煤粉燃烧空气动力学特性与燃烧过程的数值模拟及其应用

论文摘要

煤粉燃烧空气动力学特性对煤粉的着火、燃尽,以及燃烧过程中污染物的生成起着极重要的作用。本文采用数值模拟的办法,从分析空气动力学特性的角度出发,分别对旋流煤粉燃烧及其NO_x生成和高炉风口及回旋区内的煤粉燃烧过程进行了研究,深入分析了旋流煤粉燃烧器中NO_x生成与气体流动、气固混合之间的内在联系,并对高炉喷煤燃烧中各种结构、运行参数对燃烧过程的影响进行了研究。研究得到了煤粉颗粒大小与煤粉在中心回流区内的停留时间以及回流区的有效作用时间之间的内在关系。通过对不同旋流数下沿煤粉颗粒运行轨迹上氧浓度变化的研究,定量分析了旋流煤粉燃烧器煤粉燃烧过程中不同颗粒大小在不同旋流数下的燃烧特性及对NO_x排放的影响。针对目前碳粒燃烧数值模拟中固/气两相的能量分配未考虑碳粒边界层内燃烧过程的影响,本文研究了考虑了CO在边界层内燃烧的能量分配系数。并对能量分配系数与燃料特性参数及碳粒直径的相互影响进行进一步的分析与研究,提高了对碳粒燃烧数值模拟的准确性。鉴于离散传播法(DTM)辐射计算方法的优越性及实际应用中缺乏柱坐标下的具体表达,通过将柱坐标转换为直角坐标,建立发射点辐射射线方程及辐射控制单元体各表面的方程,简便地计算出圆柱腔体任意发射点位置上各立体角内的辐射射线与各辐射单元体的交点及交点与发射点的距离。采用将射线交点按到发射点距离排序,避免了迭代过程中重复运行问题,大大减少了计算时间。应用该方法可以简便地将DTM辐射计算方法应用于圆柱腔体内的辐射传热计算。采用双流体模型建立了煤粉在风口内的燃烧模型,系统考察了煤粉燃烧特性、喷枪喷射角及颗粒直径等对气体流场分布以及风口内燃烧特性的影响规律;并对不同特性参数下在风口内煤粉挥发分析出率和燃尽率进行了研究。运用数学模拟研究了不同的风口直径下煤粉在风口及回旋区内的燃烧特性、煤粉挥发分析出过程以及回旋区内气体的温度分布和煤粉的燃尽率。为实际过程中高炉喷煤系统的优化设计提供参考。煤喷枪在高炉喷煤中起着重要作用。本文采用数值模拟手段研究了回旋区前喷吹系统内的传热及煤粉燃烧过程。对喷枪壁温在风口内的温度变化、喷枪内气体和煤粉颗粒温度分布进行了研究。并研究了不同鼓风温度、不同喷煤率下煤粉在风口内的燃烧过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 节能减排的重要性和紧迫性
• 1.1.2 炉内空气动力学特性对煤粉燃烧过程的影响
• 1.2 国内外研究现状
• x 生成机理'>1.2.1 煤粉燃烧中 NO_x生成机理
• x 燃烧技术的空气动力学特性'>1.2.2 低 NO_x燃烧技术的空气动力学特性
• 1.2.3 旋流煤粉燃烧器空气动力学特性
• 1.2.4 煤粉在高炉风口及回旋区内的燃烧特性
• 1.2.5 数值模拟在煤粉燃烧过程研究中的运用
• 1.3 本文研究内容与研究方法
• x生成的研究'>第二章 旋流煤粉燃烧器空气动力学特性与 NO_x生成的研究
• 2.1 前言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 气相模型
• 2.2.2 煤粉燃烧模型
• x 生成模型'>2.2.3 NO_x生成模型
• 2.3 燃烧室结构和模拟工况
• 2.4 模拟结果及讨论
• 2.4.1 气体流动特性
• 2.4.2 颗粒运行轨迹
• 2.4.3 颗粒在中心回流区内的停留时间
• x 分布'>2.4.4 NO_x分布
• 2.5 本章小结
• 第三章 碳粒燃烧能量分配系数的数值计算研究
• 3.1 前言
• 3.2 碳粒燃烧能量分配系数计算公式的推导
• 3.2.1 移动火焰锋面（MFF）模型简介
• 3.2.2 碳粒燃烧能量分配系数
• 3.3 能量分配系数的数值计算
• 3.3.1 煤粉燃烧数学模型简介
• 3.3.2 模拟对象及燃料特性
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 辐射离散传播法在三维圆柱腔体辐射传热计算中的应用
• 4.1 前言
• 4.2 DTM 的基本思想
• 4.3 三维圆柱腔体辐射换热 DTM 法的实施
• 4.3.1 圆柱腔体辐射特征射线方程的建立
• 4.3.2 特征射线与吸收面和内部控制体的交点及距离
• 4.3.3 辐射源项的计算
• 4.4 算例
• 4.4.1 与圆筒腔体辐射换热精确解的比较
• 4.4.2 煤粉燃烧中的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 高炉风口内空气动力学特性及煤粉燃烧过程的研究
• 5.1 前言
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 气相模型
• 5.2.2 颗粒相方程
• 5.2.3 气相与颗粒之间的热交换模型
• 5.2.4 水分蒸发模型
• 5.2.5 煤挥发分析出模型
• 5.2.6 炭反应模型
• 5.2.7 气相湍流燃烧模型
• 5.2.8 模型的验证
• 5.3 高炉风口内煤粉燃烧过程的模拟
• 5.3.1 风口结构参数及操作条件
• 5.3.2 模拟结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 风口直径对回旋区煤粉燃烧过程影响的研究
• 6.1 数学模型
• 6.2 模拟结构与操作参数
• 6.3 模拟结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 煤粉喷枪热工况数值模拟分析
• 7.1 数学模型
• 7.2 模拟工况及条件
• 7.3 模拟结果与讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结、创新点及工作展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 创新点
• 8.3 今后工作展望
• 攻读博士学位期间发表或已录用的论文
• 致谢