煤粉燃烧仿真过程);

译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )使用非预混燃烧模型 Using the Non-Premixed Combustion Model 概要 先决条件 问题描述 使用 prePDF 的准备工作 Step 1: Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF Step 2: Compute and Review the Adiabatic System prePDF Look-Up Tables Step 3: Create and Compute the Non-Adiabatic prePDF System Preparation for FLUENT Calculation Step 4: Grid Step 5: Models: Continuous (Gas) Phase Step 6: Models: Discrete Phase Step 7: Materials: Continuous Phase Step 8: Materials: Discrete Phase Step 9: Boundary Conditions Step 10: Solution Step 11: Postprocessing Step 12: Energy Balances and Particle Reporting SummaryIntroduction 概要对煤粉燃烧的模拟包括对连续气相的模拟及其对煤颗粒分散相的相互作用 的模拟.煤颗粒穿过气相时,会进行脱挥发分和焦炭的燃烧,从而成为进行气相 反应的燃料的源.对反应的模拟可通过组分传输模型(the species transport model)或非预混燃烧模型(the non-premixed combustion model)进行模拟. 在此实例指南中, 你将使用非预混燃烧模型模拟一个简化的燃煤炉体内的化学反 应. 在此实例指南中,你将学习: 使用 prePDF 预处理器为煤粉燃料(的燃烧)准备一个 PDF 表 为非预混燃烧化学反应模型定义 FLUENT 的输入参数 为煤颗粒定义一个离散相 求解一个包含反应离散相的煤颗粒的数值模型非预混燃烧模型是采用这样一种建模方法, 即求解一个或两个守恒标量以及混合 分数的的传输方程.多化学组分时,包括根和中间产物,可以采用这种方法被考译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )虑进来,并且他们的浓度能够通过预测出的混合分数分布计算出来.通过化学数 据库,可以得出组分的正确数据.湍流和化学反应的相互作用可通过使用β或双 δ的概率密度函数 (PDF) 来模拟. 关于非预混燃烧的模型详见 the User's GuidePrerequisitesThis tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT, and that you have solved Tutorial 1 or its equivalent. Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly.问题描述(Problem Description )本例程考虑的煤粉燃烧系统时一个简单的二维管道,截面为 10m×1m,如图 13.1 所示.因为管道对称,图中只显示了宽度的一半.该二维管道的入口分成 两股来流.靠近管道中心的高速来流速度为 50m/s,跨度为 0.125m.另一股来流 速度为 15m/s,跨度为 0.375m.两股来流都是 1500K 的空气.靠近中心高速流股 进入炉膛的煤颗粒,其质量流率为 0.1kg/s(煤颗粒的总流率为 0.2kg/s).管 道的壁温为 1200K 的常温. 基于入口尺寸和平均入口速度的雷诺数约为 100,000. 因此,流动为湍流. 关于煤组成和粒度分布的详细信息将在 step 5(Models: Continuous (Gas) Phase)和 Step 8( Materials: Discrete Phase)中给出.Figure 13.1: 2D Furnace with Pulverized Coal Combustion译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )对 prePDF 的准备(Preparation for prePDF )1. 启动 prePDF.当你使用非预混燃烧模型,你要先使用前处理器—prePDF-生成一个 PDF 文件. 该 PDF 文件包含了关于各组分浓度,温度与混合分数值之间的联系的信息,并被 FLUENT 在求解过程中用来获得这些标量(组分浓度,温度等) .Step 1: 在 prePDF 中定义初步的绝热系统 (Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF )1. 定义 prePDF 模型类别.你可以定义单一燃料流或者燃料流加上另一个流股.激活第二个流股可以让你明了 两个混合分数.对于煤颗粒的燃烧,采用两个流股的方法可以让你明确地将挥发分 (第二个流股)流股同焦炭流股(燃料流)分开.在该例程中,我们将不采用两个 流股的方法,而采用单一混合分数法.SetupCase...(a)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )在 Heat transfer options, 保持默认设置 Adiabatic.该例程中讨论的煤粉燃烧器是一个非绝热系统, 在气相与煤颗粒相间, 以及燃 烧器壁面上,都有热量传递.因此,必须在 prePDF 中考虑非 绝热系统.由于非绝热系统较之绝热系统在计算时要耗费更多的时间,因此你 可在启动 prePDF 时先考虑系统为绝热系统. 根据对绝热系统的 PDF/化学 平衡的计算结果,你将确定大致的系统参数,这将使得在非绝热系统下的 计算更具效率.而且,绝热系统的计算将提供绝热火焰温度,混合分数的 化学当量以及各单独组分对化学反应系统的重要性的信息. 这种首先在绝 热系统中计算的方法将被用于所有的考虑在非绝热条件下的 PDF 计算.(b) 在 Chemistry models, 保持默认设置 Equilibrium Chemistry. 对大多数基于 PDF 的数值模拟,推荐 使用 Equilibrium Chemistry 选项. Stoichiometric Reaction ( 混合即完全反应 ) 选项计算量小,但不准确; Laminar Flamelets 选项能够考虑空气拉伸的非平衡现象,例如超平衡基浓度和亚平衡温度. 这对于 NOx 的预测非常重要,但在此例中不必考虑. (c) 保持默认设置 PDF models. 一般的,推荐使用β函数的 PDF 积分,因为他比δ函数的 PDF 积分方法更准确.(d) 在 Empirically Defined Streams, 选择 Fuel stream 选项. 这将允许你采用 empirical 输入选项来定义燃料流股(即根据煤的 ultimate analysis 定义) Empirical 输入选项允许你指定燃料中 H,C,N 和 O 的元素组成 (DAF) 低位发热量和比热. , 当元素分析和热值已知时, 这种指定方法是很有效的. (e) 点击 Apply ,关闭面板 2. 定义系统中的化学组分指定系统中包含哪些组分依赖于燃料类型和燃烧系统. 关于指定组分的指南在FLUENT User's Guide 中有介绍.在这里,你将假定该平衡系统中包含 13 种组分: C, C(s), CH , CO, CO , H, H ,H O, N, N , O, O , and OH.之所以包含 C, H, O, 和 N 是因为我们采用``empirical''输入方法 对燃料进行定义的,因此要用到元素组分.! 当使用 empirical input 选项时,你应当将 C and C(S) 都选入系统SetupSpeciesDefine...译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )(a) 将 Maximum # of Species 设为 13. 使用上,下箭头来设置最大组分数目,或在数 字框中直接键入数字然后摁<ENTER>. (b) 在 Defined Species 列表中选择最上面的组分(初始标志为 UNDEFINED). (c) 在 Database Species 下拉表单中,使用滚动条拖动表单,并选择 C. 此时 Defined Species 表单中的最顶部组分将显示为 C . (d) 在 Defined Species 列表中选择第二个组分 (或在 Species # 选项中将数目增大为 2). (e) 在 Database Species 下拉 表 单 中 , 使 用 滚 动 条 拖 动 表 单 , 并 选 择 下 一 个 组 分 ( C(S)). (f) 重复 步骤 (d) 和 (e),直到 13 个组分都被定义 (g) 点击 Apply,关闭面板 Note:在其他燃烧系统中,你也许想添加其他化学组分,但你不要添加慢反应的化学组分, 例如 NOx..3. 确定燃料组分输入.本例中考虑的燃料是已知的,根据工业分析,知道含 28%的挥发分,64%的焦炭和 8%的灰分.你要根据这些信息,以及以下给出的元素分析结果,在 prePDF 中定义 煤的组成.燃料流的组成(焦炭和挥发分)可计算如下:译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )首先将工业分析数据(干燥基)转化为可燃基(干燥无灰基).工业分析 Wt % Wt % Proximate Analysis (dry) Volatiles Char (C(s)) Ash 28 64 8 (DAF) 30.4 69.6 -煤的元素分析如下表:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8为简单起见,煤中的硫分可并入氮的质量分数,因此最终数据如下:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 2.3 -我们可根据工业分析和元素分析的数据得出挥发分的元素组成如下: can combine Wethe proximate and ultimate analysis data to yield the following elemental composition of the volatile stream: (译者注:这里不是挥发分流股的元素组成,而是整个燃料流股的元素组成,因为该模型采用单混合分数模型,而且表中数据也显示是单流股的摩 尔组成)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )Element Wt % Moles Mole Fraction C H O N Total 89.3 5.0 3.4 2.3 7.44 5 0.21 0.16 12.81 0.581 0.390 0.016 0.013你将用到上表中最后一列中的数据.prePDF 将使用这些信息以及煤的热值来定义 燃料中的组分. 煤的低位热值为(DAF) : LCV= 35.3 MJ/kg煤的热容和密度分别为 1000 J/kg-K 和 1 kg/m4. 输入燃料和氧化剂的组分SetupSpeciesComposition...(a) 激活氧化剂流股组分的输入框氧化剂(空气)的组成为 21%的 O2 和 79% 的 N2译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In, 保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 选项中选择 O2 并在 Species Fraction 中输入 0.21. iv. 在 Defined Species 选项中选择 N2 并在 Species Fraction 中输入 0.79 (b) 激活燃料流股组分的输入框 Note: 因为燃料流股已经选择了 empirical 输入选项,您将被提示输入 C,H,O 和 N 的原子摩尔分数,以及燃料的热值和热容.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Fuel. ii. 在 Specify Composition In 中,保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 列表中选择 C 并在 Atom Fraction 中键入 0.581. iv. 在 Defined Species 列表中选择 H 并在 Atom Fraction 中键入 0.390. v. 在 Defined Species 列表中选择 N 并在 Atom Fraction 中键入 0.016. vi. 在 Defined Species 列表中选择 O 并在 Atom Fraction 中键入 0.013. vii. 在 Lower Caloric Value 中键入 3.53e+07 J/kg 在 Specific Heat 中键入 1000 J/kg-K . viii. 点击 Apply ,关闭面板. 5. 定义固体碳的密度.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )这里,假定固定碳密度为 1300 kg/m3SetupSpeciesDensity...(a) 在 Defined Species 中选择 C(S) . (b) 将 Density 设为 1300. (c) 点击 Apply ,关闭面板. Note:在计算燃料的混合密度时,prePDF 会用到这个信息.你应当定义固定焦炭的密度, 这个值可能和 FLUENT 中定义的煤的密度不一致, FLUENT 中定义的是包含灰 的煤粒的显密度.6. 定义系统操作条件.在化学平衡计算中需要用到系统压力和入口流温度. 煤燃烧情况下, 燃料流股 的入口温度应当是开始脱挥发分的温度.氧化剂流股的入口温度应当对应于空气入 口温度.在本例程中,煤脱挥发分的温度设置为 400 K,空气入口温度为 1500K,系 统压力为 1 大气压.SetupOperating Conditions...(a)在Fuel和Oxidiser中分别将温度设为400 K 和1500 K。

矿热炉仿真算例全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：矿热炉是一种用于高温固相反应的设备，因其在矿石冶炼过程中起到关键作用而备受关注。

近年来，随着仿真技术的发展，矿热炉仿真已成为研究人员研究热力学和传热过程的重要工具。

本文将探讨矿热炉仿真的算例，并介绍一些应用实例。

矿热炉是一种用于冶炼金属或矿石的设备，其工作原理是通过高温加热将矿石进行熔化和反应，以提取所需金属。

矿热炉的设计和优化是冶金工程中的关键问题，而仿真技术可以帮助工程师们更好地了解热力学和传热过程，从而改善炉内的工艺条件和降低能耗。

矿热炉仿真的算例主要涉及到炉内的温度分布、热流分布、反应速率等参数。

通过建立数学模型和计算流体力学（CFD）模拟，可以模拟和预测炉内各种物理和化学过程的行为。

热传递和热辐射是矿热炉仿真中最重要的部分，因为其直接影响炉内温度和反应速率。

在矿热炉仿真中，炉内的温度分布是一个关键的参数。

通过数学模型和CFD模拟可以计算炉内各个位置的温度变化，并通过优化炉内结构和燃烧方式来提高能源利用率和生产效率。

通过改变炉内燃烧器的位置和角度，可以优化炉内热量分布，避免局部过热或过冷的现象。

矿热炉仿真还可以用于模拟炉内的化学反应过程。

通过计算反应速率和产物分布，可以优化炉内的工艺条件，提高金属提取率，并降低废气排放。

矿热炉仿真技术的应用范围不仅局限于传统矿石冶炼，还可以用于熔炼废旧金属和电子废弃物等新兴领域。

矿热炉仿真技术在冶金工程中扮演着重要角色，为工程师们提供了一种便捷而高效的工具来优化矿热炉的设计和操作。

未来随着仿真技术的不断发展，矿热炉仿真将更加普及和完善，为冶金工程带来更多的创新和发展机会。

【2000字】第二篇示例：矿热炉是一种常用于冶金、化工等工业领域的设备，通过煤炭、石油等燃料的燃烧产生的高温热能，加热矿石、矿渣等原料，进行冶炼、烧结等工艺过程。

随着工业自动化技术的发展，矿热炉仿真技术也逐渐受到重视。

矿热炉仿真是利用计算机模拟矿热炉工作过程，包括燃烧行为、气体流动、传热过程等各个方面，以实现对矿热炉性能的预测、优化和控制。

ANSYS CFX——流体动力学分析技术的开拓者产品关键字精确的数值方法快速稳健的求解技术丰富的物理模型旋转机械流动分析的专有特征先进的网格剖分技术发展历史CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX 一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。

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煤粉是怎样燃烧的煤粉入窑后，燃烧过程分三个阶段。

如图1所示。

（1）干燥预热阶段：这一阶段是使煤粉中所含水分蒸发掉，一般需要0.03～0.05秒。

但在煤粉粗湿的情况下，干燥预热的时间要相应延长。

干燥预热时间的长短，决定着火焰黑火头的长短。

图1. 煤粉燃烧示意图1──干燥预热；2──挥发物分馏与燃烧；3──固定碳燃烧（2）挥发物分馏与燃烧阶段：这一阶段一般约需0.01～0.03秒。

干燥的煤粉随温度继续升高至450～500℃时，挥发物开始分馏（也叫挥发），分馏出甲烷（CH4）、乙烯（C2H2）、一氧化碳（CO）等，包围在煤粉颗粒周围，形成一层挥发物气体薄膜，与入窑空气中的氧接触，开始（氧化作用）燃烧，生成气态的CO2和H2O。

在未燃烧尽以前，炭粒被薄膜隔绝，不能与氧充分接触，无法燃烧，只能焦化。

只有空气中的氧透过薄膜时，炭才能继续燃烧，挥发物的分馏在700℃～800℃时，即可挥发完毕。

挥发物燃烧时间长短，与挥发物含量多少、气体流速大小、温度高低有关。

挥发分低，气体流速快，温度高，燃烧时间就短；否则相反。

挥发分高的煤，着火早，燃烧快，黑火头短，白火焰长；挥发分低的煤则相反。

（3）焦炭燃烧阶段：这一阶段的主要作用是焦炭的燃烧，其燃烧速度决定于白火焰的长短（一般约需0.2～0.4秒），焦炭的燃烧，不但与温度高低有关，且与空气量及空气中的氧透过挥发物气体薄膜与炭接触的速度有关。

煤粉的颗粒大小及含炭量多少也都影响着焦炭的燃烧速度。

煤粉通过喷煤嘴喷入窑内后，经过一段距离才开始燃烧，这段距离就是黑火头。

煤粉燃烧后，产生热量，形成燃烧的焰面，温度随燃烧时间的增长而不断升高，高温的焰面不断向后面末燃烧的低温煤粉传热，使其达到着火点而燃烧，形成新的焰面。

不断地送煤，不断地燃烧，窑内就保持一个熊熊的火焰，不断地燃烧放热。

第19卷 第3期2010年9月 矿 冶M IN ING &M ETALLURGYVol 119,No 13S epte m ber 2010文章编号:1005-7854(2010)03-0045-04煤粉颗粒团燃烧过程的数值模拟刘向军,林超(北京科技大学热能系,北京100083)摘 要:煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧,颗粒内部传热传质机理复杂。

本文根据多孔介质的传热传质学理论,引入对流项,建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型,并对不同孔隙率的煤粉团的燃烧过程进行了对比计算,计算结果合理,揭示了孔隙率对煤粉团着火燃烧的影响,为深入研究煤粉团燃烧特性打下基础。

关键词:煤粉颗粒团;燃烧;数值模拟中图分类号:TK16 文献标识码:ANUM ER I CAL SI M ULATION OF THE COAL CLUSTER CO M BUSTION PROCESSLIU X iang-j u n,LIN Chao(Ther m al Engineering D e part m ent ,University o f Science&Technology B eijing,Beijing 100083,Ch i n a)ABSTRACT :M ost o f the coa-l gas co m bustion process acti n g i n a dense partic l e -gas t w o -phase fl o w fiel d is coa l cluster co m bustion,w h ic h is d ifferent fr o m tha t o f a sing le coa-l partic l e co m bustion because of the co m plex inner -cluster heat and m ass transfer 1I n this paper ,a 3D m athe m atica lm ode lo f a coa l c l u ster co m bustion i n hot air fl o w ,w hich based on the heat and m ass conservation la w of porous m edia ,is established 1The governing equations i n -clude heat transfer equation and gas transfer equati o n 1The detailed heating -up and co m busti o n processes of a coa l cluster are obtained and t h e effects of the porosity are also ana l y sed 1A ll t h ese results are reasonab le and o ffer theo -retical bases for futher st u dy i n g t h e co mbusti o n pr ocess of coa-l c l u sters 1KEY W ORD S :coal cluster ;co m bustion ;nu m erical si m ulati o n 收稿日期:2010-04-28作者简介:刘向军,博士,教授,长期从事流动与燃烧过程的基础研究。

煤粉燃烧过程总结煤炭是一种重要的化石能源，而煤粉燃烧作为热能利用的关键环节在各个工业领域得到广泛应用。

煤粉燃烧过程涉及复杂的物理化学过程，对其进行深入了解和总结，对于提高燃烧效率、降低环境污染具有重要意义。

1. 煤粉燃烧过程概述煤粉的燃烧是指将煤粉经过适当氧化剂供给和点火后，在一定温度下发生燃烧反应的过程。

煤粉燃烧过程一般包括以下几个阶段：1.1 加热和挥发在煤粉容器中加热至煤粉的挥发温度，煤粉中的挥发分逐渐蒸发。

在这个阶段，煤粉中的水分、挥发分和少量氧化物会逐渐释放出来。

1.2 燃烧当煤粉挥发分释放完毕后，氧气与煤粉中的固定碳进行反应，发生燃烧反应。

该过程主要是燃烧产物与煤粉的反应，释放出大量的热能。

1.3 燃烧尾部和灰渣在燃烧过程的尾部，煤粉中残留的灰分还未完全燃烧，会生成含碳的灰渣。

这些灰渣会随着烟气一同排出。

同时，在煤粉燃烧过程中，一部分煤粉未能完全燃烧，会以固态形式呈现。

2. 煤粉燃烧过程中的影响因素煤粉燃烧过程的效率和产物的环境影响受多种因素的影响。

下面介绍几个主要的影响因素：2.1 煤种和煤粉品质不同煤种和煤粉的品质都会对燃烧过程产生影响。

煤种的不同会导致煤粉中的固定碳、挥发分和灰分的含量不同，从而影响燃烧过程的热值和灰渣形成等特点。

2.2 煤粉粒径和分布煤粉的粒径和分布对燃烧过程的燃速和燃烧效率有较大影响。

适当的煤粉粒径可以增加煤粉与氧气的接触面积，加快煤粉的燃烧速度。

2.3 氧化剂供应和配风方式氧化剂供应和配风方式会直接影响燃烧的效率和产物的环境影响。

适当的氧化剂供应和配风方式可以提高煤粉的燃烧效率，减少煤粉中未燃尽的碳排放。

3. 煤粉燃烧过程的优化和控制为了提高煤粉燃烧过程的效率和降低环境污染，需要进行煤粉燃烧过程的优化和控制。

以下是几个常见的优化和控制方法：3.1 燃烧风量调整通过调整燃烧过程中的风量，控制燃烧区域中的氧气含量，可以改善煤粉的燃烧效率和产物的环境影响。

3.2 供氧方式改进改进供氧方式，如采用预混燃烧或分级燃烧等，可以提高煤粉的燃烧速度和燃烧效率。

炉内煤粉燃烧一维数学模型 及其仿真张腾飞，罗锐，任挺进，杨献勇（清华大学热能工程系，北京100084）摘要：为了准确计算炉内煤粉的燃尽率，从研究煤粉粒子的燃烧机理入手，以炉膛内最复杂的燃烧器区域的煤粉燃烧过程为研究对象，通过合理简化煤粉中挥发分和焦炭的燃烧过程，建立了炉内煤粉燃烧沿高度方向上的一维宏观模型，模型中考虑到了煤粉燃烧过程中氧含量的变化，以单个煤粉颗粒燃烧的等密度模型为基础，通过多种煤粉粒径的燃烧过程反映煤粉燃烧的整体过程，推导出计算炉内煤粉燃尽率的显示公式，满足了实时仿真计算的要求。

仿真计算结果与实测数据和现有的文献相符，并对其进行了分析。

关键词：煤粉燃烧；等密度模型；宏观模型；实时仿真中图分类号：TK22; O643 文献标识码：A1前言煤粉在锅炉炉膛内发生剧烈的化学反应产生燃烧火焰，将化学能转化为热能，使烟气温度升高，同时又将一大部分热量通过辐射传热的方式传递给水冷壁。

为了计算炉膛内的辐射传热量，首先必须弄清楚煤粉在炉膛内的化学反应释热量，这就需要建立煤粉燃烧过程的数学模型，比较精确地估算出煤粉的燃尽率。

同时煤粉的燃尽率也是反映锅炉运行状况的一个经济指标，运行中可以通过改变空气燃料比来改变煤粉燃烧状况。

文献[1]给出了单个煤粉粒子运动的动量微分方程，传热的能量微分方程，以及煤的裂解方程和焦炭的燃烧方程，此种方法从煤燃烧的微观机理入手，考虑的因素过多，往往难于保证电站仿真计算中实时性的要求。

文献[2]也是从单个煤粉粒子的微观状况入手，对于煤的裂解给出了双挥发反应的模型，煤粒子燃烧过程中认为是等密度变直径的，或者是等直径变密度的，还给出了粒子的运动方程，同文献[1]一样难于满足实时计算的需要。

文献[3]研究了工业锅炉煤粉燃烧过程的微观模型，通过煤粉燃烧模型的求解来预测锅炉内碳的未燃尽量。

文献[4]采用了多组不同原始尺寸的煤粉粒子的燃烧状况来反映炉膛内整个煤粉的燃烧过程。

本文以上述文献为基础，将煤粉燃烧过程适当地简化，考虑了煤粉燃烧过程中的氧含量变化，以单一粒径煤粉粒子燃烧的等密度模型为基础，推导出炉膛内某一区域煤粉燃烧的一维集总参数模型，该模型与传热模型相结合可以实现在无人工干预的条件下根据锅炉的运行参数自收稿日期：基金项目：美国TRAX公司研究项目-Fossil Boiler Heat Transfer Formulation（RP0302-01）作者简介：张腾飞（1978-），男（汉），江西赣州人，硕士研究生。

《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）算例 13引言使用非预混燃烧模型煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建 模。

穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。

反应可以用组份 输运模型（the species transport）或模型（the non-premixed combustion）模拟， 在本指南中你将用非预混燃烧模型模拟简单煤粉燃烧炉中的化学反应。

在本指南中你将学会： 1.怎样用 prePDF 预处理程序为煤粉燃料准备 PDF 表格。

2.怎样为非预混燃烧化学模型定义输入条件。

3.怎样定义煤粒的非连续相。

4.怎样解决包含非连续相煤粒的反应的模拟。

非预混燃烧模型用这样的一种建模方法：用一个或二个守恒量，即混合分 数求解输运方程。

多种化学组份，包括基团和中间产物组份可能被包含在对问 题的定义当中，而且它们的浓度将来至于混合分数分布的预测。

组份的特性参 数是通过化学数据库获得。

湍流化学反应是用 Beta 或者双 delta 概率密度函数 来模拟的。

关于非预混燃烧模拟方法的更多细节请参看使用手册。

前提条件本指南是建立在你已经熟悉 FLUENT 的菜单结构并且已经做完指南 1 的基 础上的。

因此在建立过程中的一些步骤和解决过程将被省略。

问题描述本指南中用的煤燃烧系统为一简单的 10m*1m 的二维管道， 如图 13.1 所示。

因为是对称的，所以只模拟宽度方向上的一半区域。

2D 管道的进口分为两股流 动。

管道中心附近的高速流速度为 50m/s，宽度为 0.125m。

另一股流的速度为 15m/s， 宽度为 0.375m.两股流都为 1500K 的空气。

煤粒在高速流的附近以 0.1kg/s—151 —《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）（炉膛中的总流量为 0.2kg/s）的质量流量进入炉膛。

一、煤碳的燃烧进程之五兆芳芳创作煤从进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段：水分蒸发阶段，当温度达到105℃左右时，水分全部被蒸发；挥发物着火阶段，煤不竭吸收热量后，温度持续上升，挥发物随之析出，当温度达到着火点时，挥发物开始燃烧.挥发物燃烧速度快，一般只占煤整个燃烧时间的1/10左右；焦碳燃烧阶段，煤中的挥发物着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳.此时焦碳温度上升很快，固定碳剧烈燃烧，放出大量的热量，煤的燃烧速度和燃烬程度主要取决于这个阶段；燃烬阶段，这个阶段使灰渣中的焦碳尽量烧完，以下降不完全燃烧热损失，提高效率.良好燃烧必须具备三个条件：1、温度.温度越高，化学反响速度快，燃烧就愈快.层燃炉温度通常在1100~1300℃.2、空气.空气冲刷碳概略的速度愈快，碳和氧接触越好，燃烧就愈快.3、时间.要使煤在炉膛内有足够的燃烧时间.碳燃烧时在其周围包上一层灰壳，碳燃烧形成的一氧化碳和二氧化碳往往透过灰壳向外四周扩散运动，其中一氧化碳遇到氧后又持续燃烧形成二氧化碳.也就是说，碳粒燃烧时，灰壳外包抄着一氧化碳和二氧化碳两层气体，空气中的氧必须穿过外壳才干与碳接触.因此，加大送风，增加空气冲刷碳粒的速度，就容易把外包层的气体带走；同时增强机械拨动，就可破坏灰壳，促使氧气与碳直接接触，放慢燃烧速度.如果氧气不充足，搅动不敷，煤就烧不透，造成灰渣中有许多未介入燃烧的碳核，另外还会使一部分一氧化碳在炉膛中没有燃烧就随烟气排出.对于大块煤，必须有较长的燃烧时间，停留时间太短，燃烧不完全.因此，实际运行中，一般采纳供给充足的氧气，采取炉拱和二次风来增强扰动，提高燃烧温度，炉膛容积不宜太小等措施包管煤充分燃烧.二、链条炉排的燃烧特点链条炉排着火条件较差，主要依靠炉膛火焰和炉拱的辐射热.煤的上面先着火，然后逐步向下燃烧，在炉排上就出现了明显的分层区域，如图共分五个区.燃料在新燃烧区1中预热枯燥，在炉排上占有相当长的区域.在区域2中燃料释放出挥发分，并着火燃烧.燃烧进行得很剧烈，来自炉排下部空气中的氧气在氧化区3中迅速耗尽，燃烧产品CO2和水蒸气上升到复原区4后，立即被只热的焦碳所复原.最后在链条炉排尾部形成灰渣区5.在燃烧准备区1和燃烬区5都不需要良多空气，而在燃烧区2、3必须包管有足够的空气，不然则会出现空气在中部缺乏，而在炉膛前后多余的现象.为改良以上燃烧状况，经常采取以下三个措施：公道安插炉拱；采纳分段送风；增加二次风.三、链条炉排对煤种的要求链条炉排对煤种有一定的选择性，以挥发分15%以上，灰熔点高于1250℃以上的弱黏结、粒度适中，热值在18800~21000kJ/kg以上的烟煤最为适宜.煤中含有灰分应控制在10%~30%.粉煤（0~6mm）应不超出50%~55%，0~3mm的煤粉不超出30%，块煤尺寸不超出40mm.煤中含水量推荐值为：煤中小于3mm的煤粉含量为20~40%时，含水量控制在5~7.5%，煤中小于3mm的煤粉含量为80%，含水量控制在12.5%，煤中小于3mm的煤粉含量为~100%，含水量控制在20%.目前煤质存在的问题有：1、煤炭灰份较多，2、煤炭颗粒不均，3、煤炭中含有大量的杂质，4、煤炭的发烧值较低，5、燃烧时不容易引燃着火，6、煤炭中水分含量不定.7、煤炭欠好烧，炉渣含碳量高.四、煤质对汽锅稳定燃烧的影响1.煤的发烧量是反应煤质黑白的一个重要指标，当煤的发烧量低到一定数值时，不但会影响燃烧不稳定不完全，并且会导致汽锅熄火，使汽锅出口温度很难达标，影响正常供热.2.挥发分在较低温度下能够析出和燃烧，随着燃烧放热，焦碳粒的温度迅速提高，为其着火和燃烧提供了极端有利的条件，另外挥发分的析出又增加了焦碳内部空隙和外部反响面积，有利于提高焦碳的燃烧速度.因此，挥发分含量越大，煤中难燃的固定碳成分越少，煤粉越容易燃烬，挥发阐发出的空隙多，增大反响概略积，使燃烧反响放慢.挥发份含量下降时，煤粉气流着火温度显著升高，着炽热随之增大，着火困难，达到着火所需的时间变长，燃烧稳定性下降，火焰中心上移，炉膛辐射受热面吸收的热量削减，对流受热面吸收的热量增加，尾部排烟温度升高，排烟损失增大.3.煤的灰份在燃烧进程中不单不会收回热量，并且还要吸收热量.灰分含量越大，发烧量越低，容易导致着火困难和着火延迟，同时炉膛温度下降，煤的燃烬程度下降，造成的飞灰可燃物高.灰分含量增大，碳粒可能被灰层包裹，碳粒概略燃烧速度下降，火焰传播速度减小，造成燃烧不良.另外飞灰浓度增高，使汽锅受热面特别是省煤器、空气预热器等处的磨损加重，除尘量增加，汽锅飞灰和炉渣物理热损失增大，下降了汽锅的热效率.有关资料显示，平均灰份从13%上升到18%，汽锅的强迫停运率将从1.3%上升到7.54%.4.煤的颗粒度对汽锅的燃烧有很大影响.颗粒度过大时，煤块在汽锅内燃烧时停留时间太短，煤炭中的焦碳没有完全燃烬，炉渣中的含碳量增大，增加了汽锅炉渣的物理热损失；颗粒度太小时，细煤粉在炉排上燃烧时通风欠好，碳与氧不克不及很好地接触产生化学反响，易形成黑带，同时细煤粉也易被空气吹起，很快随着烟气被带走，增加了汽锅烟气中的飞灰热损失，（在层燃烧汽锅中，尽量不要燃用煤粉（~3mm）含量超出30%的煤种）.因此要按照煤炭颗粒度公道调整给风量.5.煤的含水量在一定的含量限度内与挥发分对燃煤的着火特性影响一致，少量水分对着火有利，从燃烧动力学角度看，在低温火焰水蒸气对燃烧具有催化作用，可以加快煤粉焦碳的燃烧，可以提高火焰黑度，增强燃烧室炉壁的辐射换热.另外，水蒸气分化时产生的氢份子和氢氧根可以提高火焰的热传导率.但水分含量过大时，着炽热也随之增大，同时由于一部分燃烧热用来加热水分并使其汽化，下降了炉内烟气温度，从而使煤粉气流吸卷的烟气温度以及火焰对煤粉的辐射热都下降，这对着火倒霉.6.煤中杂质不但会吸收煤燃烧生产的热量，阻碍煤与氧充分接触，影响煤的燃烧，下降汽锅热效率，增大汽锅运行时的除渣除灰量，并且对汽锅的平安运行带来很大危害.五、煤质对汽锅及其帮助设备运行的影响当进入炉膛的煤质与汽锅设计煤质和校核煤质要求相差较大时，会对汽锅燃烧和帮助设备带来如下不良影响：1.煤质较差时，汽锅点火和运行调节困难，难以燃烧，容易灭火，严重影响了汽锅出口温度达标.2.炉膛容易结焦，对流管制、省煤器、空气预热器等受热面处磨损严重，且容易积灰，汽锅送风阻力增大，影响汽锅热效率.3.煤块较大时容易卡住分层给煤器和炉排，影响了煤炭的稳定燃烧和汽锅的平安平稳运行.4.煤质欠好时，汽锅耗煤量相对增加，炉渣的含碳量也增大，输煤、除渣系统运行负荷大大增加，输煤机、除渣机、抓渣行吊等设备毛病增多，煤炭拉运和炉渣拉运成本加大.5.灰分大的煤燃烧后，不但影响了除尘器的除尘效果，并且增加了除灰、排灰系统的运行负荷，容易出现运行毛病，对任务情况和外部环保都造成了不良影响.6.煤质含硫量大时，容易引起水冷壁低温腐化，汽锅尾部烟道、省煤器、空气预热器等处的低温腐化，造成汽锅爆管，影响汽锅平安运行.六、建议采纳的应对措施针对目前煤炭供给的紧张形势和煤质变更引起的汽锅燃烧困难，积极试验和摸索，制定相应的可操纵性强的应对措施，努力调整好汽锅的燃烧运行任务，包管汽锅出口温度达标和削减汽锅及帮助设备的运行毛病，以包管整个供热任务的平安、平稳、经济运行.建议采纳如下应对措施：1.增强司炉工的技巧操纵水平，使司炉人员实时掌握入炉煤的煤质阐发情况，特别是煤的发烧量、挥发分、灰分、颗粒度大小等，以便针对不合煤质的进行相应的燃烧调整.2.增强各煤种的混烧、掺烧和配煤技巧任务.通过不竭进行燃烧调整试验，探索出不合煤种燃烧时，汽锅的煤层厚度、炉排速度、鼓引风量、各风室的配风等运行参数，并在此根本上试验摸索不合煤种的混烧、掺烧和配煤技巧，以提高各类煤质，特别是劣质煤的利用率，下降供热运行成本.3.增强对汽锅的燃烧调节任务.包管煤与空气量要相配适合，并且要充分混杂接触，炉膛应尽量保持低温，以利于燃烧，调整汽锅负荷按规则操纵，监督炉膛负压、排烟温度、氧气、二氧化碳等含量，使汽锅运行参数保持到最佳数值.对由于煤炭颗粒度不均匀、炉排不服整等原因引起的燃烧不完全、燃烧不均，对炉排上的火口或黑带进行人工拨火.4.增强对输煤任务的办理.对不合的煤种尽量采纳按类辨别堆放，按照需要，在不合时期燃用不合的煤种，或按不合的比例搭配使用.输煤时输煤工与当班司炉工实时沟通，对含水量较低或含粉煤较多的煤种可采纳适量加水搅拌的方法，输煤时将杂质分拣出来，把大颗粒的煤破坏等.5.增强汽锅燃烧设备和帮助设备的巡检及维修任务.实时排除汽锅及帮助设备（特别是汽锅本体密封、炉排、分层给煤器、省煤器、空气预热器、除渣除尘等设备）出现的毛病.6.增强对汽锅送风和炉膛温度的控制，保持较高的炉膛温度，有利于煤的着火和燃烬，炉膛温度越低，越倒霉于燃烧.7.增强对煤的保管任务.采纳切实有效的措施，避免储煤风化和自燃，下降煤质质量，增加燃烧难度.8.8增强对进煤质量的严格控制和办理，开辟煤质较好、较为稳定的煤源市场，实时准确地掌握进煤的产业阐发数据，提供给各供热车间，以便运行办理人员选择较为适应本单位汽锅的煤种，进行相应的运行调节.9.采取比较成熟的先进的技巧和设备改动燃烧状况.如分层给煤技巧，煤炭助燃剂，振动碎煤机等.七结论随着煤炭供给的日趋紧张，煤质随时都会产生很大的变更，摸索研究不合煤种，最大限度下降煤质变更对汽锅运行燃烧带来的倒霉影响，实现供热汽锅的优化运行。