（冶金工程专业论文）炉内喷钙脱硫温度场及吸收剂混合的数值模拟.pdf

鞍山科技大学硕士论文摘要 摘要 燃煤粉锅炉喷钙脱硫技术的有效性取决于吸收剂喷射区域炉膛温度以及喷射 系统引起的吸收剂和烟气间混合程度。利用预测炉膛温度的数值模拟技术可以设 计出吸收剂喷口的布置位置；而吸收剂和烟气问混合的数值模拟技术可以用来优 化设计参数如：喷口直径、固体负荷、喷口速度、喷射方向等。因此，吸收剂喷 射点炉膛的温度以及喷射引起的混合条件己被确定为影响吸收剂喷射脱硫效率的 重要参数。 本文利用f l u e n t 软件对某冶金企业热电厂一台1 3 0 t h 四角切向燃烧煤粉锅 炉进行数值模拟，计算出炉膛温度场的分布情况；根据脱硫反应的最佳温度确定 吸收剂( c a c o 。) 的喷射位置；对炉内喷钙脱硫过程的进一步研究，还针对该锅炉 低负荷运行时炉膛温度场的变化进行数值模拟，然后确定最佳的吸收剂( c a c o ，) 的喷射位置；最后采用不同的喷口形状、不同的空气喷射速度和不同的喷射方向， 对炉内喷钙脱硫效率的影响进行数值模拟。 本文的数值模拟结果，能加深对四角切向燃烧煤粉锅炉的炉内的流动、传热 和燃烧过程的进一步理解，对炉内喷钙脱硫系统的合理设计、锅炉运行时喷射点 的合理选择等提供了重要而有意义的参考数据。 关键词：煤粉燃烧，喷钙脱硫，喷射位置，数值模拟 鞍山科技大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ev a l i d i t yo fl i m e s t o n ei n j e c t i o nd e s u l f u r i z i n gt e c h n o l o g yi nf u r n a c e o fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e rd e p e n d so nf u r n a c et e m p e r a t u r eo fa b s o b e n t i n j e c t i n ga r e aa n dm i x i n gb e t w e e na b s o r b e n ta n df l u eg a st h a ti sa r o s e db y i n j e c t i o ns y s t e m u t i l i z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n o l o g yc a nf o r e c a s t t h ef u r n a c et e m p e r a t u r ea n dd e s i g nt h ep o s i t i o no fa b s o r b e n ts p o u t s u t i l i z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n o l o g yo fm i x i n gb e t w e e na b s o r b e n t a n df l u eg a sc a na l s oe s t i m a t ed e s i g n i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha ss p o u td i a m e t e r , 、 s o l i dl o a d s ，s p o u t i n gv e l o c i t ya n ds p r a yd i r e c t i o n t h e r e f o r e ，t h ef u m a c e 5 t e m p e r a t u eo fa b s o r b e n ti n j e c t i n gp o s i t i o na n dt h ec o n d i t i o no fa b s o r b e n t m i x i n g a r ec o n f i r m e da st h e i m p o t a n tp a r a m e t e r st h a t i n f l u e n c et h e d e s u l f u r i z i n ge f f i c i e n c y f i r s t ，b yu s i n gt h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n t , a13 0 t h t a n g e n t i a l l yf i r e df u m a c eo fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e rt h a t i sr u n n i n gi na m e t a l l u r g yc o r p o r a t i o n t h e r m a l p o w e rp l a n t a r es i m u l a t e d ，a n dt h e d i s t r i b u t i o no ff u m a c et e m p e r a t u r ei sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h eo p t i m u m t e m p e r a t u r eo fd e s u l f u r i z i n gr e a c t i o n ，t h ea b s o r b e n ti n j c o t i n gp o s i t i o ni s c o n f i r m e d s e c o n d ，m o r er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ei nt h ep r o c e s so f l i m e s t o n ei n j e c t i o nd e s u l f u r i z a t i o ni nf u r n a c e t h ev a t i e t i e so ff u r n a c e t e m p e r a t u r ef i e l da tl o wl o a d sa r es i m u l a t e d ，a n dt h eo p t i m u mi n j e c t i n g p o s i t o ni sd e t e m i n e d f i n a l l y , a d o p t i n gt h e d i f f e r e n ts p o u t s h a p e s ，t h e d i f f e r e n ts p o u t i n gv e l o c i t i e s ，a n dt h ed i f f e r e n ti n j e c t i n gd i r e c t i o n s ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n st h a ti n f l u e n c ee f f i c i e n c i e so fl i m e s t o n ei n j e c t i o n d e s u l f u r i z i o ni nf u m a c ea r ed o n e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i st h e s i sn o to n l yp r o v i d em o r e u n d e s t a n d i n go nt h ep r o c e s so ft h ef l o w , h e a tt r a n s f e ra n dc o m b u s t i o ni n f u m a c eo fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r , b u ta l s op r o v i d em o r ei m p o r t a n ta n d 。 s i g n i f i c a n td a t af o rt 1 1 er e a s o n a b l ed e s i g no f t h el i m e s t o n ei n j e c t i n gs y s t e m i nf u r n a c ea n dc h o i c eo f t h ei n j e c t i n gp o s i t i o n sa tb o i l e ro p e r a t i n g k e y w o r d s ：p u l v e r i z e d - c o a l c o m b u s t i o n ，l i m e s t o n ei n j e c t i o n d e s u l f u r i z a t i o n ，i n j e c t i n gp o s i t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 鞍山科技大学硕士论文 符号说明 符号 爿。， 爿p 口 c p c 酣 d 。 厂 f h h 庸 h 。? h 。： ， k ，” m n o r o o , p q s 符号说明 物理意义 收到基灰分 煤粉颗粒的表面积 燃料量 比热 收到基碳元素含量 直径 混合分数 作用力 重力加速度，或混合分数的方差 焓值 潜热 收到基氢元素含量 表面反应放热量 辐射强度 湍流动能 质量 收到基水分 收到基氮元素含量 收到基氧元素含量 压力 收到基低位发热量 守恒方程的源项 i 王i 鞍山科技大学硕士论文 符号说明 收到基硫元素含量 时间 温度 速度分量 干燥无灰基挥发分含量 坐标分量 质量分数 湍流耗散或发射率 动力粘性系数 密度 玻尔茨曼常数 通用变量 扩散系数 辐射温度 收到基 干燥无灰基 有效的 颗粒 平均的 脉动的 ，r 硼y占p盯妒r锦体甜彤够p蛛 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得鞍山科技大学或其它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。 签名：奎查奎日期：二坐矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名季粹导师躲日期：型矽 鞍山科技大学硕士论文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 能源工业是国民经济的基础，随着工业化进程的持续发展和人民生活水平的 不断提高，社会对能源的需求量越来越大，能源利用过程中的环境污染问题也日 益严重，其中大气污染是一个较为突出的方面。 根据对主要大气污染物的分类统计分析，其来源可概括为三大方面：( 1 ) 燃料 燃烧；( 2 ) 工业生产过程；( 3 ) 交通运输。在我国，这三种来源产生的大气污染物所 占的比例分别约为7 0 、2 0 和1 0 。在直接燃烧的燃料中，燃煤排放的大气污 染物数量约占燃料燃烧排放总量的9 6 。大气中9 0 的s 0 2 ，7 1 的c o ，8 5 的 c 0 2 ，7 0 的n o x 以及7 0 的粉尘均来自煤炭的直接燃烧。可见，煤的直接燃烧 是我国大气污染物的主要来源。 我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源消费总量中约占7 5 的比例，其中煤炭产量的8 4 左右直接用于燃烧，造成严重的煤烟型污染。随 着煤炭消耗量逐年增加，我国总的s 0 ：排放量也将逐年增大。1 9 9 0 年s o 。的排放量 是1 4 9 5 万吨，1 9 9 5 年s o 。排放量达2 3 7 0 万吨，已经超过美国成为世界s o 。排放第 一大国。2 0 0 0 年s o ：的排放量达到2 6 0 0 万吨，预计2 0 2 0 年s o 。的排放量将达到 3 5 0 0 万吨，这将给环境造成巨大危害。燃煤s 0 ：污染控制是我国目前大气污染控制 领域最紧迫的任务，是国民经济发展过程中必须解决的重大问题1 2 j 。 因此，研究开发出适合我国国情的脱硫技术，对于解决我国大气污染问题具 有十分重要的意义。 1 2 燃煤粉锅炉喷钙脱硫技术综述 燃煤s 0 。控制的方法有许多，概括起来通常可以分为三类，即燃烧前脱硫、燃 烧中脱硫和燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 。 燃烧前脱硫包括洗煤、煤气化、液化以及机械、电磁等物理脱硫技术。世界 主要国家中，美国的洗煤量约占火电厂锅炉耗煤量的3 0 ，德国的大部分燃煤都经 过清洗。燃烧前的物理方法脱硫只能脱去煤中的一部分硫( 主要是无机硫) ，不能 从根本上解决问题。曾经引起广泛重视并开展研究的生物脱硫技术，由于占地太 大、无法实现大批量机械化连续生产，因而目前无实用价值。 燃烧中脱硫主要包括炉内喷钙、流化床掺烧石灰石等。流化床掺烧技术近年 来发展很快并已实现工业化。炉内喷钙工艺早在六十年代就已经开始研究，但由 于脱硫效率不高，一直未能得到广泛应用。进入八十年代以后，在炉内喷钙工艺 鞍山科技大学硕士论文绪论 基础上，美国开发了脱硫效率大为提高的l i m b 工艺，芬兰的t a m p e l l a 公司开发 成功了l i f a c 工艺，这些技术现在都已得到了推广应用 3 1 。 烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，简称f g d ) 是目前控制燃煤电厂s o 。 气体排放比较有效技术。六十年代后期以来，烟气脱硫技术发展迅速，根据美国 e p r i ( 电力研究院) 的统计，大约有3 0 0 种不同流程的f g d 工艺进行了小试或工 业性试验，但是最终被证实在技术上可行、经济上合理并且是可承担的，目前在 燃煤电厂得到采用的成熟技术仅有十多种。 燃煤s o 。排放法规已经逐渐应用到现有运行锅炉上，而不仅限于新建锅炉。对 于使用寿命相对较短的现有锅炉来说，需要大量资金投入的烟气脱硫技术是不合 适的。有些电厂对安装脱硫装置有严格的空间限制，有些机组仅仅在尖峰负荷时 运行。因此，这些电厂要求安装一种投资低、容易改造的s o 。控制技术。相对于其 他烟气脱硫技术，炉内喷钙技术流程简单，用较低的投资可以达到中等脱硫效果， 具有很广阔的应用前景，故引起该工程领域的专家和许多学者的研究兴趣1 3 j 。 1 2 1 炉内喷钙脱硫的工艺特点。1 炉内喷钙是把干的吸收剂直接喷到锅炉炉膛的气流中去，如图l 所示。典型 的吸收剂有石灰石( c a c 0 3 ) ，消石灰( c a ( 0 h ) ：) 和白云石( c a c o 。m g c o 。) 粉剂。炉膛 内的热量将吸收剂煅烧成具有活性的c a o 粒子，这些粒子的表面与烟气中的s o z 反应生成亚硫酸钙和硫酸钙。这些反应产物和飞灰一起被除尘设备如e s p 或布袋 除尘器所捕获。s 0 2 的脱除过程可以持续到除尘器的范围内，对于布袋除尘器尤其 是这样。石灰石在最优运行工况下喷入炉膛，当c a s 摩尔比为2 - 3 时，脱硫效 率可达5 0 左右。 图1 炉内喷钙脱硫工艺流程示意图 其化学反应方程式如下： 鞍山科技大学硕士论文 绪论 c a c 0 3 ( s ) = c a o ( s ) + c 0 2 ( g ) c a ( o h ) 2 ( s ) = c a o ( s ) + h 2 0 ( g ) c a o ( s ) + s 0 2 ( g ) + 1 2 0 2 ( g ) = c a s 0 4 ( s ) 图2 清楚地表示了炉内喷钙化学反应过程。由于无孔的c a c 0 3 或c a ( o h ) 。颗粒 在煅烧过程中生成含微孔的c a o 颗粒，因此，到达反应界面的s o ：必须先扩散通过 这些微孔。随着反应进行，在未反应的c a o 表面形成产物层，这使得后续的s 0 ： 必须先通过c a s o 。产物层，才能与c a o 反应。吸收剂硫酸盐化反应速率受到下列任 一步骤限制：( 1 ) s o 。气相主体扩散；( 2 ) s o ：微孔扩散；( 3 ) s o 。在c a s o 。产物层的 扩散；( 4 ) 孔口c a s 0 4 引起的孔堵塞；( 5 ) 烧结引起的表面积损失：( 6 ) 温度降低 引起反应速率的下降。目前对这一过程仍未完全理解，因此，炉膛干粉喷射脱硫 仍是一个活跃的研究课题。 棚“o 嗽 一，薹 o j 量 喝 图2炉内喷钙脱硫的化学反应过程 图3 脱硫剂、c a , s 与脱硫率的关系 1 2 2 影响脱硫效率的主要参数。 ( 一) 吸收剂的类型 炉内喷钙使用的吸收剂可以分为：钙基和钠基化合物或氢氧化物和碳酸盐。 典型的吸收剂包括磨细的石灰石、消石灰、白云石、碳酸氢钠以及碳酸钠。白云 石中的镁在化学反应中基本上是惰性的。氢氧化物的反应活性比碳酸盐高，但是， 氢氧化物也比碳酸化合物贵。 除了要考虑吸收剂反应活性，选择吸收剂还必须考虑以下因素：( 1 ) 吸收剂 成本( 包括运输费用) ；( 2 ) 锅炉和除尘器允许的物料负荷；( 3 ) 特殊吸收剂对系 鞍山科技大学硕士论文 绪论 统积灰的影响；( 4 ) 废弃物处理的潜在影响。商业运行的电厂一般从附近的矿点 选择吸收剂以使运输和储存成本达到最小。例如瑞典的u p p s a l a 电站( 1 2 5 m w ) 使 用由临近的供应商提供的国内白云石。 美国洁净煤示范项目“l i m b 及冷侧脱硫”在e d g e w a t e r 4 号电站1 0 5 m w 机组上 进行了工业脱硫试验。试验燃煤为o h i o 烟煤，含硫量分别为1 6 、3 o 和3 8 三种，试验用石灰石和石灰有四种，结果如图3 所示。由图可见l i m b 系统脱硫率 与所用脱硫剂密切相关。在钙硫比为2 0 且不增湿条件下，土石灰的脱硫率为5 3 6 1 ，方解石灰为5 1 5 8 ，白云石灰为4 5 5 2 ，而筛分8 0 d 、于3 2 5 目的石灰 为2 2 2 5 ，筛分1 0 0 d x 于3 2 5 目的石灰石可达3 2 。 ( 二) 颗粒尺寸 吸收剂颗粒尺寸对s o ：脱除的影响已有大量的研究。早期b o r g w a r d t ( 1 9 7 0 ) 、 i s h i h a r a ( 1 9 7 0 ) 和h o w a r d ( 1 9 7 1 ) 等人的工作认为如果颗粒直径小于5 0 um ，s o 。气 相主体扩散阻力可忽略，但孔扩散阻力很重要。b o r g w a r d t 后来的研究结果( 1 9 8 5 ) 认为如果颗粒直径为1um ，孔扩散阻力是不重要的。k r a m l i c h 等人( 1 9 8 6 ) 发现 颗粒减小到1 21 1m 时对硫酸化反应有益，但低于这一尺寸并不有利。似乎1 - - 2 pm 是减小颗粒尺寸的极限。i s h i h a r a 等人( 1 9 7 5 ) 在1 1 0 0 夹带流塔式反应器 中研究了颗粒尺寸对s 0 2 脱除的影响。他们发现当颗粒的名义直径由5 0um 减小到 4um ，c a o 的转化率增加近一倍，他们推断这是比表面积增大所致。g u l l e t t 等人 ( 1 9 8 7 ) 发现在喷射过程中颗粒会聚结，直径为0 4 4 1 2 1um 的聚结颗粒，其 转化率与颗粒直径的0 2 2 o 3 2 次方成反比。m i i n e 等人( 1 9 9 0 ) 强调初始s 0 ： 脱除率是颗粒尺寸的函数，但o 2 s 后硫酸盐化反应对颗粒尺寸不敏感，为产物层 扩散控制。l i m b 工业试验中，石灰石颗粒直径对脱硫率的影响如图4 所示。 ( 三) c a o 微观结构 c a o 微观结构性质主要是指b e t 表面积、空隙率和孔径分布。( 1 ) b e t 表面积 大量的实验研究表明煅烧后氧化钙的b e t 表面积，对其脱硫能力有明显的影响。 一般认为大的b e t 表面积能增进反应。b o r g w a r d t 等人( 1 9 7 2 ) 在他们早期的研究 中报道反应速率直接正比于b e t 表面积，但在后来的研究中( 1 9 8 6 ) 他们进一步 报道在2 6 3m 2 g 范围内，反应速率与b e t 表面积的平方成正比。( 2 ) 孔隙率和 孑l 径分布由于c a c o 。或c a ( o h ) 。与c a o 的摩尔体积不同，导致煅烧产物c a o 是高 孔隙率的颗粒。对c a c o 。和c a ( o h ) z 4 鞍山科技大学硕士论文绪论 装 瓣 撂 婆 15 2 0 c a ，s 图4 脱硫剂粒度与脱硫率的关系 煅烧后的c a o ，理论孔隙分别是5 4 和4 9 ，可是，吸收剂实际孑l 隙率取决于煅烧 条件。在硝酸盐化反应过程中，由于c a s o 。摩尔体积是c a o 的2 7 2 倍，因此反应 产物c a s o 。导致孔的堵塞。g u l l e t 等人( 1 9 8 7 ) 发现随着硫酸盐化学反应的进行， 孑l 体积下降，且孔径分布向大孔变化。 ( 四) 煅烧和烧结 煅烧和烧结过程影响新生c a o 的微观结构，从而进一步影响其脱硫反应活性。 石灰石煅烧过程被认为是c a c o 。颗粒在高温下一个瞬时的分解表面反应。 b o r g w a r d t ( 1 9 8 5 ) 从他的夹带流反应器实验中发现，在1 0 0 0 。c 对于1 0um 的石灰 石颗粒，9 0 的煅烧早在0 2 5 s 前就已完成。r o m a n 等人报道对于石灰石，8 0 的煅 烧在0 2 0 5 s 内完成，c a ( 0 h ) 。煅烧速率更快，0 2 s 内大部分煅烧就已完成。 煅烧动力学影响新生c a o 的b e t 表面积和孔隙率。b o r g w a r d t 发现c a c o 。分解 之时，c a o 有最小的颗粒尺寸和最大的表面积。在给定温度下，为获得最大的表面 积，煅烧速率必须最大，这能用闪煅烧法达到。最大的表面积从9 0 1 3 3m 2 g 已 见报道。可是，闪煅烧的样品表现出小的内孔隙率，较小的颗粒尺寸和平板形状。 如果煅烧温度过高或在高温下时间过长，新生c a o 微晶会逐渐聚结，而使微 孔丧失，表面积减小，活性迅速降低，此过程称之为烧结和烧死。b o r g w a r d t ( 1 9 8 9 ) 在n ：气流中实验了c a o 的烧结，他报道新生c a o 烧结是一个固体扩散过程，且在 烧结初始阶段表面积减小而孔隙率几乎保持不变。s i m o n s 等人( 1 9 8 7 ) 发现在烧 结过程中孔隙由小孔向大孔变化，总的孔隙率随烧结时间延长而单调下降，长时 烧结后( 1 8 0 0 s ) ，c a o 微晶最后聚结成固体球粒。类似的结果也由g u l l e t t 等人 ( 1 9 8 7 ) 和m y a y r h u b e r 等人( 1 9 8 8 ) 报道。 ：；惦拈筋佰0 鞍山科技大学硕士论文 绪论 ( 五) 初始s o ：浓度和c a s 摩尔比 初始s o 。浓度对脱硫率的影响是复杂的。m u z i o 等人( 1 9 8 7 ) 报道对于低硫煤， 初始s o 。浓度低于1 0 0 1 矿，吸收剂的利用率受s o 。扩散限制，反应对s o 。响应是 一级的。一般的认为反应速率随初始s o 。浓度增加而增加，反应级数从o 2 至1 都 有报道。加压水合白云石作为吸收剂时，初始s 0 2 浓度对脱硫率的影响如图5 所示。 c a s 摩尔比是喷射吸收剂的量与初始硫的量之比，它是钙利用率的一个指标。 大量试验表明高的c a s 能增强s o 。脱除能力。值得注意的是高c a s 使锅炉固体载 荷和废物处理量迅速增大，因此，过高的c a s 不可取。c a s 为2 常常被商业运行 所采用。l i m b 工艺中，c a s 对脱硫率的影响如图4 所示。 x 甜 酱 馨 图5 烟气中s 0 2 含量对脱硫率的影响 ( 六) 反应温度和停留时间 在炉膛干法喷射过程中，反应温度的影响是非常重要的。一般认为在一定的 温度范围，反应速率随温度的升高而增大，但温度超过某一值，烧结就会越来越 严重。因此存在一个最佳反应温度，对于不同类型的吸收剂，最佳反应温度从8 5 0 至1 1 7 7 。c 都有报道。炉内喷钙过程中石灰石反应的最佳温度范围，在燃烧区和 炉膛上部9 5 0 1 1 0 0 。c 的区域内。一旦生成了活性的石灰( c a o ) ，必须在最佳温度 范围内具有足够的时问( 至少1 5 s ) 。 从化学热力学的角度看，在高硫煤燃烧产物 s 0 2 浓度为( 2 0 0 0 4 0 0 0 ) x1 0 ” 环境中，温度高于1 2 6 0 。c 时，c a s & 是不稳定的。c a s o a 形成的温度下限由许多复 杂的相互作用的因素决定，如硫酸盐化动力学、晶体的成长和烧结以及在具有活 性的c a o 表面、c a s 0 4 产物层等。 6 ：2矸拈柏骑筋己佰伸 鞍山科技大学硕士论文绪论 在炉膛喷射中，吸收剂在有效温度区的停留时间在0 4 1 5 s 之间变化。一 般认为在一定的温度和c a s 下，s o ：脱除率随停留时间增加而增加，并且硫酸盐化 学反应速率在初始0 0 3 0 3 s 是非常快的，随后反应速率迅速减缓。 1 2 3 燃煤粉锅炉喷钙脱硫技术的研究发展现状 k o u c k e y 等人( 1 9 8 6 ) 定性地研究了不同位置喷射的吸收剂穿透和扩散。他们 发现吸收剂载气占总燃烧空气的5 已足够，且用较高的喷射速度为好。对于给定 的喷射速度，与烟气流场反向喷射时得到的吸收剂扩散要比垂直或同向喷射为好。 在煤粉炉喷钙脱硫实验室机理试验研究方面，西安交通大学j i a n g q u a nw u 6 】( 1 9 9 1 ) 为了开发传统电站锅炉燃烧脱硫技术，利用热天平和s o ：气体分析仪研究了黄铁矿 和煤样燃烧时的硫析出规律，发现加热时间和加热温度对硫析出规律有很大的影 响，测试了射流反应器中各点处燃烧产物中的s o ：浓度。加拿大n e wb r u n s w i c k 大 学( s t e w a r df r1 9 9 2 ) 利用一台试验炉模拟电站锅炉的运行情况，研究了炉膛 出口烟气中石灰石脱除s 0 ：的情况，煤种为加拿大东部的低硫煤和高硫煤，石灰石 通过3 种方式送入炉膛，当c a s 为3 5 4 5 时，对这两种煤的脱硫率都达到6 0 以上。南京理工大学钟秦1 5 , 7 1 ( 1 9 9 3 ) 年利用夹带流反应器系统模拟真实炉膛喷 射过程，发现c a s 摩尔比、停留时间、反应温度、s 0 ：分压是影响脱硫效率的主要 因素，其中石灰石的最佳脱硫温度为1 0 0 0 11 0 0 。c 。w a n gw u y i n 8 】( 1 9 9 5 ) 用夹带 流反应器模拟了炉内干法喷射吸收剂同时脱硫脱硝的过程，发现9 0 0 可以作为整 体最佳温度。 法国c o l l a d of j 【9 】( 1 9 9 3 ) 研究所研究了钙基吸收剂细颗粒直接喷射脱硫技 术，对实际工业条件下的脱硫过程进行了模拟，目的是确定吸收剂喷射的最佳位 置以获得最高的脱硫效率。在煤粉炉内喷钙脱硫数值模拟方面，浙江大学岑可法【l 叫 等人( 1 9 9 4 ) 研究了煤粉炉s 0 ：等污染物排放和炉内直接喷钙脱硫的问题。清华大 学禚玉群【4 】( 1 9 9 7 ) 建立了一套较为完整的对炉内喷钙脱硫过程进行模拟的方法， 但是在炉内喷钙脱硫温度计算中忽略了燃烧和辐射的影响，没有把炉内燃烧、传 热综合在一起作数值计算。浙江大学傅康( 2 0 0 3 ) j 针对不同形状的喷口对射流 流场的影响进行了数值模拟和试验研究，但其研究的是静止空间的等温自由射流， 而对于实际煤粉锅炉应该为不等温多相交叉射流。 1 3 燃煤粉锅炉炉内过程数值模拟研究的概述 随着计算机技术的应用和发展，从二十世纪七八十年代开始，计算机模拟技 鞍山科技大学硕士论文 绪论 术得到了飞速发展。以c f d 为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域的研究 者们用来研究锅炉炉内过程的重要手段。该方法是根据炉内湍流流动、传热传质 和燃料燃烧的基本理论建立数学模型，采用合理的算法，以大中型计算机为工具 计算炉内的速度场、温度场、各气相组分的浓度分布以及颗粒的运动轨迹等。数 值模拟方法速度快，获得的信息量大，能全面预报炉内的流动、传热和燃烧过程， 为锅炉的设计、运行和改造提供重要的参考依据，具有重要的工程应用价值和广 泛的应用前景。 七十年代和八十年代是模型发展、完善和初步开始应用阶段，如s p a l d i n g 1 2 的湍流燃烧模型，c r o w e d 1 3 】等的气固两相模型，p a t a n k a r h 】的s i m p l e 算法； b e m e c h & k r e m e r 15 1 ，a b b a s & l o c k w o o d 1 6 1 ，和b o y d & k e n t 1 7 1 等对炉内过程中不同方面 的初步模拟。从九十年代起，炉内三维流动、传热和燃烧的模型与方法趋于成熟， 炉内过程的模拟也趋于全面和实用阶段。我国的研究者也在炉内过程的模拟方面 取得了很大的进展，其中代表性的文献有： 浙江大学钱力庚【l8 】对3 3 0 m w 对冲燃烧锅炉炉内的流动、传热和燃烧过程及氮 氧化物( n o 。) 的生成过程、炉内的结渣过程作了详细的数值研究，预报了气相速 度场、温度场和氮氧化物( n o ，) 的浓度场以及煤粉颗粒的运动轨迹。孙平 1 9 1 对6 0 0 m w 四角切向燃烧锅炉的炉内过程进行了详细的数值研究，其中流场采用s i m p l e 法计 算，湍流用r n gk s 模型模化，气固流动采用拉格朗日方法，辐射换热用蒙特卡 洛法，气相燃烧模拟采用旋涡破碎( e b u ) 模型。樊建人等【2 0 j 对6 0 0 m w 的电站锅炉 炉内的流动、传热和燃烧进行了数值模拟，认为引入顶部燃尽风( o f a ) 可有效控 制n o 。的生成。 清华大学的李力【2 1 1 对四角喷燃炉炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了数值模 拟，分别给出了两相时均和脉动速度场，颗粒浓度场，气相组分浓度场，气相温 度场及壁面热流等详细信息，其中气固流动采用双流体一轨道模型，湍流用 庀一s 一印两相湍流模型模拟，炉内辐射换热采用离散坐标法，气相燃烧采用旋涡 破碎( e b u ) 模型。刘向军【2 2 】对h g - 6 7 0 1 4 0 9 型四角切向燃烧煤粉锅炉内的两相 流动、燃烧过程进行了数值模拟，采用与流动方向较一致的网格体系，颗粒相用 随机轨道模型，气相湍流燃烧用e b u 模型、煤粉热解挥发采用双平行反应模型， 焦碳燃烧应用扩散动力模型。徐旭常等2 3 】在煤粉燃烧的模拟中对随机轨道模型中 的颗粒与涡相互作用时间做了改进，并在处理气相中颗粒源项采用w e b e rp d f 分 布。 西安交通大学的周月桂【2 4 】对四角切向燃烧锅炉炉内流场进行了数值模拟，并 研究了折焰角结构、分隔屏布置和一次风反切方式对炉内气流旋转强度和水平烟 鞍山科技大学硕士论文绪论 道烟气速度偏差的影响，认为适当减小分隔层左、右侧墙及与前墙的间距，可改 善屏区气流速度分布的均匀性，有效地削弱残余旋转。李彦鹏【25 j 采用了空度方法 及考虑扩散项非均分的q u i c k 格式对哈三和盘山6 0 0 m w 锅炉进行了全炉膛的流场 模拟，所得结果与冷模试验符合。张文宏【2 6 】利用涡量修正法对不同炉膛结构下炉 内速度场及涡量场进行了计算，其速度场的计算结果与实验符合较好。 华中理工大学肖理生、曾汉爿+ 等 2 8 】对3 0 0 m w 贫煤锅炉低n o ；排放燃烧技术进 行了数值研究，认为对大型贫煤锅炉，采用1 0 的顶部燃尽风( o f a ) 有利于改善 煤粉燃尽率和降低n 0 x 排放。周向阳【29 】对煤粉燃烧过程及其污染物的生成进行了详 细的数值研究。徐明厚、曹汉鼎等1 3 0 l 对6 0 0 m w 四角喷燃炉进行了模拟，重点研究 了炉内燃烧不均匀性对锅炉运行温度的影响，认为减少二次风切圆直径是降低烟 温偏差的有效措施。 西安交通大学范贤振【2 7 】对2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉锅炉的炉内过程进行了数 值模拟，通过在炉膛燃烧器区段建立一套适应流场变化的网格系统来减少数值伪 扩散，较好地预报了炉内的速度场、温度场和气相各组分的浓度场以及煤粉颗粒 的运动轨迹。 二。 1 4f l u e n t 软件概述一 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为 6 0 。凡是跟流体、热传递及化学反应等有关的工业过程和工艺方法均可使用。它 具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、 汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气 工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散聚积、多 相流、管道流动等等。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种 复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定 的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各 个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流 动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物 理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间 的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： g a m b i t 专用的c f d 前置处理器，f l u e n t 系列产品皆采用f l u e n t 公司自行 研发的g a m b i t 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模 型能力之前处理器，然后由f l u e n t 进行求解。也可以用i c e mc f d 进行前处理， 9 鞍山科技大学硕士论文 绪论 由t e c p l o t 进行后处理。 f l u e n t 6 1 8 基于非结构化网格的通用c f d 求解器，针对非结构性网格模 型设计，是用容积法求解不可压缩流及可压缩流流场问题的c f d 软件。采用三角 形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三维流动问题。计算过程 中，网格可以自适应。可计算压缩与不可压缩流动问题、稳态和瞬态流动问题， 无粘流，层流及湍流问题，牛顿流体及非牛顿流体、对流换热问题( 包括自然对 流和混合对流) 、导热与对流换热耦合问题、辐射换热、惯性坐标系和非惯性坐标 系下的流动问题模拟、多运动坐标系下的流动问题、化学组分混合与反应、可以 处理热量、质量、动量和化学组分的源项、用l a g r a n g i a n 轨道模型模拟稀疏相( 颗 粒，水滴，气泡等) 、多孔介质流动、一维风扇、热交换器性能计算、两相流问题、 复杂表面形状下的自由面流动。计算的模型中包括多相流模型，混合分数p d f 燃 烧模型，预混燃烧模型，污染物生成模型，相变模型，r o s s e l a n d 辐射模型，确定 质量流率的周期性流动模型及周期性换热模型等。f l u e n t 可以模拟宽广范围内的 燃烧，在f l u e n t 中模拟气相燃烧，可针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动 力学处理手段，以减少计算量：有限速率燃烧模型适用于预混、部分预混和扩散 燃烧；扩散燃烧可采用混合物分数方法( 平衡化学的p d f 模型和非平衡化学的层 流火焰面模型) ；反应进度方法( z i m o n t 模型) 可模拟预混燃烧；部分预混燃烧采 用混合物分数和反应进度方法的结合。离散相模型适合于煤燃烧与喷雾燃烧。 1 5 本文研究的目的和主要内容 燃煤粉锅炉炉内喷钙脱硫技术既有较高的学术价值，又有较强的产业背景， 是一个很有前途的研究方向。该技术的实施和工业化方法及工艺具有成本低廉、 效果适中的特点，是解决中小电站煤粉锅炉污染控制的一项很有潜力的技术。 煤粉锅炉喷钙脱硫技术的有效性取决于吸收剂喷射点炉膛温度以及喷射系统 引起的混合。利用预测炉膛温度的模拟技术可以设计出吸收剂喷口的布置位置： 利用吸收剂和烟气间混合的模拟技术可用来估计设计参数如：喷口直径、固体负 荷、喷口速度等。因此，吸收剂喷射点炉膛的温度以及喷射引起的混合条件已被 确定为影响吸收剂喷射脱硫效率的重要参数。 本文利用f l u e n t 软件对某冶金企业热电厂一台1 3 0 t h 煤粉锅炉进行数值模 拟，计算出炉膛温度场的分布情况；根据脱硫反应的最佳温度确定c a c 0 3 的喷射位 置；对炉内喷钙的进一步研究，还针对该锅炉低负荷运行时炉膛温度场的变化进 行数值模拟，然后确定最佳的c a c o 。的喷射位置；最后采用不同的喷口形状、不同 位置的喷射点、不同的喷口空气速度和不同的喷射方向，对炉内喷钙脱硫效率的 鞍山科技大学硕士论文 绪论 影响进行数值模拟。 本文主要研究内容包括二部分： 第一部分：四角切向燃烧煤粉锅炉炉内过程的数值模拟 第二部分：炉膛喷粉系统的方案比较 鞍山科技大学硕士论文燃煤粉锅炉炉内过程的数学模型综述 2 燃煤粉锅炉炉内过程的数学模型综述 四角切向燃烧煤粉锅炉的炉内过程是一个非常复杂的湍流流动与燃烧化学反 应过程，其流动是一个典型的三维多组分气固两相流动；热量的传递包含有热传 导、对流换热和辐射热三种基本的传热方式；燃烧化学反应包括多组分气相的燃 烧和固体煤粉颗粒的燃烧两部分。尽管过程非常复杂，但其过程的变化还是有一 定规律的，即必须满足相关的物理、化学基本定律。这些基本定律主要是：物质 不灭定律、牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律等。根据 这些定律和有关假设可以建立起反映流体湍流流动和炉内燃烧过程的通用微分方 程组，再联立相关的本构方程使微分方程组封闭，然后就可以根据实际工程问题 确定相应的初始条件和边界条件，对问题进行求解。 2 1 气相流动 湍流流动的r e y n o l d s 时均方程中表征湍流脉动引起的动量、质量及能量输运 _ j 了 的二阶关联项一p ”- v 二，一p ”一，一p 7 ，。p 。都是未知项，它们被分别称为r e y n o l d s 应力，r e y n o l d s 物质流和r e y n o l d s 热流。湍流模拟的任务就是通过表达式或输运 方程来寻找这些未知关联项，使r e y n o l d s 方程组封闭。 b o u s s i n e s q 在1 8 7 7 年提出了湍流粘性系数的概念。“，采用平均速度梯度乘上 一个系数的方法来模拟雷诺应力，即 。= 一户虿巧= ， 等+ 要 。一， 式中，表示雷诺应力，“为湍流粘性系数，v 为时均速度，x 为空间坐标。 在非边界层类型的流动问题中，有的研究者对b o u s s i n e s q 的雷诺应力表达式 提出了修正，采用下面两种表达式来模拟雷诺应力， 或者 = 一而钢巨荨一象沪：， 鞍山科技大学硕士论文 燃煤粉锅炉炉内过程的数学模型综述 。，。= 一p 访i = ， 主手+ 等 一号肚毛 。一。， 式( 2 - 3 ) 中女为单位质量流体的湍流脉动动能的时均值。 于是，按照b o u s s i n e s q 的雷诺应力表达式的形式，即雷诺应力与时均速度场 之间的关系式，就把r e y n o l d s 时均方程的不封闭性从雷诺应力7 ，转移到湍流粘性 系数h 上。 通常，根据计算湍流粘性系数h 所需求解的微分方程的个数，把湍流粘性系 数模型分成：零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中零方程模型中的混合 长度模型、单方程模型中的方程模型、双方程模型中的s t a n d a r d 一s 模型是最 常用的湍流粘性系数模型。 混合长度模型的主要思想是：假定流体是一种连续介质，应用牛顿型的粘性 作用定律，把湍流中的粘性形成与层流中因分子运动而形成的粘性作相似的类比， 从而建立湍流粘性系数肼的表达式。该模型存在较大的局限性，主要体现在：第 一，它认为湍流粘性仅是流场当地性质的函数，湍流脉动速度与当地时均速度梯 度成正比。实际上，体现湍流脉动的湍流粘性系数是流动状态的函数，而流动状 态又受到对流、扩散过程的影响，时均速度为零的点可能不产生湍流脉动，但并 不意味着该点的湍流脉动速度就为零，因为还有对流和扩散的影响，因此混合长 度模型中认为湍流粘性系数正比于时均速度梯度是不合理的；第二，只有在简单 流动中才能给出混合长度f 的表达式，对许多实际的工程流动，比如复杂的边界层 类型流动( 同心管流动) ，拐弯或台阶后方有回流的流动等等，要给出混合长度，的 计算公式相当困难。没有合理的混合长度，公式可利用，当然谈不上应用混合长度 模型。 针对混合长度模型的局限性，为了解决湍流粘性系数随时均速度梯度而趋于 零的问题，p r a n t l 0 2 1 等人提出了单方程模型。 p r a n t l 在1 9 4 5 年提出的单方程模型考虑了对流和扩散作用对湍流动能七的影 响，以湍流动能和混合长度，表示的湍流粘性系数消除了混合长度模型的一个弱 点：时均速度梯度为零时，h 也为零。然而，鉴于与混合长度模型相同的原因 鞍山科技大学硕士论文 燃煤粉锅炉炉内过程的数学模型综述 在复杂流动中很难给出混合长度，的表达式，因此单方程模型在工程中也难发挥作 用。 双方程模型把体现湍流脉动对时均流场输运作用的两个特征量湍流动能k 和 混合长度，都处理成由各自的微分方程控制的因变量。由于直接建立以，为因变量 的微分方程非常困难，所以实际建立的一个是i 方程