燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟

1、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）半披*芳科技学院毕业设计（论文）燃煤锅炉燃烧过程流 场及温度场数值模拟动力工程系环境工程班系 别 专业班级 学生姓名 指导教师二O三年六月摘要数值模拟是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题 和物理问题乃至门然界各类问题研究的目的。课题涉及到三维燃烧过程，并带有两相流。 综合考虑，我选择了目前应用比较广泛的FLUENT软件作为数值模拟的工具。本文对锅炉炉膛计算域通过GAMBIT软件构建三维框架结构，从而对其进行网格划分, 确定合适的数学物理模型，设置边界条件，选用适当的变量和参数，对炉膛燃烧进行三维 数值模拟，得出炉膛内流场与温

2、度场分布。最后经过简单的处理，将模拟结果以图片或图 表的形式进行百观的展示。通过对模拟结果的观察分析得出合理的结论，并分析不足之处。 改变燃尽风风速大小，选择30m/s、40m/s、49m/s及60m/s三种燃尽风速，研究燃尽风风 速对炉内混合特性和炉内温度场的影响。结果表明：燃尽风口风速增大时，炉内气流的旋 转强度随之增强，燃尽风的穿透程度随之加强，和对容易穿透到炉膛中心，从而使得烟气 与煤粉的混合加剧，有利于增加煤炭燃烧的效率；在一定条件下，随着燃尽风速的增加， 炉膛中心的高温区域面积增加，而且相对集中：随着燃尽风速的增加，锅炉烟气出口的温 度降低；燃尽风风速为49m/s时炉内燃烧状况最佳

3、。关键词：流场：温度场：数值模拟：燃尽风华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）NUMERICAL SIMULATION ON FLOWFIELD AND TEMPERATURE FIELD OFTHE COMBUSTION PROCESS IN THEFIRED PULVERIZED-COAL BOILERAbstractNumerical simulation uses electronic computers as the means. To acliieve the purpose of engineering problems and physical problems as wel

4、l as the nature of various problems, it uses the method of the numerical calculation and image shows. Tlie topic relates to the tliree-diniensioiial combustion process and tlie two-phase flow. Considered. I chose the FLUENT as the tool for numencal simulation.hi this paper, establishing the three di

5、mensional frame constniction with GAMBIT, canying on tlie giid division, then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable, setting up the boiuidary condition, making three-dimensional numerical simulation of fimiace combustion, receiving the

6、 distributions of flow field and temperature field in tlie fimiace. After simple processing, we can show the result by making the pictures or diagrams. Making a conclusion from the results and finding out the inadequacies of the results. Changing the size of velocity of over fired air, choose 30,40.

7、49 and 60 meters per second, then discuss what will happen about mixing characteristics of the fiiniace and temperature field.Study results indicate that As bumout air speed increases, the rotation of the fiiniace air flow intensity increases, and tlie degree of penetiation strength increases, it

8、9;s easy to penetrate into the center of the fiirnace relatively, so that the mixture of flue gas and coal increases、the increasing efficiency of coal combustion is also in favor.Under certain conditions, as the velocity of over fired air increasesjhe temperahire of fiiniace center area inaeases, mo

9、re concentrated;and the temperature of the boiler flue gas outlet slso reduced： the best overfire air velocity for optimiun combustion fiiniace is 49 meters per secondKeywords：Flow Field;Temperatiire FielcfcNumerical Simulation;Over Fired Air目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。错误！未定义书签。1绪论11.1课题背景11.2燃烧过程

10、数值模拟发展概况113燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟研究现状11.4FLUENT软件21.4.1 简介21.4.2 优点21.4.3局限性21.5燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟简介31.5.1气相湍流流动模型31.5.2气固两相流动模型31.5.3辐射换热模型31.5.4弥散相模型51.5.5煤粉燃烧模型61.6本文主要研究内容62模型建立及计算82.1燃煤锅炉原理82.1.1电厂锅炉工作原理82.1.2电厂锅炉发展概况82.2燃煤锅炉特性82.2.1锅炉型号82.2.2锅炉燃煤煤质分析92.3炉膛模型102.3.1炉膛整体模型的选择1023.2炉膛燃烧器及燃尽风口的分布102.3.3炉膛模

11、型的网格化112.4数学模型及计算方法132.4.1数学及儿何模型132.4.2计算区域132.5FLUENT计算步骤13华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）3.炉膛内燃烧过程模拟结果与分析153.1炉膛内的流场153.1.1燃烧器横剖面的速度场153.1.2燃尽风口横剖面的速度场163.1.3炉膛纵剖面的速度场173.2炉膛内的温度场183.2.1燃烧器横剖面的温度场183.2.2燃尽风口横剖面的温度场193.2.3炉膛纵剖面的温度场203.3燃尽风速对炉内燃烧特性的彫响213.3.1燃尽风速对炉内混合特性的影响213.3.2燃尽风速对炉内温度场的影响26结论28参考文献29致谢31华北

12、电力大7科技学院木科毕业设计（论文）1绪论1.1课题背景能源是国民经济重要的物质基础，也是人类赖以生存的基本条件，电力匸业是能源匸 业的重要组成部分。中国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭提供了一次能源的75%,在可 预见的几十年内煤炭仍是中国主要的一次能源。工业锅炉排放大量烟尘以及SOx和NOx等污 染物，成为我国大气主要煤烟型污染源之一。作为以煤为主要能源的国家，提高燃烧效率, 从而降低燃煤所产生的污染物，是为国家节能的有效途径。发展高效率、低污染的煤洁净 燃烧技术成为了锅炉发展的方向。电力市场需求量在不断扩增，煤炭消耗最随之增加。我 国的煤炭利用水平还很低，由于燃烧技术及燃烧设备还比较落后，

13、导致能源的浪费，电厂 的效益降低。因此研究如何预测流场和温度场的趋势來对锅炉的安装使用和改造利用，是 一个值得重点考虑的问题。直接在锅炉上应用显然不切实际，数值模拟可以形象地再现流 动情景.建立起一个模拟真实锅炉燃烧的过程，不仅节省了人力、物力、资金，而且准确 度和效率很高，这对于对锅炉运行的可行性分析来说是一件很有意义的事。1.2燃烧过程数值模拟发展概况二十世纪六十年代后期，Spalding首先在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解。 七十年代是模型的发展与完善阶段。其中包括Spalding的湍流燃烧模型，还有Gibson的化 学动力学模型和Grow的气固两相流模型的提出。八十年代模型开始应

14、用于炉内模拟，各 种模型和计算方法进一步完善。九十年代至今随着计算机技术与应用的进一步发展，模拟 开始转向更具实际应用价值的炉内燃烧、污染物、结渣及碳黑的生成模拟。总体来说， 炉内燃烧过程数值模拟逐渐走向成熟。1.3燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟研究现状由于炉内燃烧过程非常复杂，其过程受流动（包括湍流）、传热传质和化学反应的控制。 它涉及到三维的非稳态、多相、多组分，热量的传递等。其中热量的传递过程乂包括对流 换热、辐射换热、热传导，而涉及到相关的化学反应又包括气相燃烧、颗粒相燃烧两部分 。用软件完全对锅炉燃烧过程进行数值模拟是不现实的，所以要做一定的简化处理，从 而突出主要物质的重要过程。经过世

15、界各国的诸多学科的专家、学者长期的研究与探索, 根据实验事实，对过程作出合理的假设，构造出了各种不同模型。这些模型在模拟精度、 计算最、合理性和经济性上都具有各自的特点，以适用于不同的情况。由于计算机模拟 技术具有很多优点，在工程实践中得到越來越广泛的应用。FLUENT是流体力学软件中相 对成熟和运用最为广泛的软件之一，所以本文选定FLUENT作为锅炉燃烧过程数值模拟的 软件。1华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1.4 FLUENT 软件1.4.1简介FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的计算流体力学软件，可计算涉 及流体、热传递以及化学反应等工程问题。FLUENT软

16、件适用于各种复杂外形的可压和不 可压流动计算。FLUENT软件采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，可以达到最 佳的收敛速度和求解精度。它在转按与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋 转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。1.4.2优点1）适用面广包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型（包括口然对流、定常和 非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可圧缩流动，周期流，旋转流及时间相 关流等）：辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应 流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐 式差分格式进行

17、选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。2）高效省时FLUENT将不同领域的计算软件组合起來，成为CFD计算机软件群，软件之间 可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在 计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智 慧用于物理问题本身的探索上。3）污染物生成模型包括NOx和ROx（烟尘）生成模型。其中NOx模型能够模拟热力型、快速型、燃料型 及由于燃烧系统里回燃导致的NOx的消耗。而ROx的生成是通过使用两个经验模型进行 近似模拟，且只使用于紊流。1.4.3局限性由于FLUENT软件儿乎适用于所有数值计算问题，其内置的模

18、型具有一定的通用性。 所以对于一些特殊的和比较专业的问题，用其H带的模型己经不适用。比如煤粉燃烧模型, 它所需计算的对流扩散方程很多1（b121，采用FLUENT f|带的燃烧模型、颗粒运动模型等 所计算出的结果与实际有较大的出入。这是需要考虑的问题，为了解决这个问题，必须深 入分析FLUENT软件处理煤粉燃烧的机理，并在此基础上通过用户白定义函数（即User Defined Function,简称UDF）进行二次开发，深入研究煤粉燃烧模型中颗粒跟踪数计算的 方法、过程之间的切换、过程与规则之间的关系、颗粒生命周期内和多调用白定义规则的 数目及过程规则的调用机理。根据实际工况以及实验数据，重新

19、编写部分计算程并和燃烧 华北电力大7科技学院木科毕业设计（论文）模型【呵，本文只对炉膛燃烧做简单模拟，因此选择FLUENT R带模型即可，在这里不去深 入研究用户自定义函数，只做简单介绍。1.5燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟简介1.5.1气相湍流流动模型锅炉炉内的气流流动几乎全部都是湍流流动，所有物理量都是空间和时间的随机变量, 但炉内气相流动仍遵循连续介质的一般运动规律，并具有一定规律的统计学特征。流场中 任意空间点上的流动参数都满足粘性流体流动的纳维斯托克斯（N-S）方程组，因此可用 瞬时参数的连续方程、动最方程和能最方程表示同。方程组虽为封闭的方程组，但由于其 具有高度的非线性，目

20、前科学技术的发展水平还得不出理论解，故只能采用数值模拟的方 法进行求解。1.5.2气固两相流动模型燃煤锅炉炉内的燃烧过程涉及到煤粉颗粒和燃烧产物气体的两相流动，煤粉的运动和 弥散对炉内燃烧反应的影响很大，因此为了正确预测燃烧过程，必须对气固两相流动有正 确的描述。研究气固两相流动基本上有两种不同的方法，一类是把气体与颗粒都看成共同 存在且相互渗透的连续介质（即把颗粒当作拟流体），都在欧拉坐标系内加以描述，常用 的数学模型有单流体模型（无滑移模型）、小滑移模型、双流体模型（多流体模型或多连 续介质模型）；另一类是把气体当作连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，而将颗粒视为 离散体系，在拉氏坐标系内加

21、以描述，常用的数学模型为颗粒轨道模型O锅炉中的煤粉 颗粒的运动轨迹用拉格朗11法进行模拟。颗粒的分散是由于气体湍流模拟采用的随机追踪 模型，这种模型考虑了气体瞬间速率的变化对颗粒轨迹的影响。在流体流动中，每迭代25 步，就认为气体和煤粉间相互影响一次。离散坐标（DO）辐射模型被用來模拟辐射传热。 气体吸收系数用WSGGM模型进行计算1.5.3辐射换热模型对于大型电站锅炉高温炉膛，辐射换热是最为重要的换热方式，因此需要对炉内辐射 传热过程进行尽可能合理准确的计算。但由于辎射换热的求解十分复杂、困难，很难根据 辐射传递方程求出解析解，因此在解决辐射换热问题时，一般要做一定的简化处理，形成 不同的简

22、化模型，然后选取适当的数值方法进行求解。目前针对不同的适用条件，已发展 了很多辐射换热计算模型，主要用于模拟炉内传热过程的辐射换热模型闾。分别是离散换 热辐射模型（DTRM）、P-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射（S2S）模型和离 散坐标（DO）辐射模型。炉膛内的温度很高，炉内高温火焰和水冷壁之间的传热以辐射换热为主，占总换热最 的90%左右。辐射传输方程求解的精确度大大取决于对燃烧产物气体和煤粉颗粒、灰粒、 烟煤的辐射性质精确了解。因为通常液滴迅速蒸发，对辐射传热不会影响很大，而燃烧的 气体产物的影响则集中在很窄的离散波段中。由于颗粒在整个光谱中连续的发射、吸收、 散射能量，

23、因此颗粒的辐射强度占主导地位呦。FLUENT中可以用5种模型计算辐射换热问题。可以计算的问题包括火焰辐射，表面辐 射加热或冷却，辐射、对流和热传导的耦合换热问题，空调、通风设备中通过窗口的辐射 换热，汽午车厢内的热交换分析，玻璃加工、玻璃纤维拉丝和陶瓷加工过程中的辐射换热 等等。辐射换热是高温换热的主要机制，因此在计算高温换热问题时应该采用辐射换热模 型。A. DTRM模型DTRM模型的优点是比较简单，通过增加射线数量就可以提高计算精度，同时还可以 用于很宽的光学厚度范围。其局限包扌亞1）DTRM模型假设所有表面都是漫射表面，即所有入射的辐射射线没有固定的反射 角，而是均匀地反射到各个方向。2

24、）计算中没有考虑辐射的散射效应。3）计算中假定辐射是灰体辐射。4）如果采用大星射线进行计算的话，会给CPU增加很大的负担。B. P-1模型相对于DTRM模型，P-1模型有一定的优点。对于P-1模型，辐射换热方程（RTE）是一 个容易求解的扩散方程，同时模型中包含了散射效应。在燃烧等光学厚度很大的计算问题 中，P-1的计算效果都比较好。P-1模型还可以在采用曲线坐标系的情况下计算复杂儿何形 状的问题。P-1模型的局限如下：1）PT模型也假设所有表面都是漫射表面。2）P-1模型计算中采用灰体假设。3）如果光学厚度比较小，同时几何形状乂比较复杂的话，则计算精度会受到影响。4）在计算局部热源问题时，P

25、-1模型计算的辐射热流通量容易出现偏高的现象。C. Ros sei and 模型同P-1模型相比，Rossland模型的优点是不用象P-1模型那样计算额外的输运方程， 因此Ros sei and模型计算速丿空更快，需要的内存更少。Ros sei and模型的缺点是仅能用" 光学厚度大于3的问题，同时计算中只能采用分离求解器进行计算。D. DO模型DO模型是适用范围最大的模型一一它可以计算所有光学厚度的辐射问题，并且计算范 围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的介入辐射在内的齐种辐射问题。 DO模型采用灰带模型进行计算，因此既可以计算灰体辐射，也可以计算非灰体辐射。如果

26、网格划分不过分精细的话，计算中所占用的系统资源也不大，因此成为辐射计算中被经常 5华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）使用的一个模型。E. 表而辐射(S2S)模型S2S模型适用于计算没有介入辐射介质的封闭空间内的辐射换热计算，比如太阳能集 热器、辐射式加热器和汽车机箱内的冷却过程等。同DTRM和DO模型相比，虽然视角因数 (view factor)的计算需要占用较多的CPU时间，S2S模型在每个迭代步中的计算速度 都很快。S2S模型的局限如下：1) S2S模型假定所有表面都是漫射表而。2) S2S模型采用灰体辐射模型进行计算。3) 内存等系统资源的需求随辐射表面的增加而激增。计算中可以将辐

27、射表面组成集 群的方式减少内存资源的占用。4) S2S模型不能计算介入辐射问题。5) S2S模型不能用于带有周期性边界条件或对称性边界条件的计算。6) S2S模型不能用于二维轴对称问题的计算。7) S2S模型不能用于多重封闭区域的辐射计算，只能用于单一封闭儿何形状的计算。1.5.4弥散相模型FLUENT用弥散相模型计算散布在流场中的粒子的运动和轨迹，例如在油气混合汽中, 空气是连续相，而散布在空气中的细小的油滴则是弥散相。连续相的计算可以用求解流场 控制方程的方式完成，而弥散相的运动和轨迹则需要用弥散相模型进行计算。弥散相模型 实际上是连续相和弥散相物质相互作用的模型。在带有弥散相模型的计算过

28、程中，通常是 先计算连续相流场，再用流场变量通过弥散相模型计算弥散相粒子受到的作用力，并确定 其运动轨迹。弥散相计算是在拉恪朗口观点下进行的，即在计算过程中是以单个粒子为对象进行计 算的，而不象连续相计算那样是在欧拉观点下，以空间点为对象。比如在油气混合汽的计 算中，作为连续相的空气，其计算结果是以空间点上的圧强、温度、密度等变量分布为表 现形式的，而作为弥散相的油滴，却是以某个油滴的受力、速度、轨迹作为表现形式的。FLUENT在计算弥散相模型时可以计算的内容包括：1) 弥散相轨迹计算，可以考虑的因素包扌舌弥散相惯性、气动阻力、重力，可以计算 定常和非定常流动。2) 可以考虑湍流对弥散相运动的

29、干扰作用。3) 计算中可以考虑弥散相的加热和冷却。4) 计算中可以考虑液态弥散相粒子的蒸发和沸腾过程。5) 可以计算燃烧的弥散相粒子运动，包括气化过程和煤粉燃烧过程。6) 计算中既可以将连续相与弥散相计算相互耦合，也可以分别计算。7) 可以考虑液滴的破裂和聚合过程。8）因为弥散相模型计算中可以包括上述物理过程，所以可以计算的实际问题也非常 广泛。弥散相模型的使用限制：在粒子的体积密度小于1012%时可以使用弥散相模型进 行计算。需要注意的是，体枳密度小于1012%时，粒子的质量密度可能远远大于这个比 例，其至大于连续相的质最密度。弥散相模型适用于计算有出口和入口的流动问题，即适 用于弥散相粒子

30、不是长时间地停留在计算域内，而是从入口处飞入，再从出口处飞出的问 题。另外弥散相模型不能与质屋流入口或压强降低条件配合使用，不能与适应性时间推进 同时使用，同时弥散相模型中的粒子与连续相之间没有化学反应。在弥散相粒子是从一个 表面进入流场时，不能使用动网格技术，因为弥散相粒子所在半面不能随动网格一起移动。 1.5.5煤粉燃烧模型煤粉进入炉膛后将经历复杂的过程，主要包括煤粉预热析出水分，同时不断热解析出 挥发分，挥发分析出后剩余被称之为焦炭的固体；挥发分将在焦炭颗粒外用空间燃烧，形 成气相湍流燃烧火焰，而焦炭将与气相氧化剂在颗粒表面发生异相燃烧反应。焦炭燃烧在 煤粉的燃烧过程中起着主导作用，但挥

31、发分对煤的着火及焦炭的燃烧具有举足轻重的作用, 不可忽视。因此，煤粉燃烧模型主要是挥发分热解模型、气相湍流燃烧模型及焦炭燃烧模 型叭非预混燃烧计算使用的化学反应模型包括火焰层近似（flame sheet approximation） > 平衡流计算和层流火苗（flamelet）模型三种模型。火焰层近似模型假设燃料和氧化剂在相 遇后立刻燃烧完毕，即反应速度为无穷大，其好处是计算速度快，缺点是计算误差较大， 特别是对于局部热量的计算可能超过实际值。平衡流计算是用吉布斯自由能极小化的方法 求解组元浓度场，这种方法的好处是既避免了求解有限速率化学反应模型，同时乂能够比 较精确地获得组元浓度场。层

32、流火苗模型则将湍流火焰燃烧看作山多个层流区装配而成， 而在各层流子区中可以采用真实反应模型，从而大大提离计算精度。非预混燃烧计算中湍 流计算采用的是时均化NS方程，湍流与化学反应的相干过程用概率密度函数（PDF）逼近。 计算过程中组元的化学性质用FLUENT提供的预处理程序prePDF进行计算处理。计算中采 用的化学反应模型可以是前面所述三种模型中的一种。1.6本文主要研究内容本文的最终目标是对燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场进行数值模拟。主要完成以下儿 个步骤：1）确定研究对象，即选择耍研究的锅炉类型并去确定其基本信息（锅炉型号、基本 尺寸、燃煤种类等）。2）用FLUENT前置网格处理软件GAM

33、BIT画出锅炉炉膛的物理模型，并且选择合理 的方法对其进行网格划分，设置各边界条件后将网格化好的模型保存。3）启动FLUENT软件，导入GAMBIT软件中做好的模型，对其进行检査。确认网格 划分合理后对网格进行优化处理。选择合适的求解方法和模型，并输入需要的计算数据。 然后进行迭代计算，并通过图像及残差判断数据的收敛性。4）对计算结果进行优化，倘若出现较大偏差则需要寻找问题，例如网格划分不合理、 计算模型选择错误、数据输入错误等。需要重新调整计算，直至得到比较符合实际的结果。5）对结果进行处理，并且展示计算结果及图像。6）改变燃尽风口风速大小，研究燃尽风速对炉内混合特性和对炉内温度场的影响，

34、并且总结出结论。7华北电力大7科技学院木科毕业设计（论文）2模型建立及计算2.1燃煤锅炉原理2.1.1电厂锅炉工作原理电厂锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具 有足够数量和一定质量（汽温和汽压）的过热蒸汽，以供汽轮机使用。燃烧过程是激烈的高速化学反应过程，同时放出热和光。燃烧反应过程是在很复杂的 条件下，与一系列过程有关，例如湍流流动过程、辐射传热过程、扩散过程等，它们同时 进行着并且互相影响。对于气体燃烧过程，燃料与氧化剂均处于同一种状态，称之为均相 燃烧。固体颗粒和液滴燃烧，燃料与氧化剂处于不同物态，称之为异相燃烧切。目前火电厂的特点是锅炉容最大、参数高、

35、技术复杂、机械化和白动化水半高，燃料 主要是煤，并且煤在燃烧之前需先制成煤粉，然后送入锅炉在炉膛中燃烧放热。锅炉的主 要工作就燃料的燃烧、热量的传递、水的加热与汽化和蒸汽的过热等过程。2.1.2电厂锅炉发展概况大型超临界机组自20世纪50年代在美国和徳国开始投入商业运行，今天超临界机组己 大量投运，并取得了良好的运行业绩，同时，超超临界机组又是不断发展的技术丽。口前我国电站煤粉锅炉基本采用四角布置切圆燃烧方式、W型火焰燃烧方式和曲后墙 布置对冲燃烧方式。四角切向燃烧锅炉由于其燃料的适应性及风粉混合均匀等特点决定其 是我国电站应用最广、最成熟的燃烧方式，应用的锅炉容量从小到大不等。使用从优度煤

36、到劣质煤几乎所有的煤种。在我国，这种锅炉占机姐总容量的80%左右创。2.2燃煤锅炉特性2. 2.1锅炉型号本文选择东方锅炉厂的一款600MW超临界火电机组锅炉作为研究对象，其型号和尺寸 如下：表2-1 DG1900/25.4TI1型锅炉型号名称单位数据锅炉深度（从K1排柱中心至K5排柱中心）Mm44500锅炉宽度（外排柱中心距）Mm44000大板梁高度Mm82800炉膛宽度Mm19419.2炉膛深度Mm15456. 2顶棚拐点标高Mm72800水平烟道深Mm5486. 4尾部竖井前烟道深Mm6604尾部竖井后烟道深Mm8331. 2水冷壁下集箱标高Mm5800超临界参数变压直流本生型锅炉，一次

37、再热，单炉膛，尾部双烟道结构，采用挡板调 节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天如置。锅炉主要参数如 下：表2-2锅炉主要参数名称单位BMCRECRBRL过热蒸汽流量t/h19001660. 81807. 9过热器出II蒸汽压力MPa (g)25.425. 125. 3过热器出II蒸汽温度c571571571再热蒸汽流量t/h1607. 61414. 11525.5再热器进II蒸汽压力MPa (g)4.714. 154. 47再热器出II蒸汽压力MPa (g)4.523. 984.29再热器进II蒸汽温度C322307316再热器出II蒸汽温度C569569569省煤器进I

38、I给水温度C2842752802. 2. 2锅炉燃煤煤质分析燃用晋南、晋东南地区贫煤、烟煤的混合煤种。其煤质分析如下:表23锅炉用煤煤质分析项目单位设计煤种校核煤种校核煤种工业分析收到基地为发 热值KJ/Kg243602310026290收到基全水分%5.886. 293.53收到基灰分%22. 2221. 9219. 34可燃基挥发分%14.4420. 1510. 84空气干燥基水 分%0.510. 731.38元素分析收到基碳%64. 2561. 7071.08收到基氢%3.553.412. 71收到基氧%2. 625. 051.81收到基氮%1. 151. 191.05收到基全硫%0.3

39、30. 440. 48可磨性系数717360灰分Si02%44.9841. 1045.55AL0,%36. 2933. 8635.41%4.074. 124. 65CaO%6. 606. 736. 10Ti02%1.972. 720.21K.O%0. 201. 281. 12Na,0%0.530. 550.44MgO%1. 192. 191.96SO,%3.335. 263.05PA%0. 191. 330. 15其他%0. 650. 861.362. 3炉膛模型2. 3. 1炉膛整体模型的选择本文研究的是燃煤锅炉炉内燃烧过程及污染物生成的数值模拟，主要针对的是燃烧过 程，而燃烧主要发生在锅炉

40、炉膛内，所以本文只选择炉膛作为研究对象。炉膛宽为 19419. 2mm，深度为15456.8mm,高度为67000mm,整个炉膛四周为全焊式膜式水冷壁，炉 膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两个不同的结构组成，两者间由过渡 水冷壁转换连接，炉膛角部为R150mm圆弧过渡结构。炉膛冷灰斗的倾斜角度为55°，除渣 口的喉口宽度为1243. 2mmo由丁用FLUENT进行三维模拟比较复杂，模拟计算也相对较慢， 为了节省时间，需要适当的对模型进行简化。选择物理模型是整个炉膛，炉膛部分仅考虑 燃烧器以及燃尽风口的布置，其他部分（如再热器、过热器、水冷壁等）均不画入模型。 简化之后设

41、计出來的模型不仅大大减少了计算量，而且基本符合模拟要求。2.3.2炉膛燃烧器及燃尽风口的分布此锅炉采用前后墙对冲燃烧方式。24只HTNR3燃烧器前后对冲分三层布置在炉膛前 后墙上，沿炉膛宽度方向热负荷及烟气温度分布更均匀。燃烧器一次风喷口中心线的层 间距离为4957. 1mm,同层燃烧器之间的水平距离为3657. 6mm,上一次风喷口中心线距屏底 距离为27322.3mm,下一次风喷口屮心线距冷灰斗拐点距离为2397. 7mmo最外侧燃烧器与 侧墙距离为4223. 2mm,能够避免侧墙结渣及发生高温腐蚀。燃烧器上部布置自燃尽风（0FA）风口，12只燃尽风风口分别布置在前后墙上。中间4 只燃尽风

42、风口距最上层一次风中心线距离为7004. 6mmo两侧靠前后墙2只燃尽风风口距最 13华北电力大*7：科技学院木科毕业设计（论文）上层一次风中心线距离为4272. 3mmo在HT-NR3燃烧器中，燃烧的空气被分为三股，它们是：直流一次风、直流二次风和旋 流三次风。一次风由一次风机提供。一次风管内靠近炉膛端部布置有一个锥形煤粉浓缩器。 燃烧器风箱为每个HT-NR3燃烧器提供二次风和三次风。每个燃烧器设有一个风量均衡挡板, 该挡板的调节杆穿过燃烧器面板，能够在燃烧器和风箱外方便地对该挡板的位置进行调整。 三次风旋流装置设计成可调节的型式，并设有执行器，可实现程控调节。调整旋流装置的 调节导轴即可调

43、节三次风的旋流强度。燃尽风风口包含两股独立的气流：中央部位为非旋 转的气流，它直接穿透进入炉膛中心；外圈气流是旋转气流，用于和靠近炉膛水冷壁的上 升烟气进行混合。本文设计中，一次风携带煤粉以弥散相模型的形式进入炉膛内部。对于 二次风可以再定义边界条件是设置其入射速度、角度以及温度等问题。至于三次风，由于 是旋流，而且几何模型建立时为了方便计算不考虑燃烧器的儿何模型，因此对三次风模拟 起來不是很方便，因此只能对三次风进行简化，使其与二次风合并，一同从燃烧器入口进 入炉膛内。2. 3. 3炉膛模型的网格化如图2-1、2-2所示，由于整个炉膛结构稍显复杂，上部有折焰角，下部有冷灰斗。因 此将炉膛划分

44、为三个部分，分别是冷灰斗、炉膛主体、折焰角周围部分。由于冷灰斗与折 焰角周恫部分不是燃烧主体区域，所以对这两个部分网格划分要求可以适当降低，一般用 默认的方式划分即可，并且为了减少计算负担可以将网格设置的稍微疏一些。对于炉膛主 体区域，分割后此区域为长方体，结构相对來说比较简单，可以直接用八面体网格进行划 分，但是需要注意因此部分为燃烧发生的区域，因此是重点研究对象，可以根据需要适当 的加大网格密度。由于燃烧器与燃尽风口是物质的进口，所以可以的话需要对其进行更为 细致的网格划分。山于时间问题，并且考虑到三维模拟计算的复杂性，故刘炉膛进行简单 合理的网格划分，总共划分723619个网格。完成对炉

45、膛物理模型的网格划分后，要设置燃烧器、燃尽风口、烟气出口和冷灰斗出 口的边界条件。24个燃烧器入口以及12个燃尽风口所在的面定义为速度入口，将烟气出口 和冷灰斗出口定义为一般出口，其他面默认为壁面。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）XGM/犷 3ver4URdT5阳 E> C kreo 08Operationr®-劄i翌iGeometryS uLlS 0| 恕IGlobal CoatrolActive fB 1 已 1 田 I ES I A 1TrontcrptComBnd> viMdov Mdlty hid*GPAFH1CS

46、 WIKDCW- LOWER LEF-? QUA DRAM r图2J炉膛模型网格划分三维视图DescriptionXGAMWT_ iUXKT V6 100 kee E “ Edit Solv«r HI qOperation®養|鶴I砧ijCtometry寻|戶|日|目|總;|图2-2炉膛模型网格划分直观图华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）2.4数学模型及计算方法2.4.1数学及几何模型本文数值模拟采用三维稳态计算，气相湍流流动的模拟采用可实现的k吒模型，方程 组的通式为删：div(pv0) = div(r V0)+ S©(1)式中:0为通用因变暈：甲为输运系

47、数；S©为源项；p为气流密度；v为速度矢量。采用非预混燃烧模型，用标准k£紊流模型模拟炉内三维湍流运输：炉内采用P1辐射 模型计算辐射传热；采用混合分数概率密度函数(probability density function, PDF)法模 拟气相燃烧模型：对煤粉挥发分的释放采用了双匹配速率模型：对固体颗粒相的求解则采 用随机的颗粒轨道模型。本文为了提高计算稳定性及加快收敛速度，在计算中对初始速度场的给定采用了一维 流动的处理方法，在PDF中编制了一个简短的子程庠，根据质量连续,给出全场速度初值。 这样的话，进口条件一开始就可按实际情况给出，既保证了计算的稳定性，提高了计算的

48、 收敛速度，乂免去了人工为全场赋初值的工作，提高了程序的通用性。流场的计算受质最 连续的限制，一般在迭代计算过程中，中间速度都不能很好地满足连续性方程。若出口边 界条件仅用导数为零的话，就会造成迭代过程中进入炉内的质量与流出的质屋不相等，极 易引起迭代的发散，从而达不到预期结果。对出口边界采用速度导数为零条件的同时，对 出口边界进行了质量连续性校正。此外，还对炉膛中若干横截面进行了质量连续校正，取 得了良好的收敛效果。2.4.2计算区域守恒方程采用控制容积法，对于离散方程组的斥力和速度采用SIMPLEC算法求解， 收敛标准各项均小106o为了简化计算，选取炉膛下部的冷灰斗到炉膛上部的折焰角之

49、间的区域作为计算区域，采用非结构化的六面体网格，网格划分如图24、图2-2所示，共 划分723619个网格。对三维炉膛的实践表明，在用FLUENT软件进行迭代计算的时候，选择SIMPLEC算 法比SIMPLE算法收敛快得多，SIMPLEC松弛因子可取得更大，所以对气相流场采用非错 列网格的SIMPLEC方法來求解更合适。2. 5 FLUENT计算步骤1) 打开FLUENT软件，导入GAMBIT软件生成的网格文件。检査网格，只要观察 niiiiiniuiii volume保证此项必须大丁零，方可进行下一步，否则需重新用GAMBIT划分网格。2) 对网格进行优化处理，并调整计算单位。3) 定义求解

50、方法，打开能最方程，选择标准k吒湍流模型，辐射采用P1辐射模型，燃烧 采用非预混燃烧模型并配合用弥散相模拟。在弥散相模型中可以设置燃烧器的进粉星和速 度等条件。4）定义材料和边界条件类型，再此可以设置燃烧器进风的速度方向和进风的温度等5）选择计算方法，对数据进行初始化，选择好模拟的监视器，最后选择迭代次数然后 开始迭代计算。计算收敛后即可停止计算。6）建立模型的观察面，显示模拟图像。图3-2中层燃烧器剖面速度场#华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）3炉膛内燃烧过程模拟结果与分析3.1炉膛内的流场3.1.1燃烧器横剖面的速度场锅炉炉膛每层分布8个燃烧器，三层燃烧器的横剖而速度场的分布规律大体

51、上一致。 图中燃烧器出口处速率最大，最大达到50m/s,越往炉膛中心方向速度逐渐降低，域低速 率范围是0 in/s到3. 8m/so且由炉膛四周向中心速度也呈现降低的趋势。?28e*015.89e*015.5W*O15 7心015 3teO1<9«e<014«te*014 21g*O1383e*O13.4W33 06e*012 30e*011 9le*011 53eOl1 15e*01 ?66e*00 3.8 如 00 D0te*00Contours of Velocity Magnitude (m/s)May 29. 2013FLUENT 6 3 (3d, p

52、bns, pdf20 ske)图3-1上层燃烧器剖面速度场a autNT ra h7«Je<0l1 28e*01 6.8&e*0l 6.51e*0l6 l3e*01 5 74e*O1 5 36e*01 4 9501 4 60*01 4 2W*O1 3 «3e01 3 45e«O1 3 0te*01 2.6H2 30*01 1 91e*01 1 5 如 0 1 15e*017 66G*003 83e*00 00e*00Contours of Velocity Magnitude (m/s)May 29. 2013FLUENT 6.3 (3d. pbns

53、, pdf20. ske)图3-2中层燃烧器剖面速度场15华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）图3-2中层燃烧器剖面速度场#华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）7.66e*01 卩28©01 5 899*01 S 510*01 B 13©*01 5 74e*01 5 36©»01 IMe>01 4 6<toW1 4 2W<01 3 83b>01 330, 3O6g*O1 2 68e)1 2 3CteW1 19ie*oi 153e*01 1 15e*01 F66e*00 383e*OO OOOeOOContours of V

54、elocity Magnitude (m/$)May 29, 2013FLUENT S3 f3d一 obns odf?0 ski图33卞层燃烧器剖面速度场3.1.2燃尽风口横剖面的速度场观察图3-4、3-5,图中可以清晰地看到各个燃尽风入口风速最大，达到35m/so上层燃 尽风II剖面炉膛中心风速为3. 8m/s到7. 6m/s,下层燃尽风11剖面炉膛中心风速为Om/s到 3.8m/so并且速度由燃尽风口向炉膛中心呈逐渐降低的趋势，并且平面整体速度明显低丁 燃烧器的出口。7 66e*0l 7?8e*0i 0 89q*01 0.51q*016 l3e*015 74e<01S36e*014

55、98014 00e*014 21e*013 83G*013 45e*O1 3O6e*O12 6fle*012 30e<011 910*011-53©*011 301 7««©*003 83eOO 0 0(te*00Contours of Velocity Magnitude (m/$)May 29. 2013FLUENT 6 3 (3d pbns. pdf20. ske)图3-4上层燃尽风【I剖面速度场图3-2中层燃烧器剖面速度场17华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）7««g*01 7280*01 0.89g*01 6.51x36 13e*01 5 74e*O1 S36e*O1 4 969*01 4 60e*01 4 2le*01 3 83e*O1 345o01 3 06e*01 2.3012 30e*01 1 91e*01 1 530*01 1 15e*017 66g*003 83e*00 0 00e*00Contours of Vetocity Magnitude (m/s)Ma