燃煤锅炉炉膛燃烧过程数值模拟研究概况_图文

1、化工装备0引言锅炉是经济发展时代不可缺少的商品。 目前, 全国在用工业锅炉有50多万台, 其中燃煤锅炉约 48万台,占工业锅炉总容量的 85%左右,每年消 耗原煤约 4亿吨。中国是世界上少数以煤为主要能源的国家之 一,能源消费结构中煤炭占比接近 70%。随着工 业的飞速发展, 煤炭生产和使用的增长速度仍将 继续加大, 然而煤炭燃烧过程产生的二氧化碳、 二 氧化硫、氮氧化物、烟尘等却带来了严重的环境 污染。因此发展高效率、低污染的煤洁净燃烧技 术成为锅炉发展的方向。1数值模拟概念数值模拟是基于一系列的假设,对实际情况 进行简化建立正确完善的数学模型及相应的定解 条件,通过高效率、高准确度的计算方

2、法得到满 足精度要求的近似解。在计算工作完成后,大量 数据只能通过图像形象地显示出来。 因此数值的 图像显示也是一项十分重要的工作。 目前人们已 能把图作得像相片一样逼真。 利用录像机或电影 放映机可以显示动态过程, 模拟的水平越来越高, 越来越逼真。2数值模拟的意义长期以来,人们对煤粉锅炉的研究,主要途 径是试验研究。试验研究花费大、周期长,湍动 能、 湍动能耗散率等湍流特性参数以及火焰温度、 烟气成分等燃烧参数试验难以测量 (即使采用一 些手段如热电偶等实现测量, 也有可能由于测量 装置对炉内流动状况的破坏而造成测量误差较 大 , 而且测量的结果不宜外推。 在目前的实验条 件下, 要全面地

3、反映整个设备内的三维流动与燃 烧情况有很大的难度。因此,随着计算机技术与 算法理论本身的发展, 计算机仿真作为试验研究 的有力补充, 已经成为流动和燃烧领域科学研究 的重要工具。 一方面仿真结果可以指导试验工况 的安排,反过来,一些试验数据可以验证或修正 仿真模型, 实现对试验数据更高层次的整理和提 升。3燃烧数值模拟技术发展历程六十年代后期, 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用 于炉内模拟

4、, 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 1。 炉内燃烧过程数 值模拟走向成熟, 并与实验数据进行比较。 4炉内燃烧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又包括对流换热、 辐射换热、燃煤锅炉炉膛燃烧过程数值模拟研究概况潘国瑜段滋华 (太原理工大学, 太原030024摘 要 :介绍数值模拟的意义, 燃烧数值模拟的发展历程, 炉内燃烧数值模拟的

5、各种模型、 研究现 状及发展趋势。关键词:数值模拟 燃烧模型 煤粉锅炉技术应用与发展-11-化工装备热传导, 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 2。 完全按照实际燃烧过程 进行模拟是不可能的,也是不现实的。为模拟计 算这一过程,必须对其进行简化处理。经过世界 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、 计算量、 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 3。 与此同时, 结合各种模型的优势推 出各种大型模拟软件,如 FLUENT、CFX、STAR-CD 等。其中 F

6、LUENT 软件在燃烧过程的数值模拟 中应用最为广泛。目前研究多相流的方法有欧拉 -拉格朗日法 和欧拉-欧拉法。欧拉-拉格朗日法中, 流体作为连续介质, 而把 颗粒群作为离散体系。 欧拉-欧拉法既把流体作为连 续介质, 还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。 煤粉燃烧过程是典型的湍流气固两相流动和 燃烧过程 3。 一般采用欧拉-拉格朗日法。 流体相 被处理为连续相, 直接求解时均纳维-斯托克斯方 程, 而离散相是通过计算流场中大量的粒子运动 得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量 和能量的交换。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, 占总换热量的90%图 1湍流方法

7、分类图技术应用与发展-12- 化工装备由于煤的组成及结构复杂,煤粉颗粒在一定 条件下发生的反应分为几步 :首先是水分蒸发 ; 接 着煤被高温加热;发生热解反应;产生挥发分和 焦炭;然后是挥发分的气相氧化反应和焦炭与氧 化剂的非均相反应。单步反应模型模型,还有双方程模型及多方 程模型。燃烧过程受到焦炭的碎裂、 内孔扩散、 表面 积、温度及压力的变化等这些不确定性因素的 影响。主要有以下几类:纯扩散燃烧模型、扩散一动力控制的焦炭燃 烧模型、具有容积反应的焦炭燃烧模型、考虑覆 盖层影响的焦炭燃烧模型、 考虑内孔效应的焦炭 燃烧模型。炉内气体,包括煤粉热解和非均相反应而 释放出来的气相产物, 在高温下

8、要以气相燃烧。 这一过程受到化学反应动力学和湍流脉动的共 同作用。气相燃烧过程的模拟, 有针对扩散火焰的k g 模型,也有针对预混火焰的漩涡破碎模型 (EBU,切拉滑膜型等。4.2国内外炉内数值模拟研究现状当前国内使用的电站煤粉锅炉,80%是四角切 圆煤粉燃烧锅炉, 不到10%采用旋流燃烧锅炉 5。 四角切向燃烧锅炉有结构简单、 燃料的适应性强、 风粉混合均匀等特点, 在中国乃至全世界应用非 常广泛。旋流燃烧器锅炉是在我国引进较早,但 其结构比四角切向燃烧锅炉复杂得多, 因此旋流 燃烧器锅炉在国内应用相对较少。国内的很多高校和研究所都做了大量的相关 工作。包括浙江大学热能工程研究所、能源洁净

9、利用与环境工程教育部重点实验室、 西安交通大 学动力工程多相流国家重点实验室、 东南大学洁 净煤发电及燃烧技术教育重点实验室、 大连理工 大学、华北电力大学、中国科学院工程热物理研 究所等。 研究的内容主要是炉膛内流场特性研究, NOx 减排的研究及炉内结渣预防的研究。文献 1、 2、 5、 8对旋流燃烧器对冲布置燃煤锅炉 炉内流动、传热、燃烧和 NOx 生成过程进行数值 模拟研究,得出了炉内烟气温度场、速度场和燃 烧产物的组分浓度分布。 模拟结果与锅炉试验数 据进行了对比,两者吻合较好,表明所采用的数 学模型和计算方法适用于旋流燃烧锅炉的数值模 拟。 研究结果可以用来指导锅炉的优化设计和运

10、行调整。 文献 8还对不同二次风配风方式、 不同的 煤种、不同负荷工况进行了数值模拟,得出它们 对炉内整体温度、炉膛出口平均温度和速度、火 焰情况、 NOx的浓度等参数的影响。 为锅炉冷、 热 态性能试验的实施及设计提供了一种辅助手段, 并对旋流燃烧煤粉炉的炉内燃烧过程的优化配风、 变负荷运行以及 NOx 预测提供了重要而有意义的 参考依据。 文献 1还通过计算两个煤种的灰污层外 表面平均温度云, 并与煤灰的变形温度DT进行比 较, 对锅炉炉内水冷壁的沾污情况进行对比分析。 结果表明:这种判断炉内沾污情况的方法简便易 行,能够较为准确地判断结渣区域,对防止炉内 结渣、 提高锅炉效率和减少锅炉事

11、故有实用价值。 文献 3、4、6、7、9、10、11、12、14、16、17、18、19、20对四角 切向燃烧锅炉原始设计工况炉内流动、 传热及燃 烧过程进行了数值模拟, 通过对模拟结果的分析, 验证了本课题所建物理、 数学模型及数值方法的 技术应用与发展-13-化工装备合理性。 文献 3、 6、 7、 14、 16还对不同二次风配风方式、 二次风喷口面积、二次风偏转角度、过量空气系 数、 煤粉浓淡比以及不同负荷工况进行了数值模 拟,得出它们对炉内整体温度、炉膛出口平均温 度及速度、 火焰情况、 NOx 的浓度等参数的影响。 为锅炉冷、 热态性能试验的实施及设计提供了一 种辅助手段, 并对四角

12、切圆煤粉炉的炉内燃烧过 程的优化配风、煤粉气流浓淡配比、变负荷运行 以及 NOx 预测提供了重要而有意义的参考依据。 文献 4 还通过计算两个煤种的灰污层外表面平均 温度, 并与煤灰的变形温度DT 进行比较, 对锅炉 炉内水冷壁的沾污情况进行对比分析。 结果表明 :这种判断炉内沾污情况的方法简便易行, 可以较 为准确地判断结渣区域,对防止炉内结渣、提高 锅炉效率和减少锅炉事故有实用价值。 文献 10对 由空气分级燃烧改造成超细煤粉再燃燃烧, 对降 低 NOx 有无效果进行数值模拟。结果改造后与改 造前相比,NOx 排放降低了 18.8%。文献 13 通过对常规直流煤粉燃烧器、 水平浓 淡煤粉燃

13、烧器和等速型低 NOX燃烧器在 350MW 电站锅炉上的燃烧过程数值模拟表明:浓淡燃烧技术不改变锅炉炉内的传热特性,等速型低NO X燃烧器比水平浓淡燃烧器可降低 NOX排放。英国、美国、德国等国家对炉膛数值模拟较 早, 90年代初已经形成炉膛三维数值模拟的能力。 目前世界各国有很多专家致力炉膛数值模拟的研 究,并且开始走向实际应用。大型的冷态模型与 实测实验进行对照, 各种模型的进一步完善和发 展,模拟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等 4。文献 21介绍两重种最新的预混、 部分预混湍 流火焰的模拟方法。 一种是大涡模拟法 (LES 中 的FSD-PDF (Fl

14、ameSurfaceDensityProbability DensityFunction , 另一种是部分预混湍流火焰的 直接模拟方法。文献 22 对 500MW 四角切圆锅炉流动、燃烧、 传热、NOx 生成过程进行了研究。着重对空气分 级燃烧、二次风的配置、烟道气循环、燃料分级 燃烧(再燃烧等降 NOx 排放技术进行研究。 文献 23 采用一种新网格对 609MW 的四角切 圆锅炉炉内流动、传热、燃烧、NOx 排放情况进 行模拟,并与实验进行验证,得出模拟结果与实 验吻合,数值计算可行、可靠。文献 24 用 ANSYSCFX建立 CFDmodel,用 PROATESOff-Linesoftw

15、areofE.ONEngineering 建立一维boilermodel , 将两个模型结合起来对韩 国 Youngheung发电站单元 1和单元 2进行模拟, 对燃烧器、而次分配置、燃烧形式、煤粉混合等 对锅炉效率、燃烧效率、污染物生成的影响。这 个模型考虑到水管壁水循环系统一侧和炉膛一侧 的温度变化,并与实验数据对比,证实模型准确 可靠。文献 25对 600MW 的锅炉进行模拟,主要对 NOx 减排进行研究。5展望锅炉炉膛燃烧的数值模拟已经取得令人满意 的效果,但是燃烧过程非常复杂,仍有很多需要 进一步完善的地方:5.1数学模型需要进一步完善, 需要提出更 加精准的计算方法, 将数学上的最

16、新研究成果应 技术应用与发展-14-化工装备用于数值模拟中, 不断对比各种模型和计算方法 的优缺点,得到精度更高的结果。国内对燃烧数 值模拟相对较迟,对基础模型的研究很少,是我 们的薄弱环节。5.2炉内燃烧还受水动力循环的影响, 把炉 内燃烧与锅内的水循环耦合计算将得到更加准确 的结果。 国外目前已经在进行这方面的研究。 5.3近几年计算机软硬件飞速发展, 网格尤 其是燃烧器、 炉膛的边界层的网格将进一步细化, 数学模型和边界条件将更加贴近实际情况, 数值 解也将更加精确。参考文献2崔星源.超临界煤粉锅炉低NOx燃烧数值模拟.华北电力 大学(北京硕士论文.2006.4李彦臻.600MW 锅炉内

17、温度场的数值模拟及沾污情况判 断华北电力大学(保定硕士论文.2008.7臧丹丹.410t/h四角切圆锅炉分级燃烧技术降低NOx冷 态流动特性的试验研究及数值模拟.东南大学硕士学位论 文.2005.9赵立业,辛国华.600MW四角切圆燃烧锅炉炉内过程的数 值模拟 东北电力大学学报200848-52.10 贾艳艳,毕明树,柳智.四角切圆燃烧锅炉改造工况数值模 拟J.锅炉技术 .2008(9:43-48.11宋亚强,魏苏文.细粉再燃降低煤粉炉 NOX 排放的数值15 由长福,祁海鹰,徐旭常.采用不同湍流模型及差分格式对 四角切向燃烧煤粉锅炉内冷态流场的数值模拟.动力工 程.2001(4:1128-1

18、131.16范贤振,郭烈锦,高晖.200MW四角切向燃烧煤粉炉炉内 过程的数值拟J.西安交通大学学报,2002(3:241-245. 17 杨卫娟,周志军,刘茂省,秦岭,刘建忠,周俊虎,岑可法.锅 炉低 NOx 燃烧中的三次风运行优化J.浙江大学学报. 2008(7:1227-1230.23ChungenYin, S ébastienCaillat,Jean-LucHarion,Bernard Baudoin,EverestPerez.Investigationoftheflow, combustion,heat-transferandemissionsfroma609MW utilitytangentiallyfiredpulverized-coalboiler.Fuel81 (2002997-1006.General Situation of Numerical Simulations of Combustion Processes onPulverized-coal Boiler FurnacesPanGuo-yu,DuanZi-hua(TaiyuanUniversityofTechnology,