（热能工程专业论文）o2co2气氛下炉内燃烧过程数值模拟研究.pdf

l _ - 一 j j1 声明尸明 | | | i i iii ii i ii ll ii l lllllli | y 17 8 5 9 3 8 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 0 2 c 0 2 气氛下炉内燃烧过程数值 模拟研究，是本人在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过的研究成果，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料与我一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说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：到主聋 日 期：坦：墨： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对某电厂3 0 0 m w 四角切圆锅炉燃烧过程进行了数值模拟计算。首先，计算 研究对象在设计工况下的燃烧结果，将数值模拟结果与设计参数对比，以验证所选 择模拟和计算控制参数的合理性。其次，在前面的基础上计算不同0 2 浓度的0 2 c 0 2 气氛下炉内的燃烧过程，并进行对比分析，找到一种与空气气氛下燃烧结果最为接 近的0 2 浓度。接着，本文以0 2 c 0 2 气氛下炉膛内辐射换热量与空气气氛下最为接 近为标准，分别从锅炉运行调整和炉膛结构改造的角度进行数值模拟研究，找到合 适的调整方式或炉膛结构，使得原锅炉不经过较大改造能直接适应0 2 c 0 2 气氛下煤 粉的燃烧。最后，对本文所研究内容进行总结和展望。 关键词：o d c 0 2 。锅炉，燃烧，数值模拟 a b s t r a c t i tc a l c u l a t e sc o m b u s t i o np r o c e s s e sf o rat a n g e n t i a lb o i l e ro f30 0 m w b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n f i r s t l y , i ts t u d i e sc o m b u s t i o nr e s u l t su n d e rd e s i g nc o n d i t i o n sa n dc o m p a r e s t h er e s u l t sb e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd e s i g nc o n d i t i o n i no r d e rt o v e r i f yt h e r e a s o n a l i t yo fc h o s e np a r a m e t e r s s e c o n d l y , i tc a l c u l a t e st h ec o m b u s t i o np r o c e s s e su n d e r d i f f e r e n t0 2c o n c e n t r a t i o n so f0 2 c 0 2a t m o s p h e r e c o m p a r i n gt h er e s u l t s ，i tf i n d sak i n d 0 2c o n c e n t r a t i o nt h a tc a no b t a i nt h ec l o s eh e a ta sa i ra t m o s p h e r e i tt a k e sr a d i a t i o nh e a t t r a n s f e ri nf u r n a c eu n d e r0 2 c 0 2a t m o s p h e r ee q u a l st ot h a tu n d e ra i r a t m o s p h e r ea s s t a n d a r d ，r e c e i v i n gs u i t a b l ea d j u s t m e n tm e a n so rf u r n a c es t r u c t u r e ，s oo r i g i n a lb o i l e rc a n m e e t0 2 c 0 2a t m o s p h e r ed i r e c t l yw i t h o u tl a r g e r a l t e r a t i o n f i n a l l y , i ts u m m a r i z e sa n d p r o s p e c t si nt h ep a p e r l i uh o n g - w e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f il i uy a n f e n g k e y w o r d s ：o z c 0 2 ，b o i l e r ，c 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 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 主要符号表 第一章引言1 1 1 选题背景及意义l 1 2 国内外0 2 c 0 2 燃烧的发展过程及研究现状2 1 3 电站煤粉锅炉数值模拟的研究动态与现状3 1 4 本文的研究目的与内容4 第二章电站锅炉炉内燃烧数值计算模型6 2 1 引言6 2 2 三维湍流两相流基本守恒方程组6 2 2 1 连续性方程6 2 2 2 动量守恒方程6 2 2 3 能量守恒方程7 2 2 4 化学组分平衡方程7 2 3 气相湍流流动模型7 2 4 气固两相流动模型9 2 5 湍流的气相燃烧模型1 0 2 6 煤粉的燃烧模型1 1 2 6 1 挥发份的热解模型11 2 6 2 焦碳的燃烧模型1 l 2 7 辐射换热模型1 2 2 8 数值模拟软件概述1 3 第三章锅炉原型及模拟工况介绍，：一1 5 3 1 锅炉原型概况1 5 3 2 网格的划分，定解条件和边界条件1 5 3 2 1 网格的划分1 5 3 2 2 边界条件的确定1 8 第四章不同氧气浓度下锅炉燃烧的主要模拟结果及分析2 1 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 空气气氛下各参数的模拟结果及分析2 l 4 1 1 流场的模拟结果2 1 4 1 2 温度场分布2 3 4 1 3 组分场的分布2 4 4 1 4 壁面热负荷的分布2 5 4 1 5 颗粒运动轨迹的分布2 6 4 1 6 模型准确性的验证2 6 4 2 不同0 2 浓度下各主要参数的模拟结果2 7 4 2 1 流场结果的比较2 7 4 2 2 温度场结果的比较2 8 4 2 3 壁面热负荷和总吸热量的比较3 0 4 2 4 炉膛出口截面参数的比较3 3 4 3 本章小结3 4 第五章对锅炉进行燃烧调整的数值模拟结果3 5 5 1 燃烧器摆角向上调节3 5 5 1 1 速度场分布3 5 5 1 2 温度场的分布3 6 5 1 3 壁面热负荷与总吸热量3 8 5 2 改变过量0 2 c 0 2 系数4 0 5 2 1 流场分布4 0 5 2 2 温度场分布4 l 5 2 3 壁面热负荷分布4 2 5 2 4 炉膛总吸热量的分布4 3 5 3 改变一次风率4 3 5 3 1 流场分布4 4 5 3 2 温度场分布4 4 5 3 3 壁面热负荷4 6 5 3 4 炉膛总吸热量：4 7 第六章炉膛结构改造的数值模拟研究j 4 9 6 1 炉膛改造方案4 9 6 1 1 两种改造方案的介绍4 9 6 1 2 改造前后的锅炉结构参数对比4 9 6 2 改造前后数值模拟结果对比分析5 0 1 1 7 华北电力大学硕士学位论文目录 6 2 1 流场的分布5 0 6 2 2 温度场分布5 1 6 2 3 壁面热负荷和总吸热量的分布5 2 6 2 4 总吸热量5 3 第七章结论与展望5 5 7 1 本文的主要研究成果5 5 7 2 下一步工作展望5 6 参考文献5 7 致谢6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 1 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 主要符号表 吸收系数 指前因子 氧气的扩散系数 活化能，k j k g 颗粒的等效辐射 定压比热，j k g k 颗粒直径，胛 颗粒密度，k g m 3 颗粒速度，m s 壁面入射辐射 入射辐射 湍流粘性系数，e o j 湍流动能，m 2 s 。2 湍流动能耗散率， m 2 s _ 3 碳的摩尔质量，k g m o l 烟气含氧量， 压力，m p a 雷诺准则数 通用气体常数 散射系数 辐射热流，w m 2 绝对温度，k 导热系数，w ( m 。c ) 流体动力粘度，p a s 斯蒂芬玻尔兹曼常数，w ( m 2 k 4 ) 一次风速，m s 口 彳 e q 砟瓯 g 所 七 占丝q p 疋 r q 靠 r 力 w 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着经济和社会的发展，化石燃料作为人类利用能源的主要来源，正在扮演越 来越重要的角色。而化石燃料的燃烧不可避免的要产生对于自然环境不利的各种污 染物，从而造成越来越严重的地球环境问题。在众多的地球环境问题中，地球温升 是近年来最为突出最难以解决的问题之一。所谓地球温升是由于大气层中温室气体 的增加，使地球表面向宇宙空间辐射出的能量小于宇宙空间向地表辐射的能量，从 而使地球温度升高的现象。化石燃料的不断燃烧，产生大量的诸如c 0 2 ，c h 4 ，h 2 0 ， n 2 0 等温室气体，在众多的温室气体中，c 0 2 是最重要，最不能忽略的。目前世界 发达国家和地区对c 0 2 的排放，收集和存储进行了广泛的研究和探索，并取得了一 定的研究成果i l j 。 以化石燃料的燃烧为主的电力生产过程排放的c 0 2 超过c 0 2 排放总量的3 0 ， 成为最大的c 0 2 释放源，因此，控制和减缓电力生产过程中c 0 2 的排放对于减少温 室气体的排放具有重要的理论和现实意义。国内的专家对于c 0 2 的排放和控制提出 了新的观点和方法。毛玉如等提出控制c 0 2 排放的主要措施有：1 提高发电效率， 例如增大机组容量，提高机组参数，采用先进的燃煤发电技术，优化燃料供给，调 整机组运行结构，提高锅炉热效率等。2 采用分离回收和固定利用技术，例如采用 富氧燃烧技术和应用c 0 2 为原料生产尿素。其中前者是预防和减少c 0 2 的生成，后 者是除去已经生成的c 0 2 。由于受到诸多因素的限制，化石燃料在能源结构中的主 导地位会维持相当长的时期，因此捕及存储和利用燃烧产物中的c 0 2 是短期内减缓 c 0 2 排放较为可行的措施与技术。如何从燃烧产物中比较容易的分离回收和存储 c 0 2 引起众多学者的研究兴趣【2 啼j 。 众所周知，常规煤粉电站锅炉排烟中c 0 2 的浓度为1 4 1 6 ，而在以氮气为主 要成分的烟气中分离c 0 2 将使电站锅炉效率降低7 2 9 ，发电成本增加1 2 一1 5 倍， 因此分离c 0 2 是以发电成本的经济性为代价的。如果能够在燃烧的组织过程中使得 烟气中c 0 2 的浓度提高到9 0 以上，分离c 0 2 将容易进行，分离的成本将大大降低。 合理的组织燃料在0 2 和c 0 2 的混合气体中燃烧，即0 2 c 0 2 燃烧，被列为一项重要 的减少c 0 2 排放的新技术。其中的0 2 来源于空气分离，c 0 2 来源于烟气再循环，因 此该技术也被成为空气分离烟气在循环技术。采用0 2 c 0 2 燃烧技术后，燃烧产物 中c 0 2 的含量将达到9 5 以上，可以直接将再循环后的烟气液化回收处理。富氧燃 烧技术不仅能使分离收集c 0 2 和处理s 0 2 容易进行，还能减少n o x 排放，是一种能 够综合控制燃煤污染物排放的新型洁净燃烧技术。 1 华北电力大学硕士学位论文 长期以来燃烧系统的研制主要依靠大量的试验和传统的经验，半经验设计方法 进行，但是各种实验方法准备时间长、费用昂贵、取得技术突破往往需要巨大代价。 同时，描述复杂流动和燃烧现象的控制方程大都为非线性很强的偏微分方程组，依 靠经典的数理方程方法要得到严格的计算结果是很困难或几乎不可能的。随着电子 计算机的普及和现代数学的迅速发展，采用数值计算的方法来求解非线形偏微分方 程，模拟工程实际中燃烧系统的流动，传热和化学反应成为可能。这种新兴的研究 方法获得了整个燃烧领域专家学者的普遍关注，并且随着该方法在工程领域中的推 广与应用，形成了一种新兴的交叉学科，计算燃烧学。该学科在应用传统燃烧理论 解决复杂几何形状的燃烧装置的燃烧问题和受到实验条件限制的而难以实现实验 的的燃烧问题中显示出独特的优越性和强大的生命力，因而成为燃烧系统优化和改 进设计的重要工具f 9 1 。 煤粉在炉膛内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发分的释放、 焦炭的燃烧、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。同时由于表达燃烧过程的非线形方程的复杂性限制了经典 燃烧学理论的应用范围，迄今为止，对锅炉的设计和运行缺乏成熟的理论和经验， 往往需要冷态及热态试验来确定运行和设计参数，这类试验不仅周期长，耗资巨大， 而且很难得到全面、满意的数据。因此借助于基本的燃烧理论和计算机技术的发展， 建立和求解基本守恒方程组，来全面模拟炉内的湍流流动、传热及燃烧等是很有必 要的【l o l 。 1 2 国内外0 ：c o 。燃烧的发展过程及研究现状 0 2 c 0 2 燃烧技术首先是由h o m e 和s t e i n b u r g 于1 9 8 1 年提出，美国的阿贡国家 实验室( a n l ) 的研究证明只需将常规空气气氛下燃烧的锅炉进行适当的改造就可以 采用此技术。此外，阿贡国家实验室还在美国加利福尼亚建立了一个2 9 4 m w 的试 验系统，目的在于得到空气气氛和0 2 c 0 2 气氛燃烧和传热行为的相似性、煤粉颗粒 燃尽率和着火稳定性的变化规律，该系统获得的最大c 0 2 浓度超过9 0 l l l , 1 2 。 加拿大政府的能源技术研究中心中心于1 9 9 4 年建成了一个0 3 m w 的煤粉 0 2 圮0 2 燃烧半工业规模试验系统，用以评价煤粉燃烧的火焰、传热与污染物的形成 等特性 t 3 】。w a n g c s 首次将0 2 c 0 2 燃烧的概念应用于6 0 0 m m x 2 13 4 m m 的水平、无 旋流燃烧室进行煤粉在0 2 c 0 2 燃烧，并建立了一个一维模拟锅炉性能的模型，他们 得出的结论：煤粉可以在0 2 c 0 2 完全燃烧，0 2 c 0 2 的摩尔比为2 2 3 3 6 2 1 4 】。 n k i m u r a 等人在0 2 c 0 2 燃烧实验中发现火焰的着火点模糊和不稳定，未燃尽碳含 量高通过减少循环烟气量和提高二次风中的氧气的浓度可以改善燃烧特性。 t o s h i y u k i s u d a 等人发现在微重力燃烧室测量气氛中煤粉的火焰传播速度比在0 2 n 2 2 华北电力大学硕士学位论文 气氛下有明显的下降，这主要是由于c 0 2 的体积比热容比n 2 的高，导致火焰传播 速度减慢。l i u h a o 等人在2 0 k w 的下行火焰燃烧器试验台上的研究指出，在 3 0 0 2 7 0 c 0 2 的气氛燃烧时才可获得相对较高的碳燃尽率以及与空气气氛下相当 的燃烧温度。刘彦丰对静止环境中单颗粒碳燃烧模型的计算发现在温度低于1 7 5 0 k 时，2 1 0 2 7 9 c 0 2 气氛下的燃烧速率低于空气气氛下的燃烧速率；刘彦通过热重 分析得出0 2 c 0 2 条件下煤的着火及燃尽温度明显降低、燃烧特性指数提高的结论， 其认为0 2 c 0 2 气氛可改善燃烧过程、优化燃烧特性等。毛玉如的研究也证明了在 0 2 c 0 2 气氛下煤能够稳定燃烧，但燃烧效率略低于相同0 2 浓度的o j n 2 气氛下的 燃烧效率。不同的研究者都认为，由于c 0 2 具有较高的比热，仅用c 0 2 取代n 2 会 使得燃烧温度及稳定性大大下降，提高送风含氧量可使其得到明显改善。2 0 0 5 年 y e w e n t a n 等，在0 2 浓度为3 5 时，热流密度和炉膛温度将稍微增加，通过改变再 循环烟气中0 2 的含量，可以很灵活的控制热传递和炉膛温度，使其煤种适应性更强， 这也是0 2 c 0 2 燃烧技术应用于燃煤电厂中的一大优势。日本和澳大利亚正联合改造 一个3 0 m w e 的富氧燃烧燃煤电厂，计划于2 0 0 9 年运行。德国目前已经开始实施 0 2 c 0 2 燃烧技术的商业化应用，已经在建一台3 0 m w 的0 2 c 0 2 燃烧方式的电站 1 s 0 2 s o 虽然到目前为止世界上尚无大容量的0 2 c 0 2 燃烧电站锅炉的运行，但国内外众 多学者的实验研究已经为该技术条件下电站相关的设计和运行的提供了商业基础。 相关的研究还将0 2 c 0 2 燃烧技术、燃烧后捕获c 0 2 的技术成本和i g c c 技术进行了 评估比较，结果表明0 2 c 0 2 燃烧技术具有明显优势。因此从长远来看，可以得到如 下结论：用0 2 c 0 2 燃烧技术改造已有的电站在技术和经济性上都是可行的；对于电 站而言，采用0 2 c 0 2 燃烧技术回收隔离c 0 2 是相当有竞争力的技术；并且由于排 烟量的大幅减少还会提高锅炉效率，0 2 c 0 2 燃烧方式能够实现煤炭的洁净利用。 1 3 电站煤粉锅炉数值模拟的研究动态与现状 电站锅炉内的煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学过程，实际的燃烧过程涉及到 多相流动、传热、传质和燃烧等诸多相关学科以及各个学科之问的相互联系。借助 这些学科和计算机科学的发展，目前为止采用计算机的数值模拟技术研究炉膛内的 燃烧过程已经成为能源领域研究者普遍采用的研究手段。煤粉锅炉炉内燃烧过程的 全模拟发展过程大致可以分为以下3 个发展阶段：1 模型的发展与完善阶段。g i b s o n 提出的化学动力学模型，s p a l d i n g 提出的湍流燃烧模型和g r o w 提出的气固两相流 模型是这一阶段的代表成果。2 数值模拟的尝试阶段。模型开始应用于大型煤粉炉 内模拟，各种模型和计算方法进一步完善。1 9 8 6 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d 对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进行了气相燃烧模拟，其中传热采用的是离散传播 3 华北电力大学硕士学位论文 模型。b o y d 和k e n t 对5 0 0 m w 的四角切圆锅炉进行模拟，采用了轨道法，双反应 热解模型，扩散一动力焦炭燃烧模型和离散传播法的辐射传热模型，并与实测的温 度作了比较。3 全过程模拟阶段。炉内三维流动燃烧拟走向成熟的阶段，各种日益 成熟的模型广泛应用于炉内全三维的模拟，计算结果开始与大型冷模和实测数据进 行比较模拟开始转向关于炉内燃烧、污染物的排放、结渣及碳黑生成等更具有实 际应用价值的模拟f 2 刚。许多学者进行了深入的研究并得出了不少研究成果。近年来， 德国、英国、美国及中国等国的学者相继发展了锅炉炉膛煤粉气流燃烧过程数值计 算的研究工作，并已经推出了这方面的商业软件，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 等大型软件最具代表性。 随着我国电力工业的不断发展和科研水平的不断提高，尤其是大容量机组和不 同燃烧方式锅炉在国内的广泛应用，极大推动了三维锅炉燃烧过程的数值模研究 清华大学热能工程系对四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的两相流动和燃烧过程进 行了数值模拟，模拟结果给出了冷态和热态流场分布、温度分布、组分浓度分布和 颗粒在炉内的运动轨道，但未能与试验结果进行验证。华北电力大学李永华等应用 f l u e n t 软件对8 0 0 m w 锅炉改烧混煤燃烧进行了数值模拟研究研究表明应用 k e 双方程模型模拟电厂锅炉旋流燃烧器，将计算计算结果与现场实际数据对比， 计算是成功的。浙江大学钱力庚对电站对冲锅炉的燃烧过程进行了通用程序的设计 与研究，计算了锅炉结渣与污染物的生成，并将计算结果与现场实际数据进行了对 比，有利的证明了结果的准确性【2 7 - 2 9 】 1 4 本文的研究目的与内容 虽然众多的学者对0 2 c 0 2 气氛下煤粉的的燃烧特性进行了大量研究，并取得一 定的研究成果，但是关于常规煤粉锅炉在0 2 c 0 2 气氛下进行燃烧调整或结构改造， 以适应0 2 c 0 2 气氛下的燃烧而不需要对炉膛及辅助设备进行较大程度的改造，因此 本文的研究就显的很有必要。 本文的主要目的在于应用数值模拟的方法计算设计工况下某电厂四角切圆锅 炉炉膛内的燃烧过程，得到主要参数的计算结果。以该工况为基础，计算不同0 2 浓度的0 2 c 0 2 气氛下炉内的燃烧过程，找到一种主要计算参数与设计工况下最为接 近的0 2 浓度。以该浓度为基准，对锅炉分别进行运行调节和炉膛结构改造的数值模 拟。主要内容包括： ( 1 ) 建立炉膛的三维框架结构，并进行网格的划分，选择合适的模型、初始条件 及边界条件，进行计算求解应用s o l i d w o r k s 制图软件建立锅炉的三维立体图，得 到炉膛的三维框架结构，然后再通过i c e m 进行网格的划分。比较c f x t a s c f l o w 软件中采用不同的模型的计算结果，找出较为合适的模型和方法，设置合适的初始 4 华北电力大学硕士学位论文 条件及边界条件，进行空气气氛下设计工况的数值计算。采用后处理方法得到炉膛 内的两相流场、温度场、组分场，热负荷分布、颗粒轨迹分布等。 ( 2 ) 调整氧气浓度，进行不同0 2 c 0 2 气氛下煤粉燃烧的模拟。同样得到不同气 氛下各个物理量的计算结果，并对产生的结果进行分析。找到一种0 2 浓度的0 2 c 0 2 与空气气氛下的主要参数结果最为接近。 ( 3 ) 通过运行调节的方式，使得该种0 2 浓度的0 2 c 0 2 气氛下原锅炉燃烧满足与 空气气氛下吸热量相等，找到合适的运行调节方式。 ( 4 ) 对原锅炉进行结构改造，使其能够适应0 2 c 0 2 气氛下燃烧。对改造后的炉 膛结构进行数值计算，验证该改造方案能否满足要求。 一 5 们之间 全部是 认识燃 化学反 将各个 烧学科 型：湍 换热模 计算的 述了本 出发建 续性方 元体中 为： ( 2 1 ) 加率等 华北电力大学硕士学位论文 若( 鹏咋) = 一詈+ 鬻+ 熙+ ；鲁k 一) + s + c 2 埘 其中p 是静压，p g ；为考虑浮力影响的重力项，右端最后三项为相间相互作用 力的源项。是应力张量，如下所示： = 善+ 考 _ 詈考岛 c 2 哪 2 2 3 能量守恒方程 它是能量守恒定律的表现形式。其物理意义为：微元体内热力学能的增加率等 于进入微元体的净热量与体积力与表面力对微元体作功之和。其数学表达式为： 考( ，勺丁) 2 专卜考j + 比q 一吼+ q + 勺巧 c 2 4 ， 其中五是有效导热系数，勺巧为单位体积中流体相与颗粒相的由于变质量所造 成的能量源，甄为流体辐射热，嵋为流体相中s 组分反应率，比q 为流体相单位体 积中反应放热。 ： ， 2 2 4 化学组分平衡方程 单位体积内某种化学组分质量的增加率等于由对流和扩散引起的它的净增率 与其化学反应生成率之和，其数学表达式为： 丢( 鹏+ 石o = 妈 ( 2 - 5 ) 其中，表示组分慨的质量分数，是组分珀勺扩散通量，马是组分珀勺化学反应 生成率。 2 3 气相湍流流动模型 通常当气流雷诺数大于1 0 5 时，有旋涡产生使得层流变为湍流。湍流的主要特 征有，涡旋结构的随机性以及涡旋结构在流体内部运动的随机性，从而引起流动参 数的脉动。涡旋在运动中不断的衰减，各种不同尺度的涡旋充满着整个流动空间。 大尺度的涡旋不断从主流获得能量，通过涡旋之间的相互作用，能量逐渐向小 尺度的涡传递，小涡旋在流体粘性的作用下不断消失，机械能就逐渐转化为流体的 内能。 7 华北电力大学硕士学位论文 关于湍流运动的数值计算，计算流体力学和计算传热学采用以下几种处理方 法：1 直接模拟。即直接求解复杂的n s 方程。但是这种方法对于计算机内存和计 算速度的要求很高，仅仅少数具有使用超级计算机的研究者才能从事这类研究，因 此无法应用工程计算。2 大涡模拟。这种方法使用非稳态的n s 方程直接模拟大尺 度的涡，不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的模拟通过近似的模型来考虑。大涡模 拟对计算机的要求有所下降，在近年来有所应用。3 雷诺时均方程模拟。对n s 方 程进行雷诺时均，这样得到的控制方程包含了脉动量的时均等未知量，方程组不在 封闭。因此建立新的数学模型使得方程封闭是这类方法的核心。这种模拟是工程计 算中普遍采用的方法。 在雷诺时均模拟中主要模型有代数方程模型，单方程模型，双方程模型等。其 中以k g 双方程模型形式简单，计算量也不大，计算结果能较好的反映工程实际的 湍流运动，在工程计算中应用最为广泛。本文在计算气相湍流流动时也采用该模型。 其中k 为湍流脉动动能，s 为湍流耗散项。 k 方程l 昙卜+ 芑，筹 + 参卜+ 云，等 + 昙卜+ 尝，警 + 户一暑= 。 t 2 呦 s 方程。 丢 妒+ 芑，塞 + 昙 缈+ 芑，雾 + 昙 缈+ 芑，警 + 占( c i 昙一g 台= 。c 2 忉 y ：流体的运动粘度；v t ：湍流运动粘度。 _ 毒q 譬 p ：湍流生成项，是湍流应力在时均场中作的变形功 模型中有关系数见表2 1 ： 表2 - 1k g 方程中各参数值 ( 2 - 8 ) qqg盯io t o 0 91 4 41 9 21 o1 3 8 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 中给定的有关系数是根据某些特殊条件下的实验结果得到的，有一定的 使用范围，同时也有一定的局限性。通常k s 双方程模型称为标准的k 一占模型， 适用于距壁面一定距离的湍流区域。在贴壁处的粘性底层，湍流雷诺数较小，标准 的k 一占模型不再适用。因此为了计算近壁面区域的流动，学者们又找到了适用于粘 性底层的低雷诺数模型。但是要在粘性底层布置较多节点。这将增加计算机内存与 计算时间。为此，本文对于壁面附近的区域，采用壁面函数法来处理。壁面函数法 不需要求解偏微分方程组，因此不用对计算区域的网格进行加密。这种方法不仅可 以节省内存与计算时间，而且与结果符合较好，因此在工程中有广泛应用【3 0 3 l 】。 2 4 气固两相流动模型 含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流。电站锅炉的煤粉颗粒 燃烧过程是典型的气固两相流动过程。煤粉颗粒的运动对于挥发份的着火和焦碳的 燃烧有重要影响。所以在燃烧的数值模拟中，选取合理的气固两相流动模型具有重 要意义。研究气固两相流动的方法可以分为两类：一类是把流体或气体当作连续介 质，将颗粒视为离散体系；另一类是把流体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连 续介质，即把颗粒视为拟流体。不同观点描述两相流动所得到的数学模型不同。 主要模型有：单颗粒动力学模型，小滑移模型，无滑移模型，颗粒轨道模型， 多流体模型。本文在计算中采用颗粒轨道模型。该模型是在拉格郎日坐标系下处理 颗粒相，在欧拉坐标系下处理气相，并把颗粒看作是与流体有滑移，沿轨道运动的 分散群，忽略颗粒群间的耗散。模型假设：颗粒与流体间有速度和温度滑移，认为 颗粒群是没有自身湍流粘性扩散和导热的分散群。颗粒群按初始尺寸分组，各组只 有自身的质量，彼此之间变化不相关，颗粒群按初始位置沿着各自轨道运动，可以 追踪轨道的速度、温度和粒径的变化。该模型的基本思想是：在拉格郎日坐标下考 察各组颗粒群沿各自轨道运动、质量损失以及能量变化过程，在欧拉坐标系下处理 气相场，由颗粒群沿轨道中阻力、蒸发、挥发或燃烧产生颗粒群速度、温度、尺寸 变化作为质量、动量以及能量源加入气相与颗粒相之间相互耦合。该模型计算工作 量小，节省计算存储量，易于模拟有蒸发、挥发和异相反应的颗粒的复杂经历，能 较好的追踪颗粒的运动，在颗粒相预报中无数值扩散，因此，是迄今为止在湍流两 相流动与燃烧模拟中应用最广泛的模型【3 2 1 。 在拉格朗日坐标系下，颗粒瞬时的动量方程为： ， f = 0( 2 9 ) 式中f 分别为颗粒的所受到的力，忽略颗粒的浮力、压力梯度力以及虚假质量 力的作用等： 9 华北电力大学硕士学位论文 “、 ，。、w 是气相的脉动速度，这里假定气相湍流流场是局部均匀和各向同性 的，当颗粒位于某个湍流旋涡时，“、 ，、w 取为： 搿= f 厅= f 尽 ，= f 伊譬f 唇 w = f 厅= f 居 ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中万、万、以芦为气相湍流脉动速度的平均平方根值，f 为符合高斯分 布的随机数，后为气相湍流动能。 颗粒的轨迹方程为： x l 蕾卜p ，y ，薯，v p d t ， z ，tl w ，d t q - 1 3 ) 2 5 湍流的气相燃烧模型 电站锅炉煤粉燃烧过程为预混火焰燃烧过程，主要的预混模型有旋涡破碎模 型、拉切滑模型和涡团耗散模型。旋涡破碎模型的基本思想是：认为在湍流燃烧区 充满了以燃气团和未燃气团，化学反应在这两种气团的交界面上发生，平均化学反 应速率取决于未燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率，而破碎速率与湍流脉 动动能的衰变速率成正比。在该模型的基础上，为了体现分子扩散和化学动力学因 素的作用，斯波尔丁提出了拉切滑模型，其基本思想是：把湍流燃烧区分成未燃气 团和已燃气团，气团在湍流作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度下降， 未燃气和已燃气界面上存在着连续的火焰面，以层流火焰传播速度向未燃部分传 播。这两种模型共同的优点是定量地描述了流动因素在高雷诺数湍流燃烧中的扩散 作用，形式简单，但是二者都没有考虑分子输运和湍流对化学反应的影响，没有体 现湍流脉动的特征，所以无法模拟复杂化学反应的过程。涡团耗散模型基本思想是： 当气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞机会增多，反应才容易进行并迅速完成， 故化学反应速率在很大程度上受湍流的影响，而且反应速率还取决于涡团中包含燃 料、氧化剂和产物中浓度值最小的一个该模型的表达式为： r 血= 一p s k m i n a m , 函，a m 雠s ，b m p , ( 1 - i - s ) 】 ( 2 1 4 ) 该模型的特点是意义比较明确，反应速率取决于湍流脉动衰变速率e k ，并能自动 1 0 华北电力大学硕士学位论文 选择成分来控制速率，因此该模型既能用于预混火焰，也能用于扩散火焰，本文正 是采用了这种模型 2 9 , 3 3 】。 2 6 煤粉的燃烧模型 由于煤本身组成及结构的复杂性，煤的反应过程很复杂，煤粉的燃烧模型主要 包括挥发份的热解模型和焦碳的燃烧模型。 2 6 1 挥发份的热解模型 煤粉被加入到足够高的温度时开始热分解，产生煤焦油和可燃性气体，c 0 2 以 及h 2 0 的混合物。由于热分解是煤燃烧的重要的过程，煤粉的热分解成为世界上十 分活跃的研究领域。关于煤的热解反应原理及数学描述，尽管人们做了大量研究， 提出了各种热解模型，但仍然有不完善之处。主要的热解模型有：单反应模型、双 竞反应模型和多步平行反应模型。在燃烧数值模拟过程中要求计算结果的准确性， 因此本文采用单反应模型来模拟挥发分的析出，该模型假设挥发分析出是一级反应 过程，反应速率与煤中剩下的挥发分含量成正比： 七( k d = 0( 2 1 5 ) 其中，y 是每单位质量原煤在时间t 内所放出的挥发分质量；k 为与阿累尼乌斯 定律形式相同的速度常数，k = a e 一( e r t ) ，a 为指前因子，e 为活化能；为f 趋于 妒。 无穷时的v 值，即最大挥发分释放量。 2 6 2 焦碳的燃烧模型 一 煤中主萤的司燃物是焦碱，尤再是尢烟煤，由于焦饭燃尽辽栏檄为复杂，所需 要时间长，燃烧发热量大等特点，所以焦碳的燃烧过程直接决定整个燃烧过程。本 文采用焦炭燃烧的扩散动力模型，认为焦炭的燃烧速率r 。同时受到氧扩散到焦炭表 面的速率和化学反应的动力速率这两方面的控制，可表示为 疋。掣( 层。+ 屁) p 旧 式中，p ( d 2 ) 为氧气的分压；k 和局分别为扩散系数和动力系数，可表示为 k 。= 4 e x p ( 一正) ( 2 - 1 7 ) 局= 等 ( 2 - 1 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，品为s h e r w o o d 数，取为2 o ；d 岛为氧气的扩散系数；m 。为碳的摩尔质 量；足为通用气体常数。 2 7 辐射换热模型 辐射换热是大型电站锅炉中最重要的传热方式，辐射模型的准确程度直接决定 数值计算结果的准确程度。火焰辐射换热数值计算方法多种多样，目前常用的方法 主要有；热通量法、区域法和蒙特卡洛法，p 1 法f 3 4 , 3 5 】。 热通量法是计算辐射换热的基本方法，该方法的思想是把微元体界面上复杂的 半球空间热辐射简化为垂直于此面的均匀辐射热流，然后用通用的输运方程求解。 热流法的优点是把复杂的能量方程的微分积分项，都处理成微分项，并写成通用的 输运方程，用相同的二阶偏微分方程计算程序来运算，计算单一且方便。但实际介 质的各微元界面上不仅在垂直于界面方向上，在其他方向也有辐射能射入，在折算 成一律垂直于界面的辐射热流时会产生误差。锅炉燃烧室中辐射换热很强烈，而燃 烧室中辐射换热战国路总辐射换热的主要份额，用热流法计算辐射换热并据此求解 能量方程就有较大的误差。 区域法计算辐射换热是由霍泰尔( h o t t e l ) 首先提出的，它是按照各区域直接和周 围进行空间辐射换热的原理来计算的。这种方法是把燃烧室中的烟气划分为若干个 体积域，把壁面划分为若干个面给域，认为任一个体积域和面给域内部的温度和物 性都是均匀的。该计算方法考虑了各区域在周围个方向都有辐射能射来并进行辐射 换热，因而较接近实际情况，计算结果也与实际比较一致。用区域法计算辐射换热 在原理是比较好的，但由于计算工作量很大，考虑计算费用，实际上只能把燃烧室 划分为很少的区域，每个区域中的温度实际上是相当不均匀的，这就会引起误差。 所以区域法为能广泛的应用于燃烧室辐射传热的工程计算中。 蒙特卡洛法使用概率统计的数学原理去模拟辐射换热的物理过程，从而达到求 解辐射换热的目的。这时把每个微元体向周围空间的辐射换热均匀地分配在空间若 干个立体角内。该方法特别适合于几何形状复杂、介质非均匀的场合。国内外对这 种方法进行了广泛的研究。但模拟计算的精度难以估计和控制。 p 1 法是最简单的一种球谐函数法，。它假定介质中的辐射强度沿空间角度呈正 交球谐函数分布，并将含有微分、积分的辐射能量传递方程转化为一组偏微分方程， 联立能量方程和相应的边界条件便可以求出辐射强度和温度的空间分布。与其它方 法相比，p 1 法考虑了辐射散射的作用，更适用于光学厚度大和几何结构复杂的燃 烧设备，并且求解辐射能量方程所需要的时间短，比较适合求解煤粉炉中的燃烧， 国内外的研究者在模拟煤粉炉燃烧时多用此模型。 p 1 法对于辐射热流采用下式表示： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 g ，= 一面丽1 vg(2-19) 其中，口为吸收系数，吒为散射系数，g 为入射辐射，c 为线性各相异性相位函数 系数。引入g 的输运方程 v ( r v g ) 一掰+ 4 伙盯4 = s o ( 2 - 2 0 ) 其中，仃为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，为用户定义的辐射源相。 合并以上两式可得到如下方程： 一v q ，= a g - 4 a o t 4 ( 2 2 1 ) 一，的表达式可以直接带入能量方程，从而得到由于辐射所引起的热量源。当 模型中包含有颗粒分散相时，可以在p - 1 辐射模型中考虑颗粒的影响。对于包含有 吸收、发射、散射性质颗粒的具有吸收、发射、散射的灰体介质，入射辐射g 的输 运方程为： v ( r v g ) + 锄( 4 等+ 名) _ ( 口嵋) g = 。 陋2 2 ， 其中，q 为颗粒的等效辐射，a p 为颗粒的等效吸收系数，对于各向同性介质， r 2 万i 1 司 ( 2 2 3 ) p - l 法中辐射热流量吼的壁面边界条件为： 4 z 笤w 监一( 1 一风) g ， q f ) w - - 一啕矿( 2 - 2 4 ) 其中，占，为壁面黑度，乙为壁面温度，g 。为壁面入射辐射。 如果假定壁面为扩散灰体表面，则矶= 1 - 8 。，上式可以表示为： ：芸( 4 e f t 4(225)qr,w- w ( 4 - g w ) 2 硒一钆j 陋 此方程用来计算能量方程中的g 。以及辐射方程的边界条件。 2 8 数值模拟软件概述 1 3 华北电力大学硕士学位论文 c f x t a s c f l o w 软件是由加拿大能源技术中心提供给华北电力大学的，该软 件有目前世界上最大的a n s y s 公司与加拿大合作开发的大型锅炉煤粉燃烧的计算 软件。可以较好的解决各种锅炉的三维流动，燃烧和传热问题，并可以用来指导n o x 捧放、锅炉结渣以及燃烧优化调节等工程实际问题，取得了满意的效果。与其他的 同领域的商业软件相比，该软件具有通用性强，数学模型丰富，使用方便，计算周 期短等特点。本文应用该软件，进行锅炉燃烧的运行调整和锅炉改造的数值模拟， 得到了满意的计算结果。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 锅炉原型概况 第三章锅炉原型及模拟工况介绍 本文模拟对象为某电厂亚临界、中间再热、强制循环、汽包锅炉。采用四角切 圆燃烧，直流摆动式燃烧器，固态排渣，锅炉的最大连续蒸发量为1 0 2 5 t h 。该锅炉 由上海锅炉厂引进美国燃烧工程( c e ) 公司技术设计和制造。锅炉炉膛宽度为 1 4 0 2 2 m m ，深度为11 7 6 0 m m ，宽深比1 ：1 1 9 ，近似正方形炉膛截面，汽包中心标高 为5 9 4 4 0 m m ，炉膛自冷灰斗转角至炉顶管高度为4 3 l o o m m 。炉膛水冷壁由炉膛四周 及折焰角延伸至侧墙组成。锅炉的总体结构如图3 1 。制粉系统为正压直吹式，布置 5 台中速磨煤机。炉膛水冷壁采用内螺纹管，过热器由炉顶管、包覆管，屏及对流 式过热器组成。再热器由墙式、屏式及对流式再热器组成。过热器采用喷水减温， 再热器采用改变燃烧器喷嘴角度调温。省煤器单级布置，放在空气预热器上部。燃 烧设备采用正四角布置摆动式直流燃烧器，煤粉燃烧器沿高度方向分五层布置，最 上捧燃烧器离屏底距离为1 8 2 8 m ，以保证煤粉完全燃尽，下排燃烧器离冷灰斗转角 处距离为4 4 m 。二次风口与一次风口呈均匀配风方式间隔布置。顶部独立布有二次 风口，为控制n o x 之用( 称为燃尽风，o v e r f i r e a i r ，简称o f a ) 。油检分三层分别布置 在a b 、b c 和d e 层的煤粉喷嘴之间，四