n g a n d c o mp a r i n g b u r n i n g p r o c e s s o f b o i l e r 1 # o f f u s h u n p o w e r s t a t i o n b o t h 7 5 % l o a d c o n d i t i o n a n d b u r n e r r e f o r m e d w o r k i n g c o n d i t i o n . i t w i l l p r o v i d e t e c h n o l o g i c r e f e r e n c e f o r r a t i o n a l d e s i g n c l e a n a n d e c o n o m i c o p e r a t i o n o f b o i l e r a n d b u r n e r b y s i m u l a t i n g a n d c o m p a r i n g d i f f e r e n t o p e r a t i o n p a r a m e t e r o f h i g h t e m p e r a t u r e a i r n o n - o i l b u r n e r . ke y w o r d s : p o w e r s t a t i o n b o i l e r , c o a l c o m b u s t i o n , n o n 一o i l i g n i t i o n， l o w l o a d b u r n e r , n u m e r i c a l s i mu l a t i o n , l i u h a i b o ( e n g i n e e r i n g t h e r m a l p h y s i c s ) d i r e c t e d b y p r o f . s u n b a o mi n 二丝.口口 开 刁h 月 木人郑重声明: 所呈交的 学位论文， 是本人在导师指导 下， 独立进行 研究工作 所取 得的成果。 尽我所知， 除 文中己 经注明引 用的内容外， 本学位论文的研究成果不 包含任 何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的 其他个人和集体， 均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签 名 : id 4 日 期 : 洲 ” ， 关于学位论文使用授权的说明 本人 完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有 权保管、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口 (涉密的 学 位论文 在解密 后遵守此 规定) 作者签名: 日期: 月 率 破 i w.、 3 z 导师签名: 日期: 亚 库丘 必过l 土 华北电力大学 c -1 匕 京)7 i ;卜 学位论文 第一章:绪论 选题意义 我 国是一个富煤贫油的国家，煤炭可采储量 占世界的 1 1 . 6 3 yo，而石油和天然 气则分别只能占到 2 . 6 7 %和 0 . 9 3 %.目前中国年采煤量约在 1 0亿吨，出口 4 0 0 0 万吨;而石油的年产量约为 1 . 7亿吨，进 口达 7 3 8 0万吨。今后几十年内中国对石 油的需求还要继续增加，所以我国面临着严重的石油短缺问题川。 目前煤粉炉是我国电厂锅炉的主要形式，煤粉着火比油和天然气困难的多。 现 行常规电站煤粉锅炉最普遍的点火方式是用油枪点火。锅炉启动时，先点燃点火油 枪，油在炉膛中燃烧一段时间后，温度升高到能使煤粉着火的温度，再喷入煤粉进 行油煤混燃，直到煤粉能稳定的燃烧再断油，完成点火启动过程。一旦负荷降低燃 烧出现不稳定现象， 便又开启油枪进行油煤混燃，防止熄火。电厂点火用油相当 可 观，助燃用油量更大。同时由于锅炉在起炉时投入助燃油，使电除尘器无法投入使 用而造成的环境污染也相当 严重。因此开发无油或少油煤粉直接点火燃烧器一直是 电力行业内普遍关心的课题。 随着我国经济的快速发展， 轻工、商业和生活用电的 大幅增加，昼夜用电量 相 差巨大，因而要求电网中有更多的机组参与调峰，致使点火和助燃的用油量大幅增 加。 据统计5 0 m w 机组锅炉启动一次需要耗油 5 吨， 1 2 5 m w 机组锅炉启动一次需要耗 油 1 5 吨， 而 2 0 0 m w 机组启动一次需要耗油5 0 吨; 一台6 0 0 m w 机组锅炉点火和助燃 的燃料油超过 3 0 0 吨，一台 3 0 0 m w机组一年助燃耗油约 1 5 0 0 0吨。面对如此严峻的 形式，开发无油点火和低负荷稳燃新技术，降低点火助燃用油，有着重要的意义。 在过去几十年中，煤粉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的结合起来， 能够精确地模拟炉内 燃烧所产生的温度场、速度场，压力场以 及各种污染物的产生 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 华北电力大学 c -1 匕 京)7 i ;卜 学位论文 第一章:绪论 选题意义 我 国是一个富煤贫油的国家，煤炭可采储量 占世界的 1 1 . 6 3 yo，而石油和天然 气则分别只能占到 2 . 6 7 %和 0 . 9 3 %.目前中国年采煤量约在 1 0亿吨，出口 4 0 0 0 万吨;而石油的年产量约为 1 . 7亿吨，进 口达 7 3 8 0万吨。今后几十年内中国对石 油的需求还要继续增加，所以我国面临着严重的石油短缺问题川。 目前煤粉炉是我国电厂锅炉的主要形式，煤粉着火比油和天然气困难的多。 现 行常规电站煤粉锅炉最普遍的点火方式是用油枪点火。锅炉启动时，先点燃点火油 枪，油在炉膛中燃烧一段时间后，温度升高到能使煤粉着火的温度，再喷入煤粉进 行油煤混燃，直到煤粉能稳定的燃烧再断油，完成点火启动过程。一旦负荷降低燃 烧出现不稳定现象， 便又开启油枪进行油煤混燃，防止熄火。电厂点火用油相当 可 观，助燃用油量更大。同时由于锅炉在起炉时投入助燃油，使电除尘器无法投入使 用而造成的环境污染也相当 严重。因此开发无油或少油煤粉直接点火燃烧器一直是 电力行业内普遍关心的课题。 随着我国经济的快速发展， 轻工、商业和生活用电的 大幅增加，昼夜用电量 相 差巨大，因而要求电网中有更多的机组参与调峰，致使点火和助燃的用油量大幅增 加。 据统计5 0 m w 机组锅炉启动一次需要耗油 5 吨， 1 2 5 m w 机组锅炉启动一次需要耗 油 1 5 吨， 而 2 0 0 m w 机组启动一次需要耗油5 0 吨; 一台6 0 0 m w 机组锅炉点火和助燃 的燃料油超过 3 0 0 吨，一台 3 0 0 m w机组一年助燃耗油约 1 5 0 0 0吨。面对如此严峻的 形式，开发无油点火和低负荷稳燃新技术，降低点火助燃用油，有着重要的意义。 在过去几十年中，煤粉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的结合起来， 能够精确地模拟炉内 燃烧所产生的温度场、速度场，压力场以 及各种污染物的产生 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 华北电力大学 ( 北京)f j ; 学位论文 效地控制污染物的生成。 2炉内煤粉燃烧过程物化机理及其研究现状 对于炉内 煤粉燃烧过程的物理、化学机理，如图 1 - 1所示 2 j ，主要包括:( 1 ) 伴有传热的气相湍流流动机理 ;( 2 )气相湍流燃烧:( 3 )辐射传热;( 4 )多相湍流 机理;( 5 )颗粒表面的液体蒸发:( 6 ) 颗粒挥发份析出;( 7 ) 颗粒氧化; ( 8 )烟灰 及污染物的形成;( 9 )积灰结渣。 c 以贫 盆 班 汤 1 l c七 r . 代卜 、 七 a 闻 戌 目 厄 颐 ” 卜 a m t 了 ， j n ， 百 . ， 户 酬 k i l v a p y i 比( 心 c” 。 口点 丁 妞 咤 w l e n月 妇4 f z .翻ron wx b u o a 山 协 n 及 1早 比卫 en d山 妇 - . u七 叫 自 ei d 0 门j t n u 1 g 石 懊 洲 理 0 七呀 下 u i ( 对 翩 ， 月 c才 幽 m 0 1 介. ad e nt 户 w 比 吧 d o 口 翩 ftn 日 7 图 1 - 1 由 上可知，燃烧各个物化过程非常复杂，若是将燃烧过程所有相关的 物理化学 机理的数值模拟综合为一整体模型，而该模型能够充分模拟整个燃烧过程，这样就 组成 了燃烧综合模型。例如，当模拟煤粉燃烧过程时，整体框架是基于计算流体力 学 c f d )的， 对质量、能量、动量守恒方程进行数值求解，至于气相混合燃烧、 煤粉挥发份析出、焦炭燃烧、辐射传热等子模型是结合到该框架中的 3 。这些模型 可预测温度分布、压力分布、 气体成分、速度、颗粒轨迹、 燃尽度、污染物生成、 积灰及结渣等。 燃烧综合模型 的思想及模型的研究现状 ，在现在应用的计算流体力学 ( c f d ) 软件中 体现得淋漓尽致。这些软件主要有美国的 f l u e n t , p c g c , b a n f f - g l a c i e r , 华北电力大学 ( 北京)f j ; 学位论文 效地控制污染物的生成。 2炉内煤粉燃烧过程物化机理及其研究现状 对于炉内 煤粉燃烧过程的物理、化学机理，如图 1 - 1所示 2 j ，主要包括:( 1 ) 伴有传热的气相湍流流动机理 ;( 2 )气相湍流燃烧:( 3 )辐射传热;( 4 )多相湍流 机理;( 5 )颗粒表面的液体蒸发:( 6 ) 颗粒挥发份析出;( 7 ) 颗粒氧化; ( 8 )烟灰 及污染物的形成;( 9 )积灰结渣。 c 以贫 盆 班 汤 1 l c七 r . 代卜 、 七 a 闻 戌 目 厄 颐 ” 卜 a m t 了 ， j n ， 百 . ， 户 酬 k i l v a p y i 比( 心 c” 。 口点 丁 妞 咤 w l e n月 妇4 f z .翻ron wx b u o a 山 协 n 及 1早 比卫 en d山 妇 - . u七 叫 自 ei d 0 门j t n u 1 g 石 懊 洲 理 0 七呀 下 u i ( 对 翩 ， 月 c才 幽 m 0 1 介. ad e nt 户 w 比 吧 d o 口 翩 ftn 日 7 图 1 - 1 由 上可知，燃烧各个物化过程非常复杂，若是将燃烧过程所有相关的 物理化学 机理的数值模拟综合为一整体模型，而该模型能够充分模拟整个燃烧过程，这样就 组成 了燃烧综合模型。例如，当模拟煤粉燃烧过程时，整体框架是基于计算流体力 学 c f d )的， 对质量、能量、动量守恒方程进行数值求解，至于气相混合燃烧、 煤粉挥发份析出、焦炭燃烧、辐射传热等子模型是结合到该框架中的 3 。这些模型 可预测温度分布、压力分布、 气体成分、速度、颗粒轨迹、 燃尽度、污染物生成、 积灰及结渣等。 燃烧综合模型 的思想及模型的研究现状 ，在现在应用的计算流体力学 ( c f d ) 软件中 体现得淋漓尽致。这些软件主要有美国的 f l u e n t , p c g c , b a n f f - g l a c i e r , 华北电力人学 ( 北京)硕十学位论文 英国的p h o e n i c s , s t a r - c d , c f x ， 法国的n 3 s 等。 其中有完整的煤粉燃烧过程和污 染物生成计算并且应用广泛的有p h o e ， 工 c s、f l u e n t , c f x 等 n p h o e n i c s是世界上第一个投放市场的 c f d商用软件 ( 1 9 8 1 ) ，可以算是 c f d t 商用软件的鼻祖。这 一软件中所采用的一些基本算法，如 s i m p l e方法、混合格式 等，正是由该软件的 创始人 d . b s p a l d i n g 及其合作者 s . v p a t a n k a r等所提出的， 对以后开发的商用软件有较大的影响。 f l u e n t软件是由美国 f l u e n t i n c . 于 1 9 8 3 年推出，是继 p h o e n i c s 软件之后的 第二个投放市场的基于有限容积法 的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版 本。 在结构化网格版木中有适体坐标的前处理软件， 同时也可以纳入p a t r a n , a n s y s , i - d e a s及 工 c e m c f d等专门生成网格的软件。速度与压力祸合采用同位网格上的 s 工 m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及 q u 工 c k 等格式。 代数 方程求解可 以采用多重网格及最小残差法 ( g m r e s ) 。在其非结构网格化网格的版本 ( f l u e n t / u n s )中采用控制容积有限元方法 ( c v f e m ) ，在该方法中采用了类似于控 制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒性，同时采用了非结构 网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8年 f l u e n t公司推出了自己研制的新的 前处理网格生成软件g a m b i t ，并将f l u e n t / u n s 与r a m p a n t 合并为f l u e n t 5 o 对于气相湍流的模拟， f l u e n t 提供了 一系列比较完整的湍流模型， 可供不同要 求问 题的选择。 包括s p a l a r t - a l l m a r a s模型， 标准、r n g 和可实现 k - e模型， 雷 诺应力模型， 大涡流模型等。 对于气相湍流燃烧， 其包含的模型有: 有限率反应法、 混合分数法、不平衡 ( 火焰微元)法、预混燃烧法。在 f l u e n t 中，对于模拟辐射 换热的模型也是非常全面的， 包括 d t r m , p - 1 , r o s s e l a n d , d o辐射模型，还有用 w s g g模型来模拟吸收系数。对于多相流，f l u e n t采用拉格朗日 法来模拟连续相中 的离散相， 其计算离散颗粒的 轨迹及对颗粒的热量和质量传输，并 且这些量在接下 来的气相计算中都可用。f l u e n t所提供的煤颗粒挥发份析出模型有:常数率模型、 一方程模型和二方程模型， 这些模型由 于其简单易用， 在实际工程中应用非常广泛， 并且也能取得较满意的结果。f l u e n t提供了三种表面燃烧模型，即:限制扩散率模 型、限制动力扩散率模型和内在反应率模型。 3 煤粉锅炉炉内数值模拟的研究综述 计算机模拟技术的快速发展是在七八十年代开始的。目前为止，采用计算机模 拟技术研究燃烧室内燃烧过程已 经是国内外能源领域的研究者们普遍采用的手段， 并开始与大型的 冷模、实测的试验进行对照， 模拟的方向也趋向于实用的，如污染 物模拟，结渣模拟。 在七十年代及八十年代， s p a l d i n g 的湍流燃烧模型 3 , g r o w等的气固两相樟型 s 7 华北电力人学 ( 北京)硕十学位论文 英国的p h o e n i c s , s t a r - c d , c f x ， 法国的n 3 s 等。 其中有完整的煤粉燃烧过程和污 染物生成计算并且应用广泛的有p h o e ， 工 c s、f l u e n t , c f x 等 n p h o e n i c s是世界上第一个投放市场的 c f d商用软件 ( 1 9 8 1 ) ，可以算是 c f d t 商用软件的鼻祖。这 一软件中所采用的一些基本算法，如 s i m p l e方法、混合格式 等，正是由该软件的 创始人 d . b s p a l d i n g 及其合作者 s . v p a t a n k a r等所提出的， 对以后开发的商用软件有较大的影响。 f l u e n t软件是由美国 f l u e n t i n c . 于 1 9 8 3 年推出，是继 p h o e n i c s 软件之后的 第二个投放市场的基于有限容积法 的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版 本。 在结构化网格版木中有适体坐标的前处理软件， 同时也可以纳入p a t r a n , a n s y s , i - d e a s及 工 c e m c f d等专门生成网格的软件。速度与压力祸合采用同位网格上的 s 工 m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及 q u 工 c k 等格式。 代数 方程求解可 以采用多重网格及最小残差法 ( g m r e s ) 。在其非结构网格化网格的版本 ( f l u e n t / u n s )中采用控制容积有限元方法 ( c v f e m ) ，在该方法中采用了类似于控 制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒性，同时采用了非结构 网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8年 f l u e n t公司推出了自己研制的新的 前处理网格生成软件g a m b i t ，并将f l u e n t / u n s 与r a m p a n t 合并为f l u e n t 5 o 对于气相湍流的模拟， f l u e n t 提供了 一系列比较完整的湍流模型， 可供不同要 求问 题的选择。 包括s p a l a r t - a l l m a r a s模型， 标准、r n g 和可实现 k - e模型， 雷 诺应力模型， 大涡流模型等。 对于气相湍流燃烧， 其包含的模型有: 有限率反应法、 混合分数法、不平衡 ( 火焰微元)法、预混燃烧法。在 f l u e n t 中，对于模拟辐射 换热的模型也是非常全面的， 包括 d t r m , p - 1 , r o s s e l a n d , d o辐射模型，还有用 w s g g模型来模拟吸收系数。对于多相流，f l u e n t采用拉格朗日 法来模拟连续相中 的离散相， 其计算离散颗粒的 轨迹及对颗粒的热量和质量传输，并 且这些量在接下 来的气相计算中都可用。f l u e n t所提供的煤颗粒挥发份析出模型有:常数率模型、 一方程模型和二方程模型， 这些模型由 于其简单易用， 在实际工程中应用非常广泛， 并且也能取得较满意的结果。f l u e n t提供了三种表面燃烧模型，即:限制扩散率模 型、限制动力扩散率模型和内在反应率模型。 3 煤粉锅炉炉内数值模拟的研究综述 计算机模拟技术的快速发展是在七八十年代开始的。目前为止，采用计算机模 拟技术研究燃烧室内燃烧过程已 经是国内外能源领域的研究者们普遍采用的手段， 并开始与大型的 冷模、实测的试验进行对照， 模拟的方向也趋向于实用的，如污染 物模拟，结渣模拟。 在七十年代及八十年代， s p a l d i n g 的湍流燃烧模型 3 , g r o w等的气固两相樟型 s 7 华北电力大学 ( 北京)1i i 学位论文 p a r t a i k a r 的s 工 m p l e 算法 . 的相继问世， 标志着模型的发展与完善的阶段的升始。 而前西德的 b e m e c h ， 及英国的 a b b a s和 l . o c k w o o d ) 等对于炉内 过程不同方面的模 拟，这标志着一整套的燃烧室内的模拟方法开始初步形成。燃烧室的模拟开始走向 大型的炉内模拟 。 开始进入九十年代至今，炉内三维的流动燃烧 ，传热模型与方法更趋于成熟， 开始 向实际应用迈进。 1 9 8 9 年【 lo cu i 对煤粉燃烧模型和炉内辐射传热模型进行了研究。 1 9 9 0 年 c a n a d e s 等d 2 ) ，对炉内辐射传热进行了模拟。 1 9 9 1年 p f a n n s t i e l ,。 . 工 s e r m a n n , r . ) ， 对炉内 燃烧过程的模拟与控制进行了 研究。 1 9 9 1 年a o k i , h ) 等对炉内 过程进行了模拟。 1 9 9 3 年s a k a i 等应用二维方法对于煤粉燃烧进行了 研究。 1 9 9 4 年 1 6 - y 0 ) 分别对燃烧不同种类的煤时，未燃尽碳热损失、炭的异相反应、 煤 粉炉的稳燃、炉内流动、燃烧 、传热过程进行了研究。 1 9 9 7 年( l 1- 2 a ) 分别对稳燃、 不同差分格式对于伪扩散的 影响、焦炭的燃烧特性进 行 了研究。 国内的研究者们也在炉内的全模拟方面取得了很多进展，代表性的有【 2 4 - 2 7 。 4本文的主要研究内容 本课题的主要 内容是结合 国家 8 6 3 重点项 目 燃煤锅炉超低负荷洁净高效控制 与运行技术的 研究及应用这个项目，运用数值模拟软件 f l u e n t 5 ， 用较先进的 模 型对抚顺 电厂 1 # 炉 7 5 %的设计工况和改用浓淡分离低负荷燃烧器后的燃烧过程进 行数值模拟， 并对这两种工况模拟得出的结果如速度、 温度、 组分等参数进行对比、 分析，为超低负荷燃烧器的合理设计、经济与清洁运行提供参考。 另一方面本文又对高温空气无油点火进行了模拟 。针对高温空气无油点火燃烧 器的主要参数之一一高温空气速度分为三种工况进行研究， 对比了这三种状况的速 度分布和温度分布，从而得出 较为合理的结论，为高温空气无油点 火燃烧器的运行 参数提供参考。 华北电力大学 ( 北京)1i i 学位论文 p a r t a i k a r 的s 工 m p l e 算法 . 的相继问世， 标志着模型的发展与完善的阶段的升始。 而前西德的 b e m e c h ， 及英国的 a b b a s和 l . o c k w o o d ) 等对于炉内 过程不同方面的模 拟，这标志着一整套的燃烧室内的模拟方法开始初步形成。燃烧室的模拟开始走向 大型的炉内模拟 。 开始进入九十年代至今，炉内三维的流动燃烧 ，传热模型与方法更趋于成熟， 开始 向实际应用迈进。 1 9 8 9 年【 lo cu i 对煤粉燃烧模型和炉内辐射传热模型进行了研究。 1 9 9 0 年 c a n a d e s 等d 2 ) ，对炉内辐射传热进行了模拟。 1 9 9 1年 p f a n n s t i e l ,。 . 工 s e r m a n n , r . ) ， 对炉内 燃烧过程的模拟与控制进行了 研究。 1 9 9 1 年a o k i , h ) 等对炉内 过程进行了模拟。 1 9 9 3 年s a k a i 等应用二维方法对于煤粉燃烧进行了 研究。 1 9 9 4 年 1 6 - y 0 ) 分别对燃烧不同种类的煤时，未燃尽碳热损失、炭的异相反应、 煤 粉炉的稳燃、炉内流动、燃烧 、传热过程进行了研究。 1 9 9 7 年( l 1- 2 a ) 分别对稳燃、 不同差分格式对于伪扩散的 影响、焦炭的燃烧特性进 行 了研究。 国内的研究者们也在炉内的全模拟方面取得了很多进展，代表性的有【 2 4 - 2 7 。 4本文的主要研究内容 本课题的主要 内容是结合 国家 8 6 3 重点项 目 燃煤锅炉超低负荷洁净高效控制 与运行技术的 研究及应用这个项目，运用数值模拟软件 f l u e n t 5 ， 用较先进的 模 型对抚顺 电厂 1 # 炉 7 5 %的设计工况和改用浓淡分离低负荷燃烧器后的燃烧过程进 行数值模拟， 并对这两种工况模拟得出的结果如速度、 温度、 组分等参数进行对比、 分析，为超低负荷燃烧器的合理设计、经济与清洁运行提供参考。 另一方面本文又对高温空气无油点火进行了模拟 。针对高温空气无油点火燃烧 器的主要参数之一一高温空气速度分为三种工况进行研究， 对比了这三种状况的速 度分布和温度分布，从而得出 较为合理的结论，为高温空气无油点 火燃烧器的运行 参数提供参考。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章:高温空气无油点火及超低负荷稳燃技术 当前人类面临着严重的能源、 环境与人口问题， 尤其是我国目前经济发展迅速， 对能源的需求急剧增加。我国是一个典型的多煤少油的国家，能 源以 煤为主，电力 工业基本上用的都是煤，但在锅炉启动和低负荷稳燃时需燃用大量宝贵燃油，所以 国家能源规划提出电厂尽量少用石油等宝贵的战略资源。这就要求电厂锅炉在启动 时实现无油点火， 在低负荷稳燃时不投油。因此开发无油点火和低负荷稳燃技术是 今后电力科技工作者一项重要的任务。 自从 7 0 年代以来，世界各国科技人员在无油点火方面做了大量工作，开发了 一些新式煤粉直接或少油点火燃烧器，取得了一些成果，如小油枪、中心火炬，预 燃室等，都产生了显著效果。在无油直接点火方面，现主要有三种技术，分别为等 离子直接点火;激光直接点火;电直接点火。进入 9 0 年代，美国、澳大利亚和日 本的科学家致力于采用激光技术实现直接点火。已在实验室进行了大量实验，但并 未实现工程化。我国 烟台龙源电力技术有限公司在俄罗斯等离子直接点火技术的 基 础上，开发了新型等离子直接点火装置，己处于l程应用阶段ll fl 目前国内外己经开发出来的低负荷稳燃器有:美国燃烧工程公司设计的w r 燃 烧器，其全名为直流式宽调节比摆动燃烧器;清华大学研制的火焰稳定船式直流 燃 烧器;华中理工大学研制的钝体燃烧器 以及煤粉预然室等技术。它们都是现在广泛 应用的低负荷燃烧器，都有各 自的优点。本文讨论的就是抚顺电厂 1 号炉改用低负 荷燃烧器后的燃烧状况。 2 . 1高温空气无油点火技术 2 . 1 . 1 技术原理 高温空气无油点火燃烧器是利用感应加热将空气迅速升温到 1 0 0 0 0 c , 然后将高 温空气引入燃烧器 内;与煤粉气流混合， 使煤粉颗粒受热后迅速析出挥发份而燃烧。 它由高温空气加热器、电源柜、点火燃烧器和自 动控制系统组成。高温空气加热器 是利用中频感应电加热装置来加热空气 。 高温空气加热原理:水冷线圈通电 后产生强的高变磁场， 处于高变磁场中的感 应管受电磁感应作用产生感应电动势，在其内部形成高感应电流一涡流。涡流克服 感应管 自身电阻生成焦耳热，感应管被加热并迅速升温。感应加热采用交变 电流， 交流电流通过导体时存在着集肤效应，临近效应 和圆环效应。 感应加热就是对交流 电三大效应的 综合利用。 感应器本身表现为圆环效应，感应器与感应管间为临近效 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章:高温空气无油点火及超低负荷稳燃技术 当前人类面临着严重的能源、 环境与人口问题， 尤其是我国目前经济发展迅速， 对能源的需求急剧增加。我国是一个典型的多煤少油的国家，能 源以 煤为主，电力 工业基本上用的都是煤，但在锅炉启动和低负荷稳燃时需燃用大量宝贵燃油，所以 国家能源规划提出电厂尽量少用石油等宝贵的战略资源。这就要求电厂锅炉在启动 时实现无油点火， 在低负荷稳燃时不投油。因此开发无油点火和低负荷稳燃技术是 今后电力科技工作者一项重要的任务。 自从 7 0 年代以来，世界各国科技人员在无油点火方面做了大量工作，开发了 一些新式煤粉直接或少油点火燃烧器，取得了一些成果，如小油枪、中心火炬，预 燃室等，都产生了显著效果。在无油直接点火方面，现主要有三种技术，分别为等 离子直接点火;激光直接点火;电直接点火。进入 9 0 年代，美国、澳大利亚和日 本的科学家致力于采用激光技术实现直接点火。已在实验室进行了大量实验，但并 未实现工程化。我国 烟台龙源电力技术有限公司在俄罗斯等离子直接点火技术的 基 础上，开发了新型等离子直接点火装置，己处于l程应用阶段ll fl 目前国内外己经开发出来的低负荷稳燃器有:美国燃烧工程公司设计的w r 燃 烧器，其全名为直流式宽调节比摆动燃烧器;清华大学研制的火焰稳定船式直流 燃 烧器;华中理工大学研制的钝体燃烧器 以及煤粉预然室等技术。它们都是现在广泛 应用的低负荷燃烧器，都有各 自的优点。本文讨论的就是抚顺电厂 1 号炉改用低负 荷燃烧器后的燃烧状况。 2 . 1高温空气无油点火技术 2 . 1 . 1 技术原理 高温空气无油点火燃烧器是利用感应加热将空气迅速升温到 1 0 0 0 0 c , 然后将高 温空气引入燃烧器 内;与煤粉气流混合， 使煤粉颗粒受热后迅速析出挥发份而燃烧。 它由高温空气加热器、电源柜、点火燃烧器和自 动控制系统组成。高温空气加热器 是利用中频感应电加热装置来加热空气 。 高温空气加热原理:水冷线圈通电 后产生强的高变磁场， 处于高变磁场中的感 应管受电磁感应作用产生感应电动势，在其内部形成高感应电流一涡流。涡流克服 感应管 自身电阻生成焦耳热，感应管被加热并迅速升温。感应加热采用交变 电流， 交流电流通过导体时存在着集肤效应，临近效应 和圆环效应。 感应加热就是对交流 电三大效应的 综合利用。 感应器本身表现为圆环效应，感应器与感应管间为临近效 华北电力大学 ( 北京)硕 卜 学位论文 应，而感应管本身表现为表面效应。 本技术采用了加热与点燃分开的方式以及分级着火的方式，点火时一级先着 火，然后是二级、三级着火，使得该技术防结焦性能非常优越。另外，感应加热反 应迅速，调节简单，不仅解决了锅炉用油点火启动时电除尘器无法投入而造成的环 境污染问题，简化了电厂设备系统，还具有火焰稳定、燃烧速率高等技术优势:同 时还可以给电厂带来较大的经济利益。因此，开展常规火电机组高效、洁净调峰技 术研究，对提高现有火电机组的调峰能力有着重要的意义【 2 9 ) 2 . 1 . 2 可行性分析 从化学动力学的角度看，工程上煤粉空气混合气流着火及气体可燃混合物的 着火都是以点燃方式进行的，根据预混可燃气体点燃的热力理论，要点燃气体可燃 混合物则必须提供一定的点火能量，即在短时间内提供大量的热量，或用较低水平 的能量维持足够长的时间，否则着火是不可能的。在可燃气体混合物局部被点燃而 先行着火后，着火的部分通过火焰面向未燃部分的混合气体输送热量及活化中心， 使之相继着火和燃烧，及开始发生火焰传播。 煤粉空气混合物与气体燃料相比不易点燃且更难维持稳定的着火。在煤粉炉中 煤粉的点燃过程是将一次风射流与高温烟气混合， 使得煤粉空气混合物的温度升高 到煤粉能够着火，这一温度由一定环境条件下煤粉着火的临界条件所决定。所以， 煤粉气流的着火条件不仅取决与用来点燃煤粉气流的热烟气温度，还和煤粉本身的 性质有关， 所需着火热比气体可燃混合物的点火能量大的多。如果能够对新鲜煤粉 空气气流连续的提供足够的着火热量，则可维持煤粉气流连续稳定的着火。按以上 理论，开发出一种加热装置，将空气加热到足够高的程度，连续的通入到煤粉气流 中， 应有可能将煤粉气流点燃， 并维持燃烧状态继续下去2 9 尽管煤的着火性质有其特殊性，影响煤燃烧的因素也较多，但与其他各种可燃 物燃烧 的本质是相 同的，即燃烧需要同时满足三项条件:可燃物、氧气和足够高的 着火温度。 煤粉气流在进入炉膛前己同时具备两个着火条件，即煤粉和输送煤粉气流空气 中的氧气，虽然输送用的空气中的氧有限， 但一定 程度上还能 满足初期燃烧。 高温 空气点火就是应用中 频电加热装置将部分空气加热到足够高后，将这部分高温空气 通入到燃烧器喷口 处特别设计的点火装置，利用空气的热量将部分煤粉点燃， 着火 后的煤粉释放