1000MW超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

论文摘要

我国拥有丰富的褐煤资源,褐煤利用方式以燃煤发电为主。超超临界燃煤发电技术是目前世界上成熟、先进、高效的发电技术,是我国目前发展洁净煤发电技术的优先选择。褐煤具有水分高、灰分高、发热量低的特点,对燃烧技术要求较高,目前国内还没有燃褐煤的1000MW等级超超临界锅炉。本文通过数值模拟的方法研究燃用褐煤的1000MW等级超超临界锅炉燃烧过程,为开发自主知识产权的1000MW等级超超临界褐煤锅炉燃烧系统提供参考。本文利用计算流体力学软件PHOENICS,对国内首台1000MW单炉膛双切圆超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程进行了数值模拟研究。在炉内过程数值模拟中,气相湍流流动采用k-ε双方程模型,气固两相流动采用基于IPSA算法的双流体模型,辐射传热采用六通量热流法,水分蒸发采用扩散模型,挥发分析出采用单步反应模型,挥发分燃烧采用EBU-Arrhenius模型,焦炭燃烧采用扩散-动力模型,将NOx生成作为炉内过程数值模拟的后处理过程进行模拟。采用有限差分法来离散微分方程,对控制方程的求解采用SIMPLEST算法,在直角坐标系下的非均匀交错网格系统中求解。论文研究了燃尽风率、燃尽风位置、燃尽风风速和一次风率、一次风速、主燃区二次风分配等因素对炉内流场、温度场、焦炭燃尽和NOx生成的影响。研究表明:燃尽风率增加NOx排放降低但不利于焦炭燃尽;燃尽风上移有利于降低NOx排放,但是炉内焦炭燃尽情况变差;燃尽风速增加炉膛出口焦炭含量降低,同时又会增加出口烟温偏差;一次风率增加焦炭燃尽较好,但气流刷壁的可能性增大,NOx排放增加;一次风速增大时,煤粉气流混合加强但射流本身着火推迟;综合考虑主燃烧器区域的热角结渣、焦炭燃尽以及NOx排放量这几个因素,正宝塔配风方式下的工况最优。本文的研究表明,采用合适的数学模型和计算方法,进行燃煤锅炉炉内过程的数值模拟是可行的,对炉膛内温度场和各种组分浓度场的分布特性的模拟是合理的,反映了实际的炉内流动、传热、燃烧和NO生成过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超临界机组和褐煤锅炉技术的研究现状及发展趋势
• 1.3 炉内燃烧过程数值模拟研究现状
• 1.4 课题研究的内容
• 第2章 炉内过程数值模拟数学模型
• 2.1 气相湍流流动模型
• 2.1.1 微观模拟
• 2.1.2 概率密度函数模拟
• 2.1.3 统观模拟
• 2.1.4 本文所选用的模型
• 2.2 气固两相流动模型
• 2.2.1 单流体模型
• 2.2.2 小滑移模型
• 2.2.3 双流体模型
• 2.2.4 颗粒轨道模型
• 2.2.5 本文所选用的模型
• 2.3 辐射换热模型
• 2.3.1 热通量法
• 2.3.2 区域法
• 2.3.3 蒙特卡洛法
• 2.3.4 离散坐标法
• 2.3.5 本文所选用的模型
• 2.4 煤粉燃烧模型
• 2.4.1 挥发分热解模型
• 2.4.2 气相湍流燃烧模型
• 2.4.3 焦炭燃烧模型
• 2.4.4 本文所选用的模型
• 2.5 NO生成模型
• 2.5.1 热力型NO生成模型
• 2.5.2 燃料型NO生成模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 炉内过程数值模拟模型的建立
• 3.1 锅炉原型概述
• 3.1.1 锅炉主要设计参数
• 3.1.2 锅炉燃烧器布置及结构
• 3.2 数学模型及计算方法
• 3.3 计算域及网格划分
• 3.4 边界条件
• 3.4.1 壁面边界条件
• 3.4.2 入口条件
• 3.4.3 出口条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 燃尽风对炉内燃烧过程影响的数值模拟
• 4.1 燃尽风率对炉内燃烧特性的影响
• 4.1.1 燃烧器运行参数
• 4.1.2 燃尽风率对炉内温度场分布的影响
• 4.1.3 燃尽风率对炉内组分分布的影响
• 4.1.4 燃尽风率对炉内焦炭燃尽情况的影响
• 4.1.5 小结
• 4.2 燃尽风位置对炉内燃烧特性的影响
• 4.2.1 燃烧器运行参数
• 4.2.2 燃尽风位置对炉内温度场分布的影响
• 4.2.3 燃尽风位置对炉内组分分布的影响
• 4.2.4 燃尽风位置对炉内焦炭燃尽情况的影响
• 4.2.5 小结
• 4.3 燃尽风速对炉内燃烧特性的影响
• 4.3.1 燃尽风速对炉内混合特性的影响
• 4.3.2 燃尽风速对炉内温度场的影响
• 4.3.3 燃尽风速对炉膛出口焦炭含量的影响
• 4.3.4 小结
• 4.4 本章小结
• 第5章 燃烧器参数对炉内燃烧特性影响的数值模拟
• 5.1 不同一次风率对炉内燃烧过程影响的数值模拟
• 5.1.1 燃烧器运行参数
• 5.1.2 一次风率对主燃区流场的影响
• 5.1.3 一次风率对炉内NOx生成的影响
• 5.1.4 一次风率对焦炭燃尽情况的影响
• 5.1.5 小结
• 5.2 不同一次风速对炉内燃烧过程的数值模拟
• 5.2.1 一次风速对燃烧器区流场的影响
• 5.2.2 一次风速对燃烧器区温度场的影响
• 5.2.3 一次风速对燃烧器区焦炭燃烧情况的影响
• 5.2.4 不同一次风速下炉膛出口处NO排放量
• 5.2.5 小结
• 5.3 主燃区二次风配风方式对炉内燃烧特性的影响
• 5.3.1 不同配风方式下的燃烧器运行参数
• 5.3.2 配风方式对主燃区温度场的影响
• 5.3.3 不同配风方式下炉内焦炭燃烧特性
• 5.3.4 不同配风方式下炉膛出口处NO排放量及焦炭含量
• 5.3.5 小结
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢