煤粉燃烧过程的数值模拟

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]。

第36卷第7期 娃酸盐通报Vol.36 No.7 2017 年7 月_________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________July,2017水泥回转窑煤粉燃烧过程的数值模拟赵良侠，边永欢，刘仁平，罗晓，王山辉，巧呈然(河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄050018)摘要:为了研究水泥回转窑N O%浓度与温度的变化规律，对其内煤粉燃烧过程进行数值模拟，模拟结果与监测数据 相对吻合。

研究结果表明：当煤粉喷入量为一次风量的0.5〜1.0倍时，水泥回转窑冷却段、煅烧段、过渡段、出口 N O,浓度分别为〇、1〇〇〜1300 m g/m3、200 〜1300 m g/m3、100 〜1000 m g/m3，温度分别为1100 〜1300 K、1400 〜1900 K、1600〜1750 K、1300〜1700 K;煤粉喷射量为一次风量的0.6〜0. 8倍时，水泥回转窑内N O,浓度较低、温度较高，较为适合实际水泥生产工艺。

关键词:水泥；回转窑；数值模拟；NO;温度中图分类号:X511 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2017) 07-2220-06Numerical Simulation of Pulverized Coal CombustionProcess in the Cement Rotary KilnZHAO Liang-xia ,BIAN Yong-huan，LIU Ren-ping, LUO Xiao, WANG Shan-hui ,DIA0 Cheng-ran(School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018 , China)Abstract：In order to study the variation laws of N0X concentrations and temperatures in cement rotary kilns, combustion processes of pulverized coals were simulated inside them. Meanwhile, the results were relatively consistent with monitoring data. The study results indicate that the N0X concentrations are respectively 0, 100-1300 m g/m3, 200-1300 mg/m3, 100-1000 m g/m3and the temperatures are respectively 1100-1300 K，1400-1900 K，1600-1750 K，1300 〜1700 K in cooling zones, sintering zones, transition zones and outlet when pulverized coals are 0. 5-1.0times of primary airs. Whats more, the condition which pulverized coals are injected as 0. 6-0. 8 times of primary airs is relatively suited for actual cement technologies, because the N0X concentration is lower and the temperature is higher than other conditions in the cement rotary kiln.Key words ：cement ； rotary kiln ； numerical simulation ；N O； temperature1引言现阶段国内以颗粒物、S02、N0p汞化物和臭氧为特征的区域性复合型大气污染问题较为突出[1]，严重制约着社会经济的可持续发展、威胁人类健康。

链条炉煤粉燃烧的数值模拟摘要：利用Fluent软件对国内某热电厂75t/h链条锅炉燃烧时炉膛内部煤粉燃烧和温度分布情况进行数值模拟。

首先提出煤的燃烧模型，选择k-ε模型对湍流进行模拟，分析炉膛热烟气流动以及温度分布，为SNCR设计提供理论支持。

关键词：煤粉燃烧；数值模拟；SNCR；温度1 前言王春波通过对某钢厂300MW锅炉燃烧过程进行数值模拟，对比发现掺烧高炉煤气时炉内温度水平有明显下降，且随着掺烧量的增加而加剧，掺烧高炉煤气产生烟气量增多，炉膛出口烟速明显增加，煤粉颗粒停留时间减小，煤粉很难燃烧完全[1]。

同时NO的生成量随高炉煤气掺烧量的增加而明显减少。

朱梅通过数值模拟的方法，设计了炉膛高速喷嘴的结构，并且通过模拟结果的比较，寻找到一种更适合退火炉的结构，使得炉膛内温度分布更加均匀[2]。

通过模拟的方法可以合理的调整喷口结构参数，对于喷口的设计更加方便，减少了大量的投资。

刘亮通过实际现场的改进，采用一种链条炉粉煤复合燃烧增容节能改造方案，在链条炉前后墙分别布置一次风二次风喷口将煤粉喷入燃烧。

通过链条炉炉排的燃烧与炉膛内增加煤粉的复合燃烧方式，将炉排上煤产生的大量热量来加热由煤粉喷口喷出的煤粉。

煤粉受热被点燃，释放出大量的热又反过来加热炉排上的煤块，加快煤块的着火速度，提高炉排上煤块的燃尽率。

并且通过改进链条炉煤粉的制粉系统的同时，改变了省煤器结构，增加其受热面积，进一步降低了有炉膛排出的烟气的热损失[3]。

张海军通过对同一种钝体喷口在不同的湍流模型下的模拟结果，结合 PIV 测量方法下的实验进行验证，通过比较发现在不同湍流模型下的模拟结果存在比较大的差别。

通过模拟比较，发现k-ε模型和 RNG k-ε模型模拟的结果与实际过程更加符合[4]。

徐榕在数值模拟的基础上分别使用 k-ε，RNG k-ε和代数应力（ASM）三种湍流模型进行模拟环形燃烧室中的三维流场分布图，通过模拟结果的比较，得出了三种湍流模型模拟的结果大致趋势是一致的。

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。

煤粉锅炉富氧燃烧的数值模拟研究摘要：本文旨在通过数值模拟方法，来研究煤粉锅炉富氧燃烧技术。

本文采用CFD软件ANSYS FLUENT计算了不同条件下煤粉燃烧的温度、火花流体机理、热质传输特性等热力学参数。

通过分析模拟结果发现，富氧燃烧技术可以降低出口温度和增加热效率，有效改善煤粉锅炉的工况，增强其运行安全性。

关键词：煤粉锅炉；富氧燃烧；CFD；数值模拟；温度；热效率正文：煤粉锅炉是一种多用途的重要能源装置，具有经济性、安全性、灵活性和可操作性等优点，因此广泛应用于能源、化工及其他行业。

然而，煤粉锅炉的存在也伴随着一些问题，尤其是因过热、超温和污染的问题而带来的火灾和运行不安全的风险。

为了解决这些问题，研究者提出了富氧燃烧技术，以改善锅炉运行工况。

本文旨在使用CFD软件ANSYS FLUENT，通过数值模拟研究煤粉锅炉富氧燃烧技术。

我们首先采用RNG k-ε模型，建立定常空气-煤粉层燃烧模型，并采用双态壁界条件计算温度控制。

然后，通过不同的氧气比例高低，模拟火花流动模式和热质传输特性的变化。

最后，我们分析了结果数据，发现富氧燃烧技术可以降低出口温度和增加热效率，有效改善煤粉锅炉的工况，增强其运行安全性。

本研究的结果可以为以后的工程实践提供参考，帮助改善煤粉锅炉的工况，增强其运行安全性。

本文的研究也应当引起我们的重视，为了更好地实现富氧燃烧技术的运用，需要对对流传热、扩散热及燃烧效率等有影响因素进行详细分析，这[]将会为改善煤粉锅炉工况和节能提出新的思路。

此外，结构参数和操作参数等都会对煤粉锅炉富氧燃烧技术的效果产生不同程度的影响，今后可以以此为依据，进行更加详细的研究。

同时，借助于现代计算技术和模拟工具，如果能够进一步提高模拟精度，就可以及时根据实际情况，准确地指导实际工况的运行。

值得注意的是，本文的研究只采用了单一煤粉锅炉富氧燃烧技术，而在实际应用中，存在多种煤粉组合，必须根据具体组合来进行研究。

煤自燃过程的实验及数值模拟研究
煤层自燃严重影响着煤炭工业发展，给矿井生产带来极大安全隐患。

由于实际条件下的煤自燃过程很难描述清楚，使得煤层自然发火预测预报技术的发展受到严重制约。

本文根据现场实际条件，抓住煤体氧化放热和环境散热这对主要矛盾，根据多孔介质渗流力学和传热传质学理论，建立了煤自燃过程数学模型。

依据模型确定出煤自燃过程数值模拟所需的关键参数为煤的耗氧速度和放热强度及松
散煤体内的氧气扩散系数和渗透系数，通过实验对其进行了研究和测试。

提出了实际条件下煤体放热强度和耗氧速度的计算方法，并通过实验得出了煤体粒度影响函数。

设计建造了国内最大的(装煤量15t)煤自然发火实验台，首次实现了煤自然发火全过程的实验模拟，掌握了煤自燃高温点的发生、发展、变化过程及停止供氧后高温点的降温规律。

根据实验台条件，建立了数学模型，通过数值模拟，解决了煤自然发火实验模拟条件单一的问题。

针对现场应用，提出了实际条件下漏风强度的测算方法及煤自燃危险区域的判定准则，通过煤自燃过程的数值模拟研究，发展了综放面采空区及巷道自然发火预测理论。

采用实验测定的关键参数，结合现场可测参数，并考虑这些参数的实际变化情况，运用理论与实践相结合的方法，通过数值模拟再现了综放面采空区和巷道松散煤体自燃的发生及发展过程，首次解决了实际条件下煤自然发火条件、地点和时间的判定及预测问题。

该理论成果经受了现场多次煤层自燃火灾预测预报和防灭火工作的检验，在该成果的指导下，成功地预防和扑灭了几十次矿井煤层火灾。