（热能工程专业论文）新型旋流燃烧器多相流及炉内特性分析研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 近几年来电力事业迅猛发展，百万千瓦特大火电机组的建造和燃用煤种的多 变使得旋流燃烧器的优势得以体现。在我国，旋流燃烧器电站锅炉比例较小，技 术基本上是从国外引进，我们对各种旋流燃烧器的特性还未完全了解。 本文对宁夏中宁电厂1 号炉燃烧器内气固多相流动进行了数值模拟并分析了 其气固两相流动特性：对炉内在不同煤种、负荷、燃烧器投运方式下的1 2 种变工 况燃烧过程进行了数值模拟，并利用炉内温度场、速度场、n o x 的分布来分析各 种工况下炉内的燃烧特性；在与现场实验进行对比的基础上，结合现场实验提出 了锅炉变工况运行建议。 关键词：旋流燃烧器，锅炉燃烧，数值模拟，变工况运行 a b s t r a c t i ti sv e r yf a s tf o rt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee l e c t r i cp o w e r t h ec o n s t r u c t i o no f m i l l i o nk i l o w a t t sd e v i c ea n dt h ev a r i e t yo fb u r n i n gc o a lm a d em o r ea d v a n t a g e sf o r s w i r lb u r n e r t h es t r u c t u r eo fs w i r lb u r n e ri s v e r yc o m p l i c a t ea n di t sf o r mi s d i v e r s i f o r m i nc h i n ap o w e rb o i l e rw i t hs w i r lb u r n e ri sl e s st h a nc u r r e n tb u r n e r t h e t e c h n o l o g yo fs w i r lb u r n e ri sf e t c h e di nf r o ma b o a r d a n dw ed i dn o th a v ee n o h 【曲 k n o w l e d g ea b o u ti t t h eg a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o wo ft h eb o i l e rb u r n e ro fz o n g n i n gp o w e rs t a t i o na r e s i m u l a t e da n da n a l y s i s 。w ec a nc o n c l u d et h ef e a t u r e so fc o m b u s t i o nt h i sn e wt y p es w i r l b u r n e ru n d e rv a r i a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o nf r o mt h es i m u l a t ea f t e rt h ec o m p a r i s o nw i t h e x p e r i m e n t i tm a yp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h et h eo p e r a t i o no ft h i sn e wt y p es w i r lb u r n e r a f t e rh a v ec o n t r a s t e dw j t ht r i a l s t i a nh a i c h u a n ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iw e n y a n k e yw o r d s ：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 i l ，v a r i a b l e o p e r a t i n gc o n d i t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型旋流燃烧器多相流及炉内 特性分析研究，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：塑! 鱼! ! 1 日期：2 垒垃：三：兰护 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： 日期：型堡 旅翠 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近几年来电力事业突飞猛进，从今年起将连续3 年新增装机7 0 0 0 万千瓦，到 2 0 0 7 年底，我国发电装机总容量将达到6 5 亿千瓦。如此快速的发展速度，可以说 在当今世界都绝无仅有。随着山东邹县电厂、江苏泰州电厂等一批1 0 0 0 m w 超超l 临 界燃煤机组的立项与开工，中国火电也从此进入了令人振奋的单机百万千瓦新时 代。 独立电网总容量要与单机容量应相适应。单机容量不能过大，否则机组一旦事 故非停就必将对电网造成较大冲击，而单机容量过小又会造成电网运行管理过于复 杂化。因此随着独立电网总容量的增加，单机容量的提升也就势在必行。再加之大 容量火电机组无论是在单位千瓦造价还是效率、环保等方面都具有非常明显的优 势，因此大容量机组是目前新装主流火电机组的首选。电厂用煤复杂多变，直流燃 烧器在设计煤种的适应性方面较旋流燃烧器具有一定优势，因此得到了广泛使用。 目前火电机组中直流燃烧器占8 0 ，是火电机组中的绝对主力，旋流燃烧器和w 形火焰燃烧器各占1 0 “1 ，目前在国内应用较少。但是直流燃烧器有较强的残余旋 转，造成水平烟道左右侧速度场和温度场分布不均，这在小容量锅炉上体现得不太 明显，但在大容量锅炉上则越来越不可忽视。据统计，2 0 万千瓦机组锅炉水平烟 道最大温差约为1 0 0 ，3 0 万千瓦机组锅炉水平烟道最大温差为1 0 0 - - 1 5 0 ，6 0 万千瓦机组锅炉水平烟道最大温差为1 5 0 2 0 0 ，甚至可达1 8 0 2 4 0 ，锅炉再 热器和过热器甚至频繁发生爆管事故，直接威胁着锅炉的安全性和可靠性”1 。由于 旋流燃烧器残余旋转非常小，因此旋流煤粉炉水平烟道温差很小。近年来，由于炉 膛出口残余旋转造成的过热器与再热器的超温、爆管问题主要发生在大容量直流煤 粉炉上，在旋流煤粉炉上类似情况发生较少。另外，旋流燃烧器可以灵活控制燃烧 器通道内各种风的混合点，因此调节比较灵活，对煤种适应性比较强，对于燃用煤 种多变的今天就显的尤为重要。 四角布置直流燃烧方式要求由炉膛横截面必须为j 下方形或接近正方形，以便能 形成切圆燃烧。这种布置方式对于中小容量的锅炉不存在问题，但随着锅炉容量进 一步增大，炉膛尺寸随之增大，要维持一二次风的良好混合就需要气流有更高的动 量，这就使风机的压头必须进一步增加，而且气流的刚度很难保证。为了解决大容 量问题，c e 公司把炉膛设计成长方形结构，在中间加一分隔墙，再在分隔墙所形 成的4 个角上布置燃烧器，形成了左右双切圆的燃烧系统。但在这种方式下，分隔 墙的工作状况极其恶劣，常会引起严重结渣及爆管。目前锅炉四角布置方式的机组 1 华北电力大学硕士学位论文 能达到的最大容量为9 0 0 m w ，要想达到墙式布置方式机组的1 3 0 0 m w 容量是极其困 难的。而对于墙式布置燃烧方式，炉膛横截面不要求为正方形，所以随着机组容量 的增加，只需增加炉膛的宽度，而不必增加炉膛的深度，锅炉的容量并不受炉膛截 面积的限制”1 。 旋流燃烧器对介质的卷吸率高、射程短，这就减少了火焰碰撞、冲刷水冷壁的 机会，而且沿炉膛内热负荷比较均匀，炉膛的结渣和腐蚀较易控制。 至此对于旋流燃烧器的研究就获得了日益重要的地位。 进行现场实验难度大、工作量大、耗时长，在某些情况下甚至是无法实现的。 随着计算机硬件性能水平的提高，计算方法的不断完善，数值模拟技术得到了迅速 的发展。为了节省试验费用，按照武汉锅炉厂的要求，本文将采用数值模拟的方法 来分析燃烧器及炉内的变工况运行特性，为采用这种燃烧器煤粉炉的变工况运行提 供参考方案。此种燃烧器在稳定燃烧、控制n o ，等方面采取了一些独到的技术。因 此，研究这种新型低n o 。双调风旋流燃烧器将对旋流煤粉炉的发展起到推进作用。 1 2 旋流燃烧技术的发展 旋流燃烧器结构复杂，形式多样，在旋流燃烧器的发展过程中出现了许多类型 的旋流燃烧器，其中典型的有“6 ”： 1 蜗壳式旋流燃烧器 一次风、二次风切向进入蜗壳，经蜗壳产生旋转后进入炉膛。在燃烧器喷口处， 煤粉浓度和风速分布不均匀，可能造成某一区域因气流速度偏高而着火滞后，另一 区域则因气流速度偏低丽着火提前并在喷口附近区域发生结渣。 2 轴向可动叶轮式旋流燃烧器 一次风为直流，二次风经轴向叶轮产生旋转进入炉膛。可用拉杆移动轴向叶轮， 改变二次风风道中的直流和旋流风量配比来调节二次风的旋流强度。叶轮朝炉膛方 向移动时旋流强度加大，反之旋流强度减小。 3 径向叶片旋流式燃烧器 一次风为直流。二次风为旋流，设有内外两圈切向档板，分别调节。调节内套 筒头部可改变煤粉浓度达到稳定燃烧目的。该燃烧器调节性能好，燃烧稳定，防焦 性好，另外结构简单，占炉膛壁面较小，煤种适应性强，并能抑制n o ，的产生。 4 b a b c o c k 双调风燃烧器 b a b c o c k 双调风燃烧器使用了相对狭长的火焰来达到低负荷和降低n 0 ，。燃料 的着火是在火焰中心含粉浓度较大的风粉混和物中发生的，气流的扰动仅是使风粉 的混合达到维持燃烧所需要的程度。燃烧器设计参数特征是较低的一次风速和较低 的一次风率。 2 华北电力大学硕士学位论文 5 p a x 燃烧器 采用直吹式制粉系统，用热风置换部分一次风，使磨煤机出口风粉混合物温度 由8 5 提高到燃烧器出口的2 0 0 。c 左右，达到中储式热风送粉的温度水平。同时置 换前煤粉气流的1 0 的煤粉和5 0 的空气经乏气喷口送入炉膛，能使一次风粉浓度 浓缩约1 8 倍。置换后的乏气通过呈极扁平形状的喷口射入炉膛。 6 旋流浓淡燃烧器 浙江大学开发的管内浓淡分离装置，已获得工业应用。至于一次风管中是内浓 外淡还是内淡外浓分离，与具体的空气动力特性有关：当内二次风为强旋时，以内 浓为佳：反之，外浓也可应用。 7 前苏联高浓度旋流燃烧器 此类型燃烧器的本质是高浓度给粉技术。至今已有燃用无烟煤、褐煤、烟煤的 2 0 0 8 0 0m w 机组锅炉。采用此种技术大大简化制粉系统，减少金属及保温材料等 消耗，提高了可靠性和经济性。一次风管道阻力大为减小，甚至可不设一次风机。 可以实现直接调节煤粉浓度控制燃烧。在高浓度旋流燃烧器内，从中心管进入的高 浓度煤粉虽被一次风和二次风所稀释，但仍以较高浓度喷入炉膛，在出口附近形成 良好的雾化着火区。 1 3 煤粉炉炉内过程数值模拟研究现状 1 9 7 2 年伦敦帝国科技大学教授d b s p a l d i n g 和v s p a t a n k a r 在第十四届国际燃 烧会议上提出炉内三维流动过程计算机模化的建议。进入八十年代，一整套的燃烧 室内的模型方法开始初步形成，燃烧室的模拟开始走向大型的炉内模拟。1 9 8 6 年， 英国的a b b a s 和l o c k w o o d ”1 对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进行了气相燃烧模拟， 传热采用了离散传播模型。同年，澳大利亚的b o y d 和l o w e ”1 对5 0 0 m w 塔式切向燃烧 锅炉进行了模拟，并将其结果与实际炉子的冷态流场进行了比较。美国杨伯翰大学 燃烧工程中心“”为福斯特惠勒和美国燃烧工程公司开发了模拟煤粉燃烧的 p c g c 一2 、p c g c 一3 软件。德国斯图加特大学的g o r n e r “”对侧墙有8 个切向进风燃烧 器的锅炉炉膛内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了数值模拟，计算所得的热 流分布和实验值进行了比较，计算值高于实测值，有较大的差别。 国内的清华大学、浙江大学、中国科技大学、华北电力大学、上海成套所也开 展了炉内数值模拟的研究。 1 4 课题研究内容 本文将对武汉锅炉厂从英国引进的3 3 0 m w 前后墙对冲旋流煤粉炉燃烧器内气 固两相流动及炉内变工况运行状况进行数值模拟。在对模拟结果进行分析、对比的 3 华北电力大学硕士学位论文 基础上，总结出此旋流燃烧器内部气固两相的流动特性及其炉内变工况运行特性， 并结合现场热力试验进行对比分析，从而为燃烧器的炉内变工况运行提供参考方 案。 ( 1 ) 对武汉锅炉厂从英国引进的新型双调风旋流燃烧器复杂通流部分进行分析、 构体，建立旋流燃烧器通流区域合理的网格体系。 ( 2 ) 对旋流燃烧器内部气固多相流动进行模拟，并分析此旋流燃烧器内部气固两 相的流动特性。 ( 3 ) 对锅炉本体( 包括燃烧器出口段) 进行构体，建立炉内通流区域合理网格体 系。 ( 4 ) 以燃烧器距水冷壁4 2 7 m m 处通流面的流场参数作为炉膛计算的入口条件， 计算锅炉在不同煤种、不同负荷、不同燃烧器投停方式下运行时的温度场、速度场、 n o x 分布，然后在此基础上分析燃烧器的炉内特性，按照武汉锅炉厂的要求总共 需要计算的典型工况共1 2 种。 ( 5 ) 计算结果与宁夏中宁电厂1 号炉燃烧调整试验结果及宁夏马莲台电厂1 号炉 ( 锅炉结构和运行条件与中宁电厂基本一致) 燃烧调整试验结果进行对比分析，并 对锅炉的变工况运行提出建议。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章煤粉炉炉内过程数值模拟模型 锅炉的燃烧过程包括多相流、传热传质和化学反应“”。煤粉的燃烧过程，可 在基本守恒方程的基础上用湍流流动模型、湍流气固两相流动模型、气相湍流燃烧 模型、挥发分析出模型、焦炭燃烧模型、辐射换热模型、污染物n 0 ，生成模型来描 述。 2 1 基本守恒方程 惩 霎住万栏( 质量守恒万栏) ： 譬+ 晏( 删，) ：o 2 ( 2 - 1 ) 舌+ 瓦( 删，) - 0 ) 动量平衡方程： 昙( f ) + 考( 删一) 一詈+ 丢( 纠 ( z - 2 ) 式中：勺2 ( 考+ 爿o u j 一詈a u , a “，勺为粘硅应力。 其中毛为k r 。n e c k e r s 函数：岛= 长；三务 能量平衡方程： 丁a ( p c p t ) + 毒( 鸭“，力= 云( 畚a 百o c 7 ) + 嵋g ( 2 - 3 ) 化学组分方程： 昙c 肌，+ 寿c p q m ，。苦【r ，o m , 1 j + 弓 c z _ ， 状态方程： p = p ( p ，r ) ( 2 5 ) 上述基本方程虽然封闭，但因为湍流是在一个很小的湍流尺度上进行的，所以 求解这样一组方程就必须在湍流尺度的网格尺寸内进行，然而这是目前计算机容量 及速度尚不能实现的。因此，求解n a v i o r s t o k e s 方程必须从其他方面着手，这就 是湍流模犁n 3 ，“，”，”- ”】。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 2 湍流流动模型 考虑到目前计算机的实际硬件水平，直接数值模拟、大涡模拟还无法应用于工 程实际。现在可应用于工程实际的是由雷诺时均方程出发的模拟方法，即湍流模型。 湍流流动的模化基本上是围绕湍流输运通量一p u ；u ：的封闭求解进行的。要使方程组 封闭，就要把湍流的脉动值附加项与时均值联系起来，这样就产生了所谓的零方程 模型、一方程模型、两方程模型等。 双方程模型中的k - 占模型，是在实际工程中应用最为广泛的湍流模型。”。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。七一占模型对浮力流、强旋流 动、弯曲壁面流动、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。为此，人们提出了许多改进的模型0 8 “”，如低r e y n o l d s 数k f 模 型、非线性七一s 模型、多尺度k - 占模型、重正化群k 一占模型、r e a l i z a b l e k 一占模 型等。 本文选用r e a l i z a b l e j r s 双方程模型，通过求解偏微分方程确定脉动特征速 度与平均场速度梯度的关系，而不是直接将两者联系起来；该模型以耗散尺度作为 特征长度o 。 连续方程： 动量方程： 组分方程： 能量方程： 掣q ( 2 - 7 ) 考( p 扣考( 以薏 _ 寿+ 苦( 以等 + 厶+ 厶 c z 删 毒h 啪= 丢( 告等 一 ( 2 - 9 ) 铷。r ) = 毒唔百a g p t ) 饥豺q 6 ( 2 - 1 1 ) 胪 一 、， 批一 v 0 0 八丝 + 批一 ，l “ 、 丝戤鸬一q ，l 旦瓯 = p锄 ：旦奶 程方 k 能动湍 华北电力大学硕士学位论文 湍动能耗散率占方程： 毒妇力= 苦陪毒) + q 昙h ( 考+ 激刳一白譬 。m ， 上述方程中常数项取为：q = 听= o 7 ；q = 0 0 9 ；c l = 1 4 4 ；c 2 = 1 9 2 ；= 1 o ； 吒= 1 3 ； 2 3 湍流气固两相流动模型 根据对固相的不同处理方法，将颗粒相的求解分为e u l e r 法和l a g r a n g e 法两 种“3 ，多相流模型的种类及其特点如表2 - 1 所示。 表2 - 1 多相流体流动模型 颗粒相模型 基本观点鬻舅罢坐标系统颗粒繁运性 单颗粒动力学模型离散体系不考虑有拉格朗目无 小滑移模型连续介质不考虑有欧拉有( 滑移= 扩散) 无滑移模型连续介质部分考虑无欧拉有( 扩散平衡) 颗粒轨道模型离散体系部分考虑有 拉格朗日喜 磊磊襄薹； 双流体模型连续介质全部考虑有欧拉有 本又米用随机矾逼糗型计算煤粉5 i ；贝粒征炉喔冈阴还明经伪，征l a g r a n g e 坐杯糸 下处理颗粒相，在e u l e r 坐标系处理气相。模型考虑了气相脉动随机速度对颗粒的 支配作用，并据此来计算颗粒的随机运动轨道，然后再计算出时平均轨道。忽略体 积力影响，描述颗粒运动可用方程： 盟：士p + u ，) , t t 、 7 亟：土o ，+ y ，一圪) , t t f 0 k j 盟：上修+一)dt 、 “ ( 2 1 3 ) 速度表达式为： = 妙+ 一妙+ 一) e x p ( 一生 g e l 华北电力大学硕士学位论文 = 缈) 一缈+ 一矿j o x ( 一a 既= 缈+ ) 一妒+ 一) e x p ( 一a t ) 颗粒轨道可线性近似表达为： x t # = x q + o 5 q + ul 沁 e ，= k ，j + o 5 敝j + k ，。必f z k 。= z t j + o 文z t i 十zk ：灶 2 4 气相湍流燃烧模型 ( 2 - 1 4 ) 目前描述湍流气相燃烧过程的模拟，主要有针对扩散火焰的k s g 模型、针 对预混火焰的旋涡破碎模型( e b u ) 、拉切滑模型、e s c i m o 湍流燃烧理论等。 1 在湍流扩散火焰的k w g 。“模型的基础上，发展了k 一一g 。”模型。它的 特点是： ( 1 ) 采用k f 模型模拟湍流输运； ( 2 ) 采用简化化学反应系统和快速反应的假设； ( 3 ) 假定几率分布函数的形式； ( 4 ) 建立因变量的控制方程； ( 5 ) 基于快速反应假设，采用几率分布函数得到燃料和氧化剂质量分数平均值； ( 6 ) 求解滞止焓。 2 漩涡破碎模型是第一个湍流燃烧模型”，简称e b u 模型。其基本思想是：认 为在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应是在这两个气团的交界面上 发生的，而且认为化学反应速率是由未燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率 决定，而破碎速率则与湍流脉动动能的衰变成正比，漩涡破碎模型突出了流动因素 对燃烧速率的控制作用，给出了简单的计算公式，但该模型未考虑分子输运和化学 动力学因素的作用，限制了它的使用范围。 3 在漩涡破碎模型的基础上，为了体现分子扩散和化学动力学的因素， s p a l d i n g 于1 9 7 6 年提出了所谓“拉切滑模型( s t r e t c h c u t a n d - s 1 i d e m o d e l ) ” 3 4 1 。它的基本思想：将湍流反应区域考虑成充满未燃气团和已燃气团， 气团在湍流作用下受到拉伸、切割、滑动而重新组合，其不均匀性尺度下降，未燃 气和已燃气截面上存在燃烧面，其速度以层流火焰向未燃部分传播。这个模型与 e b u 一样跳过了湍流与化学反应相互作用问题，而依据经验获得，也未反映出湍流 8 华北电力大学硕士学位论文 具有的脉动统计特性。对于复杂化学反应系统，这种带有“猜想”意味的模型就更 难找到合适的表达式而难于进行应用。 4 对于湍流燃烧问题，目前发展最有前途的也许是e s c i m o 。”理论。其特点是 兼顾了湍流输运。分子扩散即化学反应本身三个方面的特征。 e s c i m o 湍流燃烧理论的基本点是： ( 1 ) 卷吸，e ( e n g u l f m e n t ) ：在湍流作用下，一个流体被另一流体卷吸的过程。 ( 2 ) 拉伸，s ( s t r e t c h i n g ) ：即在湍流脉动作用下，流体层的厚度不断减小的过 程。 ( 3 ) 黏附，c ( c o h e r e n c e ) ：认为层流流体一旦被卷吸在一起，即在流动、输运、 拉伸和化学反应过程中都不会分开，它们互相黏附在一起。 ( 4 ) 内扩散和内反应，i ( i n t e r d i f f u s s i o n 和i n t e r a c t i o n ) ：即在流体层拉伸 过程中，发生在流体层内部的分子扩散和化学反应。 ( 5 ) 流动坐标，m o ( m o v i n gb o s e r v e r ) ：即在描述流体层内部变化时涌流动坐标， 用拉格朗日法描述。 5 在气相扩散火焰中，当混合时间尺度比反应时间尺度大得多时，必须详细考 虑湍流混合过程，可以假设是瞬时化学反应( 快速化学反应) ，采用平衡算法来计 算反应过程。混合分数法是一种基于此假设广泛应用的方法。 当两股进口流流体可视为物性均匀时，湍流中任一参数如某组分比率 ”，= m ，l ( m ，+ m ，) ，其值在( 0 ，1 ) 之间波动，它是一个随机函数，将mr 用f 表 示，它在( f ，f + d f ) 范围内出现的概率可定义为p ( f ) d f 。对于一个具体p ( f ) 的 分布，在( 0 ，1 ) 范围内，流场内各点有： f = 【彦( 力d f ( 2 - 1 5 ) 由于7 是守恒标量，满足源相为0 的输运方程： v ( , o u f ) 一v ( f g g r a d ( f ) ) = 0 ( 2 - 1 6 ) 流场中任意参数可表示为： = l f l ( f ) p ( f ) d f = 口，+ o e ，f l , + i f l ( f ) p ( f ) d f ( 2 - 1 7 ) 定义g = ( 厂一7 ) 2 = i 1c ，( f ) 一7 2 d t t 是与湍流时间尺度相当的量，于是在湍流中可推导出g 的输运方程 v c 融v 咖b 旧饲2 旧卜砌c z 一 为了求得流场的参数，仅有厂和g 是不够的，还需要有p ( f ) 的形状，由于 9 华北电力大学硕士学位论文 实际流场中p ( f ) 分布基本上可以认为是高斯随机分布，它在f = o 和f = 1 处有 间隙值，利用这个假定和7 、g 的值可以求出p ( f ) ，任意参数也可算出。 在带反应颗粒的系统中，由于颗粒产生气体，因而流场中各点的f 将不再满足 上述输运方程，为了解决这个问题，引入，7 ： r ：坠一 ( 2 1 9 ) + m p + m ， 它满足具有源项的输运方程，它的源项是由颗粒产生的。 中某组分的份额。这时流场中任意参量可表示为： = 艰成+ ( 1 一叩) b 或十( 1 一f ) f l , j f 在此定义下是各点 ( 2 - 2 0 ) ，7 和g 。的输运方程是： v ( p _ ) 一v k 郫d 历) 】- 筇 ( 2 _ 2 1 ) v 剐吨一) 】_ 叫。2 + ( 胡2 侧施z 删， 由于f 的定义，f 不能通过输运方程求解，定义： 2 赤 2 2 ) 可由输运方程求解出，由f ，丘，玎的定义维导出： 厂= l ( 1 一珂) ( 2 2 3 ) 从统计角度看，在假定叩与厶无关的情况下， f = ( i 一，7 ) ( 2 2 4 ) 最后，f 、g 、玎及g 。都求出后，在假定的截尾高斯分布下求出p ( 厂) 、p 铆) ， 由于f 和玎的无关性，联合概率密度函数p ( f ，7 7 ) 表示为： p ( f ，玎) = p ( f ) p ( r 1 ) ( 2 - 2 5 ) 因此任意变量口的平均值可以表示为： 2e j 二( ，刁) 够玎 = 以反+ q i 以+ q 屈p ( o ，) p ( ，) 秒l + f p ( 玎) 卢( 切) 却( 2 - 2 6 ) l 0 j + a , i p ( r ) f l ( 1 ，刁) d 叩+ f p ( r 1 ) p ( f ) f l ( f ，q ) a , 7 a f 混合分数法无需求解大量的物质传输方程就可以模拟湍流反应流动中中间产 物的形成、湍流与化学反应的相互作用，并且比有限率法能得出更精确的流体平均 华北电力大学硕士学位论文 密度，所以目前得到了广泛的应用。 2 5 挥发分析出模型 煤的挥发分析出过程非常复杂，要给出一个完整的反映物理和化学过程的方程 是非常困难的。自从1 9 7 0 年b a d z i o c h 。6 1 等提出了最简单的煤热解动力学的单方程 模型以来，许多学者相继提出了双方程、多方程、多步平行反应、竞争反应及通用 模型，使挥发分析出模型有了极大进步。 1 单步反应模型 于1 9 7 0 年由b a d z i o c h 和h a w k s l e y 。7 1 首先提出，认为煤的热解是在整个煤粒 中均匀发生的，其总的过程可看作一组分解反应。反应速率与煤中剩下的挥发份的 量成正比： i d v = 豇( 一 ，) k ：a e - 可8 7 ( 2 - 2 7 ) k = q ( 1 一c ) v 。 式中v 一挥发分析出总量； 竺三一挥发分析出速率； 2 双方程模型 s t i c k l e r 。8 1 等人于1 9 7 5 年提出了的双平行反应模型目前是应用比较广泛的模 型，兰模型认为有速度常数屯= 马e x d 一嘉l 和女：= 色e x i 一鲁l 在该模型中，e e 。，岛 旦。在较低温馒时，第一个反应起主要作用， 高温 时，第二反应起主要作用。 释放出挥发分比例分别为口，和口，控制活化能数值使第一个反应在低温下进 行，第二个反应在高温下进行，热解所造成的煤的质量减少量为： y = “如。岛+ 口：七：，e d f 后i 十后： ) 出 挥发分质量变化率为： 警一( y ，”圳幔 由于计算简单，计算结果具有一定的准确性， 用很广。对于挥发份吸出本文选用双方程模型。 3 多步平行反应模型 该方法认为热解由一系列多种化学反应组成， ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) 因此双方程模型在实际模拟中应 每一种分解反应可以表述为 华北电力大学硕士学位论文 - = d _ v = 龟一k ) i 、 l ， 进一步假定毛，只存在活化能的差别，反应数目很多，e 能被表述成一个相对 置平均值的连续的高斯分布函数厂陋) 。 4 挥发份析出速率及其产物分布的模型 以上三种模型中某些参数的选取都取决于特定煤种，限制了模型的通用性。 1 9 7 9 年s o l o m o n 等人发展了预报挥发份析出速率及其产物分布的模型，认为煤的 每一个官能团的热解都服从各自的化学反应过程，由煤中释放出来的某一化学组分 按照两个独立的一级反应过程进行，一个是这些组分本身的释放过程，另一个为当 焦油释放时，焦油中也释放这种组分的一部分。其参数选取与煤种无关，从而有利 于模型的通用性。目前该模型得到了一定程度的应用，然而该模型还需进一步发展。 2 6 焦炭燃烧模型 焦炭的燃烧是复杂的气固非均相燃烧过程，该过程包括氧化物质向颗粒表面的 扩散过程和这些物质在颗粒表面与焦炭的反应过程，一般认为，这两个过程是在一 个准平衡反应状态下同时进行的。焦炭颗粒的燃烧模型主要有以下几类： 1 纯扩散燃烧模型 假设焦炭所处环境既无自然对流，又无强迫对流，这时焦炭的表面燃烧情况类 似于液滴的燃烧情况，但是边界条件是不同的。在环境温度较高时，焦炭的燃烧速 率很快，可以近似认为是纯扩散燃烧。 2 扩散一动力控制的焦炭燃烧模型 是目前描述焦炭燃烧的最常见的一种模型。焦炭的燃烧速率尼受到氧扩散到焦 炭表面的速率以和焦炭表面的化学反应速率盥这两方面的共同控制，可表示为： 耻警志 s 。) k = a 一乓，。五c e k j = s h d 0 2 m 。r t i d ( 2 - 3 1 ) 式中，p 。为氧气的分压；d 。：为氧气的扩散系数；s h 为s h e r w o o d 数，取为2 0 ； m c 为碳的摩尔质量。 3 具有容积反应的焦炭燃烧模型 焦炭的表面与氧气反应可能生成二氧化碳，也可能生成一氧化碳，焦炭还会与 二氧化碳发生还原反应，且空间还会有c 0 和0 ：的反应。一种是b l a c ks h e a r 等人 的模型，考虑了斯蒂芬流，但引入了泽尔多维奇转换。这个模型相当于容积反应率 为无穷大( 即容积中c 0 和0 ：扩散燃烧) ，因而燃烧速率不受容积反应动力学影响， 华北电力大学硕士学位论文 这是该模型不完善的地方。另一种模型引入了“折算薄膜”概念来考虑强迫对流影 响，采用了等温及没有斯蒂芬流假定。 4 考虑覆盖层影响的焦炭燃烧模型 焦炭燃烧时生成的c o ：( 或c o ) 从焦炭表面解吸附而放出去，但残剩的固态灰 份，往往形成一层多孔的覆盖层，这层惰性覆盖层对里层的焦炭的燃烧就构成了附 加的扩散动力。 5 考虑内孔效应的焦炭燃烧模型 焦炭和氧化气体的非均相反应，不但发生在焦炭外表面上，而且发生在焦炭的 内孔表面上，这相当于增加了反应表面积，扩大了表面反应率。在考虑颗粒孔隙结 构方面，大多数假定煤粒是实体无孔，即可用等密度缩核燃烧反应模型表示。为了 更精确地描述焦炭的反应速率，近年来不少研究者提出各种不同的考虑了焦炭比表 面与孔隙率变化关系的模型，如单孔模型、随机孔模型、孔隙树模型。 2 7 辐射换热模型 炉内辐射针对不同的适用条件，已发展了多种辐射换热计算模型，主要有：热 流法。”、蒙特卡洛法“”和区域分析法”、球形谐波法、离散传递法、离散坐标法。 各种模型优缺点如下： 表2 2 辐射换热模型 名称优点缺点 模型简单，计算量小，考虑了散射仅适合于光学厚度al i 的灰 p l 模型和颗粒的影响，可用于复杂几何体体辐射，不适用于半透明介质 内的计算和非灰体 适用范围广，可用于任何光学厚度 计算量较大，占用计算机内存 d 0 模型 的辐射换热、半透明介质和非灰体 较多 辐射换热，考虑了颗粒的影响 未考虑散射，仅考虑灰体辐射， d t r b l 模型相对简单，适用范围广随着追踪光线增加计算量增 模型 大，未考虑颗粒的影响 r o s s e l a n d 计算速度快，占用计算机内存少 仅适用于光学厚度al 3 的灰 模型体辐射，不适用于半透明介质 适用于无介质参与的封闭系统内 不能用于介质参与的辐射换热 $ 2 s 模型系统，随着辐射换热面个数增 的辐射换热 加占用计算机内存剧增 华北电力大学硕士学位论文 本文选用的模型是以热流法为基础的p - 1 辐射模型。p - 1 法是最简单的一种 球谐函数( s p h e r i c a lh a r m o n i c s ) 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求出辐射强度和温度的空间分布。 对于辐射热流g ，能得到如下的方程： q r 一石靠w ( 2 - 3 2 ) 为了简化上述方程，提出以下参数： r 2 丽五1 皿习( 2 - 3 3 ) 之后，方程( 2 - 4 2 ) 可化为： g ，= 一f v g ( 2 - 3 4 ) g 的输运方程为： v ( r v g ) 一a g + 4 a a t 4 = & ( 2 - 3 5 ) 使用p - 1 模型时；求解这个方程以得到当地辐射强度。 合并方程( 2 - 3 4 ) 和( 2 - 3 5 ) ，可得到如下方程： 一v q ，2a g 一4 a o t 4 ( 2 3 6 ) 如果所求解的工程问题中包含有扩散颗粒相，p - 1 法可以考虑颗粒的影响。对 包含有吸收，发散和散射颗粒的灰体媒介，入射辐射的输运方程可以表示为： 呵v g 灿降+ 易卜忙。( 2 - 3 7 ) 2 8 污染物n o 。生成模型 n o ；根据其产生机理可分为三种类型：( 1 ) 热力型n o ，由空气中的氮气在高温下 氧化而产生的；( 2 ) 快速型n o 。因燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应而 生成；( 3 ) 燃料型n 0 ，由燃料中的氮化合物在热解、氧化而生成。燃料型约占6 0 8 0 ；热力型n o ：的生成受温度影响较大，热力型n 0 ，一般占2 0 左右，快速型n o ， 生成量很小“。 1 基元反应模型 基元反应模型忽略实际燃烧过程中的特征，强调n 0 ，生成的平衡反应，考虑体 系内所有可能的基元反应和反应物质，按平衡方程求解。基元反应模型精度较高， 但由于涉及的反应很多，计算复杂。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 d e s o e t e 模型圳 d e p d f 模型把所有中间产物都设定为h c n ， 解及煤焦燃烧时的质量衰减率。 - * h c n = 2 s 煤中n 的释放速率正比于煤粉热 ( 2 3 8 ) 厶为煤中氮的质量分量：m 。，岷分别为h c n 及n 2 的分子量。 3 扩展的d e s o e t e 模型 d e s o e t e 模型仅考虑了燃料n o x 里面的挥发分h c n 产生的n o x 和热力型n o 。， 未考虑挥发分中中n h 3 等组分和焦炭生成的n 0 。 图2 - 1 扩展的d e s o e t e 模型反应机理 4 p d f 输运方程模型“4 7 1 这足本文选用n o 。燃烧模型。n o ，在生成过程中，不仅与本身的化学反应机理有 关，而且和湍流流场及其之间的相关作用相关。p d f 输运方程模型把湍流输运和化 学反应速率相关的项都用封闭形式表达，任何复杂的化学反应机理都可较精确计 算，因此它在污染物生成过程的模拟过程中得到广泛应用。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章燃烧器内气固多相流模拟及燃烧器特性分析 本章将对武汉锅炉厂从英国引进的新型双调风旋流燃烧器复杂通流部分进行 分析、构体，建立旋流燃烧器通流区域合理的网格体系，然后对旋流燃烧器内部气 固两相流动进行模拟，分析此旋流燃烧器内部气固两相的流动特性。 3 1 燃烧器设计特性 在保证燃烧器安全的前提下，燃烧器采取了许多措施来加强燃烧器的稳燃性 能及降低n o ，排放。 图3 - 1 旋流燃烧器示意图 卜火焰稳燃器；2 - # 1 - - 次风旋流器；3 一内二次风旋流器；4 一煤粉分配器； 5 一导向叶片；6 - 一次风管；7 一油枪；8 一油枪冷却风入口；9 一切向蜗壳； 1 0 一煤粉浓缩器 燃烧器主要设计特点： ( 1 ) 采用分级送风技术，二次风分两批逐步进入煤粉气流。内二次风量较小， 使燃烧区域氧量相对不足，消减了火焰温度峰值，同时使燃烧区域处于还原性气 氛，既能有效控制温度型n o x ，又能限制燃料型n o x 。外二次风风率、分速较高， 气流后期湍动混合强烈，使焦炭燃烧后期所需要的氧气及时输送到煤粉表面，降 低飞灰可燃物，提高了燃烧效率，同时在不飞边的情况下可形成更大、回流速度 更高的回流区。 ( 2 ) 采用了煤粉浓淡燃烧技术，在煤粉喷口出口，装设有四个半圆形状的煤粉 浓缩器。利用煤粉气流旋转的惯性，使得煤粉在四个煤粉浓缩器附近密集，形成 煤粉浓相区，实现圆周分布浓淡燃烧，特别有利于煤粉的稳燃和抑制n o x 的生成。 ( 3 ) 燃烧器一次风出口处设有火焰稳燃器。稳燃器由稳燃齿和稳燃环组成，在 稳燃齿圆周附近形成小涡流区，强化煤粉着火。同时，煤粉颗粒在稳燃齿的作用 1 6 华北电力大学硕士学位论文 下，其运动轨迹向中心偏转，提高了煤粉浓度，有利于煤粉的着火。在稳燃齿外 装有稳燃环，可避免内二次风过早与煤粉混合，有利于煤粉着火稳定。 ( 4 ) 旋转叶片和煤粉分配器可改善煤粉周向分布不均。 ( 5 ) 燃烧器内、外二次风道均装有轴向可动旋流叶轮，使二次风形成旋转气流， 两股风的旋流强度通过轴向叶轮的拉杆进行调节。通过调节二次风的旋流强度， 能有效的改变燃烧器出口处回流区的大小、位置以及各股风之间的混合，使燃烧 器有较强的煤种适应能力。 3 2 燃烧器内气固两相流数值模拟及特性分析 3 2 1 锅炉整体计算域的划分 锅炉整体计算域的划分有三种方案： ( 1 ) 把炉膛连同2 5 只燃烧器作为一个计算域。这样，炉膛和燃烧器就成为一 个整体，而不存在炉膛和燃烧器数据交换的问题。因此，在不考虑网格耗费的情 况下这种方案得到的数据最有保证。但这样一来，所需的网格数目将很高，以目 前计算机的计算水平这样做是不现实的。 ( 2 ) 把燃烧器和炉膛分别划分为两个计算域。先计算燃烧器内的气固两相流 动，然后把燃烧器的出口的速度场、温度场等作为炉膛计算的入口条件再进行炉 膛计算。这种方法未考虑炉内辐射的影响，因此这种方法与实际出入较大。 ( 3 ) 综合( 1 ) 、( 2 ) 的特点，仍把燃烧器和炉膛划分成为两个计算域。但以燃烧器 距炉膛水冷壁4 2 7 m m 处通流面上的速度场、温度场等作为炉膛计算的入口条件， 此处流体受炉内辐射的影响较弱，与实际比较接近，这种方案是目前最合理的旋 流燃烧煤粉炉炉内数值模拟方案。 3 2 2 燃烧器计算域与网格划分 燃烧器计算域如图3 2 ，在计算域中考虑了导向叶片、煤粉分配器、煤粉浓 缩器、稳燃齿、稳燃环、二次风旋流器以及各风管壁厚的影响，尽量与实际燃烧 器内的流通区域一致。 燃烧器计算域网格划分如图3 3 ：整个燃烧器流动区域全部采用非结构性网 格来划分。并对火焰稳燃器、导向叶片、煤粉浓缩器处的小尺寸部分的网格进行 了加密处理，整个燃烧器共用了近6 0 万个网格。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 旋流燃烧器计算域 图3 - 3 旋流燃烧器网格划分 3 2 3 边界条件 一次风入口、内二次风入口、# b - - 次风入口按速度入口给定边界条件，颗粒 相以切向蜗壳入口作为喷射面。 表3 - 11 0 0 负荷设计煤种时燃烧器入口风速、风率、风温 负荷 风率风速m s风温 一次风 1 9 13 28 0 内二次风 1 2 1 2 43 3 7 外二次风5 5 25 63 3 7 3 ，2 4 流动模型 壁面边界条件取无滑移条件；湍流模型采用r e a l i z ek 一占双方程模型；离 散相模型采用随机轨道模型；气相与固相进行耦合迭代求解。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 2 5 燃烧器模拟结果与分析 在标准工况下，内、外二次风旋流器通过调节连杆推到旋流最大位置时，煤 粉气流流动特性如图3 4 至图3 - 8 所示。 ( 1 ) 从图3 4 和图3 5 中可看出：煤粉气流进入切向蜗壳后，在叶片旋转导向 的作用下，煤粉气流在环形管道内高速旋转，煤粉气流在煤粉分配器出口至煤粉 浓缩器入口段还具有一定的旋转速度。煤粉气流进入煤粉浓缩器后，由于气相属 于连续相，在煤粉浓缩器段基本上是没有旋转而直线前进的；而煤粉颗粒惯性较 大，受煤粉浓缩器的阻挡作用，煤粉颗粒在煤粉四个煤粉浓缩器附近密集，形成 周向浓淡分离。煤粉气流在经过火焰稳燃器后，由于内二次风的卷吸和本身动量 沿径向的传播，使得煤粉气流气相沿径向有一定扩散；而煤粉颗粒在经过火焰稳 燃器后，由于煤粉颗粒惯性较大，在稳燃齿的作用下，先是向中心有一定的靠拢， 然后在一次风的作用下，又向外又有所扩张，然后进入炉膛。 图3 4一次热风流线 图3 - 5煤粉颗粒迹线 ( 2 ) 从图3 6 和图3 - 7 可以看出：一次风从稳燃齿喷出后，由于空间的突扩和 内二次风的卷吸，一次风向内、外膨胀，轴向速度衰减很快，在燃烧器出口处主 流区速度约衰减了6 0 ，这样就增加了煤粉气流在燃烧器内部及炉膛内的停留时 间，使煤粉着火及时，保证了燃烧器燃烧的稳定性和经济性。；, t - - 次风在扩口处 随通流面积的逐渐增大而沿径向向外扩散，风速随之逐渐衰减，在燃烧器出口处 外二次风主流区速度衰减约1 5 。 图3 - 6 燃烧器出口段中心截面速度矢量场 1 9 图3 - 7 燃烧器出口段中心截面轴向速度 ( m s ) 分布 华北电