论文总字数：20955字

摘 要

煤炭是我国目前探明的储量最多的化石燃料，同时煤炭也是在工业生产中使用的最多的一种能源，其产量和消耗量都占据了我国能源主体的六成以上。由于我国经济的快速发展，对能源的需求也随之增加，对于电站锅炉的运行效率与废气排放提出了更高的要求。在计算机软件模拟技术的快速发展的今天，利用模拟软件来模拟锅炉内的运行情况和烟气排放情况渐渐成为了一种新型的高效的研究方法。

本文的主要内容是根据锅炉炉膛内煤粉燃烧中的气固两相流运动特点，通过建立了煤粉在锅炉炉膛内燃烧物理模型，依据实际生产中现有的锅炉相关数据，利用 FLUENT 软件模拟整个煤粉燃烧过程。分析煤粉在炉膛内部的燃烧过程以及煤粉的轨迹以及各种成分的分布图，得出煤粉在炉膛中的实际燃烧过程。依次考虑了煤粉燃尽率，温度场分布与煤粉粒径、煤粉挥发分含量、煤粉成分比例、给煤量以及一次风和二次风速度等参数之间的关系。在控制其他变量的情况下分析比较不同参数对煤粉燃烧的影响，并进行比较与改进。得出了挥发分成分的升高与煤粉颗粒粒径的降低对着煤粉燃烧的效率有着正面影响；煤粉焦炭成分过高虽然会提升热值但会导致不完全燃烧；一二次风速需处在合理的区间，风速过高或过低都会导致煤粉燃烧效率的下降。

关键词：煤粉；燃烧；锅炉；FLUENT模拟

Numerical simulation of gas-solid two-phase multi-component combustion characteristics

Abstract

Coal is the fossil fuel with the largest proven reserves in China at present, and it is also the most used energy in industrial production. Its output and consumption account for the majority of China's energy. Due to the rapid development of China's economy, the demand for energy is also increasing, which puts forward higher requirements for the efficiency and exhaust emission of power station boilers. With the rapid development of computer software simulation technology, using simulation software to simulate the boiler operation and flue gas emission has become a new and efficient research method. The main content of this paper is that according to the characteristics of gas-solid two-phase flow in pulverized coal combustion in boiler furnace, the physical model of pulverized coal combustion in boiler furnace is established. Based on the existing relevant boiler data in actual production, FLUENT software is used to simulate the whole pulverized coal combustion process. The actual combustion process of coal in the furnace is obtained by analyzing the combustion process of coal powder in the furnace, the trajectory of coal powder and the distribution diagram of various components. The relationship between the coal burnout rate, temperature field distribution, coal particle size, coal volatiles content, coal component ratio, coal feed quantity, primary air velocity and secondary air velocity is considered successively. The effects of different parameters on pulverized coal combustion were analyzed without changing other conditions. The results show that the increase of volatile components and the decrease of particle size have a positive effect on the efficiency of pulverized coal combustion. The high content of pulverized coke can increase the calorific value but lead to incomplete combustion. The primary and secondary wind speeds should be within a reasonable range. Too high or too low a wind speed can cause a decrease in the efficiency of pulverized coal combustion

Keywords: coal, combustion, boiler, FLUENT simulation

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 FLUENT软件介绍 3

1.4本文的主要研究内容 3

第二章 煤粉燃烧数值模拟研究 5

2.1煤粉燃烧模型的简化 5

2.1.1煤种选择 5

2.1.2 炉膛内煤粉燃烧过程 5

2.1.3煤粉燃烧过程的简化 6

2.2煤粉燃烧数值模拟基本控制方程 6

2.2.1连续性方程 7

2.2.2能量方程 7

2.2.3动量守恒方程 7

2.2.4组分输运方程 8

2.3模型的网格划分过程 8

2.4煤粉在炉膛内燃烧数值模拟的相关数学模型 9

2.4.1气固两相湍流模型 9

2.4.2燃烧模型 10

2.4.3辐射换热模型 10

2.4.4离散型模型 11

2.5模型各项基本设置 11

2.5.1基本参数设置 11

2.5.2 材料和反应设置 11

2.5.3 边界条件的设置 12

2.6本章小结 12

第三章 煤粉燃烧数值模拟的结果和分析 14

3.1初始条件下的模拟结果分析 14

3.1.1煤粉颗粒轨迹的分析 14

3.1.2挥发分燃烧情况分析 15

3.1.3焦炭燃烧情况分析 16

3.2煤粉颗粒粒径对燃烧的影响 17

3.3煤粉挥发分含量对燃烧的影响 18

3.4煤粉中焦炭含量对燃烧的影响 19

3.5一次风速对燃烧的影响 20

3.6二次风对燃烧的影响 21

3.7本章小结 22

第四章 结论和展望 23

4.1结论 23

4.2展望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 绪论

1.1课题背景

伴随着我国经济的不断发展，人们对于各种能源的需求量也在急剧上升[1]。煤炭是我国储量最丰富的化石能源，据BP能源 2015 年统计[2]，尽管煤炭开采量逐年下降，但煤炭还是在工业生产中运用的最多的一种能源，其产量和消耗量都占据了我国能源主体的六成以上。与此同时，工业生产中不仅对煤炭的利用效率提出了新的要求，也对煤炭的烟气排放提出了新的标准。在如此严峻的能源需求环境[3]之下，如何提高煤粉在锅炉中的燃烧效率成为了人们迫切需要解决的问题。探究煤粉在锅炉中的燃烧过程以及如何调整燃烧条件才能有使得煤粉在锅炉中充分燃烧，并在炉膛中心处达到最大温度成为了我们需要研究的方向之一。为了解决锅炉燃烧效率较低和造成的污染难以控制的两大难题，摆在我们面前的有两种较好的研究手段：一是立足于传统的研究方法进行模拟实验[4]，具体的方法就是收集燃煤锅炉的实际运行数据，但这种方法在实际的应用中由于存在较多的条件限制很难得到较为具体的详细的数据，或者自行在实验室搭建小型锅炉进行模拟实验但这种方法得到的数据未必准确并且搭建周期较长[5]，运行成本较高因此难以实现；第二种方法就是在相关的计算机软件内进行燃烧模拟，由于计算机性能的快速进步和相关计算软件的更新换代，以模拟软件来模拟锅炉的实际情况作用来对锅炉升级和改造起到了越来越重要的作用。因在实际工程中运行成本低效率高的计算机模拟技术在研究煤粉燃烧领域受到了越来越广泛的欢迎。在现阶段研究人员运用的最广泛的数值模拟软件主要有FLUENT，CFX等，如何运用FLUENT等软件进行煤粉燃烧数值模拟得出结论是我们当前的研究目标,这也是我们研究大型电站的发展方向之一[6]。

1.2国内外研究现状

锅炉中的煤粉燃烧的整个流程是一个包含着传热，传质，气体和固体流动，以及相变的复杂[7]过程，涉及到多种物理和化学反应[8-9]。因此模拟实际的燃烧情况探究燃烧规律的过程十分困难，在相当长的一段时间内国内外的相关研究人员都只能孤立分析整个燃烧过程。直到近代，由于计算机计算计算性能的提高与流体计算力学整个学科的快速发展，

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