基于PBM的炭黑生成模型及煤粉燃烧模拟研究

摘要

煤炭是当今世界的主要能源之一，全球40%以上的电量来自于燃煤电厂。炭黑是煤在不完全燃烧或高温热解时产生的气态挥发分转化成的产物，是燃煤产生的烟尘中重要的组成成分之一。大部分炭黑颗粒直径在微米级别，其中相当一部分属于PM10的范畴。因此，排放到大气环境中的炭黑对空气质量和人体健康均具有较大的负面影响。而在燃煤锅炉内部，由于炭黑具有较强的辐射吸收和发射能力，导致其对温度场的分布也有较大影响，炭黑颗粒的辐射作用将导致火焰温度的降低。因此，研究炭黑的生成机理无论是对环保还是指导生产都具有重要意义。 早期的炭黑生成模型主要有Khan和Greeves的一步反应模型以及Tesner的两步反应模型。在这两种炭黑生成模型基础之上，科研人员根据不同的燃烧情况建立了多种模型。本文首先在参考Moss–Brookes半经验模型的基础之上，通过修正影响炭黑聚团的影响因子，得到新的数学模型。与一步反应模型和两步反应模型相比，修正模型更加注重化学反应速率和碰撞聚团对炭黑生成的影响。在修正碰撞因数时，考虑到湍流作用和布朗运动对聚团起主要作用且相互独立，因此对其进行矢量相加求得聚团函数。 在确定炭黑生成模型以后，通过Fluent中UDS功能自定义修正系数功能，使用修正模型耦合群体平衡模型（Population Balance Model,PBM）对日本中央电力研究所（Central Research Institute of the Electrical Power Industry,CRIEPI）的煤粉燃烧实验做了数值模拟。结果表明：数值模拟预测温度与实验温度误差在合理范围之内，煤粉颗粒运动速度与实验趋势吻合度较好，炭黑颗粒体积分数、粒径沿燃烧方向增长趋势等参数与实验值保持了良好的一致性，验证了修正模型的合理性。 接下来，本文使用一步反应模型和两步反应模型对CRIEPI的实验也进行了模拟，并与修正模型以及实验数据做了比较。结果表明：一步反应模型和两步反应模型对炭黑生成量的预测值偏低，温度则高于实验值；修正模型对炭黑和温度场预测与实验值误差最小。在沿HAB(Height Above Burner)增大的方向上的炭黑粒径增长趋势和截面炭黑质量分数方面，修正模型的预测值也好于前两种模型。 由于炭黑具有辐射的吸收和发射功能，会影响煤粉燃烧火焰的温度，进而影响炭黑自身的生成。因此，本文还计算了三种模型在是否考虑辐射的条件下对炭黑生成量的预测结果。结果显示，在使用同一模型计算考虑与不考虑辐射两种情况得到的两组结果时，由一步反应模型计算得到的两组体积分数分布差值最大；两步反应模型次之；修正模型差值最小；并对三种模型产生的差距大小不同的原因做了分析说明。最后研究了燃烧流场中炭黑和气体的吸收率之间的关系，结果表明炭黑浓度与混合流体吸收率大小之间存在很大的正相关性。

目录

第1章 绪 论

1.1.1 燃煤发电

1.1.2 炭黑概述

1.1.3 燃煤锅炉中炭黑的生成

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 群体平衡模型

1.5 本文研究内容

第2章 煤粉燃烧及炭黑生成模型

2.1 引言

2.2 煤粉燃烧模型

2.2.1 煤的挥发分的脱挥发率

2.2.2 流体力学方程

2.3 炭黑生成模型

2.3.1 初始核的形成

2.3.2 炭黑颗粒的表面生长

2.3.3 炭黑颗粒的聚团

2.3.4 炭黑颗粒数量变化

2.3.5 炭黑颗粒的质量变化

2.4.1 模型简介

2.4.2 数值求解方法

2.5 本章小结

第3章 煤粉燃烧与炭黑生成数值模拟及分析

3.1 引言

3.2 实验装置与网格

3.2.1 实验装置

3.2.2 网格图

3.3.1 火焰云图

3.3.2 煤粉颗粒运动

3.4 炭黑

3.4.1 炭黑云图

3.4.2 炭黑颗粒粒径变化

3.4.3 炭黑粒径分布

3.4.4 炭黑粒径随时间变化

3.5 炭黑辐射对温度的影响

3.6 本章小结

第4章 不同炭黑生成模型研究

4.1 引言

4.2 炭黑生成的经验模型

4.2.1 一步反应模型

4.2.2 两步反应模型

4.2.3 模型比较

4.3 模拟结果

4.3.1 炭黑体积分数分布

4.3.2 温度云图

4.3.3 温度曲线图

4.3.4 炭黑体积分数分布

4.3.5 粒径变化

4.3.6 截面炭黑质量浓度分布

4.4 辐射作用的影响

4.4.1 是否考虑辐射对炭黑体积分数的影响

4.4.2 炭黑对吸收系数的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢