（工程热物理专业论文）高温空气煤粉燃烧与氮氧化物排放.pdf

内容摘要 水文在理顺高温低氧对煤粉燃烧影响理论的基础i - ，对高温低氧 进气l ：况i i 的煤粉燃烧进行- r 数值模拟，结果表明高温低氧燃烧煤粉 能够檄人地降低n oi ：i 湍流时i 尺度 b 型：反应时问尺度 湍流时问尺度，就整体火焰而论，化学反应是快的， 可以认为处于局部瞬态平衡。用一一对应的守恒景、混合分数来衡量，湍流脉动 的用概率密度函数p d f 统计。 c 型：反应时阳j 尺度z 湍流时问尺度，用一一对应的守恒量、混合分数来衡 量，分子组分浓度仅仅是当量比的函数。而守恒量或混合分数是当量比的度量。 虽然快速化学反应假设对于煤火焰某些主要组分是合适的，但是陵假定小能 l j j 二n o 污染物浓度。均相n o 污染物反应具有l m s 量级的典型时矧尺度，而媳 型的湍流积分时间尺度大约是1 0 m s 。这样，湍流脉动对于反应速率的影响就4 i 能被忽略。 煤火焰中n o 的生成过程没有完全研究清楚。n o 生成和消耗的动力学机理 包括了上百个基元反应。为了表述一个模型，必须考虑到过程的两个方面：动力 学机理本身以及动力学机理与湍流蒯的相互作h j 。 出于污染成分仅以较少的量存在，因此它们的出现很少影响其它平均场变 量：例如，以每百万分之几百的微量出现的n o 不会对当她的温度、速度、密度 或主要组分的质量分额影响到任何可以觉察到的程度。化学反应环境中的稀有成 分具有能够从一般热化学问题的解中解耦出来。 热力型n o ，的形成速率的动力学要比主要碳氢化合物的氧化速率慢得多，“ 所以大多数热力型n o 。是在燃烧完全后形成的。因此，热力型n o 。得形成过程 可以从主燃烧反应机制中分离出来而且n o 。形成速率能够通过假定燃烧反戍平 衡柬计算。通过使用这种方法，计算热力型n o 。的形成速率大大的简化了。 2 2 高温空气煤粉燃烧数值模拟 2 2 1 燃烧和n o x 生成计算方法 2 2 1 1 不考虑紊流影响的均相化学反应计算简介 假设有如下的化学反应方程式 2 0 1 。 f j 1 1 i + y ，：+ - ，+ j ，k + - + y l k = 0 j j ，i ，r + _ 。：k + + l 。，+ ，+ ，。r ：。 1 、i + j 、j ：k + 1 + jm 。f ，+ + j fv k = 0 x k k = 0 燃烧为链式反应，由m 个可逆基元反应组成，为物种( 组份) 的总个数 y 表示组份( 物种j l 。为第肌个反应式中第r 个组份e 的化学反应当量系数， l 。，o 则表示在浚反应中r 是生成物，只。， 0 则表示在；嚷反应中k 是反应物。 化学当量系数h 。出参与第删个反应的每一个组份的分子式中的原子数：j 恒条件来确定，也即： 。、 爿。一。，= 0 ( ，= 1 ，2 ，：一1 ，2 ，m ；) ( 2 1 2 ) = l 其中t 爿。，为组份，中，元素的原子个数，燃烧系统中总的化学元素个数为 第个基元反应的反应速度是： n ，= k 。兀 】：r 。i k 一。丌 r 。” ”= l= i 其中，t 。为第册个反应的正向反应速率常数：赶。为第m 个反应的逆向 反应速率常数，【】为组份的浓度，反应速率常数由a r r h e n i u s 公式确定： k = 4 pe x p ( - e o r t ) 其中：4 指前因子，常数，与温度无关；t 为反应温度；b 为温度指数； 表观活化能；r 摩尔气体常数。 由于反应物浓度是温度和压力的函数i 时刻【k 】则应为： 眦叫k 唔每 r o 、异、f k 】。分别为组份k 在标准状态下的温度、压力、浓度。 通常化学反应的整体反应速度不仅取决于单个化学反应速度，而且可能取决 于某个组份的反应运度，组份k 的反应速度y 等于所有m 个反应中该组份生成 与消解速度的代数和，也即： 弘= 一匕 ( 胛= 1 ，2 ，n ) 根据式( 2 1 2 ) 在上述n 个微分方程中包含，个元素平衡方程： 也型 m mn 4 ，- 矿= 4 ( 匕) = ( 4 ，。) _ = o 由于反应速度是温度和压力的函数，为了使得方程封闭，还要知道温度和压 力随时i 可而变化的微分方程： _ d p ：厶( f ) _ d t ：矗( f ) 这样，描叙所有基元化学反应过程的式子为： 4 砂= o ，( n = l 州2 一，n ；j = 1 州2 一，) 月= l y 。f = 儿。圪，= 1 ，2 ，m ) m = l _ d p ：厶( f ) _ d t ：再( f ) 再加上初始条件 【r ( f 0 ) 】= 【k 】。 p ( r o ) = p o t ( r o ) = 瓦 就可以求解化学反应过程中各物质浓度、温度等随时间的变化、反应速率等 等。 说明，上面的计算方法没有考虑流动比如湍流的影响，也没有涉及各个物质 随反应空间( 比如煤粉炉膛) 坐标的变化而变化的情况。 下面的计算方法同时考虑了流动和化学反应。 2 2 1 2 考虑流动影响、异相反应的数值模拟简介 先看考虑了流动和化学反应的燃烧所必须包含的内容( 子模块) 和各个子模 块之问的关系： 图2 1 2 煤燃烧和n o x 生成计算模块以及相瓦关系 图2 1 2 简明的 兑明了流场中的两相：气相和固体颗粒相，由于固体颗粒相 的存在，要考虑其对流场的影响；同时要考虑固体颗粒相的化学反应，以及由其 反应带来的对于气相各个组分的影响。反之，气相的流动和燃烧又对固体颗粒相 的流动和燃烧产生影响。 因此，上面的各个子模块可以和其他任意一个子模块相连，并且是互相影响 的过程( 图中用双箭头表达) 。而氮氧化物的生成可以在燃烧计算收敛以后再进 行计算( 只在这罩是个单箭头) 。 把上面的模型进行简化，可得到如下煤粉燃烧计算流程，如图2 1 3 所示【2 1 】。 对气相场在欧拉坐标系中按单元控制体将各变量守恒关系的微分方程进行 积分，构成差分方程，其中包括相问相互作用的源项。 对颗粒群则考虑其各尺寸组及各种初始位置或方向在拉各朗r 坐标系中的 运动、质量损失以及能量变化过程，并在气相单元内积分，求颗粒轨道及沿轨道 2 8 的颗粒速度、温度、密度变化史。 由颗粒群的相变及对气相的阻力、传热以及各种热效应计算颗粒群造成的质 量、动量、能量源，并使之作用于气相速度场、温度场和组分浓度场。 气相场则反过柬又影响颗粒的轨道及沿轨道的各个物理曩的变化。 i 欧拉坐标系li 拉各朗日坐标l l ( 气楣)卜i 叫 系( 颗粒相) i 翻2 13 煤粉燃烧计算模块以及流程 f l o w 、c h e m 、o f n d 分别为算流动、气相燃烧、辐射的模块。这。一学 足在欧拉坐标系中处理气相。p s i c ( p s i c ：p a n i c l es o u r c ei nc e l l ，( 属于颗粒群 轨道模型) ) 是在拉各朗f 1 坐标系中处理颗粒群的轨道、变化史、源项的子块， 包括计算煤粒本身质量损失过程的c o a l 以及算气体输运性质的t p r o p s 两个 _ 程序。 1 ) 其求解方法 气相场采用s i m p l e 算法，( 压力修f 、交错网格、逐线迭代、对三角矩阵、 对气相本身源项及颗粒群源项进行线性化处理、对近壁、网格点采用壁面函数处 理) ，对气相场给定进出口条件，壁面条件。 对气相场的压力修f 方程的推导，使用气相连续方程时必须考虑颗粒群源项 ( 颗粒群与气相耦合用p s i c 法，在迭代过程中不等到气相流场收敛就加入颗粒 源项的影响，流程如上图所示) 。 对煤粉给定进口浓度分布初始粒径分向，仞始速度方向及大小 2 ) 其计算过程 计算先是从f l o w 计算冷态流场丌始，不考虑气相反应及颗粒存在。 a 若进口有气相燃料，则此后调入c h e m 。( 如果用的是p d f ( 概率密度) 模 掣，则必须由试验柬赋值给组分分向、温度等。 f l o w 和c h e m 的耦合需要耗费大量的时问，4 能得到稳定解。 然后调入p s i c 计算颗粒轨道并首先只考虑动量耦合而不调用c o a l ，使 f l o w 、p s i c 、c h e m 之问经过多次迭代合理后再加入c o a l 计算煤粉质黾损 失。 b 若进口没有气相燃料，则在f l o w 和p s i c 阳j 迭代，然后再调入c h e m ， 存三者闯迭代。 以上过程多次迭代收敛后，再加入0 r a d 程序块计算辐射。 最后得到解。 计算过程用如下流程图 2 2 1 看得更简明，也更有代表性。 图2 1 4 煤粉燃烧计算流程图 本文数值模拟采用上面流程图求解时所用的模型： l 用分离求解。 2 气相流动采用基于s i m p l e 方法( 低速流动) 的全隐式有限体积方法求解， 对湍流采用k s 模型；对扩散项采用中心差分格式；对对流项采用迎风差分格 式。 4 对炉内燃烧辐射换热采用p l 辐射模型，它考虑了颗粒和气相之间的辐射换 热。 j 对颗粒采用随机轨道模型，它考虑了颗粒的湍流扩散。 6 对煤粉挥发分的释放采用了上文提到的s o l o m o n 提出的功能团挥发模型： 对于焦炭的燃烧采用了动力学扩散控制反应速率模型，该模型假定焦炭燃 烧的反应速率同时受到扩散过程和反应动力学的影响。 3 对气相燃烧采用漩涡破碎模型。 对于可以用平衡假设或者近平衡假设计算的气相组分必须存在于p r e p d f 访 问的化学数据库中，对于速率控制过程是湍流微观混合而不是化学动力学的情 况，可用混合物分数是当地微观混合过程的度量。混合分数是局部瞬态当量比的 一种度量。将化学性质( 组份、温度、密度) 对瞬态混合分数( 一般用厂表示) 的概率密度函数p d f 进行积分然后求平均值，即是考虑了湍流对于反应速率的影 响。 对于不可以用平衡假设计算的气相组分比如h c n ，用有限速率模型。 也可用p d f 方法，因为发现该反应的组份浓度仅仅是混合分数的函数( 混合 分数用p d f 方法求脉动平均值) ，虽然h c n n o 的反应远离平衡 湍流对燃烧化学反应速率的影响用p d f 模型来处理，p d f 方法用来把化学反应 速率项中的各个脉动量变成平均量，也即建立p d f 模型。试验已经指出：层流气 态扩散燃烧生成n 0 的火焰中，组份反应率仅仅是混合分数的函数。虽然湍流燃烧 的混合物分数和组分间的函数关系式仍然没有被证明，但是这种方法已经应用于 煤火焰中n 0 的生成计算。在低氧下应用这一个方法，则应该注意，用概率密度函 数来求湍流下的化学反应平均速率时应该不仅对无量纲温度，还应该对氧的局部 瞬态质量分数( 也是无量纲量) 进行积分。因为低氧会影响化学反应速率。 谛= 卜1 w ( o ，f o , ，炉( 臼，厶，) a o a f , 其中谛湍流下的化学反应平均速率，w 为瞬态反应速率，尸为概率密度函数， 0 为无量纲温度，厶为氧的局部瞬态质量分数。 这种方法还被扩展到煤粉和燃油的燃烧数值计算。 再看假设燃烧计算完毕后，作为后处理的氮氧化物的计算方法( 根掘f l u e n t 软件使用手册) ： n o x 的输运方程通过给定的流场和燃烧结果来解。换句话说，n o x 是燃烧 模拟的后处理过程。显然，准确的燃烧模拟结果是n o x 预测的前提。 f l u e n t 中n o x 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型以及再燃造成的n o x 的消耗。采用了美国能源部、英国l e e d s 大学和公开文献中发展的速率模型。 为了预测n o 。的排放，f l u e n t 求解了n o 浓度的输运方程，对于燃料n o 。 源，f l u e n t 求解了一个中间产物( h c n 或n i t 3 ) 的补充的输运方程。 对于热力型和快速型n o 。的生成，仅需要求解n o x 组份的输运方程。燃料 型n o 。的计算需要跟踪含氮的中问产物是很重要的。f l u e n t 除了求解n o 。组 份，还求解了h c n 或n h 3 组份的输运方程 本文由于燃烧的是煤粉，用的是低氧和相对高温气氛来燃烧，故 1 n o 。主要是燃料型n o 。，其次是热力型n o 。，不考虑快速型n o 。，( 燃烧 温度在1 3 5 04 c 以下。) 2 由于高温，没有考虑氧化亚氮。 3 氮氧化物的前驱体是h c n 。 所以，本文对于n o x 的计算采用 昙( p ) + v ( p 酩) = v ( p 。v r o ) + 鲁( p 。) + v ( p ；。) = v ( p 。v 。) + s 。 其中，源项说明如下： s n o = 曲。w 。+ 。热力型n o + 燃料型n o 矗。= m 。 。a j n i o 一 上面已经有热力型氮氧化物生成速率达计算式。 燃料型氮氧化物源项毛。，。则是个待求量a 而品。没有热力型、燃料型之分。 假设反应路径如图2 1 1 所示【2 3 】 则s m “m = 墨im + 墨2 m + 墨3 m 1 源项d 表示h c n 氧化生成n o ； 2 源项s - 1 m 表示n o 被h c n 还原成n 2 。 3 源项s 。表示n o 被焦炭还原成n 2 。 sh l 、2s 。j f f cv + s f m h f + s lh c + s ，! h ( 。 各个源项的构成如f ： 1 源项s 。m 、表示挥发份氯生成h c n ； 2 源项s m 。表示焦炭氮生成h c n ； 3 源项s - i “表示h c n 氧化，士- 成n o ： 4 源项s th n 表示h c n 被n o 还原成n 2 。 对干氮氧化物的生成主要考虑燃料型氮氧化物( 解上面的输