（工程热物理专业论文）75th电站循环流化床锅炉的数值模拟研究.pdf

兰兰奎兰竺圭兰竺兰三 一竺兰 ? 5 t h 电站循环流化床锅炉的数值模拟研究 摘要 循环流化床锅炉独特的优点在很多文献中都有详细论述，循环流化床也已被广泛应用于 能源、环保等工业领域中的气相加工和固相加工过程。数值模拟是研究工程气固多相流中辅 助实验方法的一种强有力的工具，本文首先对循环流化床锅炉的特点和采用数值模拟的方法 对7 5 t h 电站循环流化床锅炉的燃烧进行模拟研究的目的和可行性做了介绍。 其次，详细介绍了本文在进行数值模拟研究时所采用的模型。数值模拟建立在结构化的 网格基础上；采用三维稳态计算；对于气流场的求解采用s i m p l e 方法求解n - s 方程：气固 两相间的湍流计算采用r n gk 一湍流模型；煤粉颗粒的轨迹场采用基于拉格朗日的随机颗粒 轨道方法；对于炉内燃烧时的辐射和对流换热采用p 1 辐射模型：对煤粉挥发份的释放采用 了双匹配速率模型( t w oc o m p e t i n gr a t e sm o d e l ) ：对于气相的湍流燃烧采用了混合分率一 概率密度函数( m fx t uf e f r a c t i o n p d f ) 模型：对于焦炭的燃烧采用了运动扩散控制燃烧 模型( k i n e t ic s d i f l u s i o n ii m i t e dc h a rc o m b u s t i o nm o d e i ) ；对干氮氧化物的生成主要 考虑了燃料氯和热力氮的生成以及氮氧化物的再燃效应，采用后处理的方法 ( p o s t p r o c e s s i n g ) ，在已知炉内的流场和温度场的情况下，对氮氧化物求解组份输运方程。 数值模拟采用f l u e n t 60 进行计算。 最后，本文对计算结果给了直观的视图描述和定性分析。图示描述了炉内的温度分布； 氧气，二氧化碳和一氧化碳的浓度分布：燃料颗粒的轨迹：氮氧化物( n o ) 的排放。进而定性 分析了如下问题：一次风和二次风的风速大小和配风比例；给煤的粒径分布；外置式换热器 侧向风和底部流化风的风速和调节，以控制冷灰量以达到调节负荷目的；通过控制风速和添 加还原性材料以在炉内营造还原性气氛从而控制n o 的排放。数值模拟的结果和实验结果符 合的较好，因而对循环流化床锅炉的设计和实际运行有一定的指导意义和参考价值。 关键词：数值模拟：燃烧模型；循环流化床锅炉；n 0 排放 浙江大学硕士掌位论文 摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e c o m b u s t i o na n dp o l l u t i o n e m i s s i o n s f r o ma7 5 1 hc l r c u l a t i o nf l u l d i z e db e d b o i l e r o fp o w e rp l a n t a b s t r a c t t h em e r i t so fc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e rh a v e b e e nd i s c u s s e di n m a n y p a p e r sa n dl i t e r a t u r e s c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e dh a sa l r e a d yb e e nu s e di nm a n yf i e l d s u c ha se n e r g y ，e n v i r o n m e n te t c n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sav e r yp o w e r f u lm e t h o d a s s i s t a n tt ot h et e s tm e t h o di nr e s e a r c ho fm u l t i p h a s ef l o ws ob a s i ct h e o r yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h em o t i v ea n dp o s s i b i l i t yo fs i m u l a t i o nt oa7 5 t hc i r c u l a t i o n f l u i d i z e db e db o i l e ri nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r ei n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l y ，t h em o d e lo ft i f f sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni se x p a t i a t e d t h i ss i m u l a t i o ni s b a s e do l las t r u c t u r e dm e s hw i t hb o u n d a r yf i t t e dc o o r d i n a t e s 3 ds t e a d yn u m e r i c a l a p p r o a c hi su s e d ，s i m p l em e t h o d i su s e di n ( s o l v i n gn s e q u a t i o n s ) f l o wf i e l d p r e d i c t i o n ；r n gk 一o m d e li su s e da sc l o s u r eo ft u r b u l e n tr e y n o l d se q u a t i o n s l a g r a n g i a np a r t i c l et r a j e c t o r yi st r a c e d 二d u r i n gt r a v e l l i n gt h r o u g hg a sa n di n t e r a c t i n g w i t hg a s ，c o a lp a r t i c l e sd e v o l a t i l i z ea n du n d e r g oc h a rc o m b u s t i o n ，c r e a t i n gas o u r c eo f f i l e lf o rr e a c t i o ni ng a sp h a s e ，w h e r et w o c o m p e t i n g r a t e sd e v o l a t i l i z a t i o nm o d e la n d k i n e t i c s d i f f u s i o n - l i m i t e dc h a rc o m b u s t i o nm o d e la r eu s e d p1m o d e li se m p l o y e dt o s i n m l a t er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r s p e c i e sa n dc h e m i c a lr e a c t i o n sa r em o d e l e du s i n gt h e m i x t u r e - f f a c t i o n p d f a p p r o a c h a n dt h ef u l l e q u i l i b r i u mc h e m i s t r y ，w h e r et h e t u r b u l e n c ec h e m i s t r yi n t e r a c t i o ni sm o d e l e du s i n gad o u b l e - d e l t ap r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n ( p d f ) n o x ，i n c l u d i n gt h e r m a ln o xa n df u e ln o x ，a r ep o s t p r o c e s s e df r o m c o m b u s t i o n f l u e n t 6 0i su s e di nt o t a is i m u l a t i o n l a s t ，t h ep a p e rs h o w st h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s ei t t h e r e s u l t ss h o w e dp a ys p e c i a la t t e n t i o nt ot h ef o l l o w i n gp o i n t s ：t h eb o i l e rf u r n a c e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s ；o x y g e ns p e c i e s c o n c e n t r a t i o n s ，c a r b o n m o n o x i d e c o n c e n t r a t i o n s ，c a r b o nd i o x i d es p e c i e sc o n c e n t r a t i o n s ；p a n i c l et r a c k ；n o x ( n o ) e m i s s i o n f u r t h e rm o r et h ed i s c u s s i o ni sm a d ei nf o l l o w i n gt a s k s ：t h es p e e dr a n g eo f i h ef i j s ta i ra n ds e c o n da i ra n dw h i c hr a t i os h o u l db ec o n t r o l l e d ；t h ef i t t i n gv o l u m e a n df i t t i n gp a r t i c l ed i a m e t e ro ff e e dc a r b o n ；c o n t r o l l i n gt h ea s hv o l u m eo fe x t e r nh e a t 浙江大学硕士掌位论文 摘要 r e s u l t si n d i c a t e st h i ss i m u l a t i o ni sp r e t t yr e a s o n a b l ea n dt h u st h ec o n c l u s i o n sc a nb e u s e dt og u i d et h ed e s i g na n do p e r a t i o no f c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e db o i l e rs i m i l a r k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m b u s t i o nm o d e l ；c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e d b o i l e r ；n o xe m i s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘生或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的观明并表示谢意。 学位论文作者签名：饮过氏签字眺 年j 月堋 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解i 浙江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保尉- i f ：向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权堑垒盘堂可以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫拙等复制手段保存、汇编 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：f 宪迕 导师签名 签字期：矿乡年) 月r 日 签字日期： 年 e i f = _ _ 1 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地士i j = ： 电话 邮编 浙大学硕士掌位论文第一幸序论 第一章绪论 l 本文的工程背景 能源与环境是当今社会发展的两大问题。7 0 年代初出现的中东石油危机，使世界各国 将能源结构的比例从燃油( 天然气) 向燃煤转移。我国是产煤大国，也是用煤大国，目前 一次能源消耗中煤炭占7 6 ，在可见的今后若干年内还有上升的趋势，而这些煤炭中又有 8 4 是直接用于燃烧的，但其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效 控制，以致于我国每年排入大气的8 7 s 0 2 和6 7 n o x 均来源于煤的直接燃烧，可见发展高 效，低污染的清洁燃煤技术是当前亟待解决的问题。”1 电力工业是我国国民经济的基础，同时它又是一个门类齐全涉及到很多领域的行业。在 电力工业中的发电行业，我国目前主要以火力发电为主。1 9 9 5 年年底，我国的发电设备的 总装机容量已经达到了2 1 4 亿k w ，其中火电的装机容量为16 1 亿k w ，因而煤在整个能源 行业中有着不可替代的作用。火力发电虽然成本较高，但是基建投资少，一般不受地区限制， 建设时间较短，能够很快满足发展的需要。”1 但是，随着一次能源的日益短缺，以及对环保的不断重视，对火电厂的节能和环保提出 了越来越高的要求。我国的电站锅炉一般都存在着大量的问题，尤其是煤种多变、煤质差、 污染排放严重等等问题。流化床燃烧具有对燃料适应性好，有害气体排放量低等优点，自它 问世以来在世界各主要工业化国家得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、 窑炉和焚烧各种废物、烧水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层燃燃烧与煤粉 燃烧之间的一种燃烧方式。层燃燃烧燃烧效率低：煤粉燃烧燃烧效率高，但气体污染排放物 多。流化床燃烧则克服了二者的某些缺点，保留了它们的优点，是一种很有竞争能力和优势 的洁；争燃烧技术。专家们估计，下一个世纪将是流化床燃烧在大型电站锅炉、工业锅炉和各 种废物焚烧炉等方面得到广泛应用的世纪。“5 ” 2 循环流化床锅炉的特点 循环流化床锅炉与层燃锅炉、煤粉锅炉相比，前者具有高效、低污染、低成本等特点， 显示了它强大的生命力，近1 0 年来得到了迅速的发展。特别是j u e , 流化床燃烧技术能将煤 化工和煤 j | l 烧综合，实现蒸汽一燃气联合循环发电。是世界主要工业发达国家正在致力发展 的第三代燃烧技术。流化床锅炉有如下一些优点：“” 1 对燃料的适应性特别好，可以烧优质煤，也可以烧各种劣质燃料高灰煤、高硫煤、 高灰高硫煤、高水分煤、各种煤矸石，还可以烧油页岩、石油焦、尾矿、煤泥、尾气、炉渣、 树皮、废木头、垃圾等。在燃料来源、品种和质量多变的情况下，采用流化床燃烧技术是特 别适宜的。这也是循环流化床锅炉的主要优点之一。 浙江大掌硕士掌位论文第一章 序论 2 燃烧效率高。采用带飞灰循环燃烧的流化床锅炉，根据炉型和煤种不同，燃烧效率可 达9 0 一9 9 。效率要比鼓泡硫化床锅炉高，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧 效率高是因为有下述特点：气一国混合良好；燃烧速率高，特别是对粗粒燃料；绝大部分未 燃尽的燃料被再循环至炉膛。与鼓泡流化床锅炉不周，循环流化床锅炉能在较宽的运行变化 范围内保持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的的燃料时也是如此。 3 流化床的截面热强度高，鼓泡床锅炉的截面热强度为卜v 3 m 吖j i l 2 ，循环流化床的截面 热强度为3 8 m w m 2 。 4 流化床燃烧温度一般为9 0 0 0 左右，采用石灰石作为床料添加剂时，炉内脱硫效果 好。与煤粉锅炉采用烟气干法和湿法脱硫相比，前者电厂投资和运行费用大为降低。循环流 化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉也更加有效。典型的循环流化床锅炉达到9 0 脱硫效率 时所需的脱硫剂化学当量比为1 5 2 5 ，鼓泡流化床锅炉达到9 0 脱硫效率则需脱硫剂化 学当量比为25 3 甚至更高，有时即使c a s 比再高，鼓泡流化床锅炉也不能达到9 0 的 脱硫效率。1 5 流化床锅炉的负荷调节范围大，调节性能好。对鼓泡床锅炉，采用分床压火或调节 料屡厚度，负荷变化范围为1 0 0 鼽5 0 。对循环床锅炉，采用改变灰循环量可使锅炉的负 荷变化范围为1 0 0 2 5 。负荷的连续变化速率可达5 1 0 。 6 流化床锅炉的溢流渣、冷渣含碳量低，可作为水泥熟料的添加剂和建筑材料。同时低 温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 7 流化床锅炉一般采用分级燃烧，燃烧温度不高，n o x 的生成量显著减少。鼓泡床锅炉 烟气中n o x 的浓度为3 0 0 4 0 0 p p m ，循环流化床锅炉烟气中n o x 的浓度为1 0 0 2 0 0 p p m 。 8 燃烧强度高，炉膛截面积小a 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优 点 之一a 循环流化床锅炉的面热负荷约为35 45 删秆，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓 泡流 化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 3 倍。n 2 1 9 给煤点少。循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使 所需的给煤点数大大减少。如热功率为1 0 0 m w 的循环流化床锅炉只需个给煤点，而相同容 量的鼓泡流化床锅炉则需2 0 3 0 个给煤点( 底饲) 。在循环流化床锅炉中，燃料经常给入反 料管内。这样在进入炉膛前经历一个预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 1 0 燃料预处理系统简单。循环流化床锅炉的给煤粒度般小于1 2 r a m 。因此与煤粉锅炉 相比，燃料的制备破碎系统丈为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤( 水分可 达到3 0 o 以上) ，当燃用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 11 床内不布置埋管受热面循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡 流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结 2 浙犬掌硕士掌位论文 第一章 序论 焦处理时间短，同时长时间压火之后可直接启动。 1 2 投资和运行费用适中循环流化床锅炉的投资和运行费用路高于常规煤粉锅炉。但比 配置脱硫装置的煤粉炉低15 2 0 。 正是流化床自这些优点，h r ，霍伊断言，”滚化床燃烧是燃烧矿物燃料唯一现实的新 方法。然而事物总是有其两面性，流化床锅炉也不例外。它有着如下一些缺点：”“风机电耗 高：受热面，耐火材料的砌筑部件磨损严重；高温，耐火材料砌筑部件的耐火厚度大。启动 时间长；在燃煤质量和燃煤尺寸的筛分特性变化很大时，要稳定燃烧并达到设计蒸发量也是 有困难的；燃烧过程中生成的n ，0 比煤粉燃烧方式高4 0 5 0 倍，煤粉燃烧中n ，0 的排放浓 度只有5 p p m 左右，循环流化床燃烧过程中的n ，0 排放浓度达2 0 0 p p m 以上。n ，0 对臭氧层 的破坏作用，对地球的温室效应有不可忽视的影响。另外，如下一些问题也是有待探讨的问 题：“1 5 1 1 循环物料的分离，在目前使用的高温、中温和低温分离器中，只有高温旋风分离器 在技术上相对比较成熟，但燃用高灰燃料时分离器的磨损问题一直没有得到解决，而且分离 器的体积也过于庞大，基本上和炉膛直径相近。正是由于这个限制，大容量的循环流化床锅 炉必须配备多个分离器。由于旋风分离器内衬有较厚的防磨耐火材料，热惯性大，因此延长 了启动时间，负荷变化动态特性变差。所以效率高、体积小、阻力低、磨损轻和制造运行方 便的循环物料分离装置还有待进一步发展。 2 循环流化床内固体颗粒的浓度选取。循环流化床内固体颗粒浓度对燃烧过程、脱硫 过程和传热过程都有很大影响，但合适的循环流化床内固体颗粒浓度的确定却十分困难。这 个浓度的选取直接关系到循环倍率，是急待解决的问题。在实际运行中，要同时考虑外部循 环和内部循环这也是一个至今没有解决好的问题。 3 炉内受热面和温度控制。目前炉内吸热主要有两种方式：一种是炉膛内布置水冷壁 或隔墙；另一种是炉膛内布置部分受热面在固体物料循环回路上再布置流化床换热器。两 种方法都是可行的且目前都有实际运行的炉子。但这两种方法的控温方式，包括自动控制温 度方式仍有待进一步研究。 4 运行风速的确定。这是一个很重要的参数，一般运行风速为4 l o m s 。运行风速提 高会僵炉子更为紧凑，截面热负荷相应增大，此时为了保证燃辛茸和石灰石颗粒有足够的停留 时间和布置足够的受热面，必须增大炉膛高度。这样不仅磨损会增加，而且锅炉的造价也可 能增加，风机功率会增大- 厂用宅也会增大。运行风速选择过低刹发挥不了循环流化床的优 点，所以对每种燃料都有最佳的运行风速。这个问题还有待进一步探索。 5 ，运料机扮。在缮环流化床中，被分离下来的固体物料峦须递远返判机构送回床内。 由于是在高温条件下运行t 所以采用机械阀会很容易卡死，转动不灵等现象，1 i i i 且磨损也很 严重。目前一般采用非机城橱，但由于许多厂家开发的返料机构都是保密的。所以要开发自 己的循环流化床必须要开发出相应的返料机构。 浙江大学硕士掌位- y e 文第一章 序论 6 循环流化床锅炉部件的磨损。由于循环流化床锅炉内的高颗粒浓度和高运行风速， 锅炉部件的磨损是比较严重的。而这部分的研究工作却还比较薄弱。 7 低污染燃烧。对于如何降低n o x ，目前研究较少，比较一致的是分段燃烧肯定对降 低n o x 有帮助。其他诸如床温，烟气再循环，注氯以及脱硫剂对n o x 的形成的影响等，不 同的试验甚至得出截然相反的结论。这些问题不解决，降低n o x 的排放很难达到一个优化 的水平。 8 炉内传热。目前虽然对循环流化床的传热问题进行了大量的研究，但由于传热本身 的复杂性，传热系数的计算和选取至今还是建立在经验的基础上，有些设计计算于脆假定一 个总的传热系数值。到目前为止，循环流化床内传热的机理尚未完全搞清楚，这方面仍有待 研究。另外尾部受热面，除尘，自动调节控制特性，风机系统配套，灰渣综合利用也需要进 一步研究。 3 工程气固两相流的计算机辅助优化实验( c a t ) 研究方法“9 - ” ”2 ” 研究循环流化床的燃烧特性，对煤种的适应性，污染物排放等特性有着很大的现实意 义。大学的研究人员和企业的工程技术人员已经做了大量的实验，得出了很多有价值的第一 手数据，但由于实际的电站锅炉都很庞大，并且通常都处于高温、高压甚至有害的环境下工 作，使得实际的实验是困难的，有些甚至是不太现实的。这就出现了数值模拟，即将数值计 算方法、两相流体力学、传热传质学、燃烧学以及锅炉的设计运行等相互结合在一起，对各 种具体工程实际问题，在合适的物理模型、数理统计理论和计算设计和分析方法的指导之下 进行大量的模拟优化计算，从而得出对工程应用有指导意义的结论，使实验的方向性更加明 确。在这种背景下，浙江大学岑可法院士和樊建人教授提出了计算机辅助优化数值试验( c t ) 方法，就是将数值计算方法、两相流体力学、传热传质学、燃烧学以及锅炉的设计运行等相 互结合在一起，对各种具体工程实际问题，在合适的物理模型、数理统计理论和计算设计和 分析方法的指导之下，进行大量的模拟优化计算，从而得出对工程应用有指导意义的结论， 使实验的方向性更加明确。 ( 3 a t 数值模拟方法大致可以分为以下的几个主要步骤： ( 1 ) 建立基本的守恒方程组：数值模拟的第一步是由流体力学、热力学、传热传质学、 燃烧学及其他一些基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性等守恒方程组， 如连续方程、扩散方程、湍流动能方程等。 ( 2 ) 确定边界条件：按照给定的几何形状以及相应的尺寸，由问题的物理特征出发，确 定计算区域，并且给定计算区域的进出口、轴线( 和对称面) 以及边壁或者自由面处的条件。 对- - t - 两相流需要分别给出各相中各变量的时均值和脉动值的边界条件。 ( 3 ) 建立或选择模型和封闭方法：在第一步中列出的方程组往往是不封闭的，特别是湍 流两相流更是如此。解决这一问题，使方程组封闭，是数值模拟理论的关键问题。必须由实 4 浙* 大学硕士学位论文 第一章序论 验或者物理概念的基本假设出发来构造或者选择各个分过程的模型，如湍流流动模型、两相 流模型、湍流气相反应模型等等。 ( 4 ) 建立和求解离散化方程：用数值法求解偏微分方程组后，必须将方程组离散化，湍 流两相流动常用的离散化方法是差分方法。 ( 5 ) 研究计算技巧：对湍流两相流必须探讨两相间迭代以及反应和流动间迭代的最佳步 骤，颗粒相连续性的校正、轨道积分方法等。 ( 6 ) 编写并调试计算程序。 ( 7 ) 模拟与实验的对比及改进模型和解法。 可以用一个流程框图来表示c a t 方法： 随着计算机存储容量的不断增加，计算速度的不断提高，计算方法的不断完善，数值 模拟得到了迅速的发展。 4 本文的主要研究内容 浙江大掌硕士学位论文 第一章 序论 本文针对浙江大学与江苏扬中热电厂合作开发的7 5 t h 循环流化床三联产装置进行了 计算，主要硪究内容如下： 1 ) 循环流化床内的流动情况。包括炉膛，旋风分离器，和反料机构的流动情况。探讨 流化风和二次风对燃烧的影响。 2 ) 环流化床炉内的燃烧情况。探讨火焰的形状：如何才能组织好燃烧：给煤，配风等 因素是如何影响燃烧的。 3 ) 内的温度场。炉内的温度是如何分布的；各种组分的质量份额分布如何。 4 ) 如何调节外置式换热器的侧向风和底部流化风来调节冷灰量以达到调节负荷的目 的。 5 ) 用脉动频谱随机颗粒轨道模型( f s r t ) 跟踪燃料颗粒在循环流化床内的运动情况。 6 ) 氮氧化物( n o ) 的排放一直是普遍关注的问题，本文对n o 的排放做了探讨性的模拟 计算。 浙大学硕士掌位论文 第= 章循环流化床燃烧数值模拟基础 第二章循环流化床燃烧数值模拟基础 前言 煤颗粒在炉膛内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发份的释放、焦炭的 非均相反应和燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，涉及到多相流动、传热传 质和燃烧等多个学科。以解析方法为手段的经典燃烧理论，只有在做了大量的理想简化以后， 才能得到某些定性的关系。长时间以来燃烧学基本是- - f - 实验科学。计算机的出现促进了燃 烧学与数值方法的结合。对基本燃烧现象和实际燃烧过程进行计算机模拟是基于如下思想： 燃烧过程的变化是有规律的，它满足物理和化学的基本定律。经过多年的探索，得到了如下 的统一的方程形式：。”“1 o 导妒) + d v ( ) = d v 心耐列+ ( 2 - 1 ) l 方程中的四项依次称为时间导数项、对流项、扩散项、和源项。由于燃烧过程中的控制方程 具有数目多、非线性和相互耦合的特点，在一般情况下方程组找不到解析解，而只能数值求 解，目前常用的是：有限差分中的控制容积法，上风差分格式和隐式方法。当然方程离散化 后有各种不同的求解方法。“2 ” l 数值模拟的模型和方程 连续性方程 对于气相场，本文是基于e u i e r 方法求勰下式：” d i v ( p v q ) ) 一d i v ( f g r a d ( b ) = &( 2 2 ) 针对不同的求解变量，只要变化方程中的巾就可以了。中可分别代表速度u ，v ，w 湍动 能k ，湍能耗散率e ，混合分颧等，当= l 时，上式即为连续性方程。v 是速度矢量p 是流 体质量密度r 是扩散系数s m 是对于变量中的源项它依赖于要求解区域的几何形状输运 系数和其他的变量。求解算法基于s i m p l e 方法，湍流模型采用r n gk e 模型模拟气固两相 湍流作用。”7 1 煤粉颗粒的跟踪采用了随机轨道法( s t o c h a s t i ct r a c k i r i g ) 颗粒的运动方程是：j ( d r p 西) 2 肌p g + 吉胪。( v 。一v ，) j r 。一v ，k( 2 ：3 ) 通常把燃料和氧化剂分开而不是充分混合后进入燃烧区的火焰称为扩散火焰，把这釉燃 烧称为非预混燃烧。对于流化床内的煤粉燃烧，认为是非预混燃烧，本文采用了如下模型： 对煤粉挥发分的释放采用了双匹配速率模型( t h et w oc o m p e t i n gr a t e sm o d ej ) ；t “用 p 1 辐射模型计算辐射传热；1 用混合份额一概率密度函数( m ；x t u r ef r a c t i o n p d f ) 模拟 组份湍流燃烧。口” 7 浙大掌硕士掌位论文 第= 章循环流化床燃烧数值模拟基础 类似于湍流模型的任务是封闭湍流输运项，同样，湍流反应模型的任务是模拟平均化学 反应速率项。”由于该项同时受湍流混合、分子输运和化学反应动力学的影响，因而难以得 到普遍适用的平均反应率的模型。最简单的湍流反应模型是s p adn g 提出的旋涡破碎模型 或e b u 模型( e d d y b r e a k - u pm o d e i ) 。它直接由物理上的设想出发对湍流反应机理作出假 设。此外，如k e - g 模型、“拉切滑移模型”等。”这些模型的应用比较成熟，能够定量描 述湍流混合在高雷诺数湍流燃烧中的控制作用，但因为这些模型是建立在简单化学反应系统 或快速反应等假设基础上的，因此没有恰当而全面地考虑分子输运和化学动力学等因素的作 用，无法解决有关复杂化学反应问题的计算。” 上述湍流流动模型和湍流化学反应模型都存在一个封闭问题，即必须对湍流输运项和化 学反应速率做出某种形式的模化，使得控制方程组封闭。”而且，对于某些复杂反应问题， 与化学反应的详细机理有关的问题，如湍流燃烧过程中污染物( n 0 ，、s 0 。和碳黑等) 的生成， 以及点火、熄火等复杂的多组分、多步化学反应系统，这些模型都难以精确计算。”6 1 大量的 实验启示人们：在分析湍流火焰时，仅考虑湍流的输运特性是不够的。必须考虑湍流的脉动 特性对火焰的影响。”本文要采用的概率密度函数( p d f p r o b a b i | i t yd e n s ；t vf u n c t ；o n ) 输运方程模型，则在克服以上这些困难方面有其独特的优势。p d f 输运方程模型求解的是速 度和化学热力学参数的联合概率密度函数的输运方程。在这个方程中，与湍流输运和化学反 应速率有关的项都以封闭的形式出现、可以精确计算。同时，p d f 输运方程模型还可以提供 比通常的湍流模型更多的信息。3 因为知道了速度和化学热力学参数的联合概率密度函数以 后，它们的平均量及任意阶的统计矩都可以求出。“”因此，p d f 输运方程模型很适合干模 拟那些必须考虑湍流流动、复杂化学反应机理及其相互影响的湍流反应流问题、如点火、熄 火、湍流燃烧及污染物的生成过程。下面就本文在燃烧中所采取的模型做简单介绍。 挥发份析出模型 挥发份的析出( 或热解) 过程是煤粒受到高温加热后分解并产生大量气态物质的过程， 热解产物由焦油和气体组成。煤的热解是煤炭转化过程( 气化，燃烧。液化，炼焦等) 的一 个重要的初始过程，并对后续过程有很大影晌。一般热解可分两类：1 在惰性气氛中加热时 煤中挥发份析出的过程。2 在氧化性气氛中加热时煤中挥发份析出的过程。对挥发份的析出 模型有单方程模型，双方程模型，通用模型等很多种，本文采用t w o - c o m p e t i n g r a t e s k o b a y a s h i 模型，其计算方程如下： 暇l = 4 e - l e i r o j ( 2 4 ) 贸2 ：, 4 2 p 一( 6 z78。)(2-5) 这里和9 i2 是在不同温度下控制挥发份析出的竞争比率，两个竞争比率经加权平均后得 到挥发份析出的表达式： 8 浙江大学硕士掌位论文第= | 循环流1 匕床强i 烧数值模拟基础 巧警岛= 弘忍坶蚓e x p 一胁删：产c z 吲 这里，州，0 ) 是挥发份产生对时问的函数，州舢是初始颗粒射流的质量，a l ，a 2 是生成因 子，肌。是颗粒中所含的灰份。k o b a y a s h i 模型需要如下这些系数：a 。e 。，月：，和e ：以 及上述的a l 和。2 ，建议a l 选取工业分析中挥发份的份额，因为这个数宇是在温度比较低 的情况下作出来的，口2 应选取和高温相一致的数值。通常此方程和传热方程是一起联立求 燃料的燃烧模型。“ 煤粒子的燃烧模型采用k i n e t i c d i f f u s i o n ii m i t e d 模型。此模型假设煤粒子表面燃烧 反应速率要么是由动力反应率来决定，要么是由扩散反应率来决定。“5 “4 ”本文在计算中采 用了e a u m 和s t r e e t 的模型，目h 由扩散反应率系数 和动力反应速率 d o i c 。坠掣坐 。：吲 贸= c p 一怛7 8 0 ( 2 8 ) 加权平均得到碳的反应速率 鲁= 卅p 。羔 c z 吲 式中心是包围在煤粒子周围气氛中氧化剂的分压力，孵是动力反应速率，其中包括了碳粒 子内部孔隙中所发生的扩散化学反应。实际应用中，方程( 2 6 ) 常被写成如下方式： 等一蒯；器器( 2 - - 1 0 ) 式中k 是氧化剂的质量份额：值得注意的是，在此时，煤粒子的大小被认为是常数，但密 度是逐渐下降的。 p - ! 辐射模型“” p 一1 辐射模型是广泛使用的p n 模型中最简单的一种模型，它是在球形和声学正交级数 辐射强度的基础上扩展开来的。“”在p n 模型中如果在正交级数中只取4 级精度的话，则为 p - 1 模型，其热流方程如下： 9 兰兰查兰兰圭兰竺兰至 兰三兰兰兰兰兰皇兰兰兰兰竺丝! ! 兰 g ，= 一石丽1 v g ( 2 1 1 ) 这里，口是吸收系数，盯。是散射系数，g 是附带辐射，c 是线性一各向异性相函数的系数 下文中还将讲述它。引入参数： r 2 丽万j l i i 习( 2 - - 1 2 ) 方程( 2 - - 1 1 ) 简化为 则口的输运方程为 q = 一f v g ( 2 1 3 ) v ( r v o ) 一a g + 4 a c r t 4 = s g ( 2 1 4 ) 其中，仃是斯蒂芬一波尔兹曼常数：s 。是用户自己定义的辐射原项。当p 一1 模型启动后， 计算方程( 2 1 4 ) 来决定环境的辐射强度。联立方程就( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) ，得到如下方 程： - - v q 一= a g 一4 a ( r t 4 ( 2 1 5 ) 这个表达式可以直接用于能量方程来计算由于辐射而产生的热源或热阱。 各向异性的散射也已经被包含在p - 1 模型中，各向异性散射相函数的方程如下： 中( 弘i ) = 1 + 西i ( 2 - - 16 ) 这里，i 是散射方向的单位矢量，i 是入射辐射方向的单位矢量。c 是线性一各向异性相方 程的系数，是流体的物理性质，在一1 到1 的范围内变化。i f _ l j c j 数值说明向外散射的辐射能 量超过返回的能量：反之，负的数值说明向外散射的辐射能量低于返回的琵量。零值说明是 各向同性的。 颗粒相在p - 1 模型中的影响 当含有一定灰度，吸收系数，发射系数，散射系数的颗粒相时，p - 1 模型的辐射输运 方程可以写成如下形式： v ( r v g ) 砌( a 等心卜鸲) g = 。 这里e ，是颗粒相的当量发射系数- d ，是当量吸收系数。二者分别定义如下： 0 浙江大掌硕士掌位论文 第= 章循环流化床燃烧数值模拟基础 l i + m 。了缸- 4 ，譬= 一4 ，孑 旷煳弘等 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 在方程( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 中，s m ，a 和分别是颗粒n 的发射率，投影面积和 颗粒n 的温度。总和表示的是在体积r 中总共的颗粒数目肮在跟踪颗粒时，这些颗粒将被 跟踪。颗粒n 的投影面积是按如下方程定义的： 。蒯二 以p n2 广 其中，d 。是第n 个颗粒的直径。 方程( 2 - 17 ) 中的f 是按如下方程定义的： r - 南 其中颗粒的当量散射因子定义为： q = 渤姜o 。x 1 一) 等 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 在进行颗粒跟踪时要计算此方程。f 。是与第n 个颗粒相关的散射因子。由于颗粒辐射而日 起的热源或热阱受到了充分考虑并被包含在如下方程中： 讪一厅( 等佴 + ( d 们，) g c z 嘞， p 一1 模型中壁面边界条件的处理 在处理边界条件时，是通过计算壁面向外的法向矢量亓和如下方程的点积来解决的。“1 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 从而对壁面的入射辐射热流g 为一g 。壁面的辐射热流可以用下面的方程来计算 1 w ( ，i ) = 兀妒，j ) ( 2 2 6 ) 兰兰垒兰翌圭兰竺兰至 兰三兰兰兰兰兰垒兰兰兰兰兰兰! ! 竺 l 胪，i ) = “号a t 4 + 风j 舻，一i ) ( 2 - - 2 7 ) 这里p 。是壁面的反射率。此时用m a r s h a k 边界条件来消除有角度依赖的壁面条件。用方程 来代替( 2 2 6 ) 和( 2 - - 2 7 ) 两个方程来计算壁面的综合热流。 假设壁面是漫散射的有灰度壁面，此时 则上式变为 p 。= 1 一。 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 一蠢- c w ) ( 2 - - 3 1 ) 这个方程用来计算能量方程中的q 和有入射辐射的壁面边界条件。p 一1 模型对流体入口 和出口的边界条件处理和对墙壁的边界条件处理是一样的。如上所述只需要确定流体的灰 度即可。 湍流的非预混燃烧模型”“ 非预混燃烧模型是基于一个简单而又广为认可的假设的基础上的：流体的瞬时热化学状 态和一个守恒标量一混合分额厂相关联。混合分额可以由原子质量份额来表示： ：二兰 ( 2 - - 3 2 )。 z ， d z 这里? ，是组份的元素i 的质量分额。下标o x 表示是在氧化性气流的入口，下标f u e 表示是在燃料流的入口。如果所有组分的扩散系数是相等的，那么上式对于所有元素都是相 同的，混合份额定义也是唯一的。这里所说的混合份额是指来源于燃料流的元素的质量份额， 而且，这里的质量份额包括来自燃料流的所有元素，包括n 2 和任何与燃料混合的氧化性组 分，比如0 2 。 班 一s 弦 一j pl h r j o = 施_ j 一s 扩0 ho 学 一 = w叮 浙z 大掌硕士学位论文 第= 章循环流化床燃烧敢值模拟基础 如果除了燃料流之外，还有另外的二次流( 其他的燃料或氧化剂，或非反应的气流) ， 燃车斗和二次流的混合份颧也就是燃料和二次流的质量份额。系统中所有三种混合份额之和 ( 燃料流，二次流，氧化剂流) 总是等于1 ： 厶。，+ 六。+ 厶= i ( 2 3 3 ) 也就是说，只有在圉2 1 中三角形a b c 所示的部分中的点才是有效值，因而，燃料流的份 额和二次流的份额存在一个依变关系，不能单独变化，它们的值必须在图2 2 中三角形o b c 中变化。 毛。 d 图2 1 t 。， 。一口厶的关系图 般来说主要的燃料流的份额 。，的值在o 1 之间变化。可以为1 是考虑到只有单 项流的情况。= 次流的份额正。则要由下面的方程来定： 丘。= p 。【i 一一“j ( 2 - - 3 4 ) 式中见。是常规二次流的混合份额，值就取二次流坐标轴与如上方程所决定的线段的交 点。如图2 2 所示。值得注意的是，不管，k ，的值如何，p 。总是被固定在o - - 1 之间。p 。 的一个重要的特性就是关于 。独立的统计独立性，而且它也不是个守恒标量。基手相 等扩散率的假设，组份方程可以减少到对于混合份额厂的单个方程。 尽管相等扩散率在边界层层流流动中还存在羞质疑，但在湍流对流远远大于分子扩散 时，这种假设仍被广泛接收，此时平均( 时均) 的混合份额方程为： 暑冉) 毋f 争耵卜 ( z 嘣， 源项锄仅仅依赖于从液体燃料滴或反应颗粒( 例如，煤粉颗粒) 传瑜到气援购质量。 浙江大掌硕士掌位论文第= 章循环流化床燃烧数值模拟基础 1 咚。 f 8 e c o fr f u e t1 图2 - - 2 工。，厶“和p 。的关系图 湍流化学反应的p d f 模型”“”“ 概率密度函数( p r o b a b i | i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 的定义：概率密度函数p ( ，) 可以认 为是流体在状态f 停留的时间份额，图2 3 表示了这个撕念。厂的脉动值，如图中右边所 画的那样，在a f 内停留了一些时间片段。概率密度函数卢( 疗的取值要正好使在，间隔内 的曲线所围的面积等于，在这个范围内停留的时闫值，如图中左边所示的那样。用数学式 可以表示为： 1 p 驴) v = l i m 去0 ( 2 - 3 6 ) 7 - + 1 这里t 是时间尺度，f ，是厂在厂范围内停留的时间量。函数卢( ， 的曲线形状依赖于厂值 湍流脉动的特性。 概率密度函数睦线的形状一般可以两种数学函数表示：一种为双三角函数( d o u b i 。 d e i t af u n c t i o n ) ，另一种为0 函数。采用双三角函数便于p d f 模型的计算，但是采用b 函