（工程热物理专业论文）300mw+w火焰锅炉炉内燃烧过程及nox分布的数值模拟.pdf

华北电力火学硕士学位论文摘要 摘要 本文运用数值模拟软件f l u e n t 6 ，对某厂3 0 0 m ww 火焰炉的燃烧过程及 其污染物生成进行数值模拟。通过计算分析，获得的主要成果有：( 1 ) 设计 工况下，炉膛中的速度场、温度场、0 ：浓度及n o x 浓度的分布规律；( 2 ) 负荷 变化对于炉膛中的速度场、温度场、o 。浓度及n o x 浓度分布的影响规律；( 3 ) 煤 种变化对于炉膛中的速度场、温度场、0 ：浓度及n o x 浓度分布的影响规律；( 4 ) 增加煤粉细度特别是采用超细粉后对于炉膛中的速度场、温度场、o 。浓度及n o x 浓度分布的影响规律。为w 火焰锅炉的安全经济运行、特别是为降低燃烧产物 中n o x 浓度提供了理论依据和参考意见。 关键词：w 火焰锅炉，煤粉燃烧，数值计算，n 0 。超细粉 a b s t r a c t i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，t h ec o m b u s t i o n a n dp r o d u c t i o no fp o l l u t a n ti na 3 0 0 m wb o i l e rw e r es i m u l a t e dt h r o u g ht h es o f t w a r e - - f l u e n t6 b a s e do n a n a l y s i s a n d m o d e l ，s o m ec o n c l u s i o n s w e r e d r a w n ( 1 ) t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t y , t e m p e r a t u r e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f0 2a n dn o xi nb o i l e r w h e nt h eb o i l e rr u n n i n ga td e s i g nc o n d i t i o n ；( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fl o a do nt h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f0 2a n d n o xi n b o i l e r ；( 3 ) t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o a l s o nt h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f0 2a n dn o xi n b o i l e r ；( 4 ) t h e i n f l u e n c eo ft h es i z eo fc o a lp a r t i c l e ，e s p e c i a l l ys u p p e rf i n e p a r t i c l e s ，o n t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r e ，t h e c o n c e n t r a t i o no f0 2a n dn o xi nb o i l e r i naw o r d ，t h i ss t u d yp r o v i d e ss o m es u g g e s t i o n sf o rt h ee c o n o m i c a lr u n n i n g ， s a f eo p e r a t i o n ，a n dh o wt od e c r e a s et h er e l e a s et h en o x f o rp o w e rp l a n t z h uw e i p i n g ( e n e r e g ya n dp o w e re n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f y a ns h u n l i n k e y w o r d s ：wf l a m eb o i l e r ；f i n ec o a lc o m b u s t i o n ；s i m u l a t i o n ；n o x ；s u p e rf i n e p a r t i c l e s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 0 0 m ww 火焰锅炉炉内燃烧过 程及n o x 分布的数值模拟，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，也不包含为抉 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己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： 苤坌终日期：塑丝：乏佃 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 啦 丝丝：! 妒 导师签名 日期： 华北电力火学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 某厂3 0 0 m ww 火焰锅炉在运行中存在结渣、磨损及燃烧产物中n o x 浓度较 四角切圆锅炉偏高等问题。为了解决这些问题，需要对其燃烧过程中的速度场、 温度场及燃烧产物中的n o x 浓度分布进行研究。 1 2 国内外研究现状 国外目前对于四角切圆锅炉燃烧过程中速度场、温度场及燃烧产物中n o x 分布状态进行了较多的研究。国内清华大学、华中理工大学的煤燃烧国家实验室、 中国科技大学及浙江大学热能所也在这方面做了大量的工作。 随着w 型火焰煤粉锅炉的引进，很多学者都对它作了研究。在实验和数值模 拟领域，西安交通大学魏小林n 3 对w 型火焰锅炉进行了冷态模型实验研究及数值 计算。华北电力大学孙保民乜1 针对w 型火焰燃烧室，进行了冷态流场实验及数值 计算。在n o x 生成的数值模拟方面，也有学者作过一些工作。浙江大学樊建人1 对w 型火焰煤粉锅炉炉内湍流流动、传热及燃烧过程进行模拟的同时，对燃烧过 程中生成n 0 。进行计算。华中理工大学周向阳h 1 对实验室卧式炉分级送风降低n o x 生成的燃烧过程进行了湍流燃烧及n o x 生成的数值模拟计算。清华大学郭印诚畸3 模拟了大速差燃烧室内烟煤及贫煤粉燃烧时n 0 的排放。清华大学徐福州1 对圆 柱型实验炉膛内n o x 浓度，n 0 ，0 。和c 0 。浓度及温度场进行了测量，并对该炉内 过程进行了数值模拟。 但是目前对于w 火焰锅炉在运行过程中，负荷、煤种及煤粉细度变化对于炉 膛内速度场、温度场，特别是燃烧产物中n o x 浓度分布的影响的研究还不够系 统；尤其是采用超细粉对w 火焰锅炉燃烧产物中n o x 浓度的影响尚未见研究。 1 3 研究对象简介 1 3 1 总体布置及主要设计参数 某厂一期工程2 3 0 0 m w 锅炉是引进美国b & w 公司制造的亚临界压力、一次 中间再热、自然循环、固态排渣“w ”火焰锅炉。其空气预热器为双流程、风罩 旋转再生式空气预热器，锅炉配有一次风机、增压风机、引风机和送风机各两台， 华北电力火学硕士学位论文 构成平衡通风系统。锅炉主要参数如下： 额定蒸发量：1 0 8 5 1 t h 锅炉额定主汽压力：1 7 8 4m p a 锅炉汽包运行压力：1 9 0 0m p a 再热器进口压力： 3 0 2m p a 过热器出口温度： 5 4 0 再热器进口温度： 3 0 1 再热器出口温度： 5 4 0 给水温度： 2 8 2 排烟温度： - 1 2 4 锅炉效率： 9 0 8 8 1 3 2 锅炉结构和尺寸 某厂锅炉外形如图卜l 所示，其炉膛整体高度为4 2 2 1 5 m ，燃烧室截面积尺 寸为2 6 8 x1 6 4 5 9 m ，2 0 个主燃烧器布置在标高2 7 6 m 处。在每个主要燃烧器下 方装有一个三次风喷口( 抽出风) 和一个分级进风口( 二次风) 。燃烧室断面热负荷 为8 5 3 2 x 1 0 6 w m 2 h ，燃烧器区域卫然带总面积为1 0 2 0 m 2 炉膛及辐射面面积 为5 4 2 6m 2 。 汽水系统的流程为：高加一 汽包一 顶棚过热器一 包墙过热器一 一级水平过热 器一 一级立式过热器一 一级减温一 一级过热器二段( 屏式) 一 二级减温一 二级过 热器一段一 二级过热器一 汽轮机。再热蒸汽系统流程为：高压缸排气一 事故喷水 一 低温再热器( 水平段) 一 高温再热器一 中压缸。主汽温度的调节靠一级和二级减 图1 - 1 炉体外形图 2 华北电力人学硕七学位论文 温水；再热气温由位于竖井烟道的烟道挡板调节。汽包内径为1 6 7 6 m m ，壁厚 1 7 7 8 m m ，材料为s a 2 9 9 钢。最大上下壁温差为1 2 5 。c 。 某厂# 2 炉的风粉系统采用采用前后墙正压直吹设置，共四台麽煤机，每台 磨煤机有5 个燃烧器。满负荷工况4 台磨煤机全部打开，调节工况下，当7 5 时， 关闭其中一台磨煤机；5 0 - i - 况则对称关闭两台磨煤机；3 0 以下工况关闭三台磨 煤机并采用投油燃烧。因为投油燃烧一般会影响电厂运行的经济性，所以一般电 厂并不采用低负荷投油燃烧模式，本文也不对此工况进行讨论。 1 3 3 锅炉燃烧系统 # 1 2 炉p a x 燃烧器的介绍：p a x 燃烧器最具有特色的是结构简单的内置式 一次风换风装置( 分离器) ，一次风粉在进入燃烧器前，抽出5 0 的原一次风和1 0 细粉作为乏气从前后墙送入炉膛，再补入5 0 增压风，由于增压风温度高，使得 煤粉温度由磨煤机出口的9 3 。c 提高到燃烧器喷口的1 7 7 ，以达到增强燃烧的目 的。p a x 燃烧器另一特点是采用双旋流调风器调节内、外二次风的旋流强度来控 制回流及混合。双旋流调风器的内外区均置有一组轴向可调的叶片来调节各自的 旋流强度。 p a x 燃烧器调整手段有：内调风、外调风叶片和调风筒的调整，同时辅以分 级二次风挡板、增压风挡板等进行配风调整。 内调风的作用是使煤粉着火以后能及时得到燃烧所需要的氧量，并保持火焰 稳定。当煤质变差时，减少其旋流叶片角度，增加旋流强度以保持有足够的高温 烟气回流到燃烧器前着火区，强化着火；当煤质变好时，增加旋流叶片开度，减 少旋流强度，使着火推迟，不致于烧坏燃烧器。 外调风的作用是保持煤粉火炬有足够的刚度下冲到下炉膛的适当深度，补充 煤粉后期燃烧所需要的氧量。增加外调风可使火掐拉长，并伸展到炉膛的下部空 间，使煤粉颗粒有较长的燃烧路程，达到充分燃烧的目的。反之，若减少外调风， 火焰则缩短，虽能提高燃烧的稳定性，但容易造成火焰短路、飞灰可燃物增加、 过热器超温等。一般来说，为了充分考虑着火和燃尽，外调风的旋流强度调得较 弱，而内调风的旋流强度调到中等偏强。 根据b w 公司的p a x 燃烧器设计意图和提供的资料，内、外调风的合适配合 可以使p a x 燃烧器在最佳状态下工作，是适应煤种变化的强有力手段。根据实际 煤种，其内调风叶片可在3 0 。6 0 。( 对应驱动杆螺纹高度4 1 1 5 m m ) 范围内，外调 风叶片可在4 5 。9 0 。( 对应驱动杆螺纹高度5 3 - - l o m m ) 范围内进行调整，以得到不 同的旋流强度和下喷深度，保证煤粉着火和燃尽的需要。 1 3 4 煤质 华北电力人学硕士学位论文 表1 - 1 某厂的设计煤种元素成分分析 元素 c rh ro rn rs rw ra rv r 6 0 数值 6 4 8 92 8 32 4 00 9 81 0 8 2 1 8 2 51 6 7 2 2 3 低位发热量2 3 8 57 2 1 6 7 3 6 k j k g 可磨( h g i ) 7 5 灰熔特性t 1 大于1 3 3 0 度、t 2 大于1 5 0 0 度 表卜2 为某厂的实际运行煤种元素成分分析 元素 c rh ro rn rs rw ra rv r 5 8 5 数值 6 5 4 32 8 42 4 0 0 9 8o 9 8 2 1 4 4 51 5 6 9 2 3 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要工作就是运用数值模拟软件f l u e n t 6 ，对某厂3 0 0 m ww 火焰 炉的燃烧过程及污染物生成进行数值模拟。具体研究内容如下： 1 、设计工况( 即设计煤种、1 0 0 负荷及常用煤粉细度) 下，炉膛中的速 度场、温度场、0 。浓度及n o x 浓度分布状态。 2 、负荷变化对于炉膛中的速度场、温度场、0 ：浓度及n o x 浓度分布的影响。 3 、煤种变化对于炉膛中的速度场、温度场、0 ：浓度及n o x 浓度分布的影响。 4 、增加煤粉细度特别是采用超细粉后对于炉膛中的速度场、温度场、0 z 浓 度及n o x 浓度分布的影响。 研究的目的是为w 火焰锅炉的安全经济运行、特别是为降低燃烧产物中n o x 浓度提供理论依据。 4 华北电力大学硕：i ：学位论文 第二章炉内数值计算模型 对于电站大型燃煤锅炉燃烧过程，可以用基本守衡方程、紊流模型、气 固两相流模型、煤的挥发物热解模型、焦炭颗粒燃烧模型，以及辐射传热模 型来进行数学描述，它们的数值求解即为炉内过程全模拟数值计算。本章内 容介绍基本守衡方程，并着重讨论各种模型的合理选择。 2 1 基本守恒方程 炉内燃烧过程遵循质量守恒、动量守恒及能量守恒。可表示为连续方程、 动量方程、能量方程。上述方程雷诺平均后称为平均流控制方程，如下： 连续方程： 动量方程： 望+ 墼：0 ( 2 1 ) 8 t苏： 挈+ 毒c 废巧，= 毒 善一p 砺 _ 毒+ 昭，c 2 刊 能量方程：篙笋+ 毒c p 矿，2 专l 考一伊p 矿 + s ，档r q - s ， 状态方程：p=p(丁) ( 2 - 4 ) 其中，甜i 和扰：分别是三个坐标方向的平均速度和脉动速度。t 为平均温 度，g ，为i 方向的重力加速度分量。和旯分别是分子热运动而引起的动力 粘度系数和导热系数。 2 2 流动模型 需要指出的是( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 并不封闭。因为雷诺平均过程中引入了未知 关联量“。该项为动量疏运项，成为紊流应力或雷诺应力。在方程( 2 2 ) 中，把雷诺应力项作为分子热运动引起的牛顿应力廊j & c ，的附加项。并且， 在大多数紊流流动中，雷诺应力远远大于牛顿应力。这些关联项被处理成紊 流模型。 本文选择了k s 双方程模型作为紊流模型，其封闭微分方程组为： 连续方程： 窑+ 拿+ 塑：0 ( 2 b ) + + = l z ， o n o y 眈 华北电力人学硕士学位论文 x 方向动量方程：昙( “) + 晏( v ) + 兰( 倒w ) = o x d vd z 一塞+ 2 去( ，尝) + 专卜( 考+ 塞) + 昙l ( 老+ 罢) + 昭， c 2 删 y 方向动量方程：兰( 甜) + 昙( 刖) + 昙( w ) ： o x钾陇 一考+ 2 昙( 鸬考) + 晏卜( 考+ 妻) + 昙卜( 窑+ 考) + 昭， c 2 7 ， z 方向动量方程：昙( 删“) + 晏( 肛v ) + 兰( ) ： ox们r陇 一斋+ 2 兰( “塞) + 丢l ( 塞+ 豢) + 专l ( 鲁+ 考) + 昭： c 2 删 k 方程：p ( “篆+ v 等+ w 警 = 去( 筹) + 茜卜等) + 壶( l 箸) + 瓯一胪 s 施p 陲+ v 考+ w 务 ( 2 - 9 ) 去( l 塞) + 茜( l 考 + 兰( t 喜) + c 。g 。昙一肛：妄 c 2 一，。， 其中：，= c v p 二一+ 。 紊流产蜮g 。硝。虿o n , 一封考 以上微分方程可写成以下通用形式： 委( 肋) + 昙( p 咖) + 毫加) = 昙( 芸) + 号( 考 + 夏c 3 ( 老) + c 2 一 表2 1 为式( 2 - 5 ) 一式( 2 1 1 ) 中各项的含义： 6 华北电力人学硕士学位论文 表2 一l 流场微分方程组通用形式 方程 中r 弋6s 小 连续方程 lol x 方向动量方程 uut 一妾+ 去( ，塞 + 号- 考 + 鲁( 从老) y 方向动量方程 vut 一考+ 去( ，尝 + 专- 考 + 鲁( ，瓦a w ) z 方向动量方程 wut 一塞+ 昙( ，罢 + 专- 考 + 昙( “瓦a w ) k 方程 k p t | 6 kg k p s e 方程 u t l 6 ： c 。q 昙呐妄 2 3 两相流模型 炉内过程涉及到煤粉颗粒和气体的两相流，正确的预测炉内过程，气固 两相流式其中一个重要的方面。煤粉的运动和弥散对其燃烧过程影响很大， 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、挥发分的 释放，对煤粉气流的着火燃烧及焦炭燃烧过程其决定性的作用。工程中各种 燃烧室和燃烧器数值计算的应用说明了煤粉运动和弥散规律对燃烧过程的 稳定性、经济性及污染物的排放影响很大。 描述气体颗粒两相流动的数值计算大致可分成两类：第一是连续介质模 型，包括无滑移模型( n o n s 1 i pm o d e l ) h 1 ：小滑移模型( s l i pm o d e l ) 阴1 和滑 移一扩散模型( s l i p - d i f f u s s i o nm o d e l ) 阳1 。第二是颗粒轨道模型，是由c r o w e 等人发展起来的单元内颗粒模型n 们( p a r t i c l e s o u r c e i nc e l lm o d e l ) ，简 称为p s i cm o d e l 。 本文选取颗粒轨道模型。文献1 提出“单元内颗粒源法”或“p s i c 算 法”，其后针对液雾蒸发及煤粉燃烧进行了数值模拟。文献口2 1 4 1 分别从不同方 面发展了此种方法。本文采用随机轨道模型计算煤粉颗粒在炉膛内的运动经 历。颗粒的运动及变化经历在拉氏坐标系中加以考察，分散颗粒群随即轨道 模型考虑了气相麦冬随机速度对颗粒的支配作用，并据此来计算颗粒的随机 运动轨道，。然后再计算出时平均轨道。忽略体力影响，描述颗粒运动可用方 程： 7 华北电力入学硕士学位论文 其中： pn dk 2 c 氲 2 丽 百d u k = ；1 ( u + u - u k ) ( 2 删 警= 去( v “_ v k ) ， ( 2 _ 警= ( w + w _ w k ) ( 2 _ 1 4 ) c 出= 面2 4 为斯托克斯阻力系数 q 一真实阻力系数 q = c d 。堕型 一一。= 卺 ，+ 剥 参数b 取决于质量损失率m ，即 i n ( 1 + b 1 ： 竺 。 积k d p n u n u 用兰茨一马歇尔公式表示： n u = 2 + 0 5 r e o 5 上述几个公式中，r e 。为颗粒相对运动的雷诺数： r e 。：盟 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中，巩，圪，为颗粒随机速度各分量；u ，v ，w 及u ，v ，w 。 分别代表气相时均速度及脉动随机速度各分量。对颗粒穿过某气体湍流漩涡 ( 或微团) 而以当地的脉动速度分量u 。，v ，w 作随机取样时，则： u ：f 铲，一y ：f 伊户5缈。：f 庐) d 5 r y 挥发分+ ( 1 一y ) 焦炭 在数值计算试验的基础上，科研工作者建立了不同的热解模型。 l o o k w o o d 和加拿大的s mr i z v i n 朝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、多步平行反应模型。 本文采用的挥发分热解析出模型为双竞争热解模型： 9 华北电力火学硕士学位论文 r a wc o a l 山y i ( v o l a til e s ) i + ( 卜y 2 ) ( c h a r ) r a wc o a l 兰qy ：( v o l a t il e s ) ：+ ( 1 - y ，) ( c h a r ) 两者同时进行，其中： k l = a le x p ( - e l r t ) ( 2 2 7 ) k 2 = a 2e x p ( - e 2 e r ) ( 2 2 8 ) 挥发分质量变化率为： ， 譬：一，k ，+ y 2 k ：) 幌 ( 2 2 9 ) 。一一， i ， ，vl-z ，o 其中：m 。为未反应原煤质量；a 。、a ：、e 。、e ：为挥发分热解动力学参 数，由实验测定。假定煤粒的直径不变，煤的可燃质为挥发分数量的倍。 则煤的挥发分总燃尽时间为n 引： t。=赢熹耘(爿75m引30)827 6 3 x0 。= 旦_ 一i l r ：一i il ( 2 一 。 8 1 叫fi 丁l “i2j 其中：r 。= x 2 ( 0 m 0 8 2 聊+ 1 ) 3 ； 一为主气流中氧气的质量份额； m 为煤中挥发分的平均分子量； d 。为氧气的密度； w 为挥发分燃烧所需氧气量； 万为颗粒密度。 2 5 焦炭燃烧模型 假定煤粉是由具有不同粒径分布的煤粒颗粒群组成，这些组分被认为除 了粒径以外，其它方面的性质完全一致：它们产生同样比例的挥发分；具有 相同的密度以及相同的表面化学反应速率稀疏。燃烧过程分成两个阶段，首 先是挥发分的迅速析出；然后是残留焦炭的燃烧。 菲尔德模型n 7 1 假定粒子群由不同粒径组成，按罗申一罗曼分布n 引，则粒 径大于x 的颗粒重量百分率r 为： r = 1 0 0 e x p l 一( x x ) ”f ( 2 3 1 ) x 。为筛选剩余颗粒重量百分率为3 6 8 的筛t l t l 径，单位朋； 疗为粒径不均匀指数，数值越小，粒径分布越宽。 把r o s i n - r e m m l e 分布成n 个等分区域，且取每个区域端颗粒径的算术平 均值作为该区域的平均粒径，这样每个区域的重要份额就成为每个趋于平均 l o 华北电力人学硕： ：学位论文 粒径的重要份额； =蒜舄 式中，x ，x 川为组分粒径区域的两个断电。显然，= l 。 热解完成以后，第，组分残骸的质量份额保持不变，仍为缈， 的组分都释放出相同比例的挥发分，但是炭粒尺寸可能发生变化。 组分以同一倍数a 膨胀，则第，组炭粒初始粒径可表示为： x j o2 7 j 式中，x 。为热解后第，组炭粒的初始直径i 口为膨胀因子； 第，组分的表面积为：s j o ：! ! 上生 c j p j y i c ，一热解结束后，焦炭中可燃物所占份额； p ，可燃基原始燃料表观密度： y ，原始燃料中，第，组分质量平均粒径； 表面反应速率系数： k s = a e x p l 一志j 其中：a 焦炭粒子的频率因子； e 焦炭粒子的活化能； r 通用气体常数； 疋焦炭粒子表面温度，单位为世。 扩散反应速率系数： 聊2 番鸶 ( 2 - 3 2 ) 因为所有 假定所有 ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 其中：p 反应机理因子，当离开颗粒表面的反应产物是c o 时，妒= l 反应产物是c o ，时，妒= 2 。 d 一在l a t m 下，空气介质中的各组分扩散系数； r - 一由扩散方程得到的气体常数，r 8 2 0 6a t m c m 2 ( m o l k ) l 一粒子周围气体平均温度，单位是k 。 氧气分压表达式： 名o ) = 等r ( 2 3 7 ) 华北电力人学硕士学位论文 而噤s j o p g ( u ) 坠d t 岽群, 3 1 3 8 ) bj | w i 。 辐射换热常用的方法有区域法、热流法、m o n t e c a r l o 法即离散发射法、扩 散近似法、球形谐波法和离散坐标法、网络分析法。本文采用m o n t e c a r l o 法。 该方法使用概率统计的数学原理去模拟辐射换热的物理过程，从而达到求解 辐射换热的目的。这时把每个微元体向周围空间的辐射换热均匀地分配在空 间若干个立体角内。该方法特别适合于几何形状复杂、介质非均匀的场合。 国内外对这种方法进行了广泛的研究，但模拟计算的精度难以估计和控制。 2 华北电力人! 学硕：l ：学位论文 第三章n 0 x 生成的机理 众所周知，n 0 x ( n o ，n o ：，n 2 0 ) 是大气污染物，会导致酸雨的形成、光 化学烟雾的形成及臭氧层的破环。因此，在煤粉的燃烧过程中，剥产：生的n o x 的控制已越来越受重视。对预测n 0 x 生成的子模型的研究也是越来越深入引。 为了更有效地模拟煤粉燃烧过程中n 0 x 的生成，必须充分考虑n 、燃料、 氧化剂之间的各种反应以及从燃料和烟灰中的n 转化为含n 气体。因此，用 来计算各步反应的反应率的方法就必须考虑反应的相关时间尺寸和气体温 度和物质浓度的湍流脉动。 煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮( n 0 ) 和二氧化氮( n 0 ：) ， 还有少量的氧化二氮( n ：0 ) 产生。在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的n 0 x 中， n 0 占9 0 以上，n 0 ：占5 1 0 ，而n 。0 只占1 左右。因此，一般地考虑n 0 x 的生成就是指n 0 的生成。对于n 0 的预测模型对比分析可见文献乜。在燃烧 过程中n 0 的传输方程为： _ o p u i y n o ：0 ( 加孕) + s n 。( 3 - 1 ) o x io x i似i 其中y n n 是n o 的摩尔分数。该方程与前面所述守恒方程相似，模拟了整 个过程中n 0 的对流、扩散、产生和消耗。由于相对于燃烧过程其余物质， n 0 的浓度非常小，因此，其传输方程求解是在燃烧过程完成之后进行的，即 是基于已有的流场和温度场的，因此，其预测的准确程度与燃烧过程流场和 温度场的预测密切相关n 引。 方程( 3 1 ) 中的源项s n o ，代表n 0 的产生和消耗，是由以下四种机理描 述的n 引：即l 、热力型n o ，它是空气中的氮气在高温下氧化而产生的：2 、 燃料型n 0 ，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而 生成的；3 、快速型n 0 ，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如c h 等反应生成的；4 、再燃，是通过碳、氢化合物与n 0 的反应而减少n 0 的。 3 1 热力型n o 热力型n o 的形成，主要反应如下m m 3 ： o + n 2 山n + n o n + o2 山n + n o o h + n 马h + n o ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 华北电力火学硕士学位论文 上述反应总的n o 的形成率为： 1 d n r o = k 。【o n ：】+ k ：【n o ： + k ，【n o 问- k _ l n 。9 n - k2 时。9 o 】- k _ 3 n 。9 h ( 3 5 ) 因此，要计算 n o 、 n ，必须知道 0 、 h 、 o h 。 热力型n o 的生成只发生在高温区( 1 8 0 0 k ) ，当o ，充足时，n 的消耗与 其产生率相等，据此建立一种半平衡状态心4 l 。即： 掣= 2 ( - o ， k - l k - 2 n o 2 。 k 。o 。k 。o h ( 3 - 6 ) 除极端富燃料区其余情况都适用。由式( 3 6 ) 可得， n 0 随 0 的增加而 增加、与温度密切相关，而与燃料无关。要解方程( 3 - 5 ) ，需知 0 、 0 h 。 在一般的n o 模型中， 0 h 的计算为乜5 _ 6 】： 阳 ：2 1 2 9 1 0 ：t - n 5 ，e x p ( 孚) 刎0 5 日：o 0 5 ( 3 - 7 ) 对于 0 的计算，一般有三种方法：平衡法、部分平衡法、预测浓度法。 3 1 1 平衡法 用假定燃烧反应的平衡而计算，据w e s t e n b e r g 乜7 | ： d 】_ 3 9 7 1 0 sx t - u 2x o ：1 1 2xe x p ( 半) ( 3 - 8 ) 3 1 2 部分平衡法 该方法对方法一的改进是加入了第三种物质的反应，即 0 2 + m 0 + 0 + m 则方程( 3 - 8 ) 变为： 0 1 _ 3 6 6 4 巾： 1 2x e x p ( 半) 3 1 3 预测 0 方法 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 这种方法是通过采用较先进的挥发分燃烧模型如f l a m e l e t 等，能够直接计 算 0 。 3 2 快速型n 0 当总的n o 的排放由于采用了新技术而减少时，快速型n 0 就相对增加了， 1 4 华北电力人学硕士学位论文 其反应机理为： c h + 2h h c n + ( 3 一1 1 ) j v + p 2h n o + o( 3 1 2 ) h c n + o h ”c n + h 2 0 ( 3 1 3 ) c n + d 2h n o + c o ( 3 1 4 ) 快速型n 0 的形成率： 了d n o ：k 。【明】 2 ( 3 - 1 5 ) 由上述反应可以看出，要预测快速n o 的形成需将n 0 产生的动力学与实 际c 、h 燃烧机理相结合。d es o e t e 认为净快速n 0 形成率可由下式表示： d n o ：( 整体快速n o 形成率) 一( 整体快速n 2 形成率)( 3 1 6 ) d t 在火焰的早期，因快速n 0 是在富燃料条件下形成的，此时 0 很高，n 几乎是以n 0 的形式而不是n ：存在。因此，快速型n 0 形成率将与整体快速n 0 形成率大致相同，即： 了d n o - k p r 附0 2i n ： f u e l e x p ( 鲁) ( 3 - 1 7 ) 其中：a 是0 ：的反应阶数，口与0 z 的质量分数x d ，有关，即： a = 1 0 x o 4 1 1 0 3 a2 3 9 5 0 9 1 n x d 4 1 1 0 3 x o 1 1 1 0 卅 a = 一0 3 5 0 1 l n x o ， 1 1 1 0 卅x o 0 0 3 a2 0 x d 2 0 0 3 对方程( 3 1 7 ) ，富燃料区和c 、h 含量高的燃料条件下，该式精度不高。 为了能在各种条件下都能准确预测快速n 0 ，采用了包含了燃料类型作用的校 正系数f ，即： _dno=肛朋：。in：fuelexp(鲁)(3-18e11 ) k s p r o m p t , n o m 加丁d n o ( 3 - i 9 ) 厂= 4 7 5 + 0 0 8 1 9 n 一2 3 2 + 3 2 矽2 1 2 2 矽3 ( 3 2 0 ) 其中：n 是c 、h 燃料中所包含c 原子数； 是平衡比，矽= 0 6 1 6 ； k 刖e 。的取值见文献乜引。 华北电力人学硕：l = ：学位论文 3 3 燃料型n 0 在煤粉炉中，燃料型n 0 可占总的n o 生成的7 5 9 5 。在煤粉火焰温度 小于1 6 5 0 k 时，热力型n 0 所占比例很小。在温度相对较高、燃料含氮量高、 燃料中氮键又比氮分子键能低的情况下，燃料型n 0 就非常显著。 燃料中n 形成n 0 取决于局部的燃烧特征和燃料中的 n 。但是普遍认为 n 0 的形成和破坏的过程如下： 当燃料中n 是以芳香烃或环烃形式存在时，h c n 是主要的中间产物：当 燃料中n 是以脂肪烃形式存在时，主要中间产物就是n h 。本文所讨论n 0 模 型认为中间产物只有h c n 。 对煤粉，认为n 不均匀地分布在挥发分和焦炭中，分别定义n 的质量分 数。本文将讨论两种燃料型n 0 生成机理。 a ：据文献2 引： 焦炭n l 挥发分n 一匝丑j 生田 b ：据文献3 0 ： 焦炭n 挥发分n 2 ：n o 2 ：n o 1 6 3 ：c h a r n 2 3 ：c h a r 华北电力人学硕士学位论文 二一一 很明显，b 将预测更多的n o ，但是无法确定哪种方法更好。，对于方法人， 由焦炭而生成i - i c n 和生成n o 的源项删和墨7 m 分别为： s c ? h c n = s c m 亿mh c n m n v( 、3 - 2 1 、) s c 。n e ，= 0 而对方法b ，这两项分别为： s c ? n 。= s c m n c mn o m n v s c h c n = 0 式中：s 。为焦炭的燃烬率，聊c 为焦炭中氮的质量分数， 这样，对于燃料型n 0 ，其源项分别为： s h c n2s 附c ，h c n + s h c n - 、+ s h c n 一2 s n o2s o , n o 七sn o 。+ sn 口也+ sn o 一3 ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) v 为单元体积。 ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) s p ，c , h c n = s ，删+ s 。删 ( 3 2 7 ) s h c n 。= 一r i mh c n pir j婚一2 曲 s ，c 一2 = 一r 2 m 删尸r 于 ( 3 2 9 ) s n o - 、= 一sh c n - 、mn o | mh c n = - r l mn o p | ( 、3 - 3 0 、) s n o 一2 = 一sh c n 一2 mn o mh c n = 一r 2 mn o p r t婚一3 n s n o 一3 = a b e 7 c s m d r 3 1 0 0 0 ( 3 3 2 ) 方程( 3 2 8 ) ( 3 3 2 ) 中各比例系数的取值可见文献m2 i 。在方程( 3 3 2 ) 中，彳脚，为b e t 表面积，c 。为颗粒浓度。 在本文中，针对煤粉颗粒燃烧污染物生成特性，对n 0 的计算，同时考虑了 上述三种类型。 1 7 华北电力人学硕士学位论文 第四章3 0 0 m ww 火焰锅炉炉内过程的数值模拟结果及分析 4 1 整体求解方法 对于煤粉颗粒的燃烧及其气化过程，可将整体求解程序分为三个主蛰部 分1 、湍流反应气相流场的求解；2 、颗粒场的求解；3 、辐射传热的求解。 至于污染物的模拟，则采用后处理方法。因为每个部分都需要一种不同的数 值解法。各部分的数值解法前文已述，这里不赘。 先用g a m b i t 对锅炉整体进行网格的划分，再用p r e p d f 进行燃烧过程反 应物和生成物的定义，然后在f l u e n t 中进行边界条件的确定。在主燃烧过 程计算的结果基础上，进行污染物n o x 生成的计算，同时考虑三种类型即热 力型n o x 、快速型n o x 、燃料型n o x 的生成。 本文针对某厂3 0 0 m ww 火焰锅炉多种工况下的炉内过程进行数值模拟， 分析了负荷变化、煤质变化、煤粉细度变化对w 火焰炉燃烧过程中炉膛速度 场、温度场、燃烧产物中0 ：浓度及n o x 浓度分布的影响；特别是采用超细粉 对3 0 0 m ww 火焰锅炉燃烧产物中n o x 浓度的影响。 本文将研究对象共划分为2 1 5 7 5 4 个网格，其z 方向中心截面如图所示： 图4 - 1 中心截面网格图 4 2 设计工况模拟及其分析 我们把设计煤种、常规煤粉细度、1 0 0 负荷状态下的工况叫做设计工况，并 依次对其速度场、温度场、燃烧产物中0 ：浓度及n o 浓度分布状态进行分析。 华北电力人学硕： ：学位论文 4 2 1 速度场分布分析 拱项主气流喷入炉内后，下冲到炉膛中一定高度后转折向上，与其他风棚遇 汇集，气流向上流动，并近似形成w 形状，说明速度场模拟结果是合理的：同时 由于底部的二次风口的进风速度最快，所以有一定的灰分落入冷狄- t 。速度矢量 图，如图4 2 所示： 图4 - 2z 一1 2 1 8 m 处截面速度v v 图 进风处风速较大，然后沿着风向风速逐渐减小，到了三股送风汇集处风速几 乎为零( 亦称风速转向区) ，然后拐向炉膛顶部速度逐渐增加，到了拱顶速度达到 极大值( 约1 6 9 m s ) ，然后再逐渐减小；到了折焰角附近重新增大，到了折焰角 出1 ：3 再次达到极大值( 约1 8 m s 1 6 9 m s ) 。如图4 3 所示： 图4 - 3 设计工况z = - 1 2 1 8 m 处截面速度c v 图 1 9 华北电力人学硕士学位论文 对图4 - 3 进行分析，需要从连续性和动量守恒两方面考虑。显然当三股风未 曾汇集时风向向下且风速减小，汇聚时风速下降到o ；之后，风向丌始向炉膛项 部转移且风速开始加大；到了拱型部分，由于通流面积减小，风速增加加快，当 到达拱顶部分风速再次达到极大值；此后，风速开始随之减小；当达到折焰角后， 再次由于通流面积减小而使得风速增加，到了折焰角出口( 喉部) 再次达到极大 值；由于喉部面积小于拱顶面积，所以喉部流速略大于拱顶流速。 4 2 2 温度场分布分析 ( 1 ) z ：- 1 2 1 8 m 截面处温度场布也呈w 形状分布：在进风处温度较低，此 后温度逐渐升高，炉膛中心和火焰中心基本吻合此处温度最高约达到1 9 0 0 k ：在 拱顶拐角处，温度也很高，达到1 7 0 0 k 左右，这和现场所测得的数据基本吻合； 折焰角出口处烟温下降到1 4 8 0 k 左右，这冷灰斗温度较火焰温度低，冷灰斗底部 温度达到最低( 约1i o o k ) 。模拟结果还表明，沿着z 方向，炉膛中心温度略高于 贴近壁面处的温度。这些结果表明，温度场模拟结果是合理的。如图4 4 所示： 1 0 图4 4 设计工况z = - 1 2 1 8 m 处截面温度图 对图4 4 进行分析，主要该从能量角度考虑。对于通常的w 火焰锅炉燃烧火 焰中心均为1 9 0 0 k 左右，冷灰斗底部落灰温度也多为1 1 0 0 k 左右，而折焰角出口 温度略高于后屏入口温度，也是正常设计的结果；因而最主要的是分析拱顶拐角 处温度较高的原因。在拱顶拐角处，由于通流面积减小，而流速几乎不变( 如图 4 5 ) ，因而使部分灰分滞留于拱顶拐角处，形成结渣即集结一定的c ( s ) ；因而 使得那里的温度较高达到1 7 0 0 k ( 灰的熔点1 5 7 3 k ) 。 ( 2 ) 折焰角出口处温度变化不大，中心温度较四周温度高。最高处达1 5 3 7 k ， 2 0 华北电力火学硕士学位论文 近壁处温度最低为11 8 7 k ，总体温度处于1 4 6 0 k 左右，和现场提供的后屏入口处 烟温1 4 3 3 k 基本吻合，运算结果合理。如图4 - 5 所示： 图4 - 5 设计工况折焰角出口处温度分布图 4 2 30 ：浓度分布分析 ( 1 ) z = - 1 2 1 8 m 截面处0 。浓度也呈现w 型状。风粉入口处0 ：浓度最高，接近 风粉总量的2 0 也就是接近空气中0 ：的质量百分含量，这说明0 ：的模拟结果也是 合理的。随着风粉气流的流动0 ：浓度随之减少，浓度最低处小于2 。如图4 6 所示： 图4 - 6 设计工况z = - 1 2 1 8 m 处截面0 ：浓度分布图 2 1 华北电力火学硕士学位论文 这是因为，在风粉入口处空气质量远大于煤粉质量、风粉总压力接近标准 大气压、几乎未受到煤粉燃烧的影响；随着气流流动、燃烧加剧，0 ：浓度也逐渐 降低，最低处低于2 ；相对来说燃烧剧烈的中心区域o ：浓度较四周低。 ( 2 ) 折焰角出口处，燃烧剧烈的中心区域0 ：浓度低于四周，最低处低于1 而在接近壁面处浓度最高接近1 7 。如图4 - 7 所示： 图4 - 7 设计工况折焰角处0 ：浓度分布图 因为燃烧剧烈的中心区域消耗掉了大量的0 ：而四周消耗的0 ：相对较少。 4 2 4n 0 浓度分布分析 ( 1 ) z 一1 2 1 8 m 截面处n 0 浓度分布亦呈现w 型状；最高处接近1 6 0 0 p p m ，最 低处低于2 0 0 p p m ；燃烧剧烈的中心区域n 0 浓度较四周略低，炉膛上部n 0 浓度 较冷灰斗中的n 0 浓度要高的多；浓度分布基本沿轴线对称。如图4 8 所示： 图4 - 8 设计工况z 一1 2 1 8 m 截面处n 0 浓度分布图 一糕