（热能工程专业论文）600mw超临界锅炉炉内燃烧过程数值模拟.pdf

棚i j ， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 6 0 0 m w 超临界锅炉炉内燃烧过程数 值模拟，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：盏垒终 日期：兰! 里：! ：竖 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： 导师签名：撵 e t期：笙鬯：! ：竖e t期：塑坠至：峰 1 二|l iii厂 ，r l l 、 i l - 一 一10】 1妒： 0 色 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文利用f l u e n t 数值计算软件对某电厂6 0 0 m w 超临界四角切圆燃煤锅炉进 行全炉膛燃烧三维数值模拟，得出炉膛内温度场、速度场、烟气组份场分布。通过 对结果的分析，得出更容易形成灰污层的壁面，并且将壁面温度与煤灰的软化温度 d t 进行比较，进而判断出炉膛内容易沾污的区域。在此基础上对两种校核煤种的 沾污情况进行对比，结果表明：此种判断炉内沾污情况的方法简便易行，能够较为 准确地判断结渣区域，对防止锅炉结渣、提高锅炉效率和减少锅炉事故有参考价值。 关键词：四角切圆，燃烧，数值模拟，沾污，温度场 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h r e e - d i m e n s i o n a ln a m e f i c a ls i m u l a t i o n o ft a n g e n t i a l l y w i d ef u r n a c e c o m b u s t i o nf o ra6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lc o a l f i r e db o i l e rb yu s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s o f t w a r e , d e r i v i n gt h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r ef i e l d , v e l o c i t yf i e l d , g a sc o m p o n e n t sf i e l d i nt h ef u m a c e f o u l i n gl a y e rw a l lw h i c hi sm o r ee a s i l yf o r m e di so b t a i n e dt h r o u g ha n a l y s i so f t h e r e s u l t s ， a n d c o m p a r i s o n s a lem a d eb e t w e e nt h ew a l l t e m p e r a t u r ea n ds o f t e n i n g t e m p e r a t u r et h a t 啪d e t e r m i n et h ec o n t e n t sc o n t a m i n a t e de a s i l yo ft h er e g i o n a lc h a m b e r t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c ho ff u r n a c ec o n t a m i n a t i o nc a nb em o r e a c c u r a t ei nj u d g i n gs l a g o f fl o c a t i o n m e a n w h i l e ，p r a c t i c a lv a l u e ss u c ha sp r e v e n t i n g s l a g o f f , r e d u c i n gb o i l e ra c c i d e n t ，i m p r o v i n gb o i l e re f f i c i e n c yw e r ea l s or e c o m m e n d e d c a ix i a o h u 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 yv i c e - p r o lw a n gj u n k e y w o r d s ：t a n g e n t i a l l y , 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 ，c o n t a m i n a t i o n t e m p e r a t u r ef i e l d r t 一妒 ，7 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 数值模拟的意义1 1 3 国内外研究现状及模型2 1 3 1 研究气固两相流的两大经典方法3 1 3 2 气相湍流流动的模型3 1 3 3 多相流动模型4 1 3 4 辐射换热模型5 1 3 5 燃烧模型5 1 4 本文工作6 第二章模型综述和煤的结渣特性7 2 1 模型综述7 2 2 气相湍流模型7 2 3 颗粒轨道模型8 2 4 煤粉燃烧模型1 0 2 4 1 煤的热解挥发模型1 0 2 4 2 焦炭燃烧模型1 1 2 4 3 气相燃烧模型1 2 2 5 辐射模型1 4 2 6 沾污结渣机理1 6 2 7 影响因素炉膛内沾污结渣的因素1 7 2 7 1 煤灰的熔融特性1 7 2 7 2 水冷壁吸热量2 0 2 7 3 火炬平均投射热流2 0 2 7 4 火炬平均温度2 1 2 7 5 炉内灰污系数2 1 2 8 煤的结渣特性指标2 2 2 8 1 根据灰熔点温度预测煤的结渣特性2 2 2 8 2 灰熔点结渣指数2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 2 8 3 灰成分结渣指数2 3 第三章四角切圆锅炉工程应用2 4 3 1 锅炉简介2 4 3 2 锅炉尺寸2 5 3 3 锅炉参数2 5 3 4 制粉系统2 8 3 5 燃烧系统3 0 第四章四角切圆锅炉炉内数值模拟结果与沾污分析3 2 4 1 锅炉概况3 2 4 2 炉膛求解域及网格划分及边界条件3 3 4 2 1 炉膛求解域及网格划分3 3 4 2 2 边界条件3 4 4 2 2 1 入口边界条件3 4 4 2 2 2 出口边界条件3 6 4 2 2 3 壁面边界条件3 7 4 3 燃烧模拟结果及分析3 7 4 3 1 锅炉炉内速度场结果分析3 7 4 3 2 锅炉炉内温度场结果分析4 0 4 3 3 炉内气相组分质量浓度分布分析4 5 4 3 4 煤粉颗粒运行轨迹分析4 6 4 4 结果分析4 7 4 4 1 炉膛内沾污结渣分析4 7 4 4 2 受热面安全性分析4 9 4 5 减轻沾污的措施5 1 4 6 在线监测技术5 1 第五章结论与展望5 2 参考文献。5 4 致谢：。5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 j 、弘 j 、 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国锅炉容量的扩大化，大容量锅炉的性能优化普遍受到关注。为了减少 锅炉磨损和延长锅炉寿命，降低污染物的排放和提高锅炉热效率，煤粉的有效利用 对锅炉运行显得至关重要【。而且近几年来，能源问题和环境问题在世界范围内受 到了越来越多的关注，所以作为二十一世纪初中期主要能源之一的煤【2 l 也受到了越 来越广泛的关注。由于工业的飞速发展，煤炭生产的增长速度已经低于工业的发展 速度。尤其在近两年中，煤炭的供应非常紧张，煤价迅速提高，这就要求电力工业 燃烧更多的品质差、含硫量高的煤以降低成本。另一方面随着发电机组日益向大容 量发展，电力工业对煤粉燃烧提出越来越高的要求。因此迫切要求发展高效、低污 染煤粉燃烧技术，概括起来为高效、低污染、防结渣、稳燃、以及快速负荷变化适 应性和良好的煤种适应性。 我国的能源资源贫乏，而火电厂是我国的用煤大户。我国火电厂以燃烧劣质煤 为主，而将优质煤用于化工、冶金等行业。我国火电厂每年要消耗3 亿多吨煤，相 当于国家原煤产量的三分之一。燃烧劣质煤给锅炉带来了一系列问题【3 , 4 】，劣质煤燃 烧中常见的问题是煤粉气流着火困难、安全性差、燃烧效率低、经济指标差、燃烧 不稳定和出力不足、受热面结渣、高温腐蚀严重和污染物排放高等。煤粉炉结渣问 题非常普遍存在各个电厂中，极大地影响了锅炉运行的经济性和安全性。由于近几 年来煤质大幅度下降，锅炉燃用实际煤种与设计煤种相差很远，致使燃烧困难，低 负荷稳燃能力差，使锅炉更容易结渣，严重影响电厂安全稳定运行。 1 2 数值模拟的意义 由于锅炉炉内燃烧是一个复杂的湍流流动、传热及燃烧的三维过程，以及燃煤 锅炉燃料的多变性，迄今为止，还没有成熟的理论和经验对锅炉的设计和运行进行 明确性指导。在电厂实际运行中，人们很难直接观察到锅炉内的燃烧过程，为了获 得较高的燃烧效率，首先要弄清楚其主要的影响因素诸如颗粒和气体的温度、煤粉 粒径大小的分布、炉内气场浓度、炉内传热、煤的挥发和焦炭燃烧以及焦炭属性等 动力参数。通过计算机对燃烧过程的模拟，可以在计算机上改变锅炉的运行参数、 局部结构和煤质等，预测各个不同工况条件下锅炉炉内详细燃烧情况，如炉内温度 分布、浓度分布、煤粉颗粒运动轨迹等，通过计算机模拟给出锅炉工况的最佳方案， 从而为提高锅炉燃烧效率、锅炉的安全运行和锅炉的改造等提供最优方案1 5 l 。因此， 华北电力大学硕士学位论文 利用数值模拟技术研究炉膛内流动和燃烧过程，对于了解、预测和解决锅炉实际问 题有一定的意义。近些年来，随着计算机技术以及计算流体力学、计算传热学、计 算燃烧学等学科的发展，计算机模拟技术也取得了飞速的发展，以c f d 为基础的数 值模拟软件逐渐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 手段之一。数值模拟方法速度快，获得的信息量大，能比较全面预报炉内的流动、 传热和燃烧过程，对锅炉的设计、运行和改造有重要的参考依据价值。另外通过炉 内过程的全模拟数值计算，分析炉内的空气动力场、温度场，还可以对燃烧过程中 n o i 的生成做出准确预报【6 j 。 1 3 国内外研究现状及模型 对于电站锅炉炉内燃烧的数值预报，涉及到众多方面的知识，比如计算流力学、 燃烧学、传热学、气固两相流、化学反应动力学等诸多领域。借助这些学科和计算 机科学的发展，计算模拟炉内的燃烧过程逐步成为一种强有力的研究手段。数值模 拟概括起来大致可以分为以下几个发展阶段【7 1 ： 初步尝试阶段：七十年代。其中具有代表性的有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。 模型的发展与完善阶段：七十年代末至八十年代末九十年代初。模型开始应用 于炉内模拟，模型和计算方法进一步得到完善。炉内模拟经历了使用较粗糙的网格 来计算冷态情况下的炉内阶段、计算气相燃烧的热态阶段、计算气固两相燃烧的热 态阶段等阶段，选用模型越来越复杂，而且计算结果也开始与实验数据进行对比。 比如：1 9 8 8 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d ! 川模拟了四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛 内的三维两相流动、传热与燃烧过程。同年，f i v e l a n d 和w e s s e l l 9 】模拟了5 6 0 m w 的炉膛内的流动传热、燃烧的过程，得到了一些对热态燃烧有指导意义的结果。 全过程模拟阶段：九十年代至今。这一阶段是炉内燃烧过程数值模拟走向成熟 的阶段，也是计算开始与实际应用相结合的阶段。全三维炉内数值模拟，各种日益 成熟的模型开始应用于计算当中，而且计算结果开始与大型冷态模拟及实测数据进 行相互比较。模拟开始转向具有更具实际应用意义的污染物、炉内燃烧、结渣及碳 黑的生成模拟。比如：1 9 9 4 年，c o i m b r a 等1 1 0 l 模拟了3 0 0 m w 墙式三维炉膛中的n o x 的生成，但当时没有实验值作为比较。l o c k w o o d i l l l 等模拟了对冲燃烧锅炉内的n o x 生成。1 9 9 8 年，文献1 1 2 1 4 分别对墙式分布旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程进行了模 拟研究。 国内的工作者也在锅炉炉内数值模拟研究方面取得了很大的进步。清华大学、 华中科技大学、西安交通大学的燃烧国家重点实验室、中国科技大学、浙江大学、 哈尔滨工业大学、华北电力大学等在这方面做了大量工作。周怀春、李文艳1 1 5 , 1 6 】等 2 。t o 。 华北电力大学硕士学位论文 对炉内燃烧污染物，如n o i 生成特性、煤粉炉的稳燃、炉内流动、燃烧、传热过程 等有所研究。文献 1 7 2 6 对四角切圆锅炉气固两相流动和旋流燃烧锅炉炉内燃烧过 程进行了数值模拟研究。 1 3 1 研究气固两相流的两大经典方法 炉膛内燃烧与结渣特性数值模拟，首先涉及到气固两相的计算流体力学问题。 处理此问题有两大经典方法：拉格朗日法和欧拉法。前者从时间场的角度对流体现 象进行描述，研究某一质点在不同的运动时刻形成的时间场量；后者从空间场的角 度对流体现象进行描述，研究某一时刻质点群形成的空间场量。这两种方法在本质 上是相通的，可以相互转换。两种方法在处理气固两相流时不大相同，欧拉法将固 相当作连续相，而拉格朗日法将固相当作离散相，在拉格朗日坐标系下对大量颗粒 的轨迹跟踪统计其物理量。可以看出两种方法在处理不同问题时各有优缺点。欧拉 法成功地解决了颗粒间的碰撞问题，故在处理密相两相流动中得到充分地的应用， 它引入了相的容积分额概念，将固相和气相当作相互渗透的连续相处理；由于拉格 朗日法可方便地计入颗粒在运动过程沿程的物理化学变化，故在处理有化学反应的 气固两相流中得到了充分的发展，它需要假定固相占有很低的容积份额( 固相的质 量大于气相) 。现在有许多学者致力于将这两种方法的结合应用，结合它们各自的 优点更能实际地去反映模拟各种气固两相流动问题。 1 3 2 气相湍流流动的模型 处理湍流有三种方法：直接模拟、大涡模拟，雷诺时均法。直接模拟可以获得 复杂几何形状体内的高雷诺数湍流流动n s 方程完整的时间相关精确解，缺点是需 要的高次的计算机的速度和很大的内存，如今计算机水平是无法实现的，在将来实 现起来也不是简单的事。在这种不能直接模拟的情况下，出现了两种替代性的方法， 一个是大涡模拟，一个是雷诺时均法。它们的特点是不直接模拟小尺度的湍动。雷 诺时均法和大涡模拟法，它们都在控制方程中引入了附加项。为保证控制方程的封 闭，需对附加项模化：补充新的方程将附加项与控制方程中原有的项联系起来。 雷诺时均法对n s 方程时均化，求解平均流动量，采用湍流模型描述所有尺度 的湍流。使用此方法大大减少了计算的工作量，故被广泛采用于实际工程问题中。 雷诺时均法引入了雷诺应力项，根据不同处理附加雷诺应力项的方法，可以分为两 大类：雷诺应力模型和b o u s s i n c s q 模型。b o u s s i n e s q 模型将雷诺应力与平均速度梯 度联系起来。比如s p a l a r t a u m a r a s 模型、七一模型、七一模型的改进型( r n g k 一、 r e a l i z a b l e k f ) 、七一暑模型和七一模型的改进型( s s t k 一) 都属于此类。此类模型 的优点在于计算湍流粘性系数时所需计算不是很大，缺点是假定的各向同性与实际 不大很吻合。通常情况下，基于b o u s s i n e s q 假设的湍流模型就可以得到满意的结果。 3 华北电力大学硕士学位论文 如果采用雷诺应力模型，计算结果可能会更精确，但结合计算花费而比较，将是得 不偿失。当然，对于湍流流动是各向异性占主导的这种情况，雷诺应力模型的优越 性凸显无疑。 大涡模拟只对大涡进行时间相关的计算，小尺度涡( 比如小于网格尺寸的涡) 被 过滤掉不予计算。大涡模拟一样需要对引入的附加项进行模化。大涡模拟的优点是 通过减少湍流模型的假定来减小了因引入湍流模型造成的计算误差。因为小尺度涡 相对于大涡而言表现出更加各向同性的性质，且受宏观流动特征的影响也要小得多 所以有人认为这么处理还使得人们更加容易地去找到一个适合于小尺度涡的通用 湍流模型。大涡模拟还处于工业应用的起步阶段。 工程应用中一般采用雷诺时均法，广泛应用的有：k 双方程模型以及它的各 种修正模型。 1 3 3 多相流动模型 颗粒相的模拟有下列几种模型：无滑移模型、颗粒轨道模型和连续介质模型。 无滑移模型( 单流体模型) ，它不考虑相间速度和温度的滑移，故与实际相差较 大，工程实际问题用到较少。颗粒拟流体模型的思想是把颗粒群看成是与流体互相 渗透的拟流体，此种模型能较完整的考虑颗粒相的各种湍流输运，两相流问题可用 统一的数值解法处理，模拟的结果能够详尽给出颗粒相空间分布信息，且易于和试 验数据作对照。可以看出拟流体模型的关键在于颗粒相湍流模型。目前采用的比较 广泛的是以颗粒追随流体脉动概念为基础的代数模型( h i n z e t c h e n 公式) ，简称a p 模型【2 7 l 。此模型下颗粒的湍动能助恒小于颗粒的湍动能k ，且颗粒尺寸越大，助七 越小；故有文献提出了建立颗粒湍动能助的方程，构成k 一占一切模型。文献【2 8 】提出 了一种对流体用k 一模型，对颗粒用r e y n o l d s 方程模型的方案，但用到不少半经 验型的b o u s s i n e s q 表达式和多种粘性系数进行模型的封闭。 轨道模型在l a g r a n g i 觚坐标系中考虑颗粒运动。为考虑流体湍流脉动造成的颗 粒扩散效应，一种解决办法是采用漂移力或漂移速度的概念。在用费克定理的梯度 模拟概念来计算漂移速度时，所需的颗粒粘性系数还需分别由无滑移模型给出，但 是此修正只能给出扩散对平均轨道位置的影响，不能给出颗粒速度和浓度的空间的 分布i 矧。故应用较多的是随机轨道模型【3 0 3 ，即由颗粒瞬时动量方程出发，用 m o n t e c a r l o 法计算随机瞬时流场中颗粒的随机轨道，目的是计算流体湍流对颗粒的 作用。随机轨道模型能详细地模拟出煤粉颗粒的复杂过程。采用随机轨道模型，假 定气相速度脉动各向同性并且满足高斯分布，以气相湍流脉动速度的平均平方根值 作为基础，给出不同轨道的随机值以达到模拟颗粒的湍流扩散特性。 4 。c 4 - 华北电力大学硕士学位论文 1 3 4 辐射换热模型 。 炉膛内的温度水平一般很高，炉内高温火焰和水冷壁之间的传热以主要是辐射 换热，占总换热量的9 0 左右。一般计算辐射换热的方法有区域法、热流法、蒙特 卡洛法( 又称概率模拟法) 【3 2 l 、离散传输方法【3 3 】；还有用数论方法模拟辐射换热。 h o t t l e 提出区域法，即按照各区域直接和周围进行辐射换热的原理来计算辐射 换热量。区域法在原理可行，但由于计算工作量巨大，故只能把燃烧室分成较少的 大区域来计算，这是此方法不能广泛用于燃烧室传热过程的工程计算中的原因。 蒙特卡洛法的思想是：把炉膛燃烧室分成若干个气体微元和面积微元，假定各 区域所具有的辐射能由很多条具有一定的能量能束组成，依次跟踪每一条能束，直 到能束中的能量被完全吸收的时候，假如能跟踪足够多的能束吸收历程，就可得到 具有统计意义的数值结果，进一步求得各微元间的辐射换热量。蒙特卡洛法在实际 中应用较多。我国也作了大量的有成效的研究工作，取得了骄人的成绩。 1 3 5 燃烧模型 煤的燃烧过程很复杂，主要原因是煤的组成及结构的复杂性。煤粉颗粒燃烧分 为下面几步：一是水分蒸发；二是煤被高温加热；三是发生热解反应；四是产生挥 发份和焦炭；五是挥发份的气相反应和焦炭与氧化剂的非均相反应。 ( 1 ) 挥发份析出过程的模拟 煤粉的挥发分热解是一个较为复杂的过程，描述热解过程的模型有：单方程模 型。双方程模型及多方程模型。清华大学傅维标等提出的a r r i h e n i u s 反应速度的前 置因子和活化能只与煤的温度有关而与煤种无关的通用热解模型。美国杨伯翰大学 燃烧中心( a c e r c ) 开发的大型燃烧室内的通用软件包p c g 3 采用的是 c p d ( c h e m i c a l p e r c o l a t i o n d e v o l a t i l i z a t i o n ) 模型f 3 4 , 3 5 l ，此种模型记入了煤粒结构及 压力对热解过程的影响。 ( 2 ) 焦炭的燃烧 焦炭的非均相反应速率可分为两种。一种是依据于碳粒表面积的总体反应速率 模型，另一种是依据于内在表面积的内在反应速率模型。根据反应动力学机理【3 6 1 可分为单膜模型，适用于小于l o o u m 的煤粉颗粒；双膜模型，适用于大于l m m 的 煤粉颗粒；连续膜模型，适用于尺寸在l o o u m 1 0 0 0 u m 之间的煤粉颗粒。煤粉颗粒 热解后，颗粒呈高度多孔状，相当于扩大了表面反应率，对碳的非均相反应影响很 大。 ( 3 ) 气相( 挥发分) 燃烧模型 炉内气体，包括煤粉热解和非均相反应释放出来的气相产物，高温下要以气相 5 华北电力大学硕士学位论文 燃烧。燃烧过程受到湍流脉动和化学反应动力学的共同作用。气相燃烧过程的模拟， 有针对预混火焰的漩涡破碎模型( e b u ) ，切拉滑膜型；也有针对扩散火焰的k g g 模型。在工程上得到较为广泛地应用的有k g 模型和漩涡破碎模型。另外d b s p a l d i n g 教授提出的e s c i m o 模型，即能定量分析湍流分子输运和化学动力学因素 在湍流燃烧中的作用，并允许使用复杂的分子输运模型和化学动力学模型，是一种 实用的模型。还有一种比较常用的方法是s b p o p e 提出的概率密度函数方法( p d f 方法) 。 1 4 本文工作 ( 1 ) 对电站锅炉炉内燃烧过程进行数值模拟方面的研究。进一步改进和完善气 固多相湍流流动模型、燃烧模型、传热模型以及边界条件的处理，以便为受热面结 渣分布情况的预测，提供三维场分布的数据。 本文以f l u e n t 6 0 计算流体动力学软件为基础，对锅炉炉内过程进行数值模 拟，根据所要模拟锅炉的特点，建立炉膛的三维框架结构，进行网格划分，然后选 用合适的数学物理模型和适当的参数和变量，设置边界条件，对炉内过程进行数值 计算，模拟出炉膛内的温度分布。 ( 2 ) 研究炉内沾污、结渣的判断方法，将其与燃烧过程的数值计算结合起来， 对受热面的沾污、结渣情况进行判断。炉内温度是影响锅炉结渣的重要因素。研究 结果表明，随着炉膛烟气温度的升高，烟气中颗粒在到达受热面时处于熔融或半熔 融状态颗粒的数量以及灰渣烧结速度和粘附强度均随着温度呈指数关系的规律增 加。 本文采用数值计算的结果确定炉内的灰污层表面温度，用于判断炉膛内温度较 高区域的沾污、结渣情况，以便运行过程中及时采取措施防止炉膛结渣。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 模型综述 第二章模型综述和煤的结渣特性 锅炉内包括非常复杂的湍流运动和燃烧过程，湍流运动涉及到三维的多相、非稳态、 多组分；热量的传递又包括对流换热、辐射换热、热传导，而燃烧的化学反应又包括气 相燃烧、颗粒相燃烧两部分。本文应用基本的化学流体力学定律，根据能量守恒、质量 守恒、组分守恒、动量守恒，建立流体湍流流动和反映炉内燃烧过程的通用的微分方程 组，再加上本章所要综述的模型，就可使微分方程组封闭，然后对其进行求解。燃烧过 程可分为煤的预热干燥、挥发份的逸出和焦炭的形成，然后是挥发份的燃烧和焦炭 的燃烧。 2 2 气相湍流模型 所谓气相，包括进入炉内燃烧的气体，还包括煤粉热解和非均相反应释放出来 的气相产物，气相在高温下要燃烧，燃烧过程受到化学反应动力学和湍流脉动的共 同作用。湍流模型采用r e a l i z a b l e 七e 模型。在r e a l i z a b l e 缸e 模型中，关于七和e 的 输运方程如下： 掣+ 掣一鼽p + 尝剖悱胪 掣+ 毒陋+ 盟o , 1 旦1 j + 瞩e 一心z 若 式中，吼- 1 0 ，仃。- 1 2 ，c 2 - 1 9 c 1s m a x ( 。锅剖 刁( 2 e 。j 呼 岛。精+ 鲁) 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 觞和q 按下式计算： 式中，以- 4 0 以- 畔等 c 芦- 石丽1 4 一垢咖妒 妒。三湖。1 晦) 肌辩毕q e 4 r 岛。糖+ 鲁) 【，。如岛+ 玉牙6 驴 6 一q 掌一2 e 舒q q 口西一g 避吐 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 这里的0 是从角速度吼的参考系中观察到的时均转动速率张量，这一项是专门 用以表示旋转的影响。可以看出r e a l i z a b l e b e 模型的主要变化是：湍流粘度计算公 式的变化，引入了与旋转和曲率相关内容；e 方程发生了很大变化，方程中的产生 项不再包含有七方程中的产生项g 。 2 3 颗粒轨道模型 单颗粒动力学模型是在拉格朗日坐标系内处理颗粒相，在小滑移和无滑移模型 汇总则在欧拉坐标系内处理颗粒相，在颗粒轨道模型中，再次在朗格朗日坐标内处 理颗粒相，与单颗粒动力学模型不同，颗粒轨道模型充分考虑气相与颗粒间的相互 作用。另一方面，该模型又和小滑移和无滑移模型不同，它考虑了与颗粒扩散无关 8 。c 厶 。 颗粒的速度，m s ；c d 为阻力系数，c d 主要与r e 有关：当r p 超过1 0 0 0 时c d 的值 为0 4 4 ；而当尺e 的值介于1 和1 0 0 0 时，有： c d - ( 1 + r e 2 3 1 6 ) 2 4 ，r e ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) q ar e - 瓦一习d ，y ，d ，为颗粒直径，l ，为运动粘度，由于煤粉在蒸 发挥发和氧化时阻力系数会减小，所以要进行如下修正1 3 7 l ： c a - c 。e x p l - 2 m c 胂k 。d p ) j ( 2 1 8 ) 式中，c 一为平衡比热，j ( k g - k ) ；疵为燃烧速率，m s ；k 为边界层中气体的平均 导热系数，w ( m 目。 此外颗粒体积相同的球的表面颗粒的表面积，即球形度，痧一s j s p 也是一个 影响气动阻力的主要参量。 式中只为热泳力，其表达式为： e d r ，嘉詈 ( 2 1 9 ) 式中，d z ，为热泳力系数，可以使常数、多相表达式或用户定义函数；m ，为颗粒质 量，k g ；t 为当地流体温度，k 。 毋j 。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 煤粉燃烧模型 煤的燃烧过程包括：预热，挥发份的析出，挥发份燃烧，挥发份和焦炭燃烧， 以及焦炭的燃烧。煤粒进入高温炉膛后，由于受到炉内高温的加热开始热解，有气 象物质即挥发分析出。热解后的煤呈多孔状结构，称为焦炭。在有些情况下，如煤 粉受到极其强烈的辐射，焦炭也可能先着火。其中焦炭的燃尽是煤燃烧的主要过程， 但是挥发份对煤的着火和燃烧是不容忽视的，因挥发份释放使焦炭孔隙率发生变 化。焦炭燃烧属于扩散一动力燃烧。故煤粒进入高温炉膛后将经历加热、热解、着 火与燃尽诸复杂的物理化学过程。 2 4 1 煤的热解挥发模型 当煤加热到或者超过6 0 0 k 时，就发生明显的热解或挥发。由于煤的化学及物 理结构都很复杂，热解挥发也是相当复杂的过程，包括最初的一些化学键破裂，不 稳定的中间产物形成，以及成为最终稳定的热解产物【3 引。热解产物或挥发份包括 c l - h ，c o ，h 2 ，h 2 0 ，c 0 2 ，c 2 h 4 及其他更高的碳氢化合物( c m h n ) 等。挥发份中含 氮组分是煤燃烧中形成氮氧化物的主要来源。考察某个由d a f 煤( 干而无灰的煤) 、 焦炭、灰和水分组成的煤粒，可以写出颗粒质量方程，即 朋。朋c + m j4 - m a4 - 历_ 总质量变化率等于挥发率加上焦炭反应率，再加上水分挥发率，即 m 。m c4 - m k4 - m w 。用v + ，拧b4 - m ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 双挥发反应模型是模拟挥发份热解反应最常用的模型。k o b a y a s h i 等人在1 9 7 7 年提出了用两个a 平行竞争着的一级反应来描述热解过程，即： 口l 挥发份i + ( 1 - a 1 ) 焦炭i d a f 州许圳h 旆籼 式中，口- 、口2 一热解挥发反应的化学当量系数。 由质量作用定律表达的热解反应动力学方程如下： 1 0 。c o 。气 华北电力大学硕士学位论文 历订= k v l 口l m c ，历，2 = k v 2 0 t 2 嬲c 式中，k 小k v 2 一热解反应率系数，可以表达为a r r h e n i u s 型方程： ( 2 2 2 ) k 订= b ，le x p ( 一e ，l r r , )k ，2 = b y 2e x p ( 一e ，2 e l ) ( 2 - 2 3 ) 式中，召，。、召，：一指数前因子；e 小e ：一热解反应的活化能。因此，总的热解或 挥发反应率是： v h ，= m 。【口i b ，le x p ( 一e 订r t p ) + a 2 b ，2 ( 一e ，2 r 乙) 】 ( 2 2 4 ) 动力学常数口丑，：，e ，。和e ，：取决于煤种和压力，一般认为在低温下起主导 作用的是第一类反应，而在较高温度下起主导作用是第二类反应，在中等温度时两 个反应均起主要作用。 2 4 2 焦炭燃烧模型 焦炭的燃烧在煤粉的燃烧中一般起主导作用。焦炭的燃烧过程是一个较为复杂 的化学过程，一般包括两个过程，一个是氧化物向颗粒表面的扩散过程，第二个是 这些物质在颗粒表面与焦炭发生的异相反应。焦炭燃烧是动力一扩散燃烧，即焦炭 燃烧与动力学因素有关，又与传热传质有关。故一般采用动力一扩散表面反应速率 模型模拟焦炭的燃烧 3 9 , 4 0 】。该模型假定焦炭表面反应速率同时受到扩散速度和化学 反应速度的控制，反应中颗粒粒径保持不变，而且颗粒表面和内部产生孔隙。该模 型的扩散速率为： d o = c i 譬芋 ( 2 2 5 ) 式中，c i 一扩散速率常数；乙一颗粒温度；瓦一周围介质温度；d ，一颗粒直径。 化学反应速率为： r = c 2 p 一( 占7 ) ( 2 2 6 ) 式中，c ：一化学反应速率指前因子；e 一活化能。依据二者不同的加权值得到焦炭 的燃烧速率为： 华北电力大学硕士学位论文 堕=一耐丽dordt p r“现+ ( 2 2 7 ) 式中，m ，一颗粒质量；p 硝一颗粒周围的气相氧化剂分压；r 一考虑了焦炭内表面 的反应及其扩散的化学反应速率。 2 4 3 气相燃烧模型 炉内气体，包括煤粉热解和非均相反应而释放出来的气相产物，由于炉内温度 水平较高，高温下气相物质开始燃烧，燃烧过程受到化学反应动力学和湍流脉动的 共同作用。煤粉燃烧过程采用p d f 燃烧模型来计算气相燃烧。下面简述下p d f 模 型。厂是气流中反应物和生成物各元素( c ，h 等) 占所有成分的当地质量分数，表 示任一时刻在任一位置上的混和程度，即局部瞬时当量比。 混合物分数厂定义为【4 i j ： = 瓦z i - 一z 瓦i , o x ( 2 - 2 8 ) 式中，z i 为某元素i 的综合质量分数，z 似和z f u 。i ，分别表示氧一侧和煤粉气流一侧 的值。如果所有组份的扩散系数相同的话，式( 2 2 8 ) 对所有的元素都是相同的，混 和物分数是唯一的。 混合物分数厂可以做以下简化： l ：l 加| p 十聊j ( 2 2 9 ) 式中，m p 来自燃料流的流体原子质量，m 。 来自二次流即氧化性气流的流体原子质 量。 在上述假定下，组份方程可以简化为混合物的瞬时守恒方程： 昙协v 捌毋睁v 7 卜+ k 协3 。， 用s m 代表颗粒因挥发分析出而与气相作用的源项，s 哪，是用户根据自己实际物 理问题，需用户自己定义的源项。 1 2 。c o 。气 ， 华北电力大学硕士学位论文 为了求解混合物分数，还需求解平均混合物分数方差的守恒方程 昙( i d 丁) + v b 丁) iv 。悟矿) + c | 勺2 7 ) 一q p 詈丁+ s 一 ( 2 m ) 式中，一，- ，q ，q ，q 分别取值为0 8 5 ，2 8 6 和2 0 。 其它守恒标量可以表示为： 伊- 正+ q 一，h ( 2 3 2 ) 和钆分别为煤粉气流中妒值和纯空气流中的驴值。 由于反应中任何元素既不可能产生也不可能消灭，故元素i 的局部瞬时质量分 数“b i 也是一个守恒标量，假如各元素的扩散系数都相同时，有： 有： 6 j 一胡+ ( 1 一，b o ( 2 3 3 ) 对于绝热系统，气体焓也是一个守恒标量，在导热系数和元素扩散系数相等时， h 一加，+ ( 1 一厂) i i ， ( 2 3 4 ) 用局部瞬时平衡的概念，能找到瞬时温度，密度及组分浓度随焓和元素组分而 变换的函数关系： t r 纸，h ) p t p 瓴，h ) e e ( 6 i ，h ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 为求得以上参数的时均值，我们需使用概率密度分布函数。对于在o 与1 之间 随时间脉动的随机混和分数“， ，它在“， 和“，+ 缈 区间内出现的概率可定 义为p ( 讶，其中p ( ，) 成为概率密度函数，显然可有： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 上p ( ，坷- 1 ，的时均值和脉动均方值由下式确定： 7 - j 扣( i ) d l 丁一f 一钟一j c ，2 p ( 1 ) d l 一伊) 2 对函数驴( ，) ，妒的时均值与脉动均方值是： 驴g ) 一上伊( ，b ( ，工) d r g ) - j c 伊2 ( ，b ( ，工讶一6 ) 2 ( 2 3 8 ) 目前一般描述p d f 概率密度分布形式主要有两种：b 函数和d o u b l ed e l t a 函数。 中b 函数比较好的符合了实验值【4 2 1 。本文计算中使用b 函数来求解。1 3 函数形式 p d f 公式如下： 2 5 辐射模型 础) 。筋 叫擎_ 1 】 嘲( 1 - f 【擎1 】 ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) 本文使用p - 1 法来模拟炉膛辐射换热过程。对炉内的换热过程，辐射是最主要 的能量传输方式。故在模拟燃烧时，对辐射能量传输的模拟非常重要。p 1 法适合 用于计算域尺寸较大，气相和颗粒相之间有辐射热交换的情况，是最简单的一种球 谐函数法。对于辐射热流吼，得到如下方程： 1 4 9 0 l 3 4 4 4 2 2 2 2 华北电力大学硕士学位论文 鼋，- 一石丽1 v g( 2 4 6 ) 式中，口一吸收系数；q 一散射系数；仔一入射辐射；c 一线性各相异性函数系数。 为了简化上述方程，提出以下参数： 一 a 。t ， 则，方程( 2 - 4 6 ) 变为： g 的输运方程为： r ! 一( 3 ( 口+ q ) 一c 吼) 吼- - f v g v ( r v o ) 一a g + 4 口d f 一s g ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 式中，盯一斯蒂芬玻尔兹曼常数；& 一用户定义的辐射源相。使用p 1 模型时， f l u e n t 求解这个方程以得到当地辐射强度。 合并方程( 2 4 8 ) 和( 2 4 9 ) 可得到如下方程： 一v 白，一a g 一4 a o t 4 ( 2 5 0 ) 将一v q , 的表达式带入能量方程，可以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 模型中考虑颗粒的影响。一旦考虑 颗粒辐射时，f l u e n t 将忽略气相的散射。对于包含有发射、吸收、散射性质的颗 粒，具有发射、吸收、散射的灰体介质，入射辐射的输运方程为： v ( r v g ) + 锄o 了o r 4 + e p ) 一0 - a p ) g 0 ( 2 5 1 ) 万 式中，e ，一颗粒的等效辐射：口p 一颗粒的等效吸收系数。 1 5 或半液态粘附到管壁或炉墙上去，形成一层紧密的灰渣层，这就是结渣形成的过程。 熔渣能润湿金属和耐火材料，故此通常此类熔融或半熔融颗粒形成的初始沉积物与 受热面之间的粘附力比固体颗粒组成的初始沉积物与受热面之间的粘附力要大的 多，烟气冲刷已不能将其除去，如果及时用吹灰或机械振打等方法，可以轻易清除 1 6 华北电力大学硕士学位论文 粘附在锅炉水冷壁管或其它冷却件上的沉积物。这种具有较大粘附力的初始沉积物 可支撑较多的随后粘附在其上的颗粒【4 3 4 卯。初始沉积物形成后，由于水冷壁吸热量 下降致使炉内环境烟温升高，沉积速率增加。随着时间增加，初始沉积物与受热面 之间的粘附强度慢慢增加，沉积物之间的粘接强度继续增加，沉积层厚度逐渐增加， 沉积物表面温度也又逐渐增加，烟气温度也又增加，直到沉积到沉积面的熔融半熔 融态的颗粒不再发生凝固，就形成了“捕捉 表面。“捕捉刀表面形成后，不仅熔 融颗粒，只要是撞击上的固定颗粒大多都会被捕捉。 对于如何来防止锅炉炉膛结渣、积灰的问题，国内外的专家都做了大量的工作， 取得了丰硕的成果【4 引。德国波鸿鲁尔大学教授p r o f j a c e kz e l k o w s k i 则注重于煤质 的元素分析，将来煤与一种已知特性的标准煤的组分进行比较，从而判定某一煤种 的结渣、积灰倾向以及燃烧特性的好坏，然后根据对比出来的结果在燃烧中采取相 应的措施来防止结渣、积灰。国内对于煤的燃烧特性的研究始于上个世纪的七、八 十年代，我国研究人员广泛采用软化温度d t 作为判断结渣、积灰倾向性的一个指 标。 2 7 影响因素炉膛内沾污结渣的因素 沾污的先决条件是城熔融状态颗粒与壁面进行碰撞。煤粉炉内颗粒随气流运 动，由流场决定气流对壁面的冲刷程度和碰撞的机率。较大尺寸的颗粒容易从转向 气流中分离出来，比较与壁面碰撞进而导致容易结渣。 结渣的决定因素是燃料的灰分特性即煤质特性决定，影响因素有三个： ( 1 ) 炉内的空气温度场，煤粉或者灰的粒度和重度，这影响到烟气和灰粒在炉 内的流动。 ( 2 ) 灰粒从烟气中分离出来与壁面的碰撞程度，和煤粉细度、煤灰选择性沉积 有关。 ( 3 ) 煤的燃烧特性、锅炉负荷、炉内空气动力场所构成的炉内温度场，也和受 热面的热负荷和受热面的清洁度有关。 我国电站锅炉尽量燃用劣质燃料，电厂燃用煤质多