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四墙切圆煤粉燃烧室内湍流气固两相流动与燃烧数值模拟的研究

林秀军  
【摘要】:我国能源生产和消费的主要特点是以煤为主。同时煤燃烧是我国生态环境破坏的最大污染源。切向煤粉燃烧技术是大型电站锅炉采用的主要燃烧方式,特别是四墙切圆燃烧技术作为一种新的切向燃烧方式有较好的工程应用前景。完善这一燃烧技术需要研究解决的关键问题之一是,找到既保证充分燃烧又抑制氮氧化物等污染物生成的燃烧条件。本课题研究的主要内容为首先建立关于燃烧的合理的数学模型,然后用数值模拟方法分析四墙切圆煤粉燃烧室内湍流流场、温度场、浓度场,并与试验数据作对照以证明模型的合理性。在此基础上分析过量空气系数或煤粉浓度对燃烧和氮氧化物生成的影响。 本文以一台1MW的四墙切圆煤粉燃烧室为研究对象,对炉内的温度场以及污染物的浓度场进行了计算分析。本文作者根据上下炉膛的结构特点和流动特点,采用了将网格系统扭转一定角度的方法来对燃烧器区域进行网格划分,并采用块结构化网格方法和网格自适应技术来实现整个炉膛的网格划分和加密。这种网格划分的方法可以有效的减小数值模拟中的伪扩散,大大减轻了网格生成的难度,使网格数量不至于过大,有效地节省了计算所花费的时间。 对于气相流场,本文作者在比较了可实现性k-ε双方程模型和雷诺应力模型的计算结果后,发现可实现性k-ε双方程模型在得到较好的计算结果的同时能够节省较多的机时,最终采用了可实现性k-ε双方程模型。对流项的离散采用精确度较高的QUICK格式。在模拟两相流中的颗粒轨迹时采用颗粒轨道模型,颗粒的湍流扩散是通过随机轨道模型来模拟的。用混合物分数—概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧;用P-1辐射模型计算辐射传热。 对煤粉燃烧过程的挥发份析出分别采用单步反应模型和两步竞争反应模型;对焦炭异相燃烧分别采用扩散燃烧模型和扩散/动力燃烧模型。将这四个模型两两组合得到的计算结果与试验测得数据进行了比较分析,最终确定挥发份析出采用两步竞争反应速率模型、焦炭异相燃烧采用扩散/动力燃烧模型较适合于描述四墙切圆煤粉燃烧室内的燃烧过程。 模拟计算表明,增大过量空气量会导致燃烧效率的降低和NO排放量的增加,因此应该将空气过量系数控制在一定的范围内。


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