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1000MW超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

作　者: 辛娜娜
导　师: 吴少华
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 褐煤数值模拟超超临界锅炉单炉膛双切圆燃烧
分类号: TK224.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 超临界机组和褐煤锅炉技术的研究现状及发展趋势  10-12
  1.3 炉内燃烧过程数值模拟研究现状  12-15
  1.4 课题研究的内容  15-16
第2章炉内过程数值模拟数学模型  16-35
  2.1 气相湍流流动模型  16-21
    2.1.1 微观模拟  16-17
    2.1.2 概率密度函数模拟  17
    2.1.3 统观模拟  17-18
    2.1.4 本文所选用的模型  18-21
  2.2 气固两相流动模型  21-23
    2.2.1 单流体模型  21
    2.2.2 小滑移模型  21-22
    2.2.3 双流体模型  22
    2.2.4 颗粒轨道模型  22-23
    2.2.5 本文所选用的模型  23
  2.3 辐射换热模型  23-27
    2.3.1 热通量法  24
    2.3.2 区域法  24
    2.3.3 蒙特卡洛法  24-25
    2.3.4 离散坐标法  25
    2.3.5 本文所选用的模型  25-27
  2.4 煤粉燃烧模型  27-32
    2.4.1 挥发分热解模型  27-28
    2.4.2 气相湍流燃烧模型  28-29
    2.4.3 焦炭燃烧模型  29-30
    2.4.4 本文所选用的模型  30-32
  2.5 NO生成模型  32-34
    2.5.1 热力型NO生成模型  32
    2.5.2 燃料型NO生成模型  32-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章炉内过程数值模拟模型的建立  35-40
  3.1 锅炉原型概述  35-36
    3.1.1 锅炉主要设计参数  35
    3.1.2 锅炉燃烧器布置及结构  35-36
  3.2 数学模型及计算方法  36-37
  3.3 计算域及网格划分  37-38
  3.4 边界条件  38-39
    3.4.1 壁面边界条件  38
    3.4.2 入口条件  38-39
    3.4.3 出口条件  39
  3.5 本章小结  39-40
第4章燃尽风对炉内燃烧过程影响的数值模拟  40-60
  4.1 燃尽风率对炉内燃烧特性的影响  40-47
    4.1.1 燃烧器运行参数  40-41
    4.1.2 燃尽风率对炉内温度场分布的影响  41-43
    4.1.3 燃尽风率对炉内组分分布的影响  43-45
    4.1.4 燃尽风率对炉内焦炭燃尽情况的影响  45-46
    4.1.5 小结  46-47
  4.2 燃尽风位置对炉内燃烧特性的影响  47-53
    4.2.1 燃烧器运行参数  47
    4.2.2 燃尽风位置对炉内温度场分布的影响  47-49
    4.2.3 燃尽风位置对炉内组分分布的影响  49-51
    4.2.4 燃尽风位置对炉内焦炭燃尽情况的影响  51-53
    4.2.5 小结  53
  4.3 燃尽风速对炉内燃烧特性的影响  53-58
    4.3.1 燃尽风速对炉内混合特性的影响  53-55
    4.3.2 燃尽风速对炉内温度场的影响  55-58
    4.3.3 燃尽风速对炉膛出口焦炭含量的影响  58
    4.3.4 小结  58
  4.4 本章小结  58-60
第5章燃烧器参数对炉内燃烧特性影响的数值模拟  60-84
  5.1 不同一次风率对炉内燃烧过程影响的数值模拟  60-64
    5.1.1 燃烧器运行参数  60
    5.1.2 一次风率对主燃区流场的影响  60-62
    5.1.3 一次风率对炉内NOx生成的影响  62-63
    5.1.4 一次风率对焦炭燃尽情况的影响  63
    5.1.5 小结  63-64
  5.2 不同一次风速对炉内燃烧过程的数值模拟  64-70
    5.2.1 一次风速对燃烧器区流场的影响  64-65
    5.2.2 一次风速对燃烧器区温度场的影响  65-67
    5.2.3 一次风速对燃烧器区焦炭燃烧情况的影响  67-69
    5.2.4 不同一次风速下炉膛出口处NO排放量  69-70
    5.2.5 小结  70
  5.3 主燃区二次风配风方式对炉内燃烧特性的影响  70-83
    5.3.1 不同配风方式下的燃烧器运行参数  70-71
    5.3.2 配风方式对主燃区温度场的影响  71-72
    5.3.3 不同配风方式下炉内焦炭燃烧特性  72-81
    5.3.4 不同配风方式下炉膛出口处NO排放量及焦炭含量  81-82
    5.3.5 小结  82-83
  5.4 本章小结  83-84
结论  84-86
参考文献  86-90
攻读学位期间发表的学术论文  90-92
致谢  92

1000MW超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

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