一维煤粉锅炉空气分级燃烧数值模拟

摘要

我国是一个以煤炭为主要能源的国家。煤燃烧造成的环境污染严重制约了我国能源工业的可持续发展。提高锅炉效率、降低污染物的排放等对国民经济的发展有重要意义。过去的几十年中,煤粉燃烧技术的发展主要基于电厂锅炉运行所积累的经验以及一些小规模试验装置所测得的数据,这些经验和数据有极大的局限性。随着计算机技术的不断发展,燃烧过程的数值模拟己经成为燃烧理论研究和燃烧装置设计的重要手段。本文通过计算机数值模拟,对煤粉炉内的速度场、温度场、浓度场以及颗粒的运动轨迹进行了计算分析。对于气相流场,本文选择了k-ε双方程模型作为炉内气相湍流流动模型,k-ε双方程形式较简单,计算量并不太大,又能较好的反映出炉膛内的流动特点,取得了比较合理的速度场。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。描述气体燃烧的数学模型用快速反应的概率密度函数模型。挥发份的析出模型选用两步竞争反应模型,一旦挥发份全部析出之后,颗粒就开始进行表面反应,以烧掉颗粒的可燃组分,本文选用动力学/扩散控制反应速率模型来模拟焦炭的燃烧。计算结果表明:墙置燃尽风推迟了煤粉与空气的混合,使炉内着火、燃烧推迟,燃烧速度减慢,炉内燃烧温度、壁面温度、炉膛出口烟温下降,火焰中心位置略向下移动,锅炉NOx排放量明显降低,脱NOx效率最高可达到35.12％,由于墙置燃尽风与炉内气流混合强烈,对促进后期燃尽较为有利,使锅炉膛燃尽率较高。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 本课题研究的背景

1.3 NOx 排放控制技术的发展现状

1.4 本文研究的内容

第二章 NOx 生成机理及抑制技术

2.1 燃料中氮成分的概况

2.1.1 各种燃料中的含氮量

2.1.2 不同煤种的含氮量

2.2 NOx 生成机理及抑制技术

2.2.1 热力型NOx（Thermal NOx）

2.2.2 快速型NOx（Prompt NOx）

2.2.3 燃料型NOx（Fuel NOx）

2.2.4 煤粉燃烧时NOx 的生成

2.3 NOx 抑制原理及技术

2.3.1 NOx 抑制原理

2.3.2 降低NOx 排放的技术措施

第三章 炉内数值模拟模型

3.1 基本守恒方程

3.2 湍流模型

3.2.1 常用的湍流模型

3.2.2 本文所选用的湍流模型

3.3 两相流模型

3.3.1 简述

3.3.2 炉内两相流的数学模型

3.3.3 本文所选取的两相流模型

3.4 挥发份析出模型

3.4.1 各模型的介绍

3.4.2 本文所选用的挥发份析出模型

3.5 焦炭燃烧模型

3.5.1 概述

3.5.2 本文所选用的焦炭燃烧模型

3.6 辐射换热模型

3.7 气相湍流燃烧模型

3.8 NOx 模型

第四章 一维直流煤粉炉数值模拟及结果分析

4.1 炉膛本体形状与尺寸

4.2 数学模型的建立和网格划分

4.3 模拟工况

4.4 边界条件

4.5 模拟结果

4.5.1 未进行空气分级燃烧时，劣质烟煤和漳泽贫煤的对比

4.5.2 燃尽风喷口位置对不同煤种炉内温度和壁面温度的影响

4.5.3 燃尽风喷口位置对炉膛轴心线上 NO_x浓度和NO_x排放量的影响

4.5.4 α_1对炉内温度的影响

4.5.5 α_1对炉膛轴心线上NO_x浓度和 NO_x排放量的影响

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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