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1、燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟 题 目 二一三年六月 毕 业 设 计(论文) 系 别 动力工程系 专业班级 环境工程 班 学生姓名 指导老师 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自然界各类问题探讨的目的。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
2、温度场分布。最终经过简洁的处理，将模拟结果以图片或图表的形式进行直观的展示。通过对模拟结果的视察分析得出合理的结论，并分析不足之处。变更燃尽风风速大小，选择30m/s、40m/s、49m/s及60m/s三种燃尽风速，探讨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加，燃尽风的穿透程度随之加强，相对简单穿透到炉膛中心，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；在肯定条件下，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。关键词：流
3、场；温度场；数值模拟；燃尽风 NUMERICAL SIMULATION ON FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD OF THE COMBUSTION PROCESS IN THE FIRED PULVERIZED-COAL BOILER Abstract Numerical simulation uses electronic computers as the means. To achieve the purpose of engineering problems and physical problems as well as the nature of va
4、rious problems, it uses the method of the numerical calculation and image shows. The topic relates to the three-dimensional combustion process and the two-phase flow. Considered, I chose the FLUENT as the tool for numerical simulation. In this paper, establishing the three dimensional frame construc
5、tion with GAMBIT, carrying on the grid division, then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable, setting up the boundary condition, making three-dimensional numerical simulation of furnace combustion, receiving the distributions of flow fi
6、eld and temperature field in the furnace. 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 30,40,49 and 60 meters per second
7、，then discuss what will happen about mixing characteristics of the furnace and temperature field.Study results indicate that As burnout air speed increases, the rotation of the furnace air flow intensity increases, and the degree of penetration strength increases, its easy to penetrate into the cent
8、er of the furnace 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 increases,the temperature of furnace center area increases, more concentrated;and the temperatur
9、e of the boiler flue gas outlet slso reduced；the best overfire air velocity for optimum combustion furnace is 49 meters per second. Keywords:Flow Field;Temperature Field;Numerical Simulation;Over Fired Air 目 录 摘要 I Abstract II 1绪论 1 1.1课题背景 1 1.2燃烧过程数值模拟发展概况 1 1.3燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟探讨现状 1 1.4FLUENT软件 2 1.
10、4.1简介 2 1.4.2优点 2 1.4.3局限性 2 1.5燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟简介 3 1.5.1气相湍流流淌模型 3 1.5.2气固两相流淌模型 3 1.5.3辐射换热模型 3 1.5.4弥散相模型 5 1.5.5煤粉燃烧模型 6 1.6本文主要探讨内容 6 2模型建立及计算 8 2.1燃煤锅炉原理 8 2.1.1电厂锅炉工作原理 8 2.1.2电厂锅炉发展概况 8 2.2燃煤锅炉特性 8 2.2.1锅炉型号 8 2.2.2锅炉燃煤煤质分析 9 2.3炉膛模型 10 2.3.1炉膛整体模型的选择 10 2.3.2炉膛燃烧器及燃尽风口的分布 10 2.3.3炉膛模型的网格
11、化 11 2.4数学模型及计算方法 13 2.4.1数学及几何模型 13 2.4.2计算区域 13 2.5FLUENT计算步骤 13 3.炉膛内燃烧过程模拟结果与分析 15 3.1炉膛内的流场 15 3.1.1燃烧器横剖面的速度场 15 3.1.2燃尽风口横剖面的速度场 16 3.1.3炉膛纵剖面的速度场 17 3.2炉膛内的温度场 18 3.2.1燃烧器横剖面的温度场 18 3.2.2燃尽风口横剖面的温度场 19 3.2.3炉膛纵剖面的温度场 20 3.3燃尽风速对炉内燃烧特性的影响 21 3.3.1燃尽风速对炉内混合特性的影响 21 3.3.2燃尽风速对炉内温度场的影响 26 结论 28
12、参考文献 29 致谢 31 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，电力工业是能源工业的重要组成部分。中国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭供应了一次能源的75%，在可预见的几十年内煤炭仍是中国主要的一次能源1。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、低污染的煤干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，煤炭消耗量随之增加。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，导致能源
13、的奢侈，电厂的效益降低。因此探讨如何预料流场和温度场的趋势来对锅炉的安装运用和改造利用，是一个值得重点考虑的问题。干脆在锅炉上应用明显不切实际，数值模拟可以形象地再现流淌情景。建立起一个模拟真实锅炉燃烧的过程，不仅节约了人力、物力、资金，而且精确度和效率很高，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 二十世纪六十年头后期，Spalding首先在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解。七十年头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。八十年头模型起先应用于炉内模拟，各
14、种模型和计算方法进一步完善。九十年头至今随着计算机技术与应用的进一步发展，模拟起先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2。总体来说，炉内燃烧过程数值模拟渐渐走向成熟。1.3 燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟探讨现状 由于炉内燃烧过程特别困难，其过程受流淌(包括湍流)、传热传质和化学反应的限制。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、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3。用软件完全对锅炉燃烧过程进行数值模拟是不现实的，所以要做肯定的简化处理，从而突出主要物质的重要过程。经过世界各国的诸多学科的专家
15、、学者长期的探讨与探究，依据试验事实，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，以适用于不同的状况4。由于计算机模拟技术具有许多优点，在工程实践中得到越来越广泛的应用。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。1.4 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软件适用于各种困难外形的可压和不行压流淌计算。FLUENT软件采纳了多种
16、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。它在转捩与湍流、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5。1.4.2 优点 1）适用面广 包括各种优化物理模型，如计算流体流淌和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流淌，层流，湍流，紊流，不行压缩和可压缩流淌，周期流，旋转流刚好间相关流等)；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淌特点，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
17、将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以便利地进行数值交换，并采纳统一的前、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才智用于物理问题本身的探究上。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的生成是通过运用两个阅历模型进行近似模拟，且只运用于紊流。1.4.3 局限性 由于FLUENT软件几乎适用于全部数值计算问题， 其内置的模型具有肯定的通用性。所以对于一些特别的和比较专业的问题，用其自带的模型已经不
18、适用。比如煤粉燃烧模型，它所需计算的对流扩散方程许多 10-12 ，采纳FLUENT自带的燃烧模型、颗粒运动模型等所计算出的结果与实际有较大的出入。这是须要考虑的问题，为了解决这个问题，必需深化分析FLUENT软件处理煤粉燃烧的机理，并在此基础上通过用户自定义函数（即User Defined Function，简称UDF）进行二次开发，深化探讨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自定义规则的数目及过程规则的调用机理。依据实际工况以及试验数据，重新编写部分计算程序和燃烧模型13。本文只对炉膛燃烧做简洁模拟，因此选择FLUENT自带模型即
19、可，在这里不去深化探讨用户自定义函数，只做简洁介绍。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 气相湍流流淌模型 锅炉炉内的气流流淌几乎全部都是湍流流淌，全部物理量都是空间和时间的随机变量，但炉内气相流淌仍遵循连续介质的一般运动规律，并具有肯定规律的统计学特征。流场中随意空间点上的流淌参数都满意粘性流体流淌的纳维-斯托克斯（N-S）方程组，因此可用瞬时参数的连续方程、动量方程和能量方程表示6。方程组虽为封闭的方程组，但由于其具有高度的非线性，目前科学技术的发展水平还得不出理论解，故只能采纳数值模拟的方法进行求解。1.5.2 气固两相流淌模型 燃煤锅炉炉内的燃烧过程涉及到煤粉颗
20、粒和燃烧产物气体的两相流淌，煤粉的运动和弥散对炉内燃烧反应的影响很大，因此为了正确预料燃烧过程，必需对气固两相流淌有正确的描述。探讨气固两相流淌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，在拉氏坐标系内加以描述，常用的数学模型为颗粒轨道模型7 。锅炉中的煤粉颗粒的运动轨迹用拉格朗日法进行模拟。颗粒的分散是由于气体湍流模拟采纳的随机追踪模型，这种模
21、型考虑了气体瞬间速率的改变对颗粒轨迹的影响。在流体流淌中，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）辐射模型被用来模拟辐射传热。气体汲取系数用WSGGM模型进行计算14-16。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，因此须要对炉内辐射传热过程进行尽可能合理精确的计算。但由于辐射换热的求解非常困难、困难，很难依据辐射传递方程求出解析解，因此在解决辐射换热问题时，一般要做肯定的简化处理，形成不同的简化模型，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，已发展了许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8 。分
22、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，占总换热量的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。因为通常液滴快速蒸发，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放射、汲取、散射能量，因此颗粒的辐射强度占主导地位20。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
23、合换热问题，空调、通风设备中通过窗口的辐射换热，汽车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当采纳辐射换热模型。A DTRM 模型 DTRM 模型的优点是比较简洁，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。其局限包括： 1） DTRM 模型假设全部表面都是漫射表面，即全部入射的辐射射线没有固定的反射角，而是匀称地反射到各个方向。2）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）假如采纳大量射线进行计算的话，会给CPU增加很大的负担。B P-1模型 相对于DT
24、RM 模型，P-1模型有肯定的优点。对于P-1模型，辐射换热方程（RTE）是一个简单求解的扩散方程，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模型还可以在采纳曲线坐标系的状况下计算困难几何形态的问题。P-1模型的局限如下： 1） P-1模型也假设全部表面都是漫射表面。2） P-1模型计算中采纳灰体假设。3）假如光学厚度比较小，同时几何形态又比较困难的话，则计算精度会受到影响。4） 在计算局部热源问题时，P-1模型计算的辐射热流通量简单出现偏高的现象。C Rosseland 模型 同 P-1模型相比，Rossland模型的优点是不用象P-1模型那
25、样计算额外的输运方程，因此Rosseland 模型计算速度更快，须要的内存更少。Rosseland 模型的缺点是仅能用于光学厚度大于3的问题，同时计算中只能采纳分别求解器进行计算。D DO 模型 DO模型是适用范围最大的模型它可以计算全部光学厚度的辐射问题，并且计算范围涵盖了从表面辐射、半透亮介质辐射到燃烧问题中出现的介入辐射在内的各种辐射问题。DO模型采纳灰带模型进行计算，因此既可以计算灰体辐射，也可以计算非灰体辐射。假如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常常运用的一个模型。E 表面辐射（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
26、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）的计算须要占用较多的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 模型假定全部表面都是漫射表面。2） S2S 模型采纳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。计算中可以将辐射表面组成集群的方式削减内存资源的占用。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
27、 模型不能用于多重封闭区域的辐射计算，只能用于单一封闭几何形态的计算。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限制方程的方式完成，而弥散相的运动和轨迹则须要用弥散相模型进行计算。弥散相模型事实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。弥散相计算是在拉格朗日观点下进行的，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
28、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压强、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，可以考虑的因素包括弥散相惯性、气动阻力、重力，可以计算定常和非定常流淌。2）可以考虑湍流对弥散相运动的干扰作用。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
29、。7）可以考虑液滴的裂开和聚合过程。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特别广泛。弥散相模型的运用限制:在粒子的体积密度小于 1012时可以运用弥散相模型进行计算。须要留意的是，体积密度小于1012时，粒子的质量密度可能远远大于这个比例，甚至大于连续相的质量密度。弥散相模型适用于计算有出口和入口的流淌问题，即适用于弥散相粒子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量流入口或压强降低条件协作运用，不能与适应性时间推动同时运用，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
30、运用动网格技术，因为弥散相粒子所在平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验困难的过程，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围空间燃烧，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，但挥发分对煤的着火及焦炭的燃烧具有举足轻重的作用，不行忽视。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9。非预混燃烧计算运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
31、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即燃烧完毕，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，特殊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微小化的方法求解组元浓度场，这种方法的好处是既避开了求解有限速率化学反应模型，同时又能够比较精确地获得组元浓度场。层流火苗模型则将湍流火焰燃烧看作由多个层流区装配而成，而在各层流子区中可以采纳真实反应模型，从而大大提高计算精度。非预混燃烧计算中湍流计算采纳的是时均化NS方程，湍流与化学反应的相干过程用概率密度函数（PDF）靠近。计算过程中组元的化学性质用FLUENT供应的预处理程序p
32、rePDF进行计算处理。计算中采纳的化学反应模型可以是前面所述三种模型中的一种。1.6 本文主要探讨内容 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。主要完成以下几个步骤： 1) 确定探讨对象，即选择要探讨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GAMBIT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，对其进行检查。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，并输入须要的计算数据。然后进
33、行迭代计算，并通过图像及残差推断数据的收敛性。4) 对计算结果进行优化，倘如出现较大偏差则须要找寻问题，例如网格划分不合理、计算模型选择错误、数据输入错误等。须要重新调整计算，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) 变更燃尽风口风速大小，探讨燃尽风速对炉内混合特性和对炉内温度场的影响，并且总结出结论。 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肯定质量（汽温柔汽压）的过热蒸汽，以供汽轮机运用。 燃烧过程是激烈的高速化学反应过程，同时放出热和光
34、。燃烧反应过程是在很困难的条件下，与一系列过程有关，例如湍流流淌过程、辐射传热过程、扩散过程等，它们同时进行着并且相互影响。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17。目前火电厂的特点是锅炉容量大、参数高、技术困难、机械化和自动化水平高，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年头在美国和德国起先投入商业运行，今日超临界机组已大量投运，并取得了良
35、好的运行业绩，同时，超超临界机组又是不断发展的技术17。日前我国电站煤粉锅炉基本采纳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匀称等特点确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。运用从优度煤到劣质煤几乎全部的煤种。在我国，这种锅炉占机姐总容量的80%左右18。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探讨对象，其型号和尺寸如下： 表2-1 DG1900/25.4-1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)
36、Mm 44500 锅炉宽度(外排柱中心距) Mm 44000 大板梁高度 Mm 82800 炉膛宽度 Mm 19419.2 炉膛深度 Mm 15456.2 顶棚拐点标高 Mm 72800 水平烟道深 Mm 5486.4 尾部竖井前烟道深 Mm 6604 尾部竖井后烟道深 Mm 8331.2 水冷壁下集箱标高 Mm 5800 超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，单炉膛，尾部双烟道结构，采纳挡板调整再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置。锅炉主要参数如下： 表2-2 锅炉主要参数 名称 单位 BMCR ECR BRL 过热蒸汽流量 t/h 1900 1660.8 1807
37、.9 过热器出口蒸汽压力 MPa(g) 25.4 25.1 25.3 过热器出口蒸汽温度 571 571 571 再热蒸汽流量 t/h 1607.6 1414.1 1525.5 再热器进口蒸汽压力 MPa(g) 4.71 4.15 4.47 再热器出口蒸汽压力 MPa(g) 4.52 3.98 4.29 再热器进口蒸汽温度 322 307 316 再热器出口蒸汽温度 569 569 569 省煤器进口给水温度 284 275 280 2.2.2 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2-3锅炉用煤煤质分析 项目 单位 设计煤种 校核煤种一 校核煤种二
38、工业分析 收到基地为发热值 KJ/Kg 24360 23100 26290 收到基全水分 % 5.88 6.29 3.53 收到基灰分 % 22.22 21.92 19.34 可燃基挥发分 % 14.44 20.15 10.84 空气干燥基水分 % 0.51 0.73 1.38 元素分析 收到基碳 % 64.25 61.70 71.08 收到基氢 % 3.55 3.41 2.71 收到基氧 % 2.62 5.05 1.81 收到基氮 % 1.15 1.19 1.05 收到基全硫 % 0.33 0.44 0.48 可磨性系数 - 71 73 60 灰分 SiO2 % 44.98 41.10 45
39、.55 Al2O3 % 36.29 33.86 35.41 Fe2O3 % 4.07 4.12 4.65 CaO % 6.60 6.73 6.10 TiO2 % 1.97 2.72 0.21 K2O % 0.20 1.28 1.12 Na2O % 0.53 0.55 0.44 MgO % 1.19 2.19 1.96 SO3 % 3.33 5.26 3.05 P2O5 % 0.19 1.33 0.15 其他 % 0.65 0.86 1.36 2.3 炉膛模型 2.3.1 炉膛整体模型的选择 本文探讨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炉膛内
40、，所以本文只选择炉膛作为探讨对象。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1243.2mm。由于用FLUENT进行三维模拟比较困难，模拟计算也相对较慢，为了节约时间，须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。简化之后设计出来的模型不仅大大削减了计算量，而
41、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 此锅炉采纳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匀称。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，下一次风喷口中心线距冷灰斗拐点距离为2397.7mm。最外侧燃烧器与侧墙距离为4223.2mm，能够避开侧墙结渣及发生高温腐蚀。燃烧器上部布置有燃尽风(OFA)风口，12只燃尽风风口分别布置在前后墙上。中间4只燃尽风风口距最上层一次风中心线距离为7004.6mm。两
42、侧靠前后墙2只燃尽风风口距最上层一次风中心线距离为4272.3mm。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。一次风由一次风机供应。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燃烧器供应二次风和三次风。每个燃烧器设有一个风量均衡挡板，该挡板的调整杆穿过燃烧器面板，能够在燃烧器和风箱外便利地对该挡板的位置进行调整。三次风旋流装置设计成可调整的型式，并设有执行器，可实现程控调整。调整旋流装置的调整导轴即可调整三次风的旋流强度。燃尽风风口包含两股独立的气流：中心部位为非旋转的气流，它干脆穿透进入炉膛中心；外圈气流是旋转气
43、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便利计算不考虑燃烧器的几何模型，因此对三次风模拟起来不是很便利，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困难，上部有折焰角，下部有冷灰斗。因此将炉膛划分为三个部分，分别是冷灰斗、炉膛主体、折焰角四周部分。由于冷灰斗与折焰角四周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
44、适当降低，一般用默认的方式划分即可，并且为了削减计算负担可以将网格设置的略微疏一些。对于炉膛主体区域，分割后此区域为长方体，结构相对来说比较简洁，可以干脆用六面体网格进行划分，但是须要留意因此部分为燃烧发生的区域，因此是重点探讨对象，可以依据须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，所以可以的话须要对其进行更为细致的网格划分。由于时间问题，并且考虑到三维模拟计算的困难性，故对炉膛进行简洁合理的网格划分，总共划分723619个网格。完成对炉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
45、气出口和冷灰斗出口定义为一般出口，其他面默认为壁面。 图2-1 炉膛模型网格划分三维视图 图2-2 炉膛模型网格划分直观图 2.4 数学模型及计算方法 2.4.1 数学及几何模型 本文数值模拟采纳三维稳态计算，气相湍流流淌的模拟采纳可实现的k-模型，方程组的通式为19： divv=div+S (1) 式中: 为通用因变量； 为输运系数；S为源项；为气流密度；v为速度矢量。 采纳非预混燃烧模型，用标准k-紊流模型模拟炉内三维湍流运输；炉内采纳P1辐射模型计算辐射传热；采纳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
46、放采纳了双匹配速率模型；对固体颗粒相的求解则采纳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纳了一维流淌的处理方法，在PDF中编制了一个简短的子程序，依据质量连续，给出全场速度初值。这样的话，进口条件一起先就可按实际状况给出，既保证了计算的稳定性，提高了计算的收敛速度，又免去了人工为全场赋初值的工作，提高了程序的通用性。流场的计算受质量连续的限制，一般在迭代计算过程中，中间速度都不能很好地满意连续性方程。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量不相等，极易引起迭代的发散，从而达不到预期结果。对出口边界采纳速度导数为零
47、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21。2.4.2 计算区域 守恒方程采纳限制容积法，对于离散方程组的压力和速度采纳SIMPLEC算法求解，收敛标准各项均小于10-6。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间的区域作为计算区域，采纳非结构化的六面体网格，网格划分如图2-1、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, 所以对气相流场采纳非错列网格的SIMPLEC
48、方法来求解更合适。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。检查网格，只要视察minimum volume保证此项必需大于零，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)定义求解方法，打开能量方程，选择标准k-湍流模型，辐射采纳P1辐射模型，燃烧采纳非预混燃烧模型并协作用弥散相模拟。在弥散相模型中可以设置燃烧器的进粉量和速度等条件。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，最终选择迭代次数然后起先迭代计算。计算收敛后即可停止计算。6)建立模型的视察面，显示模拟图像。 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，三层燃烧器的横剖面速度场的分布规律大体上一样。图中燃烧器出口处速率最大，最大达到50m/s，越