煤粉近壁燃烧模型构建及液排渣式燃烧器的特性研究

论文摘要

燃油窑炉面临油价大幅上涨、油料供应紧张的严峻态势，另一方面，大批中小型燃煤窑炉由于技术落后，提高效率、控制粉尘、降低NOx及SO2等污染物排放的需求极为迫切，我国众多的工业窑炉急需一种高效、低污染又能节省油气资源的洁净煤技术。在进入“十一五”之际，我国政府提出能源可持续战略集中体现在“节能优先、保障供给、结构多元、环境友好”，开展清洁煤技术以及“煤代油”技术的研究与开发，因而本文的研究具有重要的应用价值和现实意义。 基于液排渣燃烧方式提出的“煤粉低尘燃烧技术”在提高燃烧效率、降低粉尘排放、控制硫化物和氮氧化物排放方面具有独特的设计构思和燃烧特点，经过“九五”国家攻关项目的支持，已经完成了200kg／h燃烧器的冷态实验和一部分热态试验，体现了良好的开发价值和应用前景，但在燃烧器的结构优化、保证液排渣特性的制约条件、热效率提高、多级燃烧配置等多方面还存在许多未解决问题，需要对于燃烧器有更深入和系统的研究。由于煤粉燃烧器的热态试验投资大而且高温燃烧场的观察和测试手段复杂、困难大，单纯依靠热态试验难以对新型燃烧技术的进一步改进和完善提出合理有效的措施，因而本研究采用以数值模拟为主的手段对液排渣燃烧器内相关理论模型和燃烧特性进行研究。 本文首先采用STAR-CD软件为计算平台，对液排渣燃烧器内的燃烧特性进行数值模拟。在合理选择气相流动、固相流动、煤燃烧以及NOx生成等模型的同时，通过对壁面条件的近似处理，探讨了煤粉在壁面处的运动情况，并以此为基础考察了燃烧场的两相流动特性，模拟了燃烧器内煤粉的燃烧过程以及各物理量的分布。在与实验比较的基础上，对燃烧器的结构进行改进，为液排渣煤粉燃烧模型的开发和完善奠定基础。 根据CFD软件计算结果对燃烧器进行了改进，进行新一代燃烧器的热态试验研究，测量了不同化学计量比下的温度、浓度分布，特别是得出了灰渣捕集率和飞灰浓度排放的定量结果，为低尘燃烧器的开发和数学模型的构建提供了有用的热态试验数据。更为重要的是从计算结果和试验现象的分析比较中发现常规的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 选题背景及研究内容
• 1.1 研究的技术背景及现状
• 1.1.1 煤粉燃烧技术简介
• 1.1.2 煤粉低尘燃烧技术
• 1.2 研究的理论背景及现状
• 1.2.1 计算燃烧学的发展
• 1.2.2 计算燃烧学在煤粉燃烧中的应用
• 1.2.2.1 燃烧特性的数值模拟
• 1.2.2.2 积灰结渣及污染物的数值模拟
• 1.2.3 煤粉燃烧数值模拟研究中的问题
• 1.3 本课题的提出及研究内容
• 参考文献
• 第二章 煤粉燃烧数值模型的研究综述
• 2.1 常规煤粉燃烧的数值模拟
• 2.1.1 气相流动模型
• 2.1.1.1 雷诺应力方程模型
• 2.1.1.2 混合长度模型
• 2.1.1.3 单方程和双方程模型
• 2.1.2 颗粒运动模型
• 2.1.2.1 连续介质模型
• 2.1.2.2 颗粒轨道模型
• 2.1.3 热解挥发模型
• 2.1.3.1 单方程模型
• 2.1.3.2 双平行竞争反应模型
• 2.1.3.3 其它热解模型
• 2.1.4 焦炭燃烧模型
• 2.1.5 气相燃烧模型
• 2.1.6 辐射传热模型
• 2.2 灰渣形成及沉积的数值模拟
• 2.2.1 煤灰形成
• 2.2.1.1 煤中矿物质的分布
• 2.2.1.2 矿物质聚结的形态
• 2.2.1.3 焦炭结构及燃烧
• 2.2.2 灰渣沉积
• 2.2.2.1 灰颗粒在流场中的运动
• 2.2.2.2 灰的碰撞率的模拟
• 2.2.2.3 灰的粘附率的模拟
• 2.2.2.4 灰渣粘度的模拟
• 2.2.3 灰渣层的成长以及传热
• 2.3 灰渣沉积模型在煤粉燃烧过程的应用
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 煤粉低尘燃烧器热态特性的CFD解析
• 3.1 数学模型
• 3.1.1 气相湍流流动模型
• 3.1.2 颗粒运动模型
• 3.1.3 煤的热解模型
• 3.1.4 焦炭燃烧模型
• 3.1.5 气相燃烧模型
• x的生成模型'>3.1.6 NO_x的生成模型
• 3.2 计算对象及工况
• 3.2.1 计算对象
• 3.2.2 数值解法
• 3.2.3 进口边界条件
• 3.2.4 壁面边界条件
• 3.2.5 煤种特性
• 3.3 计算结果分析
• 3.3.1 计算值与实验值的比较
• 3.3.2 燃烧特性分析
• 3.3.2.1 流场分布
• 3.3.2.2 温度分布
• 3.3.2.3 浓度分布
• 3.3.3 煤粉低尘燃烧器的初步改进
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 煤粉低尘燃烧器热态试验研究
• 4.1 系统装置
• 4.1.1 煤粉低尘燃烧器
• 4.1.2 空气预热系统
• 4.1.3 冷却系统
• 4.1.4 测试系统
• 4.1.4.1 温度测试
• 4.1.4.2 燃烧气体浓度测试
• 4.1.4.3 流量测试
• 4.1.4.4 粉尘浓度测试
• 4.2 样品分析
• 4.2.1 煤种特性
• 4.2.2 灰渣特性
• 4.2.2.1 灰渣成分分析
• 4.2.2.2 灰渣熔融性分析
• 4.3 试验结果及讨论
• 4.3.1 燃烧效率和颗粒燃尽率
• 4.3.2 粉尘浓度
• 4.3.3 捕渣率
• 4.3.4 温度分布
• 4.3.5 浓度分布
• 2浓度分布特性'>4.3.5.1 CO和O₂浓度分布特性
• x浓度分布特性'>4.3.5.2 NO_x浓度分布特性
• x分布的影响'>4.3.5.3 化学计量比对NO_x分布的影响
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 颗粒附壁燃烧机理及模拟方法研究
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 颗粒沉积模型
• 5.1.1.1 颗粒碰撞率
• 5.1.1.2 颗粒黏附率
• 5.1.1.3 模型计算式
• 5.1.2 附壁燃烧模型的构建
• 5.1.2.1 颗粒组的群分化过程
• 5.1.2.2 颗粒附壁燃烧
• 5.1.3 液渣流动模型的构建
• 5.1.3.1 受力分析
• 5.1.3.2 能量平衡分析
• 5.1.3.3 质量平衡分析
• 5.1.3.4 模型计算式
• 5.2 传热分析
• 5.3 计算方法
• 5.4 计算实例
• 5.4.1 计算对象及工况
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.4.2.1 颗粒沉积特性
• 5.4.2.2 液渣流动特性
• 5.4.2.3 附壁燃烧特性
• 5.4.2.4 灰渣捕集特性
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 煤粉燃烧数值模型精度的讨论和优化
• 6.1 典型煤粉燃烧程序
• 6.1.1 方程组的离散
• 6.1.2 方程组的求解
• 6.1.2.1 气相方程组
• 6.1.2.2 颗粒相方程组
• 6.1.3 基本动力学参数设置
• 6.2 计算对象及工况
• 6.3 计算模型精度讨论
• 6.3.1 附壁燃烧机制的影响
• 6.3.1.1 流场分布
• 6.3.1.2 温度分布
• 6.3.1.3 浓度分布
• 6.3.1.4 壁面传热
• 6.3.2 焦炭还原气化反应的影响
• 6.3.3 煤粒燃烧状态的影响
• 6.3.3.1 等密度状态
• 6.3.3.2 等直径状态
• 6.3.4 影响因素总结
• 6.4 计算模型精度验证
• 6.4.1 轴线上温度比较
• 6.4.2 轴线上浓度比较
• 6.4.3 颗粒燃尽率比较
• 6.4.4 捕渣率比较
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 生物质与煤混烧特性的数值研究
• 7.1 数学模型
• 7.1.1 热解动力学模型
• 7.1.2 燃烧动力学模型
• 7.2 计算对象及工况
• 7.2.1 计算对象
• 7.2.2 物料特性
• 7.2.3 计算工况
• 7.3 计算结果分析
• 7.3.1 混烧特性
• 7.3.1.1 温度分布
• 7.3.1.2 浓度分布
• 7.3.1.3 颗粒空间燃烧
• 7.3.2 颗粒附壁特性
• 7.3.2.1 颗粒沉积
• 7.3.2.2 颗粒附壁燃烧
• 7.3.2.3 液渣流动
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第八章 结论和建议
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 本文工作的创新点
• 8.3 工作展望和建议
• 个人简历及论文发表情况
• 致谢