（水利水电工程专业论文）直流燃烧器的数值试验研究.pdf

直流燃烧器的数值试验研究 摘要 煤是电力工业的主要燃料来源，对煤的节约、高效运用是电力发 展的主要目标，对燃烧器的改造也就成为直接的措施。 随着计算机技术和计算流体力学的发展，数值模拟的研究得到了 迅速发展，已成为现阶段研究的热点之一。本文采用数值模拟的方法， 针对电站四角切圆燃烧锅炉的单个直流燃烧器，以燃烧器出口处有无 障碍块结构两种情况，分冷态和热态两种工况分别进行流动、传热、 燃烧过程的数值模拟研究，得出了燃烧器内压力场、速度场、温度场 分布。由数值模拟得出以下结论： 1 一次风通过弯头时，内侧速度高于外侧速度，静压分布相反， 外侧静压高于内侧静压。通过弯头后，压力趋于平衡，由于惯性作用， 流体流向外侧，外侧速度高于内侧速度。 2 当燃烧器出口设置障碍块后，原先向上运动的颗粒碰撞到障碍 块后偏向了管道下方，最终出口面上的轨迹比较均匀。 3 当主气流掠过菱形障碍块时，产生了绕流脱体现象，发生分离 流动，在障碍块背后产生回流区，回流区的湍流扰动比较大，有利于 煤粉的加热与着火。 4 加装障碍块的燃烧器，在喷口附近形成束腰形射流，产生了煤 粉的局部浓缩，又有高温烟气的加热，而一次风主气流又能不断地提 供充分的氧气，煤粉先行在束腰部着火，然后再向周围扩展。 关键词：直流燃烧器，障碍块，数值模拟，回流区 s t u d yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e d i r e c tf l o wb u r n e r a b s t r a c t c o a li st h ep r i m a r yf u e lr e s o u r c ef o re l i 比 t r i cp o w e r ；t h em a i na i mf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ed e c t d cp o w e ri st ou s et h ec o a lh i 【g he f f i c i e n t l y t h ei m m e d i a t em e a s u r ei st oc h a n g eb u r n e r w i t hd e v e l o p i n go fc o m p u t e ra n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h e n u m e r i c a lt e c h n i q u eh a sar a p i dd e v e l o p m e n ta n dh a sb e c o m eo n eo fh o t s p o t sa tp r e s e n t t h et h e s i ss t u d i e dt h eb u r n e ro f t a n g e n t i a l f i r i n gb o i l e r s i n c o l da n dh o tc o n d i t i o nf r o mt w os t e p s ，w h o s ee x i th a v i n gn ob l o c ka n d b l o c k , a n dh a sd r a w nt h ec o n c l u s i o n ： f i r s t ，w h e nw i n di st h r o u g hs y p h o n , t h ei n s i d es p e e d i sh i g h e rt h a nt h e o u t s i d e ，s t a t i cp r e s s u r er a n g ei sj u s to p p o s i t e a f t e rt h es y p h o n , p r e s s u r e t e n d st ot h eb a l a n c ea n dt h ef l u i df l o w st ot h ef l a n ka st h ee f f e c to fi n e r t i a , t h eo u t s i d es p e e db e i n gh i g h e rt h a nt h ei n s i d e s e c o n d , c o a lg r a n u l eo fo t i s n a l i yu p w a r dm o v e m e n t h a sb e e np a r t i a l t ou n d e r n e a t ht h ep i p e l i n ea n df i n a l l yl e f tt ob ee v e ni ns e c t i o nw h e n s e t t i n gb l o c ki nt h ee x i to f b u r n e r t h i r d 。w h e nt h em a i ns t r e a mp a s s c do v e t h en o n - s t r e a m l i n eb l o c k , i t h a st h es e p a r a t i o nt of l o wa n db r i n g st h er e f l u e n c eb e h i n dt h eb l o c kw h i c h m a k e st u r b u l e n c eb i gs o 勰t ob ea d v a n t a g e o u st oh e a t i n ga n df i r i n go f p u l v e r i z e dc o a l f o u r t h , t h eb u r n e r sn o z z l ef o r m sh y p e r b o l as h a p eg a sf l o wa f t e r i n s t a l l i n g t h eb l o c k b e c a u s eo fc o a lp a r t i a lc o n c e n t r a t i o n , h i g h t e m p e r a t u r eh e a t i n ga n da l s om a i n s t r e a mu n c e a s i n g l yp r o v i d i n gf u l l o x y g e n , c o a lg r a n u l ei nt h ew a i s tf i r e si na d v a n c e ，t h e ne x p a n d s o u t s i d e k e y w o r d s ：d i r e c t - f l o wb u r n e r , b l o c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , r e f l u e n e e 独立完成与诚信声明 本人郑重声明；所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名：氅翻 保柳躲奉坂 签字冗期：堋 签字日期：弘啊7 石2 ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公- 丌和编入有关数据库提供 检索，并采用影印，缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名睾屿 导师签名 签字日期：2 。叮5 ， 签字日期 率匆文 l 娜7 反。 i 绪论 1 1 研究背景和意义 1 绪论 ( 1 ) 中国能源现状和问题 能源与环境问题是当今世晃各国普遍面临的两大问题。我国提出了长期的经 济发展目标，即本世纪中叶赶上中等发达国家水平。社会经济的发展必将伴随着 巨大的能源消费需求。能源是国民经济的基础产业，也是公用事业，更是经济发 展和提高人民生活水平的物质基础，人类社会的进步与能源的发展密切相关。我 国制定的二十一世纪议程和九五计划及2 0 1 0 年远景规划中把能源和环境保护列 为最优先的领域。 能源是国民经济的重要物质基础。而煤炭是我国主要能源之- - 1 】( 表1 - 1 ) ， 其占能源消耗量的7 5 以上。我国探明煤炭储量为3 6 0 0 亿吨，其中可开采的为 1 0 9 0 亿吨以上。我国的电站锅炉主要以燃煤为主，煤电约占全国总发电量的7 0 。这种以煤为主的能源结构在今后相当长的时期内都不会改变。改革开放2 0 多 年来，我国发电装机容量已由1 9 8 1 年的6 9 0 0 万千瓦增长到2 0 0 4 年的4 4 亿千瓦 ( 火电装机占7 3 9 ) ，增加了5 倍多特别是近年来电力发展迅猛，发电量每年 增加十几个百分点，火电装机容量从2 0 0 0 年的2 3 7 亿千瓦增加到2 0 0 4 年的3 2 5 亿千瓦，燃煤总量需求急剧上升。根据国家电力公司规划，到2 0 1 0 年，将达到 5 5 亿千瓦，到2 0 2 0 年将达到7 亿千瓦以上。虽然近年来国家加大了对清洁能源 的利用，水电、太阳能、风能、地热以及核电等在电力生产中的比重增加，但到 2 0 1 0 年，煤电仍将占我国发电总量的6 5 5 ，燃煤发电在我国的电力生产中仍占 据极其重要的地位。 表卜1 我国的能源构成【i 】 t a b l e l 1c h i n a se n e r g yf o r m 1 l 由此可见，煤将是未来很长一段时间的主要能源。随着工业的迅速发展，会 面i f 盎煤供应紧张，煤价提高等问题，而且要求燃烧更多煤质差，含硫量高的煤。 华北水利水电学院工学硕士论文 煤不仅面临供应紧张的问题，而且煤是非再生能源，因此迫切要求发展高效率的 燃烧技术。 ( 2 ) 电网调峰与锅炉低负荷稳燃 随着国民经济持续稳定发展，人们的物质文化生活需要日益增长。工业的高 速发展，各行业生产和民生用电迅猛增长，1 9 9 7 年一次能源达到1 3 4 亿吨标准煤， 发电装机容量达2 5 亿千瓦。电网的峰谷差不断增大，有的电网峰谷差己达系统 最大负荷的4 0 e 2 。火电在电力结构中占极大比重，燃煤发电机组目前和未来很 长一段时间内将占电力的7 0 以上，所以扩建、新建具有调峰能力的火电机组， 改造现有的部分大、中型机组逐步参加调峰，具有重要现实意义。火电调峰有启 停和低负荷运行两种方式。目前这两种调峰方式在技术性和经济性方面都有待提 高和改善。尖峰机组启停和调峰必须保证水循环安全可靠，有良好的疏水系统， 汽机和汽包具有较好的耐机械性能和热应力冲击的性能，而且要求启停速度快， 锅炉燃烧器着火性能好，启动点火耗油少。比较而言低负荷运行具有安全、经济 的特点，所以对现有机组倾向于适当改进低负荷调峰。 锅炉调峰面临煤种多变、煤质下降的适应性问题，面临低负荷稳定、强化燃 烧问题，面临锅炉少用油、节约燃油问题。解决这些问题的主要手段有：采用稳 燃装置和优化燃料调整，采用更有效的燃烧技术。其中设计、改进、选择适当的 燃烧器十分重要。 ( 3 ) 洁净煤发电技术 洁净煤发电技术是煤的洁净技术中的核心技术，其重点是提高机组热效率和 控制污染物排放。例如，提高效率的本身就是相对减少了c 0 2 的排放。我国经济 正在快速发展，对电力的需求随之增加。由于煤是主要燃料，排放控制的重要性 将不断增强。根据中国经济状况和环保标准，对污染物排放的控制将逐步实施， 最终达到与国际标准接轨。 从环境保护方面考虑，煤是一种“肮脏”的燃料，它供应能源的同时，会以 粉尘、二氧化硫( s o d 、氮氧化物( 仇) 、二氧化碳( c o d 、灰渣等污染环境。我 国高硫煤较多，尤其在高硫煤产地和使用地，如我国的西南，酸雨现象已十分严 重。酸雨的污染在有的地区已严重影响植物和某些动物生存。燃煤产生的n o x 对 环境也造成极大的污染。d 。包括n o 、n 0 2 等，其毒性远远超过c 0 2 。n o 和血 l 绪论 色素的亲和力约为c o 的数百倍至一千倍。n 0 2 毒性更大，比n o 高4 _ 5 倍。流行 病学调查表明当空气中n 0 2 浓度大于0 5 p p m 时，对人体的危害就较明显了。此 外，n 0 2 不仅造成一次污染，也是造成二次光化学污染的重要原因。随着温室效 应的影响，全球气温上升，导致控制c 0 2 排放的呼声越来越高。因此，煤燃烧技 术的发展必须考虑控制污染物生成及排放问题。 目前的洁净煤燃烧技术主要包括：火电厂常规机组的脱硫技术；火电厂常规 机组的低n o , 技术；发展大容量、高参数、高效率的燃煤机组；开发研究洁净煤 发电新技术，例如，循环流化床( c f b c ) 锅炉燃烧技术，增压流化床( p f b c ) 联合循 环，煤气化联合循环( i g c c ) 发电技术研究等；控制烟尘排放和煤粉灰的综合利用 等技术。 综上所述，如何开发新型燃烧器以稳定燃烧，并具有良好的变负荷能力，尤 其是低负荷脱油稳燃的能力，有效的控制炉内结渣和高温腐蚀，降低n o , 的排放 量，便成了一个急待解决的重大课题。计算流体力学是一门交叉学科，它是物理、 化学、流体力学、传热传质学、数值计算方法、测试技术等学科的交叉。只有对 燃烧器内的流体力学问题有了深入的理解，才能够提出合理的计算方法和设计方 案，制定出安全合理的运行方式。另外实际的电站锅炉都很庞大，并且通常处于 高温、高压甚至有害的环境下工作，使得实际的实验很困难，甚至是不太现实的。 这就出现了数值模拟，即用数学的方法模拟流动和燃烧，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，使得数值模拟得到了迅 速的发展。 1 2 电站锅炉燃烧器的类型及特点 电厂运行的主要问题是提高运行效率和减少污染物的排放，改善这一状况的 措施主要是从提高燃烧设备的性能着手，其中燃烧器就是煤粉锅炉燃烧系统中的 关键设备。煤粉燃烧所需要的空气通过燃烧器进入炉膛，煤粉气流的着火过程、 空气动力场和燃烧工况，主要是通过燃烧器的结构及其在炉膛上的布置来决定， 燃烧器的性能对燃烧设备运行的可靠性和经济性起主要作用。燃烧器的设计和安 装要根据具体的炉型而定，其出1 3 速度设计遵循以下规则1 3 1 ： ( 1 ) 有利于煤粉燃烧过程的火焰稳定，适当的一、二次风速，能使火焰在燃烧 华北水利水电学院工学硕士论文 器出口附近稳定下来； ( 2 ) 有利于提高煤粉的燃烬度，提高燃烧效率； ( 3 ) 有利于燃烧器的安全运行，避免燃烧器烧坏或结焦； ( 4 ) 尽量保证燃烧器出口射流有足够的刚性，特别是大型燃烧设备，以便在炉 膛中心形成良好的燃烧切圆。 1 2 1 电站锅炉燃烧器的类型 现在的电站锅炉中，主要采用两种燃烧方式：即四角布置的直流燃烧方式和 墙式布置的旋流燃烧方式，与之对应的就是直流燃烧器和旋流燃烧器。 直流燃烧器是利用直流射流及其组合来实现燃料燃烧的。其特点是从燃烧器 喷出的一二次风都是不旋转的直流射流，喷口一般都是狭长形。我国电站锅炉的 实践表明，直流燃烧器中的四角布置切圆燃烧方式具有煤种适应性广，射流刚性 好，调节性能强，后期混合好等优点。由于一次风和二次风混合的比较晚，所以d ， 的生成量相对较低。 四角布置方式存在的一个重要问题是烟气偏差。由于直流燃烧器固有的切圆 燃烧方式，使炉膛范围内存在着较大的烟温偏差，在炉膛出口，由于残余旋转的 存在，使水平烟道左右侧的烟温相差较大，且存在局部高速区，这会引起过热器 及再热器管壁超温以致爆管。在燃烧器顶部加反切的二次风，即“消旋二次风”， 是解决烟气偏差的一种有效途径。稳燃能力一直是切圆燃烧的一个问题。因为切 圆燃烧时，煤粉气流必须靠切圆火球点燃。负荷降低时，由于炉膛燃烧强度的减 弱，会导致火焰的不稳定。 旋转气流的流场特性与直流射流是不同的，其最大特点是射流中心有一反向 的回流区，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围高温介质，而且还从内部回流区卷 吸高温介质，在燃烧过程中，从内外回流区卷吸的烟气对于着火的稳定性起着十 分重要的作用。旋流燃烧器对介质的卷吸率高，射程短，减少了火焰的碰撞，沿 炉膛内的热负荷比较均匀，所以炉膛的结渣和腐蚀较容易控制。但旋流燃烧器不 能采用摆动的方式来控制汽温，要用烟气再循环或双烟气通道来调节汽温，由于 系统中增加了再循环风机，因而成本较高f 4 】。 旋流燃烧器以高温回流区作为稳定热源，使煤粉及时着火并稳定燃烧。根据 这一原理，在直流燃烧器出口设置障碍块，高浓度的煤粉气流在中心回流区四周 喷入，形成了高温、高浓度区域，煤粉气流吸收的高温回流区及炉内高温火焰的 1 绪论 辐射热量增加，着火热降低，着火温度下降，着火时间缩短，火焰传播速度提高， 提高了火焰稳定性。 1 2 2 直流燃烧器的特点 直流燃烧器是有一组矩形或圆形的喷口组成，喷出的一、二次风都是不旋转 的直流射流。射流在喷口射出后射入一个很大的空间后具有较高的速度，雷诺数 r e 1 0 5 ，属于紊流流动。在紊流流动时，气流的气团不单是轴向运动，也有横 向运动，雷诺数越高，这种运动就越强烈。当气流喷入大气空间时，紊流运动就 会使这些气团向四方扩散，气团和空间中基本静止的气体碰撞，进行热质交换和 动量交换，并将一部分周围气体卷吸到射流中去，随射流一起运动，因此气流流 动不只是范围在扩大，它所包括的气流总量也在增加。但由于射流的高速气团与 周围低速气团的碰撞，射流速度逐渐衰减，速度衰减的射流核心沿射程逐渐减少， 核心区便消失网。 ( 1 ) 直流燃烧器的分类 根据燃煤特性的不同，切圆燃烧方式的直流燃烧器的一、二次风喷口的排列 方式，可分为均等配风和分级配风。 1 ) 均等配风方式是一、二次风1 3 相间布置，或每个风口的背火侧均等布置二 次风喷口，一、二次风喷口互相紧靠，其喷口边缘的上、下间距较少。这样布置 有利于一、二次风的较早混合，一次风气流着火后就能获得足够的空气补充，火 焰根部不致缺氧而导致燃烧不完全，常用于烟、褐煤型配风方式【6 】。 2 ) 分级配风方式是一次风相对集中布置，并靠近燃烧器下部，二次风喷口则 分层布置，而且一、二次风口边缘保持较大的距离，约为1 6 0 3 5 0 m m ，可推迟 一、二次风的混合，保证在混合前一次风煤粉气流有很好的着火条件，同时二次 风分层、分阶段送入燃烧器的煤粉气流中去。通过分级配风，可加强气流的扰动， 提高扩散速度，促使煤粉的猛烈燃烧和燃烬过程的迅速完成。适用于无烟煤、贫 煤的配风方式啊。 ( 2 ) 常用直流燃烧器的布置 1 ) 中小容量煤粉炉最常用的是正四角布置，其炉膛截面为正方形或接近正方 形的矩形，燃烧器布置在四角上，共同切于炉膛中心一个直径不大的假想切圆， 这样可使燃烧器喷口的几何轴线和炉膛两侧墙的夹角接近相等，因而射流两侧的 补气差异很小，气流向壁面的偏斜较小，煤粉火炬在炉膛的充满较好，炉内的热 华北水利水电学院工学硕士论文 负荷也比较均匀，而且煤粉管道也可以对称布割引。 2 ) 现代大容量锅炉常采用大切圆正四角布置，它是把炉膛四角切去，在四个 切角上安装燃烧器。这种布置除具有正四角布置的特定外，还因为四角切去，可 形成切角形水冷壁，既可以增大燃烧器喷口两侧的空间，使两侧补充条件的差异 更小，射流不易偏斜；同时，燃烧器可与切角处的水冷壁连在一起，形成燃烧器 的水冷套，以保护燃烧器喷口不易烧坏。 3 1 同向大小切圆方式适用于截面深度较大的炉膛或由于炉膛四角有柱子，不 能作四角布置。燃烧器只能布置在两侧墙靠角的位置，此时燃烧器喷口中的几何 轴线和两侧墙间的夹角差异很大，射流的补气条件也有很大的差异，布置呈大小 切圆方式，可以改变气流的偏斜，并可防止实际切圆的椭圆度过大 9 1 。 4 ) 采用正反双切圆方式。由于两股气流反切，可减少实际切圆的椭圆度，两 角相切，两角对冲方式可以减少气流相切时实际切圆的直径，减低气流的旋转强 度。虽可防止气流的过分偏斜，避免炉膛水冷壁结渣，降低烟气出口扭转残余， 减少过热器热偏差，却使燃烧器后期的混合扰动情况变型。 5 ) 双室炉膛切圆方式和大切圆双室炉膛方式用于更大容量的煤粉炉。此时两 个并排的炉膛中间用双面水冷壁隔开，使每个炉膛截面都形成正方形或接近正方 形的矩形，在各自的炉膛四角布置直流燃烧器，形成切圆燃烧方式。大切圆双炉 膛的布置方式有四角布置的特点，而双室炉膛切圆方式则因燃烧器喷口的几何轴 线与两侧墙的夹角相差较大，使燃烧器出口射流两侧的补气条件差异很大，因而 气流容易偏斜【1 1 1 。 1 3 国内外电站锅炉燃烧器的研究及应用现状 燃烧技术中燃烧器具有重要的地位，它在解决燃烧工程问题中具有经济、实 用的特点。国内外在燃烧器的设计和应用中不断积累经验、发现问题，改进、开 发了许多新型的燃烧器。 1 3 1 国内电站锅炉燃烧器研究及应用现状 煤粉预燃式燃烧器是我国研制最早、目前应用最广泛的新型煤粉燃烧装置。 清华大学研制的大速差射流燃烧器实际上是一种预燃式燃烧器。它利用中心低速 一次风( 2 0 3 0 m s ) 周围的高速射流( 约3 0 0 m s ) 的强烈引射，吸引一次风到高速区 射流的流动区域，从而在预燃室中心形成一个负压区，造成高温烟气回流，达到 1 绪论 强化燃烧的目的【1 2 l 。 船型煤粉燃烧器是清华大学中期研制成功的。它能使煤粉气流稳定着火燃烧 是由于在一次风道内安装了船型体火焰稳定器的缘故。当煤粉气流在一次风道内 流过放置在喷口内的船型体时，形成了很短的回流区，此中心回流区的温度很低， 只有1 0 0 - 2 6 0 。c ，而喷出一次风口的气流形成明显的束腰形状。由于煤粉颗粒和气 体的惯性不同，它们从一次风口喷出后按不同的轨迹流动，即煤粉颗粒不随气体 作相同的束腰状流动，而在束腰部的外缘形成煤粉浓度较高( 可达l - 3 k g 煤粉k g 空气) 的局部区域，此区域气体温度达9 0 0 - 1 2 0 0 。c ，而且具有适当高的氧气浓度 ( 0 2 = 8 1 2 ) ，形成了所谓的“三高区”，正是在“三高区”内煤粉气流达到着火条 件，具有良好着火热源，从而保证了炉内火焰的稳定【”】。 华中理工大学8 0 年代初期研制成功了钝体燃烧器，现在它的应用范围仅次于 预燃室燃烧器。钝体燃烧器能较好的适应煤质下降、煤种多变、调峰低负荷运行 的需要。它是在角置式煤粉燃烧器每个角一次风喷口处，设置一个非流线型物体 一钝体，使煤粉气流绕流，在钝体尾迹区产生回流，卷吸高温烟气，以利于燃料 的着火和火焰的稳定【1 4 1 。之后，在钝体燃烧器的基础上又开发出了开缝钝体燃烧 器。 夹心风燃烧器由西安交大和武汉锅炉厂合作研制。在一次风中间加装一狭长 喷口，从中喷出一股速度较高而不带煤粉的空气流，该射流能增强一次风的抗偏 转能力，使两侧的一次风气流向喷口中心牵引，减少了煤粉的散射，有利于煤粉 气流的着火和火焰稳定，并增大速度较低的一次风气流的剩余冲量，加强气流的 刚性，在煤粉着火后又可迅速补充一部分空气，改善了着火条件【嘲。 双通道自稳燃式燃烧器由清华大学等单位发明，它有两个一次风通道，即在 同一喷口上开上下两个一次风喷口，二者之间设计一回流空间，一次风射流自身 将产生一强烈的回流区，利用高温烟气回流加热一次风粉使煤粉燃烧稳定，并在 双通道的下一次风口设三个高速蒸汽喷射管，其流速可在零至音速之间调节，构 成大速差，也会产生一强回流，进一步强化煤粉燃烧的稳定性。在燃烧器两侧强 的腰部设置一股狭长的二次风，可调节火焰和防止结渣。该燃烧器具有稳定燃烧、 防止结渣、煤种适应性好等特点【l q 。 水平浓缩燃烧器的原理是通过安装于燃烧器前的一次风送粉管道的高浓缩比 煤粉浓缩器，把一次风在水平方向上分成浓淡两股气流，其中一股为高浓度煤粉 华北水利水电学院工学硕士论文 气流，含一次风管中的大部分煤粉，另一股的煤粉浓度很低，以空气为主。由于 高浓度煤粉气流具有良好的着火稳定性，相邻火焰提供合适的着火条件，可形成 稳定的火源，保证了整个火焰的燃烧稳定；淡煤粉气流位于浓煤粉气流和水冷壁 之间，受到浓煤粉的引燃作用，在浓煤粉着火以后及时混入补充其燃烧所需的氧。 可减少炉膛结渣，抑制烟气对管壁的高温腐蚀，也有效的降低n o 的生成量f l 。x 7 1 1 3 2 国外电站锅炉高浓度燃烧技术 理论研究和试验结果证明：高浓度煤粉燃烧是一种较好的燃烧方式【1 s l 。目前， 美国、日本正大力研究高浓度煤粉燃烧技术。 随着国外大机组和高浓度燃烧技术的引进以及国内许多学者的分析研究，高 浓度燃烧技术逐步得到消化和吸收，国内一些研究者也开发出了几种高浓度燃烧 技术。目前，世界上较为成熟的技术有：美国c e 公司的w r 燃烧器，日本三菱 公司的p m 燃烧器，加拿大b & w 公司的p a x 燃烧器，还有日本双旋流燃烧器， 前苏联高浓度给粉技术等。 这些技术在我国都有不同程度的应用。例如，汉川、吴径电厂3 0 0 m w 机组 使用了美国w r 燃烧器，黄台电厂3 5 0 m w 机组使用了日本p m 燃烧器，沙角b 厂3 5 0 m w 机组采用了日本石川鸟播磨i h i - f w 双旋流燃烧器，上安电厂1 9 8 8 年 投运了加拿大b & w 公司的p a x 燃烧器。 w r 燃烧器、p m 燃烧器、p a x 燃烧器等都属于“弯管浓淡分离”燃烧器。浓 淡燃烧器具有较宽的煤种适应性，不仅用于燃用高灰分劣质烟煤和高水分褐煤， 也用于燃用无烟煤和贫煤。煤粉燃烧技术中，可采用多种方式产生煤粉气流浓淡 分离。近年来逐步采用的“弯管浓淡分离”燃烧技术，是将煤粉一空气混合物气 流，即一次风气流分离成富粉流和贫粉流两股气流，这样可以在一次风总量不变 的前提下提高富粉流中的煤粉浓度。浓淡燃烧器能降低燃烧产物中n o x 的排放量， 是一种低n o 燃烧器。x 1 4 多相流与燃烧模拟现状 数值模拟从物理模型、数学模型出发，对实际问题进行数值求解，其预测结 果出自对数学模型的求解结果，这使其具有试验研究所难以达到的优点：费用低： 计算机进行运算的费用一般要比相应模型试验的成本低得多，而且试验越复杂， l 绪论 这一优势就越明显；速度快：随着计算机速度的不断提高，得到数值模拟计算结 果所用的时间也越来越短，可使试验者有条件对多个方案进行模拟后，再选择最 优化设计和运行工况；数据完整：计算机模拟可详尽地提供不同工况下、不同位 置参数的全部数值结果；可模拟理想条件下的试验状态：在研究某一现象时，可 消去所有无关因素，这对于计算机模拟可轻易实现，但对于实物试验就无法满足 这一要求。 自七十年代以来，数值模拟技术不断的发展，数值模拟结果与试验结果越来 越接近。尤其是对于单相流体的流动及对流换热问题，计算值与试验结果几乎相 差无几；两相流动、燃烧、辐射等模拟也日臻成熟。另一方面在煤粉燃烧器等工 业产品的研发过程中，由于复杂的结构和在高温条件下测量手段的限制，往往无 法得到全面的试验数据，因此数值模拟越来越成为燃烧器研发过程中不可缺少的 工具【嘲。 s p a l d i n g 在2 0 世纪6 0 年代后期，首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分 方程的数值解，并成功地接受了试验的检验。但是，当人们试图用同样的思想和 方法分析实际燃烧过程时，却遇到了处理湍流问题的困刘硼。建立描述湍流输运 及描述湍流和燃烧相互作用的数学模型的任务不可避免地摆在面前，s p a l d i n g 和 h a r l o w 等人继承和发展了k o l m o g o r o v 和周培源等人的工作，创立了。湍流模型 方法”，提出了一系列的湍流流动模型和湍流燃烧模型，在一定条件下完成了湍 流燃烧过程控制方程组的封闭。他们在对描述湍流及湍流燃烧过程的定解问题进 行离散化和求解过程中，发展了各具特色的数值方法和计算程序，成功地得到了 一大批描述基本燃烧现象和实际燃烧过程的数值解【2 ”。 在深入研究和发展湍流流动模型、湍流燃烧模型、辐射换熟模型、数值计算 方法和计算程序的同时，实际的需要和均相燃烧过程数值模拟的成就，又推动了 对多相流动和燃烧问题的研究。1 9 7 4 年o i d s p o w 提出了描述一维两相流动的微分 方程，接着s p a l d i n g 和h a r l o w 引入两相物质相互穿透的概念，得到了有相间滑移 的两相流的数值解。s p a l d i n g 进一步开拓关于“相”的概念，提出了多相共存的 假设，建立了多相化学流体力学基本方程和一套多相流的数值解法，成功地对一 系列多相流动和燃烧问题进行了数值模拟，也促进了燃烧过程数值模拟的发展 2 2 1 。 到2 0 世纪8 0 年代，英、美、法、德、奥、日、前苏联、中、波、葡等国， 相继开展了对燃烧过程进行数值模拟的研究工作，逐渐发展到有可能对大型煤粉 华北水利水电学院工学硕士论文 锅炉、燃气轮机燃烧室、内燃机、火箭发动机和常见火灾中的三维、非定常、两 相、湍流、有化学反应的实际过程进行数值计算，给出热物理参数( 速度、温度 和组份浓度等) 的分布及其变化，预测装置的燃烧性能和污染物的排放水平1 2 3 1 。 这些研究工作和成果极大地丰富了燃烧学科的内容，也促进了燃烧过程数值模拟 的发展。 1 9 8 6 年澳大利亚的b o y d 和k e n t 对5 0 0 m w 的塔式切向燃烧锅炉进行了数值 模拟。采用了k 一占双方程模型，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，并与实炉的冷态流场进行了比较。1 9 8 8 年 f i v e l a n d 等人用其开发的f u r m o 程序对5 6 0 m w 电站锅炉进行了流动、传热和燃 烧的模拟，得到了一些热态燃烧的有益结果。1 9 9 4 年c o i m b r a 等人对3 0 0 m w 的 墙式三维炉膛中n o , 的生成进行了模拟，但未与实验值作比较。1 9 9 7 年美国杨伯 翰大学的f l e t c h e r 等对炉内碳黑的形成机理及模拟情况进行了研究。另外，国内 外许多学者采用不同的模型、算法和格式对四角切向燃烧锅炉的冷态流场进行了 数值模拟。各国研究者为了详细了解炉膛内的流动和传热过程，已经进行了大量 的不同层次的数值模拟工作。数值模拟的方法已经成为一种重要的研究手段，不 难预见，随着电子计算机技术的发展以及计算流体力学、计算燃烧学等相关学科 的发展，以及对锅炉运行状况和环保等方面的要求的增高，数值模拟的重要性将 越来越高。 对于煤粉锅炉炉膛内的流动与传热问题，国内外已有不少研究者用数值模拟 的方法进行了研究。国内对锅炉炉内过程的数值模拟也是开始子8 0 年代左右，清 华大学的徐旭常等人对锅炉煤粉火焰稳定、排烟脱硫、炉膛内传热、多相流动、n o 的生成及影响、颗粒团运动等做了大量的研究工作；华北电力大学孙昭星等人也 曾对锅炉燃烧室传热、流动和煤燃烧过程进行过三维全模拟及其应用的研究；浙 江大学的岑可法、樊建人等人也对多种型号锅炉的煤燃料在管内流动、传热及在 锅炉内燃烧、气化的原理和计算方法进行了研究，并与实际锅炉运行数据做了对 照。 但是到目前为止，锅炉炉膛内的数值模拟仍有许多不足之处，如选取何种形 式的湍流模型最为合适和经济，伪扩散如何减小等。尤其是在流场的模拟中，由 于方程数目多，易发散，一般的直角坐标、矩形网格，在计算中会引入较明显的 伪扩散，给流场的模拟带来了很大的困难，至今对其尚无较好的解决办法，还没 1 绪论 有令人满意的数值模拟结果。对气固两相燃烧过程进行数值模拟的算例本来就少， 而能够将计算结果与热态试验进行对比的研究则更少。 1 5 本文的主要研究内容 以电站直流燃烧器为研究对象，通过建立合理的数学模型，利用气固两相流、 传热及化学反应的数值求解方法，分析燃烧器结构变化对燃烧器和炉膛的湍流流 场、温度场、压力场及各组分浓度场的影响，为寻求强化传热传质、提高锅炉稳 燃性能提供理论基础。 本文的主要工作： ( 1 ) 采用离散相模型对无障碍块的直流燃烧器进行冷态数值试验研究，分析燃 烧器内压力场、速度场、湍动能分布及煤粉颗粒轨迹； ( 2 ) 采用离散相模型对有障碍块的直流燃烧器进行冷态数值试验研究，分析障 碍块对燃烧器内压力场、速度场、湍动能分布及煤粉颗粒轨迹的影响。 ( 3 ) 采用欧拉模型对有、无障碍块的直流燃烧器进行冷态数值试验研究，分析 燃烧器内压力场、速度场，并且比较了压力场和速度场在欧拉模型和离散相模型 的数值试验结果。 ( 4 ) 采用离散相模型对有、无障碍块的直流燃烧器进行热态数值试验研究，分 析燃烧器内温度场、各组分浓度场的分布情况。 华北水利水电学院工学硕士论文 2 直流燃烧器数值模拟的理论基础 燃烧过程是受流动( 包括湍流) 、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化 学过程，它涉及到三维的非稳态、多相、多组分，热量的传递等。其中热量的传 递过程又包括对流换热、辐射换热、热传导，而涉及到相关的化学反应又包括气 相燃烧、颗粒相燃烧两部分剀。 对于煤粉燃烧过程，可以用湍流流动模型、湍流气固两相流动模型、湍流燃 烧模型、辐射换热模型来进行数学描述，通过对上述方程数值求解来模拟实际过 程，为实际运行提供参考参数。本章就煤粉燃烧过程涉及到的模型分别进行了论 述和对比，并详细介绍了本文中所采用的各个数学模型脚】。 2 1 湍流流动模型 2 1 i 湍流模型概述 湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程中流体的流动往往处于湍流 状态，湍动特性在工程中占有重要的地位。从物理结构上看，可以把湍流看成是 由各种不同尺寸的涡叠合而成的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机 的。大尺度的涡主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟， 它主要受惯性影响而存在，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡主要是由粘性力 所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。 流体内不同尺度的涡的随机运动造成了湍流的一个重要特点物理量上的脉动。 在锅炉燃烧过程中，由于燃烧设备尺寸较大、形状复杂、气流速度较高，加上燃 料燃烧等化学方应的影响，在燃烧器和锅炉炉内的气流流动几乎都是湍流流动【2 6 】。 总体而言，目前的湍流数值模拟可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模 拟方法 2 7 1 。由于直接数值模拟方法对计算机的速度和内存要求很高，目前还无法 用于真正意义上的工程计算。多数观点认为，虽然瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程可以用 于描述湍流，但n a v i e r - s t a k e s 方程的非线性使得用解析方法精确描写三维时间相关 的全部细节非常困难，即使能真正得到这些细节，对于解决实际问题也没有太大 的意义，因为从工程应用的观点出发，重要的是湍流所引起的平均流场的变化， 是整体效果。所以人们很自然的想到求解时均化的n s 方程，r e y n o l d s 平均法是目 2 直流燃烧器数值模拟的理论基础 前使用最广泛的湍流数值模拟方法。 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y a o l d s 应力方程中的应力项，而是引入湍 流粘度( t u r b u l c mv i s c o s i t y ) ，然后把湍流应力表示成湍流粘度的函数。整个计算的 关键在于确定这种湍流粘度麒。 湍流粘度的提出来源于b o 璐s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了脚n o l d s 应 力相对于时均速度梯度的关系，即： 一, 。1 4 j u j = f i t ( 薏+ 鼍 - 詈p + 鼍一 ， 这里鸬为湍流粘度，鸭为时均速度，磊是符号表示，岛= ；：；2 三：，七 为湍动能口u 而l l l c n t 龇锄嗍) ，即：七= 委0 t + v 鬯+ w 哩) 所谓湍流模型，在这里就是把鸬与湍流时均参数联系起来的关系式。依据鸬 的微分方程数目的多少，涡粘模型包括零方程模型、单微分方程模型及k s 双方 程模型。 标准k 一占模型是典型的两方程模型，是在一方程模型的基础上，新引入一个 关于湍流耗散率占的方程后形成的，该模型是目前使用最广泛的湍流模型，湍动 能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上 模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽 略。因此，标准k 一占模型只适合完全湍流的流动过程模拟。虽然在处理低雷诺数 流动方面不如r n gk 一占模型，在处理旋转流动和二次流方面不如r e a l i z a b l ek s 模型，但由于其方程比上述两者都简单，计算消耗c p u 时间少，还是得到广泛 应用。本文计算的是燃烧器内部流动，可以看作是充分发展的湍流，在近壁区域 通过采用壁面函数来消除标准k 一占模型不适用于低雷诺数流动的影响闭。 2 1 2 标准k 一占模型 ( 1 ) 标准k 一占模型 在直角坐标系下，稳态的标准k 一占的通用控制方程如下： 华北水利水电学院工学硕士论文 丢印) + 昙p 脚) + 鲁聊) = 瓦al ( r ，a 缸) + 号卜考 + 丢一警) + 西 。：国 其中妒是通用因变量，l 是输运系数，乱是通用因变量的源项。具体内容见 表2 1 。 在表2 1 中： g 嘲 2 ( 罢 2 + 陪 2 + 2 + b + 笥+ 滢+ 芸) 2 + 滢+ 笔 2 铲”“：q 啾( 2 - 3 ) 其中：- , 为有效粘性系数；以为湍流粘性系数；为层流粘性系数。 标准j | 一占模型的湍动能| i 和耗散率占方程为如下形式： 七方程： p 等= 毒 ( + 鲁 刳+ q + q 一班一+ 瓯 g 川 占方程。 p 尝= 毒割剖+ c - 昙慨+ 呦譬+ 以 ， 其中q 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，瓯是用于浮力影响引起的 湍动能产生；代表可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，= 2 伊事，口 为声速a 墨、只是用户自定义源项；c i 、c 2 、吼、吒为常数。常数值见表2 2 。 湍流粘性系数的计算公式为： 。i 。阵* 2 直流燃烧器数值模拟的理论基础 表2 - 1 通用控制方程中各变量的表达式 t a b l e2 - ie a c hv a r i a b l ee x p r e s s i o ni nt h eg e n e r a le q u a t i o n 方程 名称 一 l瓯 连续l0 o x - 动量 “ a , 一瓦+ 否【以瓦j + 面【以否j + 瓦【以瓦j w ) y - 动量 1 ， a , 一万+ 瓦卜万j + 万卜万j + 瓦卜万jo w ) 乙动量 w a , 一瓦+ 夏卜西j + 万卜瓦j + 瓦卜瓦j瓦o w ) 湍流动 七p + 盟 g k p 能盯i 湍流动 能耗散 占+ 盟 孚( c l q c ：, o s ) o t 丘 塞 表2 - 2 标准k - 模型中的常数值 t 曲i e2 - 2c o n s l m i ti ns t 丑i k l l u dl tm o d e l 名称 qqc 2以吒 数值 0 0 91 4 41 9 21 o1 3 ( 2 ) 近壁面区域计算 湍流流动受壁面的影响很大，在离壁面很近的区域，粘性力将抑制流体的切 线方向速度变化，同时，由于流体受壁面限制，正常的脉动特性被抑制。通常有 两种方法对近壁面区域进行建模，即壁面函数法以及壁面模型法。壁面函数法不 对近壁面粘性控制区域进行求解，而是采用所谓“壁面函数”半经验公式来计算 平均速度、温度、湍流动能等参数，壁面函数法能够很好地修正各湍流模型，从 而解决壁面地存在对流动地影响；近壁面模型法则通过修正湍流模型，使得近壁 面区域也能用网格划分，并对湍流进行求解。 在近壁面粘性力影响区域，变量变化太快，对于大多数的高r e y n o l d s 数流动， 采用壁面函数法不对这些变量求解，能够充分节省计算资源。对于一般地工程流 华北水利水电学院工学硕士论文 动模拟，这是一种经济而且足够精确的方法。对于燃烧器的近壁面流动，本文采 用壁面函数法来处理近壁面区域低r e y n o l d s 流动，由于不用划分网格，有效的降 低计算成本。 c f d 提供了两种壁面函数法：标准壁面函数法以及不平衡壁面函数法。本文 采用的是标准壁面函数法。 标准壁面函数法认为在壁面附近粘性支层以外的地区，无量纲平均速度分布 服从对数分布： 儿妻l l l 协) ( 2 - 7 ) 其中：u ：u v c v 4 k e v 2 t 。| p 。：型竺丝 。 式中，七为范卡门常数，| = 0 4 2 ；e 为经验常数，e - - - - 9 8 1 ；u ，为p 点的平 均速度；k v 为尸点的湍流动能；) ，为p 点的到壁面的距离。当y 大于i i 2 2 5 时， 就可以采用对数法则。 在七一占模型以及r s m 模型当中，| 方程在整个流动区域( 包括近壁面区域) 适用，七在壁面处的边界条件为： o k ：0 咖 ( 2 - 8 ) 其中为垂直壁面方向矢量。 近壁面网格中湍流动能产生量q 以及耗散率占都是基于局部平衡假设进行计 算的，q 的计算公式为： q 2 詈赢 ( 2 - 9 ) 此时不在壁面附近网格中求解占方程，而直接对占进行计算，公式为： c 。| | 占= - 一 姆p ( 2 1 0 ) 2 直流燃烧器数值模拟的理论基础 2 2 气固两相流模型 煤粉燃烧过程是典型的湍流气固两相流动和燃烧过程，气固两相流动的数值 模拟研究主要包括气相湍流的模拟、颗粒运动的模拟和气固相间相互作用的模拟 等，它是在单相湍流模拟的基础上发展起来的。目前对两相流的研究有两种不同 的观点：一种是把流体或气体作为连续介质，在欧拉坐标系内加以描