高温空气燃烧炉内耦合传热的数值模拟

用自行开发的三维湍流流动、燃烧、辐射传热和NO_x湍流生成的计算程序,用离散坐标方法(DOM)模拟炉内的辐射传热并与其它传热方式相耦合,与各个输运方程共同求解,对燃烧室内的温度场进行了数值模拟.通过改变高温空气的预热温度,数值分析了高温空气燃烧炉内采用燃气直接喷射技术(FDI)的温度分布特性,检验了所采用的耦合数值模拟技术的有效性.模拟计算结果表明,提高空气预热温度,炉内温度的峰值相应增大,温度梯度降低,温度分布更均匀,火焰更长.相关的实验结果与数值预报的结果对比表明了相一致的规律.     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

3MW_(th)富氧燃烧气体污染物生成与排放特性研究

本文在3 MW_(th)富氧煤粉燃烧实验台,对空气燃烧,不同循环倍率的循环燃烧工况下,进行燃烧实验,研究富氧燃烧过程中气体污染物的排放特性。实验结果表明:在3 MW_(th)富氧燃烧实验台上,富氧燃烧过程中CO_2浓度可以达到80%以上,同时能保证很高的煤粉燃尽率;与空气工况相比,富氧燃烧工况下,烟气中NO_x的浓度上升了56%~167%,排放量降低了46%~69%;同时燃烧气氛的变化对煤中硫向SO_2的转化率影响很小;双碱法湿法脱硫能在富氧燃烧条件下稳定运行,脱硫效率能达到95%以上。     

高温空气煤粉直燃技术的数值模拟

本文通过数值计算的方法,对高温空气煤粉直燃燃烧器的多种运行工况进行了数值试验研究,分析了煤粉气流入口速度、煤粉浓度和高温空气速度等主要因素对煤粉气流着火的影响,模拟结果还可以反映出高温空气无油点火燃烧器内的流动、燃烧和传热情况。与试验数据的对比分析表明,数值模拟结果与试验数据趋势一致。研究结果对此燃烧器的结构及运行参数的优化提供了指导。     

高温空气燃烧炉内湍流混合特性的数值研究

应用自行研发的三维流动、燃烧、传热和污染物NO_x湍流生成的数值模拟程序,对高温空气燃烧实验模型炉进行了湍流扩散燃烧混合特性的数值模拟.数值预报了燃烧室内气体燃料和空气的混合物分数及其湍流脉动的三维分布.数值研究结果表明:在一定的几何条件和气体动力学条件下,高温空气燃烧的湍流混合在更广泛的区域内以较小梯度的进行;混合物分数的脉动主要分布在燃烧区,这表明高温空气燃烧的火焰厚度更大,具有燃烧释热更趋均匀的特性.数值模拟结果与相关的实验结果有相同的规律.     

煤粉炉内辐射图象处理和燃烧过程数值模拟相结合初探

1引言大型电站锅炉炉膛内的燃烧过程是发生在相对较大空间内的、不断脉动的、具有强烈三维特征的复杂物理和化学过程。因为实际炉膛尺寸太大,以至于还没有建立适用的可视化技术手段[1],只能对其缩小了的模型在实验室进行研究[2.3]。作者在炉膛煤粉燃烧二维温度分布检测研究[4]的基础上,提出了以多幅辐射图像处理为基础的三维温度分布检测方法[5]。本文将建立较为严密的辐射图象信息同炉内燃烧过程的关系式,并借助燃烧过程数值模拟技术来估计炉内燃烧介质辐射特性参数非均匀分布,改进以辐射图象处理为基础的炉内三维燃烧温度分布检测方…     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

涡旋燃烧炉流动、传热和燃烧特性的研究

本文应用强旋湍流气一固两相流动和煤粉燃烧的数学模型，对新型涡旋燃烧炉内的流动、传热和燃烧过程进行了系统的模拟和分析，得到了与实验相符合的结果。结果表明，涡旋燃烧炉内的湍流空气动力场分布具有强旋、回流和正在发展流的特点。水冷壁总吸热量随燃烧热负荷的增大成比例地增加。煤粉颗粒在炉内的平均停留时间随初始粒径的增大而加长。炉内可实现煤粉的低温、强旋、高效率和高强度燃烧。     

燃烧室出口辐射对气膜冷却传热影响研究

燃气轮机高温透平中包含对流/导热/辐射等复杂传热现象。本文依托高温流热固耦合实验台,提出燃烧室与透平联合计算的方法,采用数值模拟和实验对比的方式分析了平板气膜冷却的对流/导热/辐射传热特性。同时研究了不同燃气吸收系数以及不同进口辐射条件对于平板气膜冷却的表面温度分布的影响。结果表明:辐射传热是燃气轮机首级高温叶片传热特性的重要影响因素,辐射传热使得实验平板温度抬升50～70 K,燃烧室/透平联合计算方法有效地分析了燃烧室出口辐射强度对高温平板气膜冷却辐射传热的影响;高温燃气辐射特性对于平板温度分布具有明显影响。     

交变热流下燃烧室外对流传热特性数值研究

采用数值计算对水对流换热边界下天然气燃烧及外部对流传热特性进行了研究。研究了相同燃烧功率不同水入口流速下燃烧及传热特性,得到各个区域交界面温度分布及燃烧室内辐射换热与对流换热占总换热量比例。对天然气高温空气燃烧技术在工业锅炉等设备上的应用具有很好的指导意义。     

层燃炉中生物质燃烧辐射传热特性的研究

对生物质在链条炉中的燃烧辐射传热特性进行数值模拟研究,并与烟煤的燃烧辐射传热特性进行对比。结果表明:与烟煤相比较,生物质燃烧温度较低,最高温度约为2000 K,烟煤的最高温度约为2200 K,生物质温度分布比较均匀;生物质的辐射热流密度低于烟煤,生物质辐射热流密度为120～320 kW/m²,烟煤辐射热流密度为150～440 kW/m²,生物质和烟煤的的辐射传热系数比较接近,在120～240 W·m^-2·K^-1之间。烟煤的玻尔兹曼特征数大于生物质。     

煤粉炉内弥散介质辐射传热的综合模拟

本文基于辐射传热计算的DT法和颗粒运动计算的随机轨道法,并结合单颗粒的辐射特性模型,构造了能够详细考虑颗粒燃尽、湍流弥散诸因素对炉内空间局部辐射特性及总体辐射传热影响的弥散介质辐射传热计算模型,并将其耦合到炉内过程的总体数值模型中。采用该程序,比较计算了几种颗粒辐射特性模型对某300MW锅炉炉内温度场的预报结果,结果表明：通常采用的均匀颗粒辐射特性模型会导致温度场的极大误差;由于炉内颗粒浓度的不均匀分布,炉内的温度分布呈现高度非均匀状态,在炉膛轴线上有大面积的高温烟气区存在;考虑残炭存在时,温度分布的不均匀性更显著．     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究（英文）

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示:温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

一次风风速对高温预热空气下的煤粉MILD燃烧的影响

本文研究了一次风风速对高温预热空气下的煤粉MILD燃烧的影响。首先通过与国际火焰研究基金会(IFRF)的煤粉MILD燃烧实验数据对比,验证了数值模拟方法的可行性。然后在不同一次风入射角(0°、+5°和-5°)下,保持一次风风量不变,通过改变管径将风速从26 m/s增至48 m/s。研究发现,当一次风与二次风平行(0°)或背离(+5°)入射时,提高一次风风速会使炉内的峰值温度下降;当一次风朝向(-5°)二次风入射时,提高速度会使炉内温度峰值先下降后升高。总体而言,一次风与二次风背离入射时,温度峰值最低;一次风朝向二次风入射时,温度峰值最高。     

基于WSGGM模型修正的对冲火焰燃烧分区特性研究

本文利用灰气体加权平均模型(Weighted Sum of Gray Gases Model,WSGGM)对对流扩散火焰模型(OPPDIF)中的能量方程进行修正,并对高温扩散均相燃烧结构模型(Hot Diluted Diffusion Ignition,HDDI)在常规空气和富氧环境进行对冲火焰燃烧数值模拟。结果表明,相对于标准模型,采用修正模型所得到的温度分布在常规空气和富氧气氛下均较低且温度分布特性变化较大。本文进一步明确无焰燃烧的临界条件,对高温扩散均相燃烧模型分析表明,在T_f较高且X_f较低时,甲烷燃料的化学热解区域消失,燃料在燃烧周期内只表现出热释放特性。通过建立的燃烧区域和燃烧路径分析得知,无焰富氧燃烧相比于空气无焰燃烧更容易达到但更难维持,而相对于常规有焰燃烧,无论是在常规空气气氛下还是在富氧气氛下,其化学反应速率均下降一个量级。而由于富氧环境下的CO_2富集,抑制了H和OH基团的生成,使得C1反应链更加具有活性。     

煤粉炉内颗粒辐射特性的检测与分析

在一台200 MW机组煤粉炉上开展了炉内颗粒介质辐射特性的检测与分析.采用火焰图像处理技术及辐射传递逆求解方法检测了炉内三个横截面的颗粒介质的吸收系数和散射系数,同时采用水冷枪抽气取样装置对炉内燃烧介质中的颗粒物进行了采样.实验结果表明,炉膛中燃烧器区域的颗粒辐射特性相对较大,炉膛出口处的颗粒辐射特性最小;其的辐射特性与颗粒含碳量成正比;颗粒表面较为光滑的飞灰,其辐射特性相对较小,而表面凹凸不平的焦炭颗粒,其辐射特性相对较大.     

非正交贴体网格体系模拟炉内燃烧过程

开发了贴体曲线坐标系下煤粉燃烧全过程模拟程序,可在任意3-d贴体曲线坐标系下进行炉内气固流动,化学反应和辐射传热等完整的燃烧过程模拟。对某台670 t/h锅炉,采用了一种新的贴体曲线网格体系,其一族网格线从燃烧器喷口向外呈放射状展开,最外侧贴于炉膛壁面,燃烧器以上网格线扭转角度逐渐变化,至炉膛上部与壁面平行。计算结果与采用常规直角网格体系的结果相比,伪扩散误差明显减小,燃烧参数分布趋势接近实际分布。     

富氧燃烧条件下煤焦的燃尽特性

本文利用平面火焰携带流反应器研究了DT烟煤在富氧燃烧条件下的燃烧实验。采用灰示踪法分析煤焦的燃尽和元素释放特性,并采用等密度模型计算了基于氧化反应C+0.5O_2→CO的表观反应动力学参数。研究结果表明;煤粉在富氧燃烧条件下的燃尽慢于空气燃烧;富氧燃烧条件下,煤焦与CO_2的气化反应会导致煤焦表面对O的化学吸附,进而导致氧元素释放速率减慢;高氧浓度条件下,高浓度CO_2对煤焦燃尽的抑制作用大于CO_2气化反应对煤焦燃尽的促进作用,降低环境氧浓度可以逐步提高CO_2气化反应对煤焦燃尽的贡献。     

堵塞和煤粉浓缩器对旋流两相流动影响的研究

旋流煤粉燃烧器加进口堵塞和煤粉浓缩器可以影响湍流,燃烧温度以及煤粉浓度的分布,从而影响NO的生成与排放。本文用三维相位多普勒颗粒测速仪(PDPA)测量和双流体模型数值模拟研究了堵塞和煤粉浓缩器对旋流煤粉燃烧器内两相流动的影响。实验结果和数值模拟结果基本符合。实验和模拟结果都表明,无论是进口堵塞还是煤粉浓缩器都会增加旋流燃烧器的进口湍流度,同时增加进口轴线附近的颗粒浓度,后者将有利于降低NO排放。