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水泥回转窑内煤粉燃烧过程的数值模拟王乃帅 温 治 楼国锋 刘训良 郑坤灿 张 欣(北京科技大学 北京 100083)摘 要：本文应用标准kε−湍流模型、随机颗粒轨道模型、即混即燃模型、P1辐射模型以及多块非均匀结构化网格划分技术，对配有四风道燃烧器的水泥窑内煤粉燃烧过程进行了数值仿真，研究了多种操作参数对窑内燃烧工况的影响规律，提出了相应的优化操作制度。
关键词：水泥回转窑 煤粉燃烧 数值模拟Numerical Simulation of Pulverized Coal Combustion Procedurein Cement Rotary KilnWang Nai-shuai、Wen Zhi、Lou Guo-feng、Liu Xun-liang、Zheng Kun-can、Zhang Xin (University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)Abstract: This paper presents a 3-D numerical study on the effects of various operational parameters on flame feature and temperature profile in cement rotary kiln with CFD software which combined the standard K-Epsilon turbulent model, random track mode, P1 radiation model and unstructured grid. A four-air channel coal burner and a cement rotary kiln are investigated. The optimal operational parameters are put forward.Key words: cement rotary kiln; pulverized coal combustion; numerical simulation1 引言水泥窑是一种以燃料燃烧、高温传热、生料反应以及生料输送为主要功能的水泥熟料生产设备，煅烧生料所需的热量来自于燃烧器向窑内直接喷煤燃烧[1]。
三维煤粉燃烧全双流体模型的数值模拟郭印诚;林文漪;周力行【期刊名称】《工程热物理学报》【年(卷),期】1998(19)1【摘要】A pure two-fiuid model for turbulent combusting gas-particle fiows with reacting coalparticles, using unified Eulerian treatment of both gas phase and particle phase, was used tosimulate three-dimensional gas-particle flows and pulverized coal combustion in a combus-tor. The coal particle history effect, caused by the mass change due to moisture evaporation,devolatilization and char reaction is described only by partial differential equations in Eule-rian coordinate. Both velocity slip and temperature slip between coal particle phase and gasphase were predicted by solving momentum equations and energy equations of gas and coalparticle phase respectively.【总页数】4页(P117-120)【关键词】煤粉燃烧;全双液体模型;数值模拟【作者】郭印诚;林文漪;周力行【作者单位】清华大学工程力学系【正文语种】中文【中图分类】TQ534;TK16【相关文献】1.氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的r三维数值模拟研究 [J], 吴俊明;周振峰;彭星;王静松;薛庆国2.用双流体-轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧 [J], 李力;周力行;李荣先;张健3.切圆燃烧锅炉内煤粉燃烧过程的数值模拟──等密度模型和等直径模型 [J], 任安禄;谢定国4.氧气高炉回旋区内煤粉燃烧行为的三维数值模拟研究 [J], 吴俊明;周振峰;彭星;王静松;薛庆国;5.面向深度调峰的超临界煤粉锅炉变负荷燃烧三维数值模拟 [J], 袁来运;钟文琪;陈曦;李杰;刘国耀;田万军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
煤粉燃烧仿真过程1.导入网格，使用压力基（pressure-based）和稳态计算（steady）；2.选择KE湍流模型；3.激活能量方程；4.激活组分输运模型，Mixture Material（燃料）项下选择coal-hv-volatiles-air，勾选Reactions项下的Volumetric以激活反应，Turbulence-Chemistry-Interaction项下选择涡耗散模型Eddy-Dissipation；5.激活辐射模型Radiation，并选择P1辐射模型；6.设置离散相参数，在Discrete Phase项下，设置最大追踪步数为4000，指定长度尺寸为0.0025；7.使用Define→Injections设置入射流，设置入射流入口为V-1，入射流类型Particle Type为Combusting燃烧组份，入射流材料Material为coal-hv高挥发性煤，粒径分布Diameter Distribution 为均匀分布uniform，挥发份Devolatilizing Species为高挥发性煤hv_vol；在Point Properties项下设置进口特性，温度Temperature设定为343K，Z方向速度Z-velocity设定为23.11，质量流量Total Flow Rate（kg/s）设置为0.00018264，直径Diameter为1e-6；在Turbulent Dispersion项下激活随机轨道模型Discrete Random Walk Model，轨道数Number of Tries设置为10，尺度长度Time Scale Constant设置为0.15；如果有多股粒径不同的质量流，也可以使用同样的方法设置其它的几股质量流；8.修改混合物的物性：在FLUNET材料面板上导出CO，并将CO导入到混合物组分中；9.在反应面板Reactions内修改化学反应；这里有两步化学反应：第一步是挥发性煤hv_vol与氧气o2反应生成一氧化碳co、二氧化碳co2、水h2o和氮气n2，当量比Stoich Coefficient分别如下图所示；第二步是一氧化碳co与氧气o2反应生成二氧化碳co2；到这些反应设置完成，点击Chang/Create后可能会弹出警告，提示反应1当量质量不守恒，这里不用管它，直接进行其它的设置。
浅谈锅炉四角切圆燃烧方式摘要：煤炭作为我国能源消耗主要方式之一，其在燃煤火力发电机组中占据主力地位。
随着我国环境保护问题的日益突出，节能环保政策的逐渐深化推行，使得研究燃煤锅炉炉膛内部的流动特性、燃烧方式、传热特性等更具工程实际应用价值。
目前，火力发电厂所使用的锅炉类型多，所用的燃煤种类多，使得锅炉容易产生燃烧不稳定、结渣和爆管等问题，直接影响了锅炉的安全与经济运行。
基于此，文章以某火电厂2 350MW超临界机组新建工程锅炉为例，该锅炉为一次中间再热、超临界直流锅炉，锅炉采用单炉膛、燃烧器四角布置、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、型布置，主要针对该350MW四角切圆燃煤锅炉燃烧过程进行仿真研究，定性的分析锅炉的燃烧特性和运行规律，以期对锅炉调整试验和运行优化提供理论参考依据。
关键词：350MW燃煤锅炉；燃烧方式；模型分析1锅炉燃烧机理及数学模型分析1.1煤粉炉燃烧过程机理对于炉内煤粉燃烧过程的物理化学机理主要包括：（1）伴有传热的气相湍流流动机理；（2）气相湍流燃烧：（3）辐射传热；（4）多相湍流机理；（5）颗粒表面的液体蒸发；（6）颗粒挥发份析出；（7）颗粒氧化；（8）烟灰及污染物的形成：（9）积灰结渣。
风粉混合物由一次风携带经燃烧器射入炉膛，经过湍流扩散和回流，可以卷吸周围的高温烟气，另外接受炉内高温火焰的辐射传热，而被迅速加热，煤粉达到着火温度后被点燃。
整个燃烧过程受多方面影响，包括烟气的湍流流动、传热方式和燃烧化学反应等。
炉内化学反应涉及挥发份的燃烧、煤粉颗粒的燃烧以及其他可燃物质燃烧和化学反应。
锅炉内煤粉燃烧过程极其复杂，在剧烈的燃烧化学反应中进行，同时还有流动、传质、动量和能量传递等物理过程。
在此过程中，质量、能量、动量、化学元素等都是守恒的。
1.2煤粉燃烧模型（1）挥发份析出模型有关煤热解过程的试验研究，已经得到了许多实用的热解模型。
本文采用双步竞争（Two-Competing-Rates）模型，虽然该模型不适用于专门研究煤热解反应，但作为描述炉内燃烧过程己足够准确，其反应方程表示为：图1燃烧器布置方式成熟的四角切圆燃烧方式能够保证沿炉膛水平方向均匀的热负荷分配。
用双流体-轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧李力;周力行;李荣先;张健【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2001(019)001【摘要】目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半采用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。
本文采用双流体-轨道模型（颗粒相连续介质-轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。
此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU-Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散-动力模型等。
热态模拟中，为了减小伪扩散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方向一致）。
为了检验数值模拟，采用三维相位多普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。
分别对冷态模型炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的。
热态模拟的结果给出了两相速度，气相温度，组分浓度及壁面热流，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。
【总页数】9页(P30-38)【作者】李力;周力行;李荣先;张健【作者单位】清华大学力学系,;清华大学力学系,;清华大学力学系,;清华大学力学系,【正文语种】中文【中图分类】O357.5【相关文献】1.采用不同湍流模型及差分格式对四角切向燃烧煤粉锅炉内冷态流场的数值模拟[J], 由长福;祁海鹰;徐旭常;Bernard Baudoin2.四角切向燃烧煤粉锅炉炉内气固两相流动的数值模拟 [J], 詹翔;邵国桢3.强旋湍流气—固两相流动和煤粉燃烧数学模型及其在涡旋燃烧炉的应用（Ⅰ）[J], 张健;Nieh,S4.炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型 [J], 周力行;李力;李荣先;张健5.四角喷燃炉膛内湍流三维气相燃烧和气固两相流动的数值模拟 [J], 洪涛;周力行因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一：模拟对象沉降炉试验台沉降炉（Drop Tube Furnace）又称滴管炉，是研究煤粉燃烧常用的一种实验台。
实验装置包括：配气系统、给粉系统、反应炉本体、预热炉、取样系统、水冷系统等部分。
反应炉本体由硅碳棒加热，理论加热温度不超过1400℃，温度控制由AL810 可编程温控表控制。
反应炉中心为一根长1290mm，直径50mm 的刚玉管。
预热炉采用电热丝加热，设计温度800℃，目的是将即将进入炉膛的反应气预热，以减小温度相对较低的反应气对温度场的影响。
为使气体能够均匀进入反应炉，在刚玉管的顶端放置了一个均流器。
DTF设计参数如表所示。
DTF 示意图如图所示。
二：建立模型画网格验证网格独立性•选择8万和10万的网格进行验证•8万网格中心面的平均速度是4.5432198 m/s•10万网格中心面的平均速度是4.5074441 m/s •通过计算得出的误差为0.79%•选择8W的网格8W网格中心面的平均速度模拟图10W网格中心面平均速度模拟图三：燃烧模拟涉及的各种模型a:能量方程b:流动所需的k-ɛ模型c:辐射所需的p1模型d:离散相模型e:非预混燃烧模型锅炉内的基本过程是非常复杂的湍流运动和燃烧过程，它涉及到三维湍流、多相、多组分流动；而热量的传递又包括对流换热、辐射换热、热传导；涉及到的相关化学反应又包括气相燃烧、颗粒相燃烧等。
对于如此复杂的过程，基本思路是用基本的物理－化学流体力定律，根据四个守恒定律即：质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒，建立流体湍流流和反映炉内燃烧过程的通用的微分方程组，再加上上述所要综述的模型，使微分方程组封闭，从而求解之。
k-ε模型概述：通常根据决定湍流粘性系数所需要求解的微分方程的个数把湍流粘性系数模型分成：零方程模型中混合长度模型、单方程模型中的k方程型、双方程模型中的k-ε模型是最常用的几种模型。
在关于湍动能k 方程的基础上再引入一个关于湍动耗散率ε的方程，便形成了k-ε双方程模型，成为标准k-ε 模型。
PDF模型概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。
在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。
尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。
平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。
因此, 用PDF 的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。
PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型, 能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。
目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。
前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程, 通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。
后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。
湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。
在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。
PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。
PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的, 需要引入模型加以封闭。
例如，在速度-标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。
模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解, 比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法, 在该方法中输运方程被转化为拉格朗日( Lagrangian)方程, 流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。
煤粉燃烧——湍流破碎模型（EBU）简介该帮助文件主要介绍煤粉燃烧模型的设置和求解，采用湍流破碎模型（EBU）。
EBU燃烧模型，也称涡团破碎模型，假设化学反应的平均速度与化学动力学无关，而只取决于低温的反应物和高温的燃烧产物之间的湍流混合作用。
主要包括：1）煤粉燃烧模型的建立和求解2）湍流破碎模型（EBU）的应用3）选择合适的求解参数4）计算结果的后处理问题描述3D模型的剖面图如图1所示。
左侧为两个环形入口，右侧为一个圆形出口。
由于模型的对称性，取系统的1/4进行建模。
煤粉和携带空气（一次风）从内环进入燃烧室，二次风从外环进入燃烧室，发生燃烧反应，产物从压力出口流出。
模型建立和求解Step1：网格1、读取mesh文件2、检查网格：grid check3、显示网格：display grida）从列表框中选取所有surfacesb）点击display，并关闭grid display 面板Step2：模型1、选择k-ε湍流模型Define models viscous2、启动能量方程Define models energy3、启动物质输运方程Define models species transport & reactiona）选择model列表中的species transportb）选择reaction列表中的volumetricc）选择mixture material 列表中的coal-hv-volatiles-aird）选择turbulence-chemistry interaction（湍流与化学反应的作用）列表中的eddy dissipation（涡流耗散）e）点击ok，关闭species model面板4、启动Discrete ordinates模型（DO离散坐标系）a）从model列表中选择discrete ordinatesb）设置flow iterations per radiation iteration（流动和辐射迭代次数）为1c）设置angular discretization （角离散化）中的Theta Divisions and Phi Divisions为4d）设置angular discretization （角离散化）中的Theta Pixels and Phi Pixels为3e）点击ok，关闭radiation model5、启动discrete phase（离散相）模型a）Max number of steps（最大步数）40000b）启动specify length scale（步长），设为0.0025c）点击ok，关闭discrete phase面板Step3：injections（喷口）1、v-1入口截面设9个喷口：define injectionsa）点击creat，新建喷口c）9个喷口通用性质，见表c）点击turbulent dispersion，并启动discrete random walk model d）设置喷口的流速和颗粒半径e）其它参数保留默认值f）关闭injections面板Step4：materials （物质特性）1、修改coal-hv-volatiles-air混合物的特性：define materialsa）从数据库中添加COb）点击mixture species 的edit，打开species面板，将CO添加至右侧mixture species列表中，并保证N2位于列表的最后c）点击reaction的edit，打开reactions面板，编辑eddy-dissipation 的反应式，如下：其余参数保留默认值，关闭reactions面板2、设置燃烧颗粒coal-hv的特性3、设置O2、CO2、H2O、CO、N2的特性在Cp列表中选择piecewise-polynomial，保留默认参数4、设置coal-hv-volatiles特性5、点击change/create按钮，关闭materials面板Step5：操作条件Define operating conditions保留默认参数。
Step6：设置UDFudf导入后用于设置后续的边界条件。
Define user defined functions interpreted1、设置源文件的名称，C 函数（coal-ebu.c）2、设置C预处理中CPP的命令名迭代次数取默认值10000，除非udf函数中的局部变量超出该值造成溢出。
该case中，保证迭代次数高于局部变量。
3、如果用fluent的预处理代替，则选择use contributed CPP选项；4、点击interpret，关闭interpretd UDFs面板如果编译过程出现错误，则调试至无错误为止。
Step7：边界条件Define boundary condition1、入口V-1的设置如下2、入口V-2的设置如下：3、出口P-1的设置如下：4、设置壁面边界条件，温度和内部辐射系数如下：5、设置周期性旋转；6、关闭面板Step8：无反应流动计算1、关闭体反应Define models species transport&reaction2、关闭离散坐标辐射模型Solve controls solutiona）从equations列表框中关闭discrete oridinatesb）点击OK，关闭面板3、关闭与连续相的交互反应（interaction）define models discrete phase4、初始化计算区域Solve initialize initialize5、打开残差监视图Solve monitors residual6、迭代计算100步Solve iterate7、改变计算控制参数Solve controls solutiona）压降选择PRESTO!b）压力、动量、湍流的松弛因子分别设为0.5、0.2和0.7c）点击OK，关闭面板8、迭代计算≥100步。
Step9：加入反应流的计算1、启动与连续相的交互作用（interection with continuous phase），设置交互间隔为1步；2、启动体反应（volumetric reactions）；3、反应区域中补充考虑高温和生成物分子量：Adapt regiona）在shapes列表中选择cylinder；b）在面板中输入坐标值；c）点击mark，关闭面板4、在反应区域考虑如下参数：Solve initialize patcha）选择cylinder-r0，设置参数如下温度=2000KH2O质量分数=0.01CO2质量分数=0.01b）关闭面板5、设置松弛因子如下：6、迭代计算1步；7、保存case和data（coal-ebu-react-start）；8、设置每50步进行DPM交互计算Define models discrete phase9、设置discrete phase sources的松弛因子为0.1；10、迭代计算300步。
Step10：进行收敛计算1、改变计算控制参数Solve controls solutiona）从equations列表框中选择discrete ordinates（离散坐标系）；b）Density松弛因子设为0.72、迭代计算≥500步；3、保存case和data（名称coal-ebu-1）；4、设置离散化列表中动量、湍动能、湍流耗散率、hv-vol、O2、CO2、H2O、CO和能量为二阶迎风；5、迭代计算≥300步；6、保存case和data（名称coal-ebu-2）7、启动粒子辐射计算；Define models discrete phase8、改变燃烧颗粒的特性Define materialsa）蒸发温度设为773K；b）颗粒离散因子设为0.159、所有物质的松弛因子设为1，energy和turbulence的松弛因子分别设为0.98和0.6。
10、迭代计算2000步；11、保存case和data（名称coal-ebu-final）Step11：后处理1、检查质量平衡以判断收敛性Report fluxesa）从option列表中选择mass flow rateb）从boundaries列表中选择所有区域，并点击compute按钮该数据为净气相的质量流量，负数表明有净气相离开计算区域。
c）关闭flux reports面板Report volume integralsd）从report type列表中选择sume）从field variable列表中选择discrete phase model和DPM mass sourcef）从cell zones列表框中选择fluid，并点击compute按钮这是从离散相煤粉颗粒到气相的净质量传递。
g）关闭volume integrals面板Note：上述两项质量平衡和入口总流量相比需添加一个较小的流量损失。
2、检查净热量传递Report fluxesa）从options列表中选择total heat transfer rate；b）从boundaries列表框中选择所有区域，并点击compute；上述为净气相的热传递。
c）关闭flux reports面板Report volume integralsd）从report type列表中选择sum；e）从field variable列表框中选择。
