电厂四角切圆燃煤锅炉的三维建模---英文翻译.docx

华 北 电 力 大 学 科 技 学 院毕 业 设 计（论 文）附 件外 文 文 献 翻 译学 号： 姓 名： 所在系别： 专业班级： 环境工程 指导教师： 原文标题： Three-dimensional modeling of utility boiler pulverized coal tangentially fired furnace2013年 6 月 21 日华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）电厂四角切圆燃煤锅炉的三维建模核科学“长春花”的研究所，实验室热工和能源，PO 522，11001贝尔格莱德，塞尔维亚和黑山，贝尔格莱德大学机械工程学院，11120贝尔格莱德Kraljice Marije1635，塞尔维亚和黑山。2006年爱思唯尔有限公司保留所有权利。 摘 要本文介绍了电站锅炉煤粉在四角切圆燃烧干底炉的数值模拟过程的结果。已进行专门开发的综合数学模型的模拟。模型的主要特点是一个三维的几何形状，K-气体湍流模型，欧拉-拉格朗日方法，颗粒湍流相互作用，颗粒扩散的扩散模型，六通量辐射模型的方法和煤粉燃烧模型基于全球颗粒动力学和实验获得的动力学参数。已经对210兆瓦的锅炉炉膛燃烧着的塞尔维亚褐煤、煤炭及煤炭质量不同的磨矿细度的五个操作制度进行了模拟。该模型成功地预测炉的过程和操作特性的影响的参数（类似的烟道气体温度和炉壁的辐射通量）。预测的火焰温度和可燃物在底灰中的百分比在良好的协议与测量结果。开发的模型可以找到不同的应用程序，无论是在研究和实践。关键词：三维模型；四角切向燃烧炉；煤粉原文出处及作者：核科学“长春花”的研究所，实验室热工和能源，PO 522，11001贝尔格莱德，塞尔维亚和黑山，贝尔格莱德大学机械工程学院，11120贝尔格莱德Kraljice Marije1635，塞尔维亚和黑山。1绪 论煤粉切向燃烧炉被广泛用于全球发电行业归功于他们的一些优势，如均匀的热通量的炉壁和氮氧化物排放量低于其他的点火类型。对于炉的进一步研究需要通过实验和模拟。满量程的测量是相当高的费用的限制，数值模拟提供了一个具有成本效益和功能强大的工程工具，补充实验研究。由于特有的空气动力学的切向燃烧炉，炉内部的流动1，以及在燃烧过程中，发现是被复杂的用于建模。尽管如此，综合性的大型四角切圆燃烧炉燃烧模型，基于三维差分守恒方程数值解，一直受到许多研究2-8。模型彼此，在本文提出的模型在许多方面是相似的。大多数使用的变化SIMPLE算法的K-E的气体湍流模型，或者一些衍生品，如RNG K-E模型5或k-E-KP两相湍流模型6。气相守恒方程在大多的时间平均，但有些建议用Favre平均方程代替3。通常的两相流用欧拉 - 拉格朗日方法和PSI-Cell方法相耦合来描述，也有一些例外是采用欧拉 - 欧拉方法8，或两流体的运动轨迹模型6。大部分的燃烧子模型，治疗颗粒脱挥发分，焦炭氧化和附加的气相反应分开2-8。在炉内的热辐射为蓝本，通过各种方法，如离散传递法2，离散坐标法3,6,7，六通量的方法4，蒙特卡罗方法5和P-1模型8。虽然商业码已经成功应用7,8，研究工作仍在给世界各地的炉子专门开发的综合模型1-6。本文介绍了电站锅炉煤粉在四角切圆燃烧干底炉的数值模拟过程选取的结果。在模拟的过程是基于一个综合性的三维微分数学模型，专门开发为目的。该模型的子模型和建模方法提供了这样的组合，以平衡子模型的复杂计算的实用性。3D几何，欧拉 - 拉格朗日方法，K-气体湍流模型，颗粒湍流相互作用，颗粒扩散的扩散模型，六通量辐射模型的方法和煤粉颗粒燃烧模型的基础上的全球性粒子动力学和实验取得煤炭动力学参数的模型的主要特点。更详细地描述在本文中的炉子的几何形状比在一些参考文献4,6，与燃烧器中模拟出众的细节，如在1,7。颗粒分散的动荡扩散模型的应用，提供更好的计算效率比随机模型2,5,7。相反，2-8，气体湍流的效果的颗粒也被建模。由于缺乏实验数据的情况下，用案例研究煤，以考虑更复杂的燃烧机理，选择一个全球性的颗粒燃烧模型，在一个复杂的燃烧过程中一起处理所有单个进程。210兆瓦锅炉炉膛燃烧煤粉的五项操作制度塞尔维亚褐煤，煤炭及煤炭质量的磨矿细度的不同，已经作出预测。对炉工艺参数的影响进行了研究和选定的预测相比，与满量程测量。参数计算和比较的综合模型，并提出了验证，证明其适用性。S. Belosevic et al./ 国际杂志的传热和传质49（2006）3371-3378命名法A Arrhenius关系参数（m/s） E 湍动能耗散率（m2s-3）A 粒子的横截面面积（m） vpt 颗粒湍流扩散系数（m2s-1）B，f，s 散射方向系数（ - ） vt 流体湍流扩散系数（m2s-1）Cp 比热（Jkg-1K-1） 密度D 分子扩散系数（m2s-1） p 普朗特 - 施密特粒子号（ - ）d 直径（m） 时间（s）E 煤的活化能（Jkmol-1） p 粒子响应时间（s）F 总辐射热通量（Wm-2） t 气相Lagrangian积分时间尺度（S）g 重力加速度（ms-2） 一般变量I 辐射强度（Wm-2） Xp 气态燃烧产物的质量浓度（kgkg-1）K 辐射系数（m-1） molOX 氧化剂浓度（kmolm-3）k 湍流动能（m2s-2）；反应速率（ms-1） 0 辐射散射反照率（ - ）M 摩尔质量(kgmol-1) m 质量（kg） 下标Np 颗粒浓度（粒子数密度(m-3)） a 吸收R 通用气体常数（Jkmol-1K-1） b 黑色的机身Rp 非均相反应速率（kgs-1） d 扩散Sh 舍伍德数（ - ） in 初始S 一般变量的源项 p 粒子T 绝对温度（K） Res 结果t 温度（C） r 辐射；反应动力学Uj 平均时间的速度分量（ms-1） s 散射Up 粒子的速度矢量（ms-1） t 湍之；总的Updi 粒子的扩散速度分量（ms-1） x，y，z 直角坐标系XCO2 二氧化碳的质量浓度（kgkg-1）Xj 协调总指数表示法（m） 标x，y，z 笛卡尔坐标（m） t 汹涌希腊符号 扩散系数（m2s-1）rd 辐射扩散系数（m）2案例研究炉的几何参数和操作条件案例研究的锅炉机组是A2单元尼古拉特斯拉电厂（塞尔维亚）天然水蒸汽循环和干底部四角切圆燃烧炉。单元生成一个标称的蒸汽量为650吨/小时和210兆瓦的电量输出。案例研究炉有6个喷气燃烧器，每个连接到一个煤磨。在图1所示的是炉中的几何模型。煤粉 - 空气混合物在165摄氏度从磨煤机进入炉中通过8个矩形管道，同时在270摄氏度的二次空气被注入通过上述的管道之间和下方。在煤空气导管的入口和在整个燃烧器的横截面是（0.511.23）米和（6.51.23）米。案例研究炉被认为是在静止的条件下的操作的情况下。对5个不同的磨矿细度的煤炭及煤炭质量操作制度进行了预测。对于煤科路巴拉场“D”的R90研磨细度=48.4，60.15和73.85，被认为是，此外，研磨细度为R90=73.85，煤科路巴拉Tamnava和Kostolac Drmno。R90表示百分比筛余物，网格间距为90流明。表1中给出的标称负载工作条件下（5燃烧器工作时）的炉。现有分布的煤颗粒的大小来表示，通过使用5个不同大小的类的微粉煤，在表2中给出。煤颗粒密度为1300 kg/m3的。对于案例研究煤，靠近分析和元素分析，以及加热值和动力学参数，在表3中给出。煤粉的组合物已被计算为14的水分含量。图.1. A2210MWe锅炉单元炉的几何模型：1，2，3，4，5，6 - 燃烧器，R1，R2，R3，R4，R5，R6 - 再循环孔。表1案例研究炉在额定负载下的工作条件 磨煤机操作 1，2，3，4，5煤炭总进给速度（th-1） 265每个燃烧器的煤粉质量流量（th-1） 53总的空气流量（m3h-1） 660000过量空气，在炉出口测定的 1.31.4煤粉 - 空气混合物输送流体的温度（） 165煤 - 空气的总质量流率，每个燃烧器混合输送流体（kgs-1） 30.51混合物输送流体的总体积流率，每个燃烧器（m3h-1） 135600一次空气（m3h-1） 37000循环气体（m3h-1） 66000蒸发的水分（m3h-1） 32600二次空气温度（） 270二次空气的质量流率，每个燃烧器（kgs-1） 17.01二次空气体积流量，每个燃烧器（m3h-1） 95000循环气体温度（） 900循环气体的质量流率，每个燃烧器（kgs-1） 5.46 表2不同的磨矿细度的煤粉各种尺寸类别的百分比 颗粒直径（m） 25 70 145 350 850 R90=48.4% 的百分比 40.68 10.92 20.74 17.84 9.82R90=60.15%的百分比 24.83 13.95 28.90 21.47 10.85R90=73.85%的百分比 7.55 18.60 31.43 25.10 17.32表3案例研究煤在热值和动力学参数的情况下的成分 煤 科路巴拉场“D” 科路巴拉-Tamnava Kostolac-Drmno工业分析（收到基）水分（） 52.67 51.10 38.60灰分（） 11.23 15.87 28.39挥发份（） 21.46 19.07 23.36固定碳（） 14.64 13.96 9.65低热值（收到基）热值（千焦公斤） 7816 7372 7017元素分析（收到基）碳（） 22.70 20.59 20.54的氢气（） 2.13 1.87 1.97的氧气（） 10.39 9.77 9.36氮（） 0.50 0.40 0.50硫含量（） 0.39 0.40 0.64在1273 K时的动力学参数和Arrhenius反应速率A（ms-1） 8.9 10 9.0310 5.510E（kJkmol-1） 9.54104 9.71104 9.95 104反应速率（ms-1） 1.08 0.93 0.45 3数学模型和计算方法制定全面的模型911扩展了可用子模型的描述，在细节造型的湍流和颗粒之间的相互作用，包括化学动力学的煤认为，真正完全的三维流动，燃烧和传热现有几何体煤的粒度分布。多组分气相湍流描述时间平均欧拉偏微分养护质量方程，动量，能量，气体成分的浓度，以及紊流动能及其耗散率。对于一般的变量 xjUj=xjxj+S+Sp （1）标准k-气体湍流模型扩展到三维情况。用于耦合的阶段PSI Cell方法被使用时，由于颗粒SP用其他来源。粒子的气体湍流的效果建模对于k和的额外来源。分散相所描述的拉格朗日领域的运动，能量和质量变化的微分方程，湍流扩散模型的粒子分散。粒子速度是一笔对流和扩散速度：Up=Upc+Upd （2）对流速度得到的运动方程，通过颗粒沿与粒子数密度恒定的轨迹跟踪。该分散体是仿照通过引入粒子的扩散速度。颗粒间的碰撞被忽视，壁到粒子碰撞应该是弹性的。扩散速度，被给定为：Upd=-1NppNp，Updi=-1NppNpxi （3）粒子浓度Np（粒子数密度）是从方程的方程的形式（1）获得。颗粒湍流扩散的p的系数给出相对于流体和颗粒湍流扩散系数，vt和vpt，有p=1.3-1.6：p=vptp，vpt=vt1+pt （4）六磁通的方法是用来模拟热辐射12。该模型考虑一个三维辐射和辐射散射的各向异性。同时由相同的数值程序与流体动力学方程的总辐射通量分量Fx的，Fy和Fz的方程的求解。在x-方向，方程。（5）具有的等价形式为y-和z-方向。由于辐射的源项被添加在气相中和分散相能量方程。1KtddxrddFxdx=-1-0f-0bFx+20sFy+Fz+1-0Ib3 （5）在复杂的燃烧过程的单个进程一起处理的基础上，对全球的颗粒动力学和实验得到煤的动力学参数。方法是一般的，并可以适于不包括额外的反应困难。该模型考虑了非均相反应的焦炭燃烧模型的基础上，在“收缩核”的概念13。煤颗粒质量的变化，反应的反应速率相等，在合并动能扩散制度：-dmpd=Rp=ApMpmolOX1kr+1kd （6）kr=Ae-ERT，kd=ShDdp，D=9.810-10T1.75 （7）其中kr是Arrhenius反应速率的动力学制度和kd的传质扩散参数。经验表达的分子扩散系数D是由高温燃烧产物14。总粒子质量变化的反应的变化，由于这一过程的总和。完全氧化的碳和氢的反应，被认为是由相应的反应速率，而硫是考虑到通过等效碳含量。从煤的水分蒸发和氧消耗率的为的碳氧化速率成正比。传质和传热此外，由于燃烧被认为是在保护式的额外来源。初始条件和边界条件，通常在椭圆偏微分方程的建模实践应用。在进气口的边界条件的定义的问题的性质和连续性条件的出口处。附近的墙壁上所描述的“墙功能的条件”。壁热通量假定改变沿炉和使用恒定壁温的边界条件。气相位特性与状态，半经验关系，回归方程的决定。粒子的比热的实证表达式由下式给出：Cpp=832.2+0.489（T-130） （8）SIMPLE的计算算法用于耦合的连续性和动量方程。控制体积法和混合差分格式15，用于铸造的差分方程转化为线性代数方程组的系统。为了解决该系统，使用SIP方法的变形。稳定的迭代过程是通过根据松弛。交错数值网格753441=104550网格节点已经得到了应用和适应的流动特性。从5燃烧器，80个粒子的运动轨迹大小的5类中的每一个数字跟踪，2000年粒子的运动轨迹视为总数的。4结果与讨论四角切圆燃烧炉空气动力学的基本特征是中央旋涡。如预测（图2）所示，涡流被移向关闭燃烧器，火焰炉，在炉壁的热通量分布的位置和温度场的影响。在优化的方案关掉燃烧器的模型应用中给出的示范图。如图3所示，为简化情况，在其中燃烧，在进气口完成，进入炉中产生的热气体。考虑温度场的对称性（良好的燃烧和降低表面结垢），最好是关掉比相邻的相反的燃烧器。4.1 参数计算五运作制度的案例研究炉，煤及煤质量磨矿细度的不同，预测和参数的影响，炉处理调查。煤粉颗粒直径的变化由于2粒径类别2煤的燃烧和研磨细度为R90=73.85，示于图 4。的水平，以颗粒的燃烧继续影响火焰炉屏壁垂直位置和热负荷。颗粒改变它们的直径而发生燃烧。更小的粒子燃烧更迅速地完成，粒子移动到炉膛出口飞灰。正如预期的那样，较大的颗粒燃烧持续时间更长。煤炭更精细的研磨具有更小颗粒所以转换由于燃烧的小规模类占主导地位。燃烧的煤Kostolac-Drmno两个大小类别终止在较高水平，由于相当小值的反应速率相比，到科路巴拉场“D”（表3）。高等灰分含量（表3）给出在箱子Kostolac-Drmno煤完全燃烧后剩余的灰颗粒较大直径。煤粉碎细度的炉亲过程影响示于图5作为横截面的变化平均CO2质量浓度沿炉。为了更精细的研磨，有更多的粒子的小尺寸类，会迅速燃烧，较高浓度各级。另外，有没有那么多的大颗粒料斗，但一些颗粒向上移动，并给予较高CO2浓度在中部地区。燃烧产物含量增长到燃烧完成一种在该附近的水平。横截面平均变化烟道气的温度和辐射热通量在炉右侧壁在图中给出 6和7，在依赖于煤的质量图7给出了预测辐射通量组件而得到的，横截面平均每个级别由于完成后在更高的水平比对煤炭燃烧煤Drmno的科路巴拉场“D”（图4），Drmno将得到的温度和辐射通量较低的值这也是由于煤中Drmno的可燃物（表3）含量相当低的上方的燃烧器（17.0米），温度增加由于反应，直到它们被完成，然后减小，因为辐射热传递增加由于可燃物含量较低和较慢的燃烧，Kostolac-Drmno煤给较低的值的通量。4.2 满量程测量的预测与比较选定为燃烧炉科路巴拉磁场预测“D”煤，与研磨细度为R90=73.85，与满量程测量进行比较16。图8礼物预测和测量的火焰温度值，在水平26.3米，沿左侧壁（图1）的炉用光学高温计，没有测量的局部温度但观察到的最大温度的温度测定，取决于火焰透明度。测得的温度是高于壁面附近的火焰温度，并在一定程度上，在水平低于在火焰中的最高温度。预测气体温度不发生很大变化为从壁11，所以在图距离大于0.25米 8气体温度，在这个距离。该模型给出非的温度分布的测量，具有最大的壁围在中间，由于所述中心涡流（火焰）位移朝着关闭燃烧器（图2）最大测得的温度水平为26.3米16，在该地区密集的热释放和模型预测温度最高在25.5-26.0米。炉操作的重要特性是亏损由于底灰坯，可以由开发的模型估计和相应的计算11。底灰被认为通过以下来形成的颗粒落入料斗高度的一半处下方的水平面上。可燃底灰，底灰筛上残留R90（表4）的预测，是在良好的协议与测量17。期预测还将显示一些最大的颗粒（74）落入料斗和不完全燔颗粒的百分比是65.43。内的大颗粒的底部灰分的量是显着大于在初始煤的粒度分布（表2），这意味着“粗”的煤的粉碎细度的主要原因是由于在底灰坯的损失，这是按照与剥削体验。4.3 收敛性和数值网格效果104550网格节点的三维数值网格，已提供的收敛性和精度的解决方案，并在同一时间，以满足在计算时间的限制。特别电网优化和计算程序处理靠近燃烧器区域和炉料斗。网格给一个满意的良好衔接，尤其是关于这个问题的复杂性。对于一个简化的情况下，单相紊流与传热，分析数值网格的效果表明，所有施加网格给出很好的收敛性：在炉的一半与37100个节点，与70490整个炉中的节点和80256炉和交叉节点通。计算数值粒子跟踪的重要性，强调通用的解决方案融合。图.2.预测在炉内的中心涡流。图.3.关闭燃烧器对炉温度场的影响图.4.煤随着燃烧的炉子中2煤和2个粒径类的粒径变化图.5. CO2浓度的变化随着不同的煤磨矿细度变化图图.6. 不同的煤随着烟道气的温度变化图图.7. 在右侧壁炉中不同煤种的辐射通量的变化5结 论文中提出，选择的结果四角切圆燃烧过程的数值模拟在电站锅炉煤粉干底炉。模拟专门开发的综合三维数学模型的基础上。模型扩展子模型描述的完全立体的流动，燃烧和传热在现有的几何形状，颗粒湍流相互作用的细节造型，包括化学动力学考虑的煤。五经营制度的案例研究炉，煤及煤质量的磨矿细度的不同，进行了模拟。该模型成功地预测炉工艺参数的影响。满量程测量与选定的预测进行比较，给人一种令人满意的良好的一致性。应用网格提供了一个很好的收敛性的解决方案。参数计算和比较，提出了一个验证的模型，并证明其适用性。可以预计，在研究的模型中的应用，作为一种补充的实验，满量程的测量和工程计算，预测炉运行情况，并在电厂的利用和控制。参考文献1 B. He, M. Chen, Q. Yu, S. Liu, L. Fan, S. Sun, J. Xu, W.P. Pan, 在一个大的通用炉，COMPUT空气喷射模式的最佳反流的数值模拟研究。流体33（9）(2004) 12011223.2 R.K. Boyd, J.H. Kent, 炉计算机三维建模，在：二十一研讨会（国际）在燃烧，燃烧学会，1986年，第论文集265-274。3 C.H. Scott, L.D. Smoot, 一个全面的三维模型燃烧系统的模拟：PCGC-3，能源燃料7（6）（1993）874-883。4 A. Bermudez de Castro, J.L. Ferin, 煤粉炉在技术和燃烧清洁的环境中建模与数值解，Lisbon，葡萄牙，1997年，第33.1页-第四届国际会议论文集. 19。.5 J. Fan, L. Qian, Y. Ma, P. Sun, K. Cen, 四角切圆燃烧炉煤粉燃烧过程的计算模型，化学。工程。 J. 81（1-3）（2001）261-269。6 L.X. Zhou, L. Li, R.X. Li, J. Zhang, 模拟3-D气体粒子流和煤燃烧四角切向燃烧炉使用的twofluid轨道模型，粉末技术。 125（2-3）（2002）226-233。7 C. Yin, S. Caillat, J.L. Harion, B. Baudoin, E. 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