煤粉燃烧过程的数值模拟
Ryoichi Kurose
京都大学
高级研究院流体科学与工程学院机械工程与科学系
Hiroaki Wata nabe and Hisao Makino
中央研究所的电力行业能源工程研究实验室
摘要
煤炭是一种能够满足电力进一步需求的重要能源资源，而且煤炭比其他化石燃料的储量丰富得多。在燃煤发电厂，改善对环境污染物如NOx,SOx及包括未燃尽的碳粒在内的灰粒的含量的控制技术十分重要。随着计算机性能的显着提高，人们强烈希望计算流体动力学（CFD）成为一种工具，成为一种研发和设计这种合适的煤粉燃烧的燃烧炉膛和燃烧器的工具。这次审查的重点是突出我们的CFD 研究的最新进展，即煤粉在燃烧中的平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS）的模拟和大涡模拟（LES）的最新进展，及未来的一些前景。
关键词：煤粉燃烧，数值模拟，平均雷诺数纳维斯托克斯模拟，大涡模拟
1.介绍
煤炭是一种能够满足电力进一步需求的重要能源资源，而且煤炭比其他化石燃料的储量丰富得多。在燃煤发电厂，改善对环境污染物如NOx,SOx及包括未燃尽的碳粒在内的灰粒的含量的控制技术十分重要。为了实现这些目标和要求，了解煤粉燃烧机理和先进的燃烧技术的发展十分必要。然而，由于煤粉燃烧是一个非常复杂的现象，其中最高的火焰温度超过1500C,以及某些物质难以进行测量，如一些原子团种类和一些高活性固体颗粒，因此在燃烧过程中的煤粉燃烧机
理至今没有得到很好的解释。而且由于研发过程包含许多步骤，因此，新的燃烧炉膛和燃烧器的发展需要较高的成本和较长的时间。
随着计算机性能的显著提升，煤粉燃烧领域的计算流体动力学正在被研发。在这种方法中，电脑解决了燃烧领域的控制方程式，这使它能够提供温度和化学物质种类分布的详细信息和在整个燃烧空间中煤粉颗粒的行为，而上述那些通过实验是不能得到的。此外，此种方法有助于在相对较低的成本条件下重复审查任意条件下的煤粉的流场和各种参数。因此，强烈地希望计算流体动力学（CFD）能够成为燃烧炉炉膛和燃烧器研发和设计的一种工具。
直接数值模拟（DNS）,大涡模拟（LES）和平均雷诺纳维斯托克斯模拟（RANS）是有关湍流模型中燃烧领域中的典型的计算流体动力学（CFD）方法。
直接数值模拟（DNS），它能通过在这些领域中设置低于最小漩涡的数值网格空间来直接解决流场、化学物质的浓度和温度的控制方程，在上述提及的方法中，它具有最高的数值精确度。虽然它能有效地应用于基础研究，但是它在实际水平的燃烧领域应用却很难，因为它需要设置大量网格点和高负荷计算的计算机。相反，平均雷诺纳维斯托克斯模拟（RANS）在实际应用中最常用。因为这种方法通过在时间和置换雷诺切应力加以平均解决了控制方程和湍流标量通量的湍流模型。它可以大大减少网格点的数量和计算机负载。然而，平均雷诺纳维斯托克
斯模拟有几个问题，如湍流模型的选择和其中包含的参数值的确定的困难，以及在预测不稳定的湍流运动中存在一定的劣势。因此，最近大涡模拟收到了重视，这种方法直接解决了较大旋流的控制方程，剩余的小漩涡使用模型计算。这是一种空间平均法，它具有一定的优势，即对不稳定的湍流运动进行了评估和模型中包含的参数数量减少了。与平均雷诺纳维斯托克斯模拟相比，尽管大涡模拟
（LES）对计算机有较高的负荷，但是如果考虑到计算机性能的改进取得进展，但是很可能在不久的将来LES会被应用到实际领域中。
这次审查的重点是突出我们的CFD研究的最新进展，即煤粉在燃烧中的平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS ）的模拟和大涡模拟（LES）的最新进展，及未来的一些前景。在第2部分中，介绍了和现在数值模拟有关的煤粉燃烧试验炉膛和燃烧器以及煤粉燃烧锅炉的简明概念。一些LES和RANS数值模拟结果分别显示在第3部分和第4部分。最后，本次审查在第5部分下结论。
2.燃煤电站锅炉和基本测试实验设施及其数值模拟
在这次审查中，主要关注的燃煤锅炉的燃烧场数值模拟。锅炉是一个将热量转化为蒸汽热能的系统。在通常的煤粉燃烧锅炉中，煤粉由安装的燃烧器提供，它安装在垂直方向的三个位置，如图1所示。锅炉的燃烧器的数量为10-40个，每个燃烧器的给煤率最多为10吨/小时。根据燃烧系统的不同，电站锅炉一般分为两类：即相对布置在前墙和后墙的燃烧器的锅炉（见图1）和布置在锅炉的四个角的四角切圆燃烧器的锅炉。对于这些锅炉，相对于了解水平方向的火焰相互影响而言，了解垂直方向的火焰相互影响更为重要，因为火焰弯曲向上的主流
和垂直方向的浮力使得火焰之间彼此影响。
为了从根本上研究火焰相互作用，中央电力行业研究所（CRIEPI）采用多
燃烧器的煤粉燃烧试验炉膛，在Yokosuka实验室的试验炉中，垂直方向安装有
三个燃烧器，每个燃烧器具有约100千克/小时的燃烧能力，如图2所示。多燃烧器炉膛紧挨着烟气处理装置，比如选择性催化脱硝装置，静电除尘装置，石膏石灰石湿式脱硫装置，这很类似电站锅炉。此炉的高度，水平宽度，深度分别为11米，0.9米和1.9米。助燃空气通过燃烧器和分级布置的风口注入炉内，风口位于从燃烧平台至其以下2米的范围内。此外，日本电力工业中央研究所的Yokosuka研究实验室也采用单燃烧器的燃煤试验炉（见图3），以进一步了解单一火焰的详细结构。煤燃烧容量大约为100千克/小时。单燃烧器锅炉是一个圆柱形锅炉，煤粉燃烧的火焰不弯曲且不相互扰动，从而可以检测其燃烧过程。该炉的直径为0.85米，长度为8米。助然空气通过燃烧器和分级布置在燃烧器以下3米范围内的风口注入炉内。通过比较这两个试验炉之间的燃烧特性，希望获得在设计和运行实际电站锅炉方面有用的信息。
安装在上述试验炉中的燃烧器是日本电力工业中央研究所高级低污染高性能燃烧器（CI- a，它的燃煤能力大约为100千克/小时。燃煤和一次风共同送入炉膛，二次风和三次风通过一次风的周围边界供应。日本电力工业中央研究所高级低污染高性能燃烧器（CI- a是这样设计的，它通过一次风的直接运动和二三次风的旋转运动（见图4）而产生的再循环流动来促进燃烧器区域的混合。再循环流动延长了煤粉颗粒在燃烧器出口附近高温区域的停留时间，并且加速了挥发分物质的演变和焦炭反应的进程。因此，有效地减少了飞灰中未燃尽碳的数量，但是在这个区域中氮氧化物的浓度也增加了。在再循环区域之后存在着减小的火焰，然后氮氧化物立即减少变为氮气。而且，分级燃烧的方法促进了氮氧化物的减少效果，在这种方法中，一些和燃烧器分开的燃烧空气通过安装在炉膛后部的注射风口供应。有关日本电力工业中央研究所高级低污染高性能燃烧器（CI- a
和其性能的详细描述能够在我们以前的报纸中找到。
4. 3燃煤领域的挑战
最近，在带有CI- a燃烧器的单一燃烧器炉膛中，大涡模拟（LES）已经应用到实际的燃煤领域中。
图21显示了在流动方向的平面上瞬时轴向速度，燃气温度和氧气浓度的预测分布。能观察到在靠近燃烧器的中央区域形成了旋转的再循环流动及它的大小和动态特性随时间的变化。同时，这种不稳定流动行为强烈影响了点火特性。图22显示了平均时间烟气温度和氧气浓度的轴向分布在计算和实验中的比较。定性预测分布和实验结果一致。因此，不像平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS ）模
拟，大涡模拟（LES）能够精确地捕捉这种不稳定燃烧流运动，它的这种特性具有极大地提高数值精确度的可能。此外，大涡模拟（LES）较之于平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS ）模拟有一个优点，就是它的模型参数数量较少。然而，对于燃煤锅炉的大涡模拟（LES），仍然存在着困难的挑战，就是它不但涉及湍流燃烧的数学模拟和污染物的排放，而且涉及计算成本。
5.结论
在此综述中，有关平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS ）模拟和大涡模拟（LES）的煤粉燃烧计算流体动力学最新进展得到了讨论。可以这样说，有关流场的预测，大涡模拟（LES）比平均雷诺数纳维斯托克斯（RANS）模拟更有优势，因此，大涡模拟（LES）希望在不久的未来成为新燃烧炉膛和燃烧器的发展和设计的有用工具。然而，煤粉的燃烧时一个复杂的现象，在这种过程中包括各式各样的过程，比如煤粉的液化，挥发分物质的燃烧，在颗粒表面的燃烧，以及在气流中煤粉的分散行为及他们之间的相互作用。因此，煤粉燃烧行为还没有被完全理解和模仿。尤其是最近煤的液化模型能够强烈地影响数值的精确度。湍流燃烧模型的提高也是必须的。更为复杂的湍流燃烧模型，在这种模型中，小火焰单元模型等详细作用信息应当被考虑，它常用来气态的和喷雾液体的燃烧，这种模型是可取的。此外，大涡模拟（LES）的更大更复杂领域比如在电站锅炉中的应用在数值稳定性、准确性和成本方面受到挑战。