（热能工程专业论文）“w”火焰锅炉燃烧特性及其描述方法的数值模拟研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 采用c f x t a s c f l o w 软件平台对一台现役3 0 0 m w w 火焰锅炉进行了 数值模拟 首先以锅炉当前运行工况作为基础工况进行模拟计算 将基础工况的 计算结果与实测值进行比较 验证了基础工况数值模拟的准确性 进而进行了六 类共2 5 个工况的模拟 根据数值模拟结果分析了过量空气系数 前后拱一次风量 分配 拱上a b 二次风量分配 前后墙二次风量分配和一次风口面积减小对 w 火焰燃烧特性的影响规律 提出了 w 一火焰对称性特性参数w w 火焰中 心高度特性参数w i 和 w 一火焰锅炉下炉膛火焰充满度特性参数w j 分析了各 因素变化对w l w j 和w b 的影响规律 关键词 燃烧 w 一火焰锅炉 特征参数 数值模拟 a bs t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ec o m b u s t i o no fa3 0 0 m w w f l a m eb o i l e r w a sc o n d u c t e dw i t ht h es o f t w a r eo fc f x t a s c f l o w f i r s t l y t h ec a l c u l a t i o nw a s m a d eu n d e rt h er e a lr u n n i n gc o n d i t i o n a n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sa n dm e a s u r e m e n td a t ai n d i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nw a so fg o o da c c u r a c y s e c o n d l y c a l c u l a t i o n su n d e ro t h e r2 5w o r kc o n d i t i o n sw e r em a d e a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o n t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e w f l a m eb o i l e rw e r e i n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h ee x c e s sa i r t h er a t i oo fb e t w e e nt h ep r i m a r ya i r o ft h ef r o n ta n db a c ka r c h t h ed i s t r i b u t i o no fa bs e c o n da i ro na r c h t h er a t i oo f s e c o n da i ro ff r o n ta n db a c kw a t e rw a l l a n dt h ea r e ad e c r e a s eo fp r i m a r ya i ro nt h e c o m b u s t i o nw e r ea n a l y z e d f i n a l l y t h r e ei n d e x e so f 嘭 孵a n d 嘭w e r ep u t f o r w a r dt od e s c r i p tt h ef l a m e ss y m m e t r y t h ef l a m e sc e n t e rh e i g h ta n dt h ef l a m e s v o l u m ei nt h el o w e rf u r n a c e t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tf a c t o r so n 嘭 a n d w e r ed i s c u s s e d w uy a n k u n 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 ya s s o c i a t ep r o f g a oz h e n g y a n g k e yw o r d s c o m b u s t i o n w f l a m eb o i l e r i n d e x n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 采用c f x t a s c f l o w 软件平台对一台现役3 0 0 m w w 火焰锅炉进行了 数值模拟 首先以锅炉当前运行工况作为基础工况进行模拟计算 将基础工况的 计算结果与实测值进行比较 验证了基础工况数值模拟的准确性 进而进行了六 类共2 5 个工况的模拟 根据数值模拟结果分析了过量空气系数 前后拱一次风量 分配 拱上a b 二次风量分配 前后墙二次风量分配和一次风口面积减小对 w 火焰燃烧特性的影响规律 提出了 w 一火焰对称性特性参数w w 火焰中 心高度特性参数w i 和 w 一火焰锅炉下炉膛火焰充满度特性参数w j 分析了各 因素变化对w l w j 和w b 的影响规律 关键词 燃烧 w 一火焰锅炉 特征参数 数值模拟 a bs t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ec o m b u s t i o no fa3 0 0 m w w f l a m eb o i l e r w a sc o n d u c t e dw i t ht h es o f t w a r eo fc f x t a s c f l o w f i r s t l y t h ec a l c u l a t i o nw a s m a d eu n d e rt h er e a lr u n n i n gc o n d i t i o n a n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sa n dm e a s u r e m e n td a t ai n d i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t i o nw a so fg o o da c c u r a c y s e c o n d l y c a l c u l a t i o n su n d e ro t h e r2 5w o r kc o n d i t i o n sw e r em a d e a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o n t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e w f l a m eb o i l e rw e r e i n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo ft h ee x c e s sa i r t h er a t i oo fb e t w e e nt h ep r i m a r ya i r o ft h ef r o n ta n db a c ka r c h t h ed i s t r i b u t i o no fa bs e c o n da i ro na r c h t h er a t i oo f s e c o n da i ro ff r o n ta n db a c kw a t e rw a l l a n dt h ea r e ad e c r e a s eo fp r i m a r ya i ro nt h e c o m b u s t i o nw e r ea n a l y z e d f i n a l l y t h r e ei n d e x e so f 嘭 孵a n d 嘭w e r ep u t f o r w a r dt od e s c r i p tt h ef l a m e ss y m m e t r y t h ef l a m e sc e n t e rh e i g h ta n dt h ef l a m e s v o l u m ei nt h el o w e rf u r n a c e t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tf a c t o r so n 嘭 a n d w e r ed i s c u s s e d w uy a n k u n 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 ya s s o c i a t ep r o f g a oz h e n g y a n g k e yw o r d s c o m b u s t i o n w f l a m eb o i l e r i n d e x n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 主要符号表 指前因子 吸收系数 线性各相异性相位函数系数 定压比热 堙 k 扩散系数 颗粒直径 a n 活化能 入射辐射热量 壁面入射辐射热量 斯蒂芬 玻尔兹曼常数 w m 2 k 4 壁面黑度 湍流动能 m 2 j 2 湍流动能耗散率 m 2 j 3 压力 只 流体密度 堙i m 3 颗粒密度 堙 m 3 颗粒速度 m l s 雷诺准则数 通用气体常数 源项 散射系数 绝对温度 足 壁面温度 k 导热系数 w m 尺夕 流体动力粘度 p o j 静压 只 应力张量 颗粒松弛时间 s 么 口 c 勺d 以e g 瓯矿 七 占 p p 砟 疋r s q r l 力 p 勺 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 p温度矩 k m 理论温度矩 k m q理论放热量 k d 堙 w i w 火焰对称性参数 w w 火焰中心高度特性参数 w b w 火焰锅炉下炉膛火焰充满度特性参数 2 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 w 火焰锅炉燃烧特性及其描述 方法的数值模拟研究 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 学位论文作者签名 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 斟畔 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 现代社会的生产和生活 依赖于能源的大量消费 能源是国民经济发展和人民 生活所必需的重要物质基础 在中国的社会主义现代化建设中 必须充分重视能源 问题 我国拥有丰富的煤炭资源 是世界上最大的煤炭生产国和消费国 也是世界上 少数几个以煤为主要能源的国家之一 在我国的能源生产和消费结构中 煤炭一直 占主导地位 电力工业是国民经济的基础 我国的能源结构决定了我国电力以火力发 电为主 火力发电的原煤消耗量占我国原煤产量的百分数在1 9 8 6 年之前大致为2 0 2 0 0 0 年已超过3 5 随着我国国民经济的不断发展 增大发电用煤的比例是必然的 趋势 预计在2 0 1 0 年将达到4 5 左右 我国的电力政策是火电厂尽可能燃用难燃煤 无烟煤是难燃煤的一种 无烟煤 的 1 0 燃烧无烟煤有三难 着火难 稳燃难和燃尽难 目前我国燃用无烟煤 的锅炉为 w 火焰锅炉 w 火焰锅炉是由美国f w 公司首创 后经法国s t e i n 公司和 日本h i t f w 公司等不断完善而发展起来的新型锅炉 w 火焰锅炉综合了强化无烟 煤燃烧的各种措施一延长火焰 分级送风 煤粉浓缩 敷设卫燃带等 在燃烧无 烟煤方面具有较明显的优势 是燃烧低挥发分煤尤其是无烟煤的典型炉型 由于它 脱胎于早期的u 型火焰锅炉 故又称为双u 型锅炉 上世纪8 0 年代末 w 火焰燃烧技 术引入我国 现已成为我国燃用低挥发份煤应用最为广泛的技术 虽然用 w 火焰锅炉燃烧无烟煤取得了较好的效果 但是在运行过程中炉膛结 渣 过热器与再热器超温 飞灰含碳量高等问题仍很普遍 尤其是炉膛结渣和飞灰 含碳量高在 w 火焰锅炉运行中甚为突出 这极大影响了锅炉运行的安全性和经济 性 甚至影响到整个发电机组的运行性能 要解决上述问题 首先需要对 w 火焰进行深入分析 对 w 火焰燃烧特性 有深入的认识 进而建立完善的评价方法 但目前对此方面的研究还不够深入 因 此需要对 w 火焰燃烧特性进行深入分析 进一步揭示 w 火焰特性 探索更全面 更有效的评价方法 长期以来 人们都在探求对燃烧进行量化评定的方法 以期为燃烧调整和燃烧 优化提供依据 l 但是 由于火焰燃烧本身的复杂性和测量手段的限制 到目前为 止还没有形成一套完整意义上的燃烧优化方法 而目前使用的一些传统的优化手段 都存在着其自身难以解决的缺陷1 2 1 如基于实时检测的火焰图像的锅炉燃烧优化 3 1 1 华北电力大学硕士学位论文 其缺点是火焰的波动很大 且只能得到局部的火焰图像 由火焰的色度反推燃烧工 况在理论上还存在很大的难度 基于专家系统 人工神经网络或模糊评判的锅炉燃 烧优化 4 5 收敛速度慢 泛化能力差 人为因素的比重过大 对 w 火焰燃烧特性进行量化描述需要大量的不同工况下的数据 但由于实 际条件的限制 不可能得到丰富 足够的数据 近年来迅速发展起来的燃烧过程数 值计算的准确性得到了科技工作者的广泛认可 开辟了用燃烧理论与实验相结合指 导设计 优化工作的新途径 同单纯的试验比较 计算机模拟可以不用耗费太多的 人力 物力和财力 不存在现场试验潜在的诸多危险因素 容易在比较短的时间里 得到模拟结果 对指导生产具有重要意义 而且有助于整理实验结果 总结规律 有助于深刻理解问题的产生机理 本文利用c f x t a s c f l o w 数值模拟软件平台对一台现役3 0 0 m w w 火焰锅 炉进行多工况数值模拟 根据数值模拟所得的大量数据 研究 w 火焰锅炉的燃 烧特性 确定能够定量描述 w 火焰燃烧特性的参数 并在模拟工况下对所提特 性参数进行分析 本课题从新的角度利用数值模拟技术对 w 火焰锅炉燃烧进行研究 把 w 火 焰锅炉燃烧从简单的定性描述发展到定量描述 不仅可以使得判断锅炉燃烧状态更 加方便 而且也可以帮助深入理解燃烧系统工作机理 为燃烧系统诊断 燃烧优化 提供一种新的思路和方法 使得在处理燃烧问题时更加方便快捷 1 2 国内外研究现状 随着我国电力工业的不断发展和科研水平的不断提高 尤其是大容量机组在 国内的广泛应用 对锅炉燃烧过程的认识与研究得到了长足的发展 6 以7 西安交通 大学 浙江大学 西安热工院等单位在电站锅炉冷态空气动力场方面和炉膛燃烧 方面通过冷态模化或现场测量做了大量研究工作 2 们 分析了空气动力场的影响 因素 煤粉燃尽度差 结渣 n o x 生成量大等问题 在三维流动燃烧数值模拟方面 比较著名的商业软件有f l u e n t c f x s t a r c d 等 国内用数值模拟的方法对炉内燃烧过程进行研究也有很大的发展 从早期的手工编程到现在运用大型商业软件 从简单模拟到复杂模拟 可谓发生 了翻天覆地的变化 清华大学 浙江大学等高校在电站锅炉燃烧系统数值模拟方 面做出了很大的成绩 2 卜2 5 1 通过模拟各种工况 详细分析了燃烧系统各种因素对 锅炉的空气动力场 温度场 粒子轨迹 火焰形状等的影响 所得结果与实际工 况基本符合 通过这些研究促进了我们对电站锅炉炉内燃烧认识的深入 文献 2 0 采用冷态模型试验方法对带旋流燃烧器的 w 火焰锅炉炉内的空气 2 华北电力大学硕士学位论文 动力场进行了研究 用空气动力场无量纲参数来评价旋流强度对 w 火焰锅炉空 气动力场的影响 结果表明拱顶风旋流强度对炉内空气动力场有较大影响 文献 2 6 对石家庄上安电厂引用加拿大b w 技术的3 5 0 m w w 火焰锅炉用冷 态单相试验台研究了不同拱上风与前后墙风动量比 不同拱上风入射角度 不同 前后墙风入射角度以及不同几何炉型对炉内流场分布的影响规律 最终认为 下 部炉膛几何尺寸设计的正确性是保证稳燃与降低结渣的重要保障 虽然该文试验 的模化比过小 加大了壁面效应的影响 但研究方法具有开创性 文献 2 7 研究对象为f w 公司生产3 0 0 m w w 火焰锅炉 采用冷态单相试验 利用热线风速仪测量流场 并辅以数值计算研究 分析试验结果时定义了折算速 度 充满度等参数的计算方法 这些参数为研究 w 火焰锅炉提供了良好的条件 但数值计算网格粗糙 数目较少 计算结果对比两个工况 分析了主气流最大速 度的衰减规律 以及湍动能及其耗散率的变化情况 文献 2 8 对珞璜电厂引进的法国s t e i n 公司的3 6 0 m w w 火焰锅炉进行了大 量的实验研究 研究延续了冷态单相试验方法 利用热线风速仪测量流场 针对 不同配风 不同喉口面积 有无折焰角 以及应用折焰角时不同燃烧器布置角度 等对炉内速度 充满度等参数的变化以及喉口的速度偏差进行分析 但研究燃烧 器布置的角度变化仅在6 度范围内 因此还有进一步研究空间 文献 2 9 针对一台3 0 0 m w w 火焰锅炉炉内化学反应展开数值计算研究 研 究仅安排了满负荷和5 0 负荷两个工况 但对于模型的选取过程具有参考价值 文献 3 0 针对上安电厂一台加拿大b a b c o c k 公司生产的3 5 0 m w w 火焰锅炉 进行了数值模拟研究 文中对流场初值采用一维流的处理方法 简化计算提高了 通用性 并比较了几种不同的差分格式 文献 3 1 1 对国内菏泽 珞璜 上安 鸭河口等电站的3 0 0 m w 级 w 火焰锅炉 运行状况进行研究 分析了煤粉燃尽度差 结渣情况严重 n o x 生成量大 火焰 偏烧以及水冷壁腐蚀等问题 并且分析了应用富集型燃烧器解决上述问题的可能 性 文献 3 2 对f w 公司生产的阳城电厂6 x 3 5 0 m w 机组出现的燃烧问题 引入 高 温空气燃烧技术 提出用 煤粉浓缩预热低n o x 燃烧器 技术解决燃烧不稳定 飞 灰可燃物含量高 炉内结渣 n o 排放量高等问题 并进行了热态试验 但最终 并未被厂方采纳 文献 3 3 对北海电厂2 号炉英国b w 生产3 0 0 m w 机组 采用炉内过程全模拟 的方法 应用f l u e n t 软件对炉内冷热态工况下的速度场 温度场 组分场进行 了分析 对流动模型 两相流模型 热辐射模型 挥发分析出模型 气相湍流燃 3 华北电力大学硕士学位论文 烧 焦炭燃烧反应模型的选取进行了比较说明 并指出了正确调整外二次风的重 要性 纵观目前的研究现状 所进行的试验研究和数值模拟研究多是在少量工况和 试验数据的基础上针对特定问题 或特定方向展开的 所得的试验分析结果多是 较为定性的指出某一因素对燃烧的影响 而对于 w 火焰燃烧特性尚缺乏相应的 定量的参数进行描述 锅炉是一个典型的多输入 多输出系统 而且各种因素相 互耦合 关系错综复杂 需要深入研究才能找出描述炉内燃烧的特性参数 本文利用数值模拟技术对一台现役3 0 0 m w w 火焰锅炉进行多工况数值模拟 根据模拟结果对燃烧特性进行了分析 进而提出了三个 w 火焰锅炉的燃烧特性参 数 并分析不同工况下特性参数的变化规律 为建立基于数值模拟的燃烧优化提供 一条新的途径 1 3 课题研究内容 本文结合现场实际 对一台现役3 0 0 m w w 火焰锅炉进行了基础工况的数值 模拟 通过模拟数据与现场实测数据的比较确定了基础工况模拟的准确性 进而 在基础工况燃烧特性分析基础上进行了六类共2 5 个工况的数值模拟 由模拟结果 深入分析了过量空气系数 前后拱上一次风量分配 拱上a b 二次风量分配 前后墙二次风量分配和改小一次风口面积对 w 火焰锅炉空气动力场 温度场 飞灰含碳量和n o 排放的影响 然后在深入分析 w 火焰燃烧特性的基础上 结合 模拟结果得到的大量数据 提出了描述 w 火焰锅炉的三个燃烧特性参数 描述 w 火焰对称性的特性参数w 描述 w 火焰中心高度的特性参数w 和描述 w 火焰锅炉下炉膛火焰充满度的特性参数w b 并分析了模拟工况下特性参数的变化 规律 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电站锅炉炉内燃烧数值计算模型 燃烧过程包含着流动 传热 传质和化学反应以及它们之间的相互作用 实 际燃烧过程中伴随的流动几乎全部是湍流过程 实际燃烧化学反应几乎全部是多 步多组分的可逆反应 长期以来 人们认识燃烧过程的主要途径是实验研究 燃 烧学基本上是一门实验科学 燃烧过程的数值模拟是近3 0 多年来 随着计算机技术的发展 在燃烧理论 流体力学 化学动力学 传热学 数值计算方法及实验技术的基础上发展起来的 它以计算机为桥梁 把燃烧理论 实验 和燃烧设备研制三者有机地结合起来 对燃烧学的发展具有重要的科学价值和实际意义 用数值方法对电站大型燃煤锅炉炉内燃烧过程进行数值模拟 需建立湍流模 型 气固两相流模型 煤的热解和挥发分燃烧模型 焦炭颗粒燃烧模型 辐射模 型以及污染物生成模型 本章介绍本文在进行炉内燃烧数值计算时所选用的数学 模型 2 1 湍流方程组 电站锅炉燃烧是一个复杂的过程 它包含着流动 传热 传质和化学反应以及 它们之间的相互作用 湍流是随机的 脉动的 高度复杂的非稳态三维流动 在湍 流中流体的各种物理参数 如速度 压力 温度等均随时间与空间发生随机的变化 尽管如此 湍流的运动规律仍遵守n s 方程 对于所有包含传热的湍流问题进行数值计算 都需要求解连续性方程 动量守 恒方程 能量守恒方程 各控制方程的一般形式描述如下 连续性方程 a s a i v p u 0 2 1 7 动量守恒方程 掣砌 删 罢 d i v j u g r a d u 舢 2 2 其中p 是静压 为流体动力粘度 s 为源项 能量守恒方程 5 华北电力大学硕士学位论文 掣 笔业 一p d i v u d i v 2 9 r a d t 瓯 2 3 劣 苏 其中h 为流体比焓 名为流体的导热系数 瓯为流体的内热源 为耗散函 数 状态方程 2 2 湍流模型 p f p 丁 2 4 目前 炉内湍流模拟应用最多的是k 一 双方程模型 本文对湍流的模拟也应 用此模型 k 一 双方程模型中k 方程 筹 反筹 一毒霹丽 u 4 v 矗一器倍5 占方程 丝 一u 堡 2 v u 堕苎l 旦 v a t j o x j i a x j 瓠j o x ko x j l 如亟 堕一a u 堕堕 砌 盟盟 a x k o h ja x j 瓠j 瓠t 瓠k 瓠j 瓠k 瓠j 2 6 k 一 双方程模型称为高r e 数模型 适用于离开壁面一定距离的湍流区域 而在与壁面相邻接的粘性支层中 湍流r e 数很低 这里必须考虑分子粘性的影响 此时 k s 方程亦要作相应修改 本文对于壁面采用壁面函数法处理 壁面函数法在近壁区域不求解偏微分方程 因此也就不需要在近壁区布置精 细网格 壁面函数的功能是提供近壁网格内平行于壁面的速度分量与壁面应力的 关系 近壁网格内温度与壁面温度差同壁面热流通量的关系 近壁网格内湍流功 能的产生率和耗散率等 3 4 1 这种方法能节省内存与计算时间 而且结果较好 故 在工程湍流计算中应用较广 2 3 气固两相流模型 炉内过程涉及到煤粉颗粒和气体的两相流动 煤粉的运动和弥散对燃烧过程影 响很大 如煤粉所接受的辐射能 煤粉在气流中的温度 气体中的含氧量 挥发分 6 华北电力大学硕士学位论文 的释放等 对煤粉气流的着火燃烧及焦炭燃烧过程起决定性的作用 因此准确的炉 内模拟 必须建立准确的气固两相流模型 目前常用的方法主要分为两大类 用欧 拉方法描述的连续介质模型和用拉格朗日方法描述的颗粒轨道模型 本文采用拉格朗日颗粒轨道模型 颗粒轨道模型易于模拟有蒸发 挥发及异 相反应的颗粒的经历 在颗粒相预报中无扩散 因此 该模型是迄今为止在湍流 两相流动与燃烧模拟中应用最广泛的模型 3 5 1 颗粒轨道模型通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗 粒的轨道 颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式 x 方向 为 鲁 晶 飞 掣 e 2 7 瓦甲 材为流体相速度 咋为颗桠选发 为况俸明刀稻度 p 为况评苗发 纬刀 颗粒密度 砟为颗粒直径 仁一 为颗粒的单位质量曳力 e 为附加质量力 其中 屹0 一甜 2 砺1 8 p 百c o r eg 一 p 2 8 只2 i l 万p 面dg 一 2 9 在式 2 8 中 凡为相对雷诺数 颗粒雷诺数 c d 为曳力系数 计算公式如下 r 丝丝型 2 1 0 屯2 4 1 0 1 5 r e 0 6 s 7 亿 8 c d 堕 5 尺 l o o 2 11 l 2 r e 0 6 3 3 p k e 1 u u j z 1 1 j 在拉格朗日坐标系下 颗粒瞬时的动量方程为 聊口生 f 2 12 d聊j p 二t 2 乞 华北电力大学硕士学位论文 式中咋 匕 f 分别为颗粒的质量 速度 运动时间及所受到的力 忽略 颗粒的浮力 压力的作用等 颗粒的动量方程为 堕d t 吉 砒 心 f pl p 一t h p 叶 一g 2 13 p dt fi 一dwp 圭卜w 1 p dt fl p 其中f p 为颗粒松弛时间 材 1 w 是气相的脉动速度 这里假定气相湍流流 场是局部均匀和各向同性的 当颗粒位于某个湍流旋涡时 w 取为 w f 舻 f 居 2 1 4 式中厅 伊 以芦为气相湍流脉动速度的平均平方根值 f 为符合高斯分 布的随机数 k 为气相湍流动能 颗粒的轨迹方程为 x p i u p d t yp p p d l z p 1 w p d l q 1 5 2 4 煤粉颗粒燃烧模型 由于煤本身组成及结构的复杂性 煤的燃烧反应过程很复杂 不过一般可以 分为三个部分 第一 煤中的水分蒸发过程 第二 煤在高温下发生热解反应 产生挥发分和焦炭 第三 挥发分的气相反应及焦炭与氧化剂的非均相反应 煤 的热解模型 挥发分燃烧模型和焦炭燃烧反应模型是我们在进行模拟过程中需要 考虑选择的 8 屉唇 气 刮 贪 椎 和 甜 y 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 热解模型 由于煤的物理及化学结构复杂 其热解挥发也是极其复杂的过程 在试验的 基础上 科研工作者建立了不同的热解模型 l o o k w o o d 和s mr i z v i 3 6 把他们分 为以下几类 定挥发速率模型 单反应模型 双竞争热解模型和多步平行反应模 型 由于在燃烧数值模拟过程中不必深入探究热解的细节 只要求结果的准确性 因此本文采用单反应模型来模拟挥发分的析出 该模型假设挥发分析出是一级反 应过程 反应速率与煤中剩下的挥发分含量成正比 冬 七 v 一1 2 1 6 口l 式 2 1 6 中 1 是每单位质量原煤在时间f 内所放出的挥发分质量 k 为与阿累 尼乌斯定律形式相同的速度常数 k a e 一 引船 a 为指前因子 e 为活化能 为 f 趋于无穷时的1 值 即最大挥发分释放量 2 4 2 挥发分燃烧模型 由于煤中的挥发分在达到一定的温度挥发出来之后才与氧气发生反应 所以挥发分 的燃烧属于非预混燃烧 本文采用守恒量的p d f 模型模拟非预混燃烧 在一定的假设条 件下 化学反应可被减少成一个单一的参数 混合物分数 即在所有组分 如c 0 2 h 2 0 0 2 等 里 已燃烧的和未燃烧的燃料流元素 c h 等 的质量分数 因为化学反应 中元素是守恒的 所以这种方法在数值模拟中可以取得较好的效果 反过来 混合物分 数是一个守恒的数量 因此其控制输运方程不含源项 该模型认为化学反应发生得足够 快 体系中的组分立刻达到平衡状态 燃烧被简化为一个混合问题 并且与近非线性平 均反应率相关的困难可以避免 守恒量的p d f 模型仅适用于非预混燃烧问题 假定反应 是受混合速率所控制 即反应已达到化学平衡状态 每个单元内的组分及其性质由燃料 和氧化剂的湍流混合强度所控制 其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理 不 用直接求解组分和能量的输运方程 而是通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得 组分场和温度场i j 2 4 3 焦炭燃烧模型 煤析出挥发分后剩下的固体物质是焦炭 焦碳在气相氧化剂中燃烧属于气固 非均相燃烧 燃烧可能发生在碳粒的外部表面上 也可能发生在碳内部的气孔表 面处 在这种非均相反应中一般作如下假定 炭颗粒是处于无限大气流中的炭球 气相反应物首先向颗粒表面或气孔内扩散 进而被固体表面吸附发生反应 气相 生成物从颗粒表面解吸附 离开固体表面向外扩散 控制整个反应速率的可以是 化学的吸附 反应和解吸附作用 也可以是反应物 生成物的扩散作用 因此焦 9 华北电力大学硕士学位论文 炭的非均相反应速率是化学动力学因素和扩散作用联合控制的结果 本文采用焦炭燃烧的扩散动力模型 认为焦炭的燃烧速率r 同时受到氧扩散 到焦炭表面的速率和化学反应的动力速率这两方面的控制 3 5 1 可表示为 咫 一6 r 2 p 0 2 l 1 疋 膨 2 1 7 式中 尸 砬 为氧气的分压 为直径 疋和杨分别为颗粒表面的反应速率 和氧扩散到颗粒表面的速率 可表示为 2 一1 8 2 1 9 式中 瓯为s h e r w o o d 数 取为2 o 为氧气的扩散系数 m 为碳的摩尔 质量 尺为通用气体常数 2 5 辐射模型 电站锅炉炉内燃烧产物以辐射为主 对流为辅的传热方式将热量传递给炉膛 受热面 因此大型电站锅炉炉内过程数值模拟需要对辐射传热过程进行合理准确 的模拟 但是由于炉膛的边界形状很复杂而且燃烧产物具有不同的吸收 发射和 散射特性 很难得到精确的结果 目前针对不同的适用条件 已发展了很多辐射 换热的计算模型 3 8 1 本文采用p 1 辐射模型 p 1 法是一种球谐函数法 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以求出辐射强度和温度的空间分布 与其它方法 相比 p 1 法考虑了辐射散射的作用 更适用于光学厚度大和几何结构复杂的燃烧 设备 并且求解辐射能量方程所需要的时间短 比较适合求解煤粉炉中的燃烧 国内外的研究者在模拟煤粉炉燃烧时多用此模型1 3 引 p 1 法对于辐射热流采用下式表示 办2 一面丽1 v g 2 2 0 其中 a 为吸收系数 口 为散射系数 g 为入射辐射 c 为线性各相异性相 1 0 7 上 丝p x 一7j 飞坚尺蝴警 华北电力大学硕士学位论文 位函数系数 引入g 的输运方程 v r v g 一a g 4 a o r t 4 其中 仃为斯蒂芬一玻尔兹曼常数 为用户定义的辐射源相 合并以上两式可得到如下方程 一v g a g 4 a o t 4 2 2 1 2 2 2 一v g 的表达式可以直接带入能量方程 从而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 辐射模型中考虑颗粒的影响 对于包含有吸 收 发射 散射性质颗粒的灰体介质 入射辐射g 的输运方程为 v r v g 砌 口等 巳 口 口p g 2 2 3 其中 q 为颗粒的等效辐射 a p 为颗粒的等效吸收系数 对于各向同性介质 r 2 石调1 2 2 4 p 1 法中辐射热流量g 的壁面边界条件为 4 r t e w 堕一0 一风 g 乱w 一 缸瓦丁一 2 2 5 其中 g 为壁面黑度 l 为壁面温度 g 为壁面入射辐射 如果假定壁面为扩散灰体表面 则p w 1 6 上式可以表示为 乱 r2 丢与 4 川 g w 2 2 6 此方程用来计算能量方程中的g 删以及辐射方程的边界条件 3 9 1 2 6n o 反应模型 在燃煤电厂排放的大气污染物中 氮氧化物因其对生态环境的污染危害极大 且难以处理 因此 是重点控制排放的污染物之一 n o x 的生成方式主要有三种 4 0 4 1 1 热力型n o x 它是n 2 在高温下氧化而生成 华北电力大学硕士学位论文 的氮氧化物 其生成机理最先由原苏联科学家z e l d o v i c h 等h 2 1 提出的 燃料型n o x 系指燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物 快速型n o x 指 氮氧化物系燃料在燃烧时分解所产生的中间产物和n 反应生成的氮氧化物 上述 三种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同而有差别 对于燃煤 通常燃料型n o x 占 7 0 8 5 热力型n o x 占1 5 2 5 其余为少量的快速型n o x1 4 3 炉内燃烧 过程中生成的n o x 主要为n o 因此在数值计算中只考虑n o 的生成 本文计算采用的n o 反应机理如图2 1 所示 在反应过程中不仅存在着n o 的 生成 同时也存在n o 的还原反应 其中反应1 2 为燃料n 的释放反应 3 4 5 为n o 的生成反应 6 7 8 为n o 的还原反应 燃料型n o 是由燃料n 生成的 但在生成n o 之前燃料n 首先生成两种中间体 h c n 和n h 燃料n 在煤颗粒升温热解过程中 一部分成为挥发分n 随挥发分释 放 直接生成h c n 反应1 一部分成为焦碳n 随煤焦燃烧释放 直接生成n i i 反应2 h c n 氧化生成n h 反应3 n h i 被氧化生成n o 反应4 n 在高 温下可直接氧化为热力型n o 反应5 已生成的n o 可通过反应6 7 8 分别 与c h i n i i 和煤焦反应 被还原成为n 需要指出的是 由于n o 生成与分解反应的复杂性 目前在燃烧过程数值模 拟n o 的生成特性时 基本上都是采用所谓的后处理方法 即认为其化学反应耗 氧 生成热及气相参数不能影响主燃烧反应 采用后处理方法所求得的n o 生成 特性基本上满足工程需要 所以至今仍然以这种方法为主 本文亦采用后处理的 方法对n o 的生成特性进行模拟 燃料n h c n 图2 一ln o 反应机理 1 2 o 华北电力大学硕士学位论文 2 7 本章小结 大型电站锅炉炉内燃烧过程非常复杂 包含气固两相流动 煤热解 挥发分 燃烧 焦炭燃烧 辐射 氮氧化物的生成等 为保证良好的计算精度 在用数值 方法对炉内燃烧过程进行模拟时应选择合适的计算模型 本文采用k 一占双方程模 型作为湍流模型 对湍流近壁面的处理采用壁面函数法 气固两相流动采用拉格 朗日颗粒轨道模型 采用单反应模型作为原煤热解反应模型 采用守恒量的p d f 模型模拟挥发分非预混燃烧 采用焦炭燃烧的扩散动力模型 辐射模型采用p 1 辐射模型 用后处理的方式处理燃烧过程n o 的生成 应用c f x t a s c f l o w 软 件平台对炉内燃烧过程进行数值模拟 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章锅炉原型概述及数值模拟工况介绍 3 1 锅炉原型概述 模拟对象锅炉是由福斯特 惠勒公司提供技术支持 东方锅炉厂有限责任公司 生产 锅炉为采用n 型布置 双拱型单炉膛自然循环 w 火焰锅炉 炉膛采用全 焊垂直上升膜式水冷壁 一次中间再热 锅炉采用平衡通风 露天布置 固态排 渣 全钢构架 全悬吊结构 3 1 1 锅炉主要设计参数 该锅炉炉膛结构尺寸的深 高 宽 x y z 分别为1 3 3 4 4 m x 3 9 6 8 m 2 4 7 6 5 m 锅炉主要设计参数如表3 1 所示 燃煤特性如表3 2 所示 锅炉简图如图3 1 所示 为了保证良好的燃尽 低负荷稳燃 低氮氧化物排放 防止结渣和高温腐蚀 以及良好的煤种适用性等原则 该锅炉采用了f w 双旋风分离式浓淡煤粉燃烧器 和 w 火焰燃烧技术 表3 1 锅炉主要设计参数 项目单位m c r e c r 过热蒸汽流量 t h1 0 2 59 3 5 过热蒸汽出口压力 m a1 7 7 01 7 5 0 过热蒸汽出口温度 5 4 05 4 0 再热蒸汽流量 t h 8 5 l 7 8 l 再热蒸汽压力 进e l 出口 m p a3 9 2 3 7 3 3 6 0 3 4 3 再热蒸汽温度 进n 出口 3 2 7 5 4 03 1 8 5 4 0 给水温度 2 7 42 6 9 预热器进 出口一次风温 2 0 3 2 52 0 3 1 9 预热器进 出口二次风温 2 0 3 l o2 0 3 0 5 排烟温度 修正前 后 1 2 7 1 2 01 2 2 1 1 4 锅炉设计效率 9 0 6 4 9 0 8 5 3 1 2 燃烧系统 锅炉采用福斯特 惠勒公司f w 双旋风分离式浓淡煤粉燃烧器 布置于锅炉的 1 4 华北电力大学硕士学位论文 拱上 组织 w 火焰燃烧 采用双进双出钢球磨煤机正压直吹式制粉系统 表3 2 燃用煤质分析 c h o n s 盯 a m m d v d f q n e t a r k j k g 6 3 0 62 22 5 70 9 71 6 l2 3 8 65 7 31 5 9 4 2 2 3 7 5 0 l 炉臆 二燃烧嚣 a 全 g 屏式过热嚣 图3 1 锅炉简图 3 1 2 1 单只燃烧器结构及工作原理 f w 双旋风分离式浓淡煤粉燃烧器基本工作原理是组织浓淡燃烧 与常规燃烧 器相比 该类燃烧器可以使氮氧化物的生成量降低 该类燃烧器适用于 w 火 焰燃烧方式 燃烧器的结构如图3 2 所示 由磨煤机经煤粉管道而来的煤粉气流 从燃烧器的煤粉入口管进入栅格式煤粉均分器均分成两股 分别切向进入两个旋 风筒 一次风中的煤粉颗粒在旋风筒内因旋转而离心分离 使旋风筒中心部分的 一次风含粉极少 装在旋风筒中心的乏气管将中心部分的含粉极少的一次风 乏 气风 引出 从拱上乏气风口喷入炉膛 从而使煤粉喷嘴的出口一次风粉煤粉浓 度提高 这是解决难燃煤着火 稳燃问题的一大措施 f w 双旋风分离式浓淡煤粉燃烧器降低n o 生成的基本原理有如下两个 1 高浓度风粉流中的煤粉属于 富燃料燃烧 由于氧气不足 燃烧温度也不 高 使得热力型n o 和燃料型n o 的生成量都不多 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 低浓度风粉气流中的煤粉属于 过稀燃烧 由于空气量很大而燃烧温度降 低 从而使得热力型n o 生成量不多 鉴于以上两个原理 只要在总一次风量不变的前提下 调整该类燃烧器浓淡 喷口的一次风与煤粉的比率就能使n o 的生成量显著减少 i i 二i r 2 一 1 is c 一 挡筮 1 一乏气管道 2 一乏气调节挡板 3 一叶片调节杆 4 风 煤粉进口管道 5 一反射板 6 一煤粉均分器 7 一风箱 8 一炉拱 卜调节叶片 1 卜燃烧器喷口 1 1 一乏气喷口 1 2 一旋风筒 1 3 一燃烧器的煤粉分离器 1 4 一燃烧器的排气管 图3 2f w 旋风分离浓淡燃烧器结构图 3 1 2 2 燃烧器布置方式 该台3 0 0 m w 锅炉采用福斯特 惠勒的 w 火焰燃烧技术 沿炉膛高度方向分 为燃烧区和燃尽区 下炉膛为燃烧区 上炉膛为燃尽区 在前后拱上错列布置有 2 4 个双旋风简燃烧器 配四台双进双出钢球磨煤机 每台磨煤机向6 个旋风筒燃 烧器供粉 前后拱上燃烧器布置和燃烧器与磨煤机的连接关系见图3 3 3 1 2 3 二级风 二次风采用分级配风 共有6 级二次风 分别为a b c d e f 二次风 a 二次风为拱上乏气风口的环形二次风 b 二次风为拱上一次风的环形二次风 c 二次风为燃油用二次风 d e f 二次风为狭缝二次风 布置在前后墙上 见图 3 4 二次风量中 f 二次风量最多 约占总二次风量的一半 一次风口 乏气喷 口处相应的环形二次风用来满足煤粉气流着火所需要的空气量 并且可以增加一 1 6 撒麟 茎 喇 b 心火 一 孬 霄 一j i 华北电力大学硕士学位论文 次风的刚度 还有保护喷口的作用 分级二次风通过相应的挡板进行调节以满足 燃烧所需的空气 图3 3 燃烧器与磨煤机的连接关系 3 1 3 卫燃带 图3 4 二次风道及挡板布置 w 火焰锅炉的一个典型特点是下炉膛布置大量卫燃带 卫燃带的作用是 减少下炉膛水冷壁的辐射吸热量 使下炉膛维持较高的温度 保证无烟煤的稳定 燃烧 但是也可能导致结渣这一不利后果 模拟对象锅炉卫燃带布置位置如图3 5 所示 由图3 5 我们可以看到 在下炉膛前后墙 侧墙 翼墙 前后拱以及下炉膛 出口上部都布置了卫燃带 该锅炉下炉膛面积 不包括落渣口 共1 1 1 0 5 2 4 m 2 1 7 o 习 华北电力大学硕士学位论文 其中卫燃带面积为5 4 9 3 2 3 m 2 约占下炉膛总面积的5 0 上炉膛水冷壁面积 下 炉膛出口上至折焰角下 共8 0 2 9 8 0 m 2 其中布置卫燃带面积为7 5 7 8 5 m 2 基础 工况下 锅炉共敷设卫燃带6 2 5 1 0 8 m 2 侧墙卫燃带 3 2 数值模拟边界条件设定 图3 5 锅炉卫燃带布置 运用c f x t a s c f l o w 软件平台进行数值模拟 边界条件主要包括三类 入 口边界条件 出口边界条件和壁面边界条件 本文边界条件的确定原则为尽量取 现场实际数据 没有实测数据情况下要进行合理的分析计算 并考虑现场工作人 员的意见 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 入口 出口边界条件 本文入口边界条件包括一次风量 一次风温 二次风量 二次风温 燃料 本文计算的基础工况为1 0 0 额定负荷 计算中所用的总风量 给煤量 各次风的 参数都为现场实际数据 以基础工况为例 一 二次风的参数如表3 3 所示 在计算中 平均分配各个燃烧器的给煤量 煤粉颗粒尺寸分布规律用 r o s i n r a m m l e r 公式表示 r 以 e x p d i a 3 1 式中 j i c 反 为尺寸大于畋的颗粒的重量百分比 刀是非均匀性系数 d 是特 性尺寸 以和d 均由实验确定 颗粒粒径的分布范围为1 0 p m 2 0 0 朋 平均