燃煤锅炉炉膛燃烧过程数值模拟研究概况

介绍数值模拟的意义,燃烧数值模拟的发展历程,炉内燃烧数值模拟的各种模型、研究现状及发展趋势。     

煤粉锅炉高效低NOx局部富氧燃烧技术模拟研究

针对某公司150 t/h煤粉锅炉燃烧效率低、NOx排放浓度高、炉膛结焦等问题,提出了用富氧风作为炉顶燃尽风和贴壁风的分级燃烧新思路,采用计算机数值模拟技术和k-e- -g气相湍流燃烧模型及煤双挥发反应热解模型,对锅炉炉内速度场、温度场及燃烧过程中的NOx生成浓度进行数值模拟. 技术改造后锅炉的燃烧效率保持在96%以上,锅炉综合热效率在91.40%以上,NOx排放量为625~763 mg/m3,未发现炉膛水冷壁和高温过热器上有结渣现象.     

喷煤燃烧器煤粉燃烧过程的数值模拟研究

采用ＣＦＤ（ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｄｙｎａｍｉｃ）方法,研究并开发了喷煤燃烧过程的数值模拟应用软件。运用该软件预测的煤粉燃烧的温度分布场、主体气体组分分布场与实际燃烧过程相吻合,相对误差小于０％,该模拟软件是进行燃烧工程研究的重要分析工具。     

煤粉无焰富氧燃烧的数值模拟方法进展

无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO₂的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富等优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的试验和数学定义,其由于存在非均相反应而区别于气体燃料无焰燃烧;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,包括模拟流动、传热、燃烧和污染物生成方面的子模型和机理,其中考虑强烈烟气卷吸的可实现k-ε湍流模型、P1或DO辐射模型及针对富氧气氛修正的WSGG气体辐射模型、CPD挥发分析出模型、考虑湍流与化学反应交互的有限速率EDC均相燃烧模型、针对无焰及富氧燃烧开发验证的均相反应机理、考虑气化反应的多步表面焦炭非均相燃尽模型、含氮化学详细反应机理氮转化模拟、动态自适应反应机理加速算法等可显著提高煤粉无焰富氧燃烧的模拟精度和计算效率。总结了煤粉无焰富氧燃烧在基准对照试验、微观反应区域分析、宏观反应特征、污染物生成及大型化锅炉概念设计方面的模拟研究情况;最后以大涡模拟、燃烧模型、高精度反应机理及动态自适应反应机理、工业应用优化等角度展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。     

回转窑内煤粉燃烧机理数值模拟的研究

针对-回转窑建立模型进行煤粉燃烧的数值模拟,其中气相采用k—ε双方程湍流模型,离散相采用颗粒轨道模型,燃烧采用非预混燃烧结合简化的PDF模型,辐射采用P1模型。数值模拟计算结果揭示了挥发分释放与燃烧的过程以及焦炭的燃烧机理,为煤粉在回转窑内的优化燃烧提供了重要的理论参考依据。     

水泥工业煤粉富氧燃烧NO释放特性实验研究

在回转炉实验台架上,分别研究了掺石灰石及掺CaO的情况下,N2/O2、CO2/O2气氛及氧浓度对典型煤种在富氧燃烧条件下燃烧释放NO的影响规律.研究结果表明:CO2/O2气氛下煤粉燃烧NO释放总量较N2/O2气氛下少;CO2/O2气氛下氧浓度的增加对煤粉燃烧NO释放有促进作用;石灰石及CaO对煤粉燃烧NO的生成均具有催化作用,且CaO的催化作用更强.     

四角切圆煤粉锅炉燃烧工况评判

针对现有锅炉燃烧工况评判方法的不足,结合某300MW四角切圆燃烧煤粉锅炉实际运行工况,创新性地利用因子分析法,对锅炉燃烧工况影响因素进行降维分析。按公共因子各自的方差贡献率加权相加计算综合评价得分,从而评价各因素影响作用的大小,避免了各因素之间不可比性给评判决策造成的困难,综合评判的结果正确反映了锅炉实际运行工况,相对现有锅炉燃烧工况评判方法,具有一定的优越性。     

煤粉燃烧及SNCR脱硝反应过程数值模拟

使用Fluent6.3.26对一个简单的燃烧器内煤粉燃烧及非选择性催化还原(SNCR)脱销进行了模拟。应用标准k-ε双方程模型计算气体的湍流流动,采用组分运输模型、P-1辐射模型,得到燃烧器内部的速度、压力、和浓度场信息,模拟结果与实际得到较好的吻合。     

回转窑二次风富氧燃烧的数值模拟

针对一实际尺寸的回转窑建立模型,分别进行了空气助燃(21% O₂)和二次风富氧(23% O₂)燃烧的数值模拟研究。结果表明,二次风富氧后,高温区覆盖形状没有明显变化,仍呈“棒槌状”;在回转窑前端,煤粉挥发分与焦炭燃烧速度加快,整体温度有所提升,最高温度由2386 K增至2427 K,壁面所接收的辐射量得到了提升;但NO_x的生成量也大幅度提高,其中出口处NO_x由247 mg/m³增至367 mg/m³。考虑到制氧成本问题及NO_x排放问题,在二次风中进行富氧燃烧的总体效果不够理想。     

煤粉锅炉智能模糊燃烧控制系统

介绍了智能模糊燃烧控制系统ＦＩＣＣＳ在３５Ｔ／Ｈ煤粉锅炉上的具体实现，该系统也是国家８６３计划项目“模糊智能燃烧控制系统”的原型样机验证系统。     

125 MW煤粉炉内分级燃烧的数值模拟

对125 MW煤粉炉内两种工况的分级燃烧进行了数值模拟,得到了炉内温度、速度分布以及NOx,CO,CO2等气相组分浓度分布.结果表明,随二次风率降低、燃尽风率的增加,炉内最高温度降低,炉内高温区上移,NOx浓度降低;整个炉膛内部湍流强度都比较强烈;炉内CO和CO2浓度分布及速度分布与实际燃烧状况能较好吻合,可为低NOx燃烧技术和锅炉改造提供指导.     

基于高温悬浮态实验的煤粉燃烧动力学分析

根据工业分解炉中物料燃烧反应的特点,采用高温悬浮态气固反应实验台进行煤粉燃烧实验得到燃烧曲线,然后进行动力学分析.通过对不同气固反应模型计算分析,判断适合该煤种的动力学机理函数,求得其动力学参数,从而确定煤粉在某温度范围内符合的化学反应级数模型.对所得反应速率常数与燃烧反应速率误差的分析比较,表明了动力学分析结果的可靠性.     

典型煤碳燃烧特性研究和数值模拟

本文以三种典型煤的碳燃烧为研究对象，分别采用简单一维沉降燃烧方式和等温加热燃烧方式，实验研究了煤在快速加热条件下，其碳的初期和中，后期燃烧过程。以实验为基础，建立了煤的碳燃烧模型，变工况数值模拟了煤的碳燃烧过程，揭示了煤不同条件下的单颗粒碳燃烧特性。     

富氧气氛下升温速率对煤燃烧及动力学的研究

在同步热分析仪上对小龙潭褐煤进行了不同升温速率(5K/min,10K/min和20K/min)下的O2/CO2燃烧特性实验,确定不同升温速率下煤粉的燃烧特性参数及动力学参数.实验结果表明,随着升温速率的增大,煤粉的TG曲线和DTG曲线均向低温区偏移,煤样的着火温度和燃尽温度升高,燃烧时间延长,可燃性指数和综合燃烧特性指数增大,同时,反应动力学参数随升温速率的变化而不同,频率因子呈上升趋势.     

煤粉燃烧动力学参数的试验

在研究煤粉动力学参数时 ,采用的方法主要有以下几种 :热重分析、DTFS和小型热模试验。采用自制的气固反应动力学试验装置 ,通过气体成分的连续检测 ,对几种煤粉的反应动力学过程进行了试验研究 ,并通过数学计算 ,确定了煤粉燃烧过程的一些动力学参数 ,如燃烧速率、颗粒表面温度 ,反应活化能和指前因子。除无烟煤之外 ,本文还选择烟煤进行了尝试性试验。所得结果 ,对工业流化床反应器的设计有一定的指导意义。     

煤燃烧超细颗粒物团聚促进技术的研究进展

超细颗粒物团聚促进技术可以提高除尘效率，减少超细颗粒物的排放．介绍了超细颗粒物团聚的促进方法：电团聚、声团聚、磁团聚、热团聚、湍流边界层团聚、光团聚和化学团聚的基本原理及其适用范围．全面概述了各种团聚技术的国内外研究进展，讨论了目前研究的不足之处，并提出了今后研究的重点．     

电厂煤粉粒度特征及其对煤粒燃烧的影响

采用MS2000激光粒度仪分析了电厂炉前煤粉粒度分布特征，磨煤造成了显微组分的分离与富集，镜质组有向粗粒度富集的趋势，惰质组有向细粒度富集的趋势．较粗粒径煤粉（212μm～75μm）特别是212μmn～150μm粒度段所占比例对炉内煤粉燃烧效率的影响最大．虽然镜质组有向粗粒度富集的趋势，但最粗粒煤粉因颗粒太粗，在炉内短暂加热时间内来不及迅速燃烧；而较细粒煤粉则因磨煤引起惰质组向细粒度富集而影响其燃烧效率．所以，在理论分析和实验研究粒度对煤粒燃烧特性的影响时，应考虑磨煤造成的显微组分分离与富集所引入的干扰和煤自身煤岩特征的差异．     

煤燃烧过程中汞元素形态转化的实验研究

在一维煤粉燃烧炉上，利用液体吸附剂取样方法对煤燃烧过程中汞的化学形态分布，规律进行了实验研究，结果表明，在煤燃烧过程中，煤中绝大部分（85%以上）的汞挥发进入气相，残留在底灰中的汞的比例则相当小；飞灰颗粒汞浓度大超志底历汞浓度，体现出汞的飞灰富集和底灰分散特性；由于飞灰残炭的吸附作用。烟气中的汞主要以颗粒态的形式存在，而以气态形式存在的汞较少；单质汞是气态汞的主要形式，占气态汞总量的52%-83%。     

煤中含铁矿物在煤粉燃烧过程中行为的研究进展

综述了国内外关于煤中煤中含铁矿物在煤粉燃烧过程中行为及其在结渣过程中作用的研究进展,着重对硫铁矿（ＦｅＳ２）菱铁矿和伊利石在燃烧过程中行为的研究结果进行了评述,并指出了这方面值得进一步研究的内容。