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1、华中科技大学 硕士学位论文 新型煤粉燃烧器燃烧过程数值模拟研究 姓名：徐岩 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：周怀春 20070607 I 摘摘 要要 国内外对新型燃烧器研究的步伐一直没有停止，所以对新型燃烧器性能的试验就 处在了十分重要的位置，其中数值模拟试验也是一种非常重要的手段。本文正是基于 实验室设计的煤燃烧试验台架，对一种新型内直流外旋流煤粉燃烧器燃烧状态的射流 流场进行全三维的数值模拟研究。 本文对模拟炉内燃烧过程所采用的方法和模型进行了概括和总结，在此基础上应 用数值计算软件 FLUENT 对炉内的流动、 传热、 燃烧过程作了详细的数值模拟和分析， 获得了满意的结果。
2、 在计算中，采用 Realizablek双方程模型模拟湍流流动，用拉格朗日随机颗粒 轨道模型模拟湍流气固两相流动，用以热流法为基础的 P1 辐射模型模拟辐射传热， 采用混合分数概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧， 采用动力/扩散控制燃烧模型模拟 焦炭的燃烧。 本文模拟分析了不同的一次风、二次风旋流强度下，新型燃烧器的冷态空气动力 场特征和热态燃烧特性；同时还研究了该燃烧器对煤种的适应性。通过比较本文认为 在二次风旋流强度为 1.24 和 1.43， 一次风旋流强度为 0.471.1 时， 该燃烧器有较好的 燃烧特性；并且外一次风旋流强度越大，着火距离越短；对不同煤种的燃烧状态模拟 也说明该燃烧器
3、对煤种有很好的适应性。本文所得的结论为以后进行的现场试验提供 了有意义的参照数据。 关键词：数值模拟 温度场 旋流强度 新型燃烧器 II Abstract The paces of study on a new-type burner have never stopped. That makes the test of a new-type burners performance very important, and the numerical simulation is one of the most valuable test methods. Based on a pilot-scal
4、e furnace, the combustion characteristic of a new-type pulverized-coal burner is simulated in three-dimension using the numerical simulation method. The method and model which be used in simulating the combustion process have been summarized in this thesis. The FLUENT software is used to simulate th
5、e flow, heat transfer, combustion process in the boiler. In the calculating course, the Realizablekdouble equations model is used to simulate the turbulence flow, the Lagrangian particle random trajectory model is used to simulate the two phase turbulence flow; the P1 radiation model is used to simu
6、late the radiation heat transfer, the Mixture-Fraction/PDF is adopted to simulate the gas phase turbulence burning, and spreadpower control burning model is adopted to simulate the coke combustion. At the same time, the cold-air aerodynamic field and the combustion characteristic in thermal state ha
7、s been simulated in this thesis under different swirling intensity. The adaptability of the new-type pulverized-coal burner to different coal is also been studied. Though the comparison and analyze of the simulation, it has a good flow field when the swirling intensity of the secondary air is 1.27,
8、1.43. The greater the swirling intensity of the primary air, the shorter the distance of ignition is. It has been proved the adaptability of the new-type burner to different coal is very strong. The results simulated above offer the extremely theoretical guidance for the actual experiment. Keywords:
9、 numerical simulation, temperature field, swirling intensity, new burner 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门
10、或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 1 绪绪 论论 1.1 锅炉燃烧技术的发展现状锅炉燃烧技术的发展现状 电站设备单位容量的扩大使燃烧技术发展到大容量的煤粉燃烧，是推动锅炉燃烧 技术发展的动力，燃烧技术发展又对扩大电力工业的规模起了重要的作用。煤粉的燃 烧过程是由炉膛和燃
11、烧器共同组织，但所有流动和燃烧过程的特性在很大程度上取决 于燃烧器1。因此煤粉燃烧技术的发展集中体现在燃烧器的不断发展。近年来，在燃 烧器结构和性能上的研究正处于迅速发展的阶段。 在过去几十年里，国内外投入了大量的经费研制成功了不同类型的燃烧器。国内 的有华中理工大学早期研究的钝体燃烧及后来发展的开缝式钝体燃烧器23，浙江江 大学研究的浓淡分离型燃烧器4； 清华大学在 80 年代研究的船型燃烧器， 和目前从事 的富集型煤粉燃烧器5的研究与应用。国外的新型燃烧器有 CE 公司的综合了钝体和 浓淡分离两类技术的 WR 燃烧器67、B&W 公司研究的二次风双调节旋流燃烧器8、 三菱公司的 PM 燃烧
12、器、IHI 的内部分隔型 WR 燃烧器、IHI-DF 双调风燃烧器、新型 煤粉燃烧低 x NO A-PM 燃烧器、Babcock 双通道旋流燃烧器、EI-XCL 型燃烧器、直流 缝隙式燃烧器、FW 公司的双旋风筒燃烧器、美国 CE 公司生产的摆动式直流燃烧器等。 这些燃烧器虽然都有不同的结构，但归根结底它们都是为了满足良好燃烧的基本条件: 充足的着火热、最佳煤粉浓度和气粉扩散混合的强度，使火焰中心位于炉膛空间的合 理位置。而正是这些条件难以全部达到，研究者才致力于研究能够适应不同燃烧情况 的设备来达到良好的燃烧效果。 目前，燃烧器的一次风煤粉气流都是全部以直流或者旋流形式送入炉内，二次风 全部
13、或部分以旋流形式送入炉内，然后通过改变燃烧器的流动方式来强化高温烟气的 回流和卷吸以达到强化燃烧和稳燃的目的。对于直流燃烧器，为了强化着火通常在直 流主燃烧器喷口加装非流线体来加强回流对高温烟气的卷吸，但是这会削弱喷口射流 的刚性，减少煤粉气流在炉内的穿透深度，降低火焰充满度；对于旋流燃烧器，为了 2 增加煤粉气流在炉内的穿透深度，增加火焰充满度，通常减小旋流强度，但是这又会 减小射流对高温烟气的卷吸，不利于煤粉气流的着火和稳定燃烧。因此，需要发展一 种燃烧器技术来满足实际工程的应用，它既具有旋流燃烧器能够产生回流区，卷吸高 温烟气强化着火和稳燃的特性，同时也具有直流燃烧器的射流刚性强，煤粉气
14、流穿透 度大的特性。而且虽然目前国内已经对有自动调节功能的燃烧器进行开发研究，但还 不能发展出调节范围较宽的燃烧器。 1.2 煤粉炉内数值模拟的研究现状煤粉炉内数值模拟的研究现状 在过去几十年中，煤粉的燃烧技术的发展主要是基于电厂锅炉运行所积累的经验 及通过实验室的试验研究以及对实际锅炉有限的冷态测试和热态试验所测得的数据， 来了解煤粉在炉内的燃烧过程，以便认识和掌握煤粉燃烧的理论和技术，指导锅炉的 设计、改造、调试和运行。尽管小规模试验装置对燃烧过程能提供有价值的信息，但 由于其试验花费昂贵，并且由于在非预混火焰中湍流反应流的复杂本质，所得结论很 难直接运用到实际燃烧系统中去。 近年来由于计
15、算机技术日新月异的发展，运用数值计算方法来模拟炉内空气动力 场已成为研究炉内流动特性的重要手段。 自从 1972 年 Spalding 和 Pantankar 第十四界 国际燃烧会议上正式提出炉内三维流动过程的计算机模化建议后，炉内燃烧过程的数 值模拟开始逐步发展起来。 Spalding 得到层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解，并提出一系列的湍流 和湍流燃烧模型910。 Giboson 提出的化学动力学模型， Grow 等提出的气固两项模型， Partrankar 提出的 SIMPLE 算法等也促进了燃烧过程数值模拟的发展11。整套的燃烧室 内的模型方法的形成，使燃烧室的模拟开始走向大型的
16、炉内模拟。1986 年，英国的 Abbas 和 Lockwood 对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进行了气相燃烧模拟，其中传热 采用的是离散传播模型。Boyd 和 Kent 对 50OMW 的四角切圆锅炉进行模拟，采用了轨 道法，双反应热解模型，扩散动力焦炭燃烧模型和离散传播法的辐射传热模型，并与 实测的温度作了比较。 1988 年， Fiveland 和 Wessel12对 560MW 的炉膛进行了流动传热、 3 燃烧的模拟，得到了一些热态燃烧的有益结果。1989 年，Gilis13对 5m*1.5m*1.3m 的 冷态模型锅炉进行了模拟，并与实测的结果进行了对比。目前炉内三维的流动燃烧， 传热模拟已经向实际应用迈进。 例如将模拟结果与大型的冷模、 实测的实验进行对照， 也开始了对污染物， 结渣等的模拟。 例如
