循环流化床燃烧数学模型

1、第!"卷第#期!$!年%月煤炭转化+012!"*02#4512!$!&()&*+,-./*3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333循环流化床燃烧数学模型7777肖显斌6杨海瑞6吕俊复!岳光溪#摘要介绍了有关文献中循环流化床燃烧的数学模型2按照各模型所使用的流体动力学模型的差异8将它们分成了不同的类别2同时也简要介绍了几种目前应用于循环流化床数学模型的气固两相流数值模拟方法2在评述各模型的优缺点和分析目前所存在问题的基础上8初步提出了进一步发展的方向2关键词循环流化床

2、8数学模型8流体动力学模型8气固两相流8数值模拟"!2%9:$近二十年来8不少研究者在循环流化床数学模中图分类号$引言使模型得到了一定的发展2从目型上做了许多工作8前已有的数学模型上看8各燃烧数学模型间的主要循环流化床是我国重点发展的清洁煤燃烧技术8它由于具有燃料适应性广;燃烧反应充分及低污染排放等优势在国内外得到了蓬勃的发展和广8泛的应用2因此8它所涉及的相关研究内容成为国内<6=差别在于对上升管流体动力学模型?气固流动模型7及与之对应的总物料平衡的描述上2于是8按照流动模型的不同可以将循环流化床燃烧数学模型分为鼓泡床模型;拟流体模型;区段模型;颗粒轨道模型和多维模型等>

3、;同时8按照建模机理分类8可分为基于经验的半关联性质的模型和基于微观守恒方程的机理模型>按照简化程度分类8可分为零维;一维;二维;三维等模型2本节将有针对性地介绍各个典型模型及其所采用的流体动力学模型22零维集中参数模型<!=ABCDEEB0等采用集中参数的零维稳态模型对.合作开发的位于,IFGBH)5JEBKB1GL5MNGF的外广大学者关注的焦点8对循环流化床燃烧室中复杂的流动;燃烧;化学反应及传热等机理的基础研究逐渐深入2从方法上来讲8一方面需要进行大量的针对性的实验研究>另一方面8借助计算机模型来研究复杂现象背后的微观物理本质也是一种高效;实用的方法2建立循环流化床燃

4、烧数学模型8对正确地预测其运行性能8优化循环流化床反应装置的设计和操作有着重要的意义2特别是商用循环流化床装置的大型化8使得发展循环流化床燃烧的总体数学模型也成为基础研成为循环流化床进一步发展的要求8究和工程应用两方面都极为迫切的需要2本文对有关文献中循环流化床燃烧的数学模型进行了简要总结8按照各模型所使用的流体动力学模型的差异8将同时也简要介绍了几种目它们分成了不同的类别2前应用于循环流化床数学模型的气固两相流数值模拟方法2在评述各模型的优缺点和分析目前所存在问题的基础上8初步提出了进一步发展的方向26!"CO锅炉及位于P"$CO锅炉进J0QGHMG的!行了仿真;预测2模

5、型中将锅炉分成一系列模块8并通过一个图形化界面将不同的模块按需要组合8组合后的整体用牛顿I拉普森算法联立求解2模型中不考虑各变量的空间分布8而是用平均值代替8这会带来一定偏差2但模型形式简单8计算量相对较小22R鼓泡床模型该类模型基本上是鼓泡流化床和飞灰回送模型的组合8将因飞灰回送而增加的停留时间和粒度分布的变化考虑到鼓泡床的模型中去2模型分为浓相段和稀相段>流化床由两相组成8即气泡相呈平推6循环流化床燃烧数学模型万方数据博士生导师8清华大学热能工程系867博士生>!7副教授>#7教授;6$ST北京收稿日期U!$!I$"I6V年流!乳化相呈全混"固体颗粒在

6、床内的停留时间服从正态随机分布规律#金保%&等$的模型认为颗粒在床内作随机运被鼓泡流化床停留时间分布计算出颗粒在浓相动!区的平均停留时间!认为颗粒在稀相区作变速运动!运动方程为)/55+,374*.(2.4(4)-90式中:(;颗粒流动速度"(;颗粒相对气流的)5滑移速度"*;床高".);颗粒密度"./;气体密度"1;重力加速度"3;曳力系数"4;床直径#按双表面收缩模型求得燃烧的关系#这类模型在处理循环流化床时过于简单!只能得到一些总体的特性!且模型的结果与循环流化床的差别比较大!但求解比较容易!适用于循环倍率较低

7、的循环流化床的初步设计计算#万方数据期肖显斌等循环流化床燃烧数学模型更为细致!目前发展得比较成熟!应用较多"但它忽存在一定程度的失真"另外!略了炉内的径向分布!小室如何划分并没有一个明确的依据!经验性很强"考虑到实际气相和固相的返混程度大不相同!两相采用不同的划分方法可以更好地兼顾两相的流动"核结构模型#"$环%环%核流动模型假设炉膛任一高度处有一明显的环&核分界面!即中间是稀疏的核相区!靠壁面处核模型描述"这也是一种在一维小室模型基础上发展起来的准二维模型"是浓密的环相区!核相区内颗粒向上流动!而环相区内颗粒向下流

8、动!气体向上流动"不仅从整体上考虑颗粒的轴向分布颗粒粒径的变化!而且考虑径向颗粒浓度分布!环内颗粒的向下运动及环与核上下区段固体与气体的物质和能量交换"张永哲()*在李政的工作基础上!在径向引入了环核两种小室!利用经验公式计算环核空隙率及气固交换!更加细致地给出了锅炉中流动传热和反应的分布情况"王勤辉等(+*将锅炉炉膛轴向分为密相区和稀相区!两个区域以二次风高为界,密相区被假设成一个鼓泡床!两相混和均匀!没有浓度梯度-稀相区沿径向分成核心区和环区两个通道!各区内不存在浓度梯度!固相速度及通量由经验式直接给定"两个通道分别进行流动传热和反应计算"

9、这类模型由于考虑了径向的分布!使其发展成为了准二维的模型!比一维模型更加细致"区域内仍然均一化!没有进一步考虑内部的径向分布-各研究者所采用的经验公式和经验模型也各不相同"另外!虽然环%核流动模型在一定范围内已被接受!但相关文献也指出!实际中并无明显的环&核分界面(./*!这需要更进一步的研究"#"0气固浓%淡模型沈来宏(./*在吸收环%核流动模型的基础上!将循环流化床炉膛上部稀相床内下降的颗粒团物料流定义为浓相!颗粒团周围向上运动的稀疏物料定义为淡相!床内任一位置处浓相和淡相共存!下降的浓相存在于上升的淡相周围1见图23"淡相内气体和

10、固体均向上运动!浓相内颗粒向下运动!气体流动方向取决于浓相区内颗粒向下运动的速度大小!忽略两相内气体颗粒的轴向扩散过程!不考虑浓相区和淡相区内颗粒浓度沿径向的变化"沿垂直方向分成若干个小室!每个小室又分为浓相区和淡相区"相邻小室之间存在着气体万方数据固体质量交换和能量交换!小室内浓相区和淡相区存在着气体交换"燃烧采用缩%>煤炭转化;EE;年热以及各种热效应计算颗粒群造成的质量!动量及能量源"并使之作用于气相速度场!温度场及组分浓度场"气相场则反过来又影响颗粒的轨道及沿轨道变化的经历#%&岑可法等$采用脉动频谱随机轨道模型计算%A但

11、能够将燃烧机制引入该模型的研究还动模拟$"目前还不能完全实现基于微观守恒原理并不多见#%B的流动!反应!传热等过程的全面耦合计算"王维$实现了在锅炉特定条件下的流动计算"并引入燃烧行为"建立了一维连续分布的燃烧模型"此类模型形式统一"便于应用计算流体力学的成功解法#此类模型物理意了循环流化床内的颗粒运动规律#义简明"方程形式简单"但计算很复杂#在循环流化床内"由于固体颗粒浓度较高"采用此模型来计算固体颗粒浓度分布等会遇到比较大的困难"但在计算;气固两相流动模型颗粒速度及气固化学反应过程

12、中有独到的优点"可以追踪比较复杂的颗粒经历#(#)双流体模型双流体模型是把颗粒和气体都看成是连续介质"即看成双流体系统"认为空间各点都有这两种流体各自不同的速度!密度分布"它们共同占据同一空间而互相渗透"但存在不同的体积份额*或出现的概率+"相互间存在着滑移#采用双流体模型建立两相流方程的观点和基本方法是"先建立每一相的!瞬时的!局部的守恒方程"然后采用某种平均的方法得到两相流方程和各种相间作用的表达式#最一般形式的两相流方程很复杂"直接用它去解决具体流动问题目前还有很多困难"尤其是各种相互间作

13、用的表达式"为了便于使用"需进行简化#忽略流体相密度的脉动!颗粒质量变化率的脉动以及非定常关联项"双流体模型中流体相控制方程组和颗粒相控制方程组可以用一个统一的形式表示为,./0/1/2,3./0/56/41/47,385/0/291:4,34*;+式中</一般指流体相和固体相"在固体相尺寸大小有分布时也代表不同尺寸组的颗粒相=1表示某种物理量"如速度分量!温度!焓!质量分数!流体相湍流动能和湍流动能耗散等=91/包含各相自身的源项和相与相之间的作用*相间质量!动量!能量交换等+#方程组加上一些构成源91/和输运系数81/的模型*如两相粘

14、度+及一些本构方程*如状态方程!温度和焓的关系式!热传导关系式以及化学组分关系式等+就可得到两流体完整的封闭控制方程组#此模型的难点在于固体相动量守恒方程中对固体粘度和压力的确定#$%>从单纯的流动模型研究来看万方数据"国内外研究者已经逐步从一维$%?!二维$%"?""发展到了三维的流从上节对总体模型的介绍中"可以发现一个合适的流体动力学模型是循环流化床模型成功的关键#目前对于循环流化床锅炉中的流动!传热及反应等方面的了解还不透彻"因此这方面的模型多是基于表象的宏观解释#随着对认识的不断深入"循环流化床的模拟也必然从宏

15、观的!经验性的模型逐渐走向基于微观守恒方程的模型#其中的机理性工作主要是指多相流体力学中气固两相流领域的基础研究#时至今日"虽然两相流的模型已经有了较大的进展"但仍处于发展完善阶段#从刻划的尺度及属性上区分"目前的两相流模型主要有三类#C#(连续介质模型此类模型把颗粒相看成拟流体"这是在两相流动研究领域中使用最广泛的一种方法#如果颗粒只被处理成一相的话"就被称为双流体模型#$%DC#C离散颗粒模型此类模型只将颗粒看作离散相"而气体仍视为连续相"对每个颗粒与气体以及颗粒与颗粒间的作用都详细考虑#由于此模型可以跟踪所有颗粒的运动

16、轨迹"也常被称为颗粒轨道模型#$;EC#F流体拟颗粒模型此类模型从刻划单颗粒尺度上的运动行为入手"不仅将宏观离散的颗粒当成离散相处理"还将宏观连续的流体也采用拟颗粒性质的流体微团来处理"从而可以模拟远离平衡态的系统#$;%&气固两相流的数值模拟方法流动模型中参数的获取可以有两种途径<第一是经验模型关联"即由实验数据关联的半经验模型计算得到结果=第二就是直接数值模拟"即利用计算流体力学的方法"建立基本守恒方程"结合初始和边期肖显斌等循环流化床燃烧数学模型界条件!加上数值计算理论与方法!得出流场"

17、;温度场和浓度场等的分布#目前对气固两相流的数值模拟不外乎两类方即欧拉方法和拉格朗日方法#第一类方法把颗粒法!作为拟流体!认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质!两相都在欧拉坐标系下处理!即连续介质模型#这类模型经历了无滑移模型"小滑移双流体模型"有滑移$扩散的双流体模型以及近年来发展起来的以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模型#对密相气固两相流!这类模型能通过固体粘度和固体压力来表示颗粒间相互作用#第二类方法把气体当作连续介质!而将颗粒视为离散体系!在欧拉坐标系下考察流体相的运动!在拉格朗日坐标系下研究颗粒群的运动!即颗粒轨道模型#这类模型用完全弹性碰撞模型或颗

18、粒离散单元法处理密相气固两%&&相流颗粒间相互作用#用#初始时各个颗粒/01将颗粒视为非连续介质!处于力平衡状态#当所考虑在空间有其固定的位置!范围内的作用力系或边界条件发生变化时!某些颗粒在重力及外力的作用下产生一定的加速度和相对使得颗粒的空间状态发生变化!位移后的颗的位移!粒与所接触的颗粒产生叠加!根据力$位移关系!产生新的作用力系状态!使得更多的颗粒由于作用力而产生新的运动和位移#离散单元法的计算是交替采用牛顿第二定律和接触的力$位移方程来完成!牛顿第二定律给出由于所有施加在颗粒上的力而引起的颗粒运动!力$位移方程则用来计算接触力与位移的关系!其计算过程可简单表示成图2的

19、形式#&2!&8等%运用此方法对流化床和循环流化34567床进行了模拟!得到了床内气固两相的速度"浓度分布"颗粒团聚"分散!气泡长大和破碎的信息#这些研究结果说明/01方法在模拟气固两相流方面已显示出其潜在的强大预测性能!可望对气固密相流中颗粒的流动特性进行详细描述#但由于受计算机容量和速度的限制!目前模拟主要针对大颗粒!小规模装置和短时间计算#(#)离散单元法*+,-.近年来在/01是研究颗粒轨道模型的方法!流体$固体密相流*特别是循环流化床.得到不少应万方数据S煤炭转化)VV)年能!模型必然由简单向复杂发展!多维模型将成为研同时!一个合适的流体

20、动力学模型是循环究的重点"流化床模型成功的关键"流动模型中!对宏观经验模型及微观机理模型的研究使得循环流化床的建模也其一是从微观流动$传热$传质沿着两个方向发展#机理出发!建立微观机理的偏微分方程!得到详尽的局部信息!这一工作依赖于两相流模型及其封闭关系的改进!以及计算方法与能力的提高%另一方向是参考依赖现有知识!以现有实验数据与经验模型来关联"据前面对各种模型特点的分析!可以得出#第一个方向中!可对颗粒动力学双流体模型进行进一步深入对固相粘度$压力的模拟!适当简化!合理研究!引入燃烧机制%第二个方向中!可以小室模型为基础!充分利用现有各经验模型的成果!建立简化的

21、多维模型!由于计算能力的限制!其关键在于探寻合理的假设以简化计算而不失真"文献沈幼庭"锅炉原理及计算"第)版"北京#科学出版社!&(冯俊凯!*+&)(,!""#!"-./00-123456-7.!8/9/:;<=;5;8>?AB-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;F31-C;5H4I;5-</C.1F;C-:0J:KL/4M.!8-7;F6#!*S"TSSUT+VB-5<4C/D-:03;F2;<=:1C10NO"3;-P-:0Q<-;:&l

22、t;R5;66&W(金保范新宽!阮!征等"燃煤飞灰循环流化床燃烧数学模型"工程热物理学报!*V!X)Y#)*&T(Z!"!*+V!)SXTY#ST)USbb/P/:ZZ;:B"B1I5;=;:6-_;.1F;C915EC4-F-G;F3;FB1/CB1I46D-1:JB=a7e&b(;!"#!-cd!Q<=1C;57E;DDEH"./D=;I/D-</C.1F;C-:019B1/CB1I46D-1:-:/B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;FZ;/<D15J:3/64R!#!*+

23、")+*U)*+8/50;7E;F6B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;F2;<=:1C10Nf"gh915FR;50/I1:&S(李政"循环流化床锅炉通用整体数学模型$仿真与性能预测#博士学位论文(北京#清华大学!&"*T&i(.4!"U-57Z35;5;D1:Bj5/<7Z>?A,N:/I-<.1F;C-:0915Q-I4C/D-1:/:FB1:D51C19/B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;FB1I4"!*i!TWXbY#TUb)6D15JB=a7焦载

24、热气化燃煤联合循环系统的动态模型与控制研究#博士学位论文(北京#清华大学!&+(张永哲"&")VVV骆仲泱!李绚天等"循环流化床锅炉炉内流动和燃烧特性的理论模拟"动力工程!&*(王勤辉!*!*XTY#)S*U)iT循环流化床燃烧数学模型及试验研究"煤炭转化!*!)XTY#biUS)&V(沈来宏"e&(kN!U"#!"U/:;:28;!Z/-:-1"2=5;F-I;:6-1:/C.1F;5915B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;F31-C;56J:D=

25、1:Na7;FR51"#!*"TW*UTT+<F-:0619D=;D=J:D;5:/D-1:/CB1:9;5;:<1:EC4-F-G;F3;FB1I46D-1:H;L15MQ.a&)(K:!"l2U1;-0284;<M;K!;5D=;57.-h-:0/:FZ;/<D-1:-:D=;B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;F=5;F-I;:6-1:/CB1I46D15"!*!bT#)bU)SV.1F;CB=;I-</Ca:0-:;5-:0Q<-;:<倪明江!骆仲泱等"循环流化床锅炉理论设

26、计与运行"北京#中国电力出版社!&W(岑可法!*i二相流体动力学"北京#高等教育出版社!*W&T(刘大有"&b(3!"U"#!"+"#/-,-:051:07-:1:02=;2L1<=/:;C.1F;C915E/6DEC4-F-G/D-1:J:KL/4M.!K4:-,;F6EC4-F-G/D-1:m3;-P-:0!*+"bbUSTQ<-;:<R5;66&S(5!U"U/6D11145k!R/MF;CRF;L4I-."kNF51FN:/I-<6

27、:/CN6-619,-C4D;j/661C-FEC1L-:/d;5D-</CR-;R1LF;52;<=!*V!S)#SWUiV:1C10N陈新国!徐春明"运用稠密气体理论建立气粒两相流流动模型"化学反应工程与工艺!&i(郭印诚!*!bXTY#TSUT)W&+(王维"两相流数值模拟及在循环流化床锅炉上的软件实现#博士学位论文(北京#中国科学院过程工程研究所!&")VV&*(Q""#!""#-:<C/-578kNF51FN:/I-<6.1F;C-:0J:j5/&l

28、t;7Z_-F/:!K:1LCD1:2.!;F6B-5<4C/D-:0EC4-F-G;F3;F681:F1:!*i"T*U+VB=/I/:nk/CC湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟"北京#科学出版社!&)V(周力行"*T&)(j"UUU#!"!8-7R6;4F1/5D-<C;51/<=D1kNF51FN:/I-<619j/661C-F2L1=/6;EC1L"J:KL/4M.!8-7;F6B-5<4C/D-:0#!*S")SVU)SSEC4-F-G;F3;F2;<=:1

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