当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

炉内煤粉燃烧仿真数学模型


炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

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: 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: 文献标识码: 中图分类号:TK22; O643 文献标识码:A

1 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: 收稿日期: 基金项目: 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-) 作者简介: ,男(汉) ,江西赣州人,硕士研究生. Email: zhangtf00@mails.tsinghua.edu.cn 联 系 人:罗 锐,副研究员,Email: ruiluo@mail.tsinghua.edu.cn 第 1 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

动计算出煤粉的燃尽率和燃烧放热量,满足实时仿真的需要,同时具有一定的计算精度.

2 数学模型
磨煤机磨制出来的煤粉粒径是大小不一的. 在这种不均匀粒径悬浮颗粒群中, 不同粒径 组分的燃尽速率是不相同的. 然而不可能将颗粒群中的某一粒度组分完全独立出来, 因为能 提供给这一组分煤粉的氧气浓度取决于整个颗粒群的燃尽程度. 为此, 必须同时考虑悬浮颗 粒群中各个粒度组分的燃烧情况. 在这以某一粒度直径的煤粉颗粒为例建立燃烧模型. 实际 的煤粉燃烧过程十分复杂,必须作一些简化假设: 1) 煤粉从燃烧器进入炉膛后发生快速热分解,所有挥发分全部逸出并瞬时燃尽,同时 焦炭颗粒开始燃烧,挥发分逸出时粒子的直径不发生变化; 其反应速度同时受动力燃烧和扩散燃烧 2) 焦炭的异相反应采用生成 CO2 的整体效应, 共同控制; 3) 焦炭粒子在运动,燃烧过程中密度保持不变,焦炭粒子取为球形,焦炭质量的损失 反映为球形粒子尺寸的减小,即所谓的等密度模型. 由假设(1)可知,煤粉燃烧过程主要取决于焦炭粒子的燃烧情况.由假设(2) ,可用 下式描述焦炭粒子的燃烧速度:

K=

β C 1 1 + ks kd

(1)

k s = k 0 exp( kd = D Nu δ

E ) RT

(2) (3)

式中, K 为焦炭粒子外表面的反应速度; β 为反应中焦炭消耗量跟氧气消耗量的比值, 在完全生成 CO2 的反应中, β =0.375; C 为氧气浓度; k s 为动力燃烧速度; k d 为扩散燃 烧速度; k 0 为频率因子; E 为焦炭氧化的活化能; R 为气体常数; T 为反应温度; D 为氧 的扩散系数; Nu 为 Nusselt 数,在认为焦炭粒子跟空气之间相对运动速度很小时可取为 2;

δ 为某一组分焦炭粒子的直径.
对于某一粒度组分的焦炭颗粒,由假设(3) ,燃烧过程中认为密度不发生变化,直径不 断减小,有:

δ j = δ j .0 3 1 η j
第 2 页 共 8 页

(4)

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

式中, δ j 为第 j 组焦炭粒子的粒径; δ j , 0 为第 j 组焦炭粒子燃烧初始时的粒径; η j 为 第 j 组焦炭粒子的燃尽率. 假定第 j 组焦炭粒子的初始燃烧质量为 1kg,则某时刻的总反应表面积 A j 有:

Aj =

6 1η j δ j ρ ch

(5)

其中ρ ch 为焦炭粒子的密度.而氧浓度 C 有关系式:

C = C0

T0 α ch η T α ch

(6)

式中, C 0 为初始氧浓度; T0 为燃烧初始气流温度; T 为当时气流温度; α ch 为燃烧开 始时焦炭燃烧的过量空气系数; η 为各个尺度焦炭粒子从初始时刻到该时刻的总燃尽率. 第 j 组粒径煤粉的燃烧率的变化速度为:

dη j dt

= K Aj

(7)

煤粉的总燃尽率有:

η = ∑η j m j
其中, m j 为第 j 组粒径煤粉的质量百分率.将式(1)-(6)代入式(7)得:

(8)

dη j dt

2.25C 0 = (

T0 (α ch η ) (1 η j ) T α ch 1 + ) δ j .0 3 1 η j ρ ch ks

δ j .0 3 1 η j 2D

(9)

若认为 η j 的变化对 η 的影响很小,则可将上式积分:

ηj = 1[

2D

δ

2 j ,0

δ j ,0 δ + k 2D s
2 j ,0

2

0.7δ j2,0 C 0

T0 α ch η T α ch 2D 3 t ] ρch D k s δ j ,0

(10)

而焦炭粒子的燃尽时间有:

t j ,max =

δ j , 0 δ j ,0 ρch ( + ) T0 α ch η 2k s 8D 0.375C 0 α ch T
2

(11)

根据文献[5],式(2)可由下式代替:
第 3 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

k s = k 0 exp[

T E (1 ch )] RTch T0

(12)

其中,Tch 为焦炭粒子的表面温度; k 0 可取为 100m/s;T0 为 2600K.根据文献[2]氧的扩 散系数近似为:

D = 2 × 10 5 (

Tg + Tch 2 × 273.16

)1.75

(13)

式中, Tg 为气流温度.由燃烧器进入锅炉的煤粉粒子粒径认为符合 Rosin-Rammler 关 系式:

R (δ) = 100 exp[(

δ n ) ]% δc

(14)

式中, R (δ ) 为粒径大于 δ 的煤粉颗粒质量百分数;δ c 为煤粉的特征粒径;n 为煤粉的 均匀性指数,取决于煤种磨煤机和分离器的结构,由文献[6],n=0.8~1.3. 需要强调的是,由式(9)可以看出,煤粉的燃尽率跟炉内的温度是息息相关的,温度 要影响煤粉的燃尽率, 而由煤粉燃尽率所决定的燃烧释热量又影响炉内温度的分布. 因而在 模型求解时, 煤粉的燃烧模型需要跟炉内的传热模型联立起来, 在确定炉内的温度分布以后, 才能准确估算煤粉燃尽率的分布. 传热模型见作者的另一篇文章 《炉膛辐射传热数学模型及 其仿真》 .

3 计算实例
运用本模型对某电站 DG1025/18.3-Ⅱ4 型锅炉进行了模拟计算. 该锅炉是亚临界自然循 环汽包炉,单炉膛,一次中间再热,平衡通风,悬吊露天布置,固态排渣,中间储仓式制粉 系统,热风送粉;燃烧器为直流四角布置,双切圆反向燃烧,切圆直径为 Φ500,Φ700,燃 烧器分两组,下面一组共有 7 层喷嘴,上面一组共有 8 层喷嘴.锅炉主要结构尺寸见图 1. 计算时,燃烧器区域等分成 5 个区,燃烧器以上区域等分成 6 个分区.煤粉粒子按照 Rosin-Rammler 关系式分成 16 组不同粒径,最小粒径为 10μm,最大粒径为 160μm,煤粉 均匀性指数取为 1.1,特征粒径为 50.284μm.焦炭氧化的活化能取为 90 kJ/mol,焦炭的密 度取为 1500kg/m3.表 1 给出了锅炉在最大负荷(BMCR) ,额定负荷(ECR)和 70%额定 负荷(70%ECR)下的给煤量和送风量,在 70%ECR 下,燃烧器区域第五分区内的燃烧器 被关掉,因而该分区内的煤粉流量和空气流量为零.

第 4 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

锅炉喉部以上等效 吸热水冷壁

图 1:DG1025/18.3-Ⅱ4 型锅炉模型主要结构尺寸 : Ⅱ 表 1:DG1025/18.3-Ⅱ型锅炉在不同负荷下的运行参数 : Ⅱ 锅炉在

18160 10140

水冷壁 12829×13335

燃烧器

燃烧器以下等效吸 热水冷壁

新燃料量/(kg/s) 区域编号 BMCR 1 2 燃烧器 3 区域 4 5 8.20834 8.20834 7.41222 7.41222 6.48570 0 8.20834 7.41222 6.48570 8.20834 8.20834 ECR 7.41222 7.41222 70%ECR 6.48570 6.48570

新空气量/(kg/s) BMCR 69.66661 69.66661 69.66661 69.66661 69.66661 ECR 62.90973 62.90973 62.90973 62.90973 62.90973 70%ECR 55.04601 55.04601 55.04601 55.04601 0

图 2 给出炉内煤粉燃烧沿炉膛高度方向上的仿真计算结果.需要说明的是,图 2(a) 中的介质温度是炉膛横截面的平均温度, 这个温度不是炉膛中心线的温度, 而是整个截面的 集总温度, (a)中曲线是本模型与传热模型联立计算的结果,曲线 REF.是文献[7]中给出的 HG-670/140-6 型锅炉实测温度曲线, 可以看出实测曲线跟 70%ECR 下的温度曲线比较接近, 而且炉内介质的温度随着负荷的减小而降低. 图 2(b)给出的是锅炉在三种负荷下的总燃尽率,计算时炉内过量空气系数取 1.27, R90(煤粉颗粒大于 90μm 的百分比)取为 15%.可以看出,BMCR 与 ECR 下的总燃尽率 变化不大,当锅炉以 70%ECR 运行时,由于第五层的燃烧器被关掉,火焰中心位置下移而 且整个炉内介质温度下降,但介质在炉内的停留时间变长,燃烧反而更完全. 图 2(c)给出了 ECR 负荷下,炉内过量空气系数对总燃尽率的影响,R90 取为 15%. 可以看出过量空气系数由 1.1 增加为 1.4, 顶部的总燃尽率由 0.986 95 增加到 0.998 52, 总燃

第 5 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

尽率的增加并不明显, 这是因为过量空气系数的增加虽然使氧浓度增加了, 但是炉内烟气的 流速也增大了,因而炉内介质温度下降,而且由于烟气流速的增加,焦炭颗粒在炉内的停留 时间也缩短了. 图2 (d) 给出了 ECR 负荷下煤粉粒径对总燃尽率的影响, 炉内过量空气系数取为 1.27. R90 是反映煤粉大颗粒百分比的参数,由于大煤粉颗粒的燃尽时间比较长,当 R90 增大时, 在相对高度达到 0.85 以前总燃尽率较小,但随着燃烧时间的增加,大颗粒煤粉相继燃尽, 到达炉膛顶部时的总燃尽率也相差不大.
BMCR ECR 70%ECR REF.

1.0 Overall burn-off rate 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 BMCR ECR 70%ECR

1600 1550 1500 1450 Tm/K 1400 1350 1300 1250 0.0 0.2 0.4 z/Z 0.6 0.8

1.0

0.2

0.4 z/Z

0.6

0.8

1.0

(a)炉内介质平均温度(REF.: 文献[7]实测)

(b)负荷变化对总燃尽率的影响

1.0 Overall burn-off rate Overall burn-off rate 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 1.1 1.2 1.27 1.4

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.1 0.15 0.2 0.3

0.2

0.4 z/Z

0.6

0.8

1.0

0.2

0.4 z/Z

0.6

0.8

1.0

(c)炉内过量空气系数对总燃尽率的影响

(d)煤粉粒径(R90)对总燃尽率的影响

图 2:煤粉燃烧仿真结果 :

表 2 给出了文献[10]中的燃料燃尽率经验数值,通过与图 2(b)(c)(d)比较以及从 , , 图 2(a)求解出的温度场来看,本模型的计算结果具有比较好的精度.
表 2:沿炉膛高度的燃料燃尽率 :

相对高度 燃料 0.40 烟煤 0.96~0.98 0.50 0.98~0.99 1.00 0.98~0.995

4 结论
第 6 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

1) 本模型从煤粉粒子燃烧的宏观机理入手,避开了繁琐的粒子运动微分方程,通过对 燃烧过程的适当简化, 给出了煤粉在炉内燃烧的显式方程, 满足了电站仿真实时计算的要求. 2) 煤粉的燃烧速度主要取决于燃烧时的介质温度,氧气浓度以及初始粒径尺寸. 3) 由该模型编制的计算程序可用于各种电站煤粉锅炉的燃烧计算,可通过改变进入炉 膛的燃料量和空气量来模拟锅炉在不同运行负荷下的燃烧过程.

在此感谢清华能源仿真公司的陈泽荣老师提供的工程资料和解答具体的工程实际问 题.

参考文献( 参考文献(References) 文献 )
[1] FAN Jianren, QIAN Ligeng, MA Yinliang, et al. Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces [J]. Chemical Engineering Journal, 2001, 81: 261-269. [2] 任安禄,谢定国. 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]. 力学学报, 1994, 26(3): 356-367. [3] Fiveland W. A., Jamaluddin A. S. An Efficient method for predicting unburned carbon in boilers [J]. Combustion Science and Technology, 1992, 81: 147-167.

[4] 董凡,洪梅,秦裕琨. 大型煤粉锅炉炉膛传热工程化三维数值计算方法及其应用[J]. 动力工程, 2000, 20(2): 606-610. [5] 周力行,陈文芳,林文漪. 湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟[M]. 北京: 科学出版社, 1994. [6] 林宗虎,徐通模. 实用锅炉手册[M].北京: 化学工业出版社, 1999. [7] 秦裕琨. 炉内传热(第二版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991. [8] 韩小海,赵宗让,章明川. 电站锅炉炉膛传热过程数学模型及模拟计算[J]. 中国电机工程学报: 1997, 17(1): 18-22. [9] 韩才元,徐明厚. 煤粉燃烧[M]. 北京: 科学出版社, 2001. [10] 北京锅炉厂. 锅炉机组热力计算标准方法[M]. 北京: 机械工业出版社, 1975.

第 7 页 共 8 页

炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真

One-dimensional mathematical model and simulation for pulverized coal combustion in boiler furnace
ZHANG Tengfei LUO Rui REN Tingjin YANG Xianyong (Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: This paper presents a new mathematical model to calculate the burn-off rate of pulverized coal in boiler furnace. The procedure of combustion of pulverized coal in the regions of burners was studied, which is the most complicate in a boiler. In this model volatile matter was considered to burn off suddenly, and while burning the density of char was constant but the diameter decreased. Variation of oxygen concentration was taken account into. The overall burn-off rate of pulverized coal in a zone was the sum of burn-off rates of all coal particles in various initial diameters. One-dimensional formulations of overall burn-off rate in a coal-fired boiler were derived. Since the model was concise, it satisfied the need of real-time calculation. Finally, results of calculation were analyzed and in good agreement with the measured data and the present literature. Key words: pulverized coal combustion; constant density model; macroscopic model; real-time simulation

第 8 页 共 8 页

相关文章:
炉内煤粉燃烧仿真数学模型_tp
炉内煤粉燃烧一维数学模型及其仿真 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...
锅炉燃烧控制系统仿真
+ 炉膛负压 负压测量变换 图 5 控制系统框图 3 计算机仿真期末大作业 三、系统建模 1、建立数学模型(1)建立燃烧炉蒸汽压力控制和燃烧空气比值控制系统的数学模型...
锅炉燃烧过程控制系统仿真
本项目采用燃烧 蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统, 并辅以炉膛负压控制的方...已知控制系统传递函数: 燃料流量系统的数学模型:G(s)= 空气流量模型:G(s)= ...
锅炉燃烧过程控制系统的Simulink仿真
炉燃烧过程控制系统的Simulink仿真_工学_高等教育_教育专区。毕业设计:锅炉燃烧...它是根据过程的输入和输出的实 测数据进行某种数学运算后得到的模型, 其主要...
锅炉及锅炉系统仿真
仿真工作中划分系统时还考虑 建模和流网计算的特点。...省器系统 空气预热器系统 制粉系统 磨机润滑...(蒸汽推动)系统 炉内燃烧系统及火焰检测系统 压缩...
项目一 锅炉燃烧过程控制系统仿真
项目一 锅炉燃烧过程控制系统仿真姓名:张晓晓 学号:201201030501 专业:电气工程...(1) 燃料流量系统数学模型:G(s) = 2 e 3 s 的伯德图: 12 s ? 1 求...
锅炉燃烧控制设计与仿真
量 (内扰 )和蒸汽负荷变化量 (外扰), 在燃烧...三 锅炉燃烧自动控制系统的建模仿真由于锅炉燃烧... 膛负压也会受到影响, 三个控制对象的仿真调节...
锅炉燃烧控制系统仿真
本项目采用燃烧 蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统, 并辅以炉膛负压控制的方 案,控制系统框图如图所示。 已知控制系统传递函数: 燃料流量系统的数学模型:G(s)...
单燃烧器卧式炉煤粉燃烧过程数值模
对该燃烧 器燃烧过程进行燃烧仿真数值模拟, 对温度...保证煤粉火焰在炉内的穿透深度, 且同一个平面上的...数学模拟及计算方法 本次模拟采用 Realizable k2ε ...
煤粉燃烧模拟——湍流破碎模型
煤粉燃烧模拟——湍流破碎模型_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。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...
更多相关标签:
煤粉燃烧器 | 旋流煤粉燃烧器 | 煤粉燃烧器工作原理 | 煤粉燃烧器原理图 | 煤粉锅炉燃烧器 | 有一个燃烧煤粉的电站 | 煤粉炉燃烧器 | 小型煤粉燃烧器 |