CN105590005B - 一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 - Google Patents
一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105590005B CN105590005B CN201610045056.8A CN201610045056A CN105590005B CN 105590005 B CN105590005 B CN 105590005B CN 201610045056 A CN201610045056 A CN 201610045056A CN 105590005 B CN105590005 B CN 105590005B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pulverized coal
- particles
- combustion
- combustion process
- model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 272
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 216
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 137
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 65
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 41
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 46
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 claims description 40
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 40
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 31
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 25
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 16
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 16
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 16
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 3
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 7
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 abstract 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 3
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007039 two-step reaction Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/36—Circuit design at the analogue level
- G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，属于计算机数值模拟技术领域。本发明依据煤粉颗粒间燃烧过程的特点，在计算流体力学软件FLUENT已有数理模型基础上，运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程，耦合用户自定义模型，即煤粉颗粒相互作用模式(颗粒构造形式、颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型)、质量变化保存机制，实现了煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟。经验证，采用本发明中的方法模拟得到的煤粉颗粒温度等信息变化规律与实验数据基本一致，本发明能够真实客观、便捷高效的揭示煤粉颗粒间燃烧过程相互作用机理，为煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供有力的理论依据和技术支持。
Description
技术领域
本发明方法属于计算机数值模拟技术领域，更具体地说，涉及一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法。
背景技术
能源是支持社会发展和经济增长的重要物质基础和生产要素，充足稳定的能源供应不仅为工业提供动力，为农业提供保障，推动技术进步，保障国民经济的发展，而且还促进人民生活质量的改善，创造众多就业机会，促进人类社会的发展和进步。而世界经济的快速发展，又促进了能源的开发和利用技术水平的提高，两者既相互促进，又相互制约。煤炭是中国的基础能源，与其他化石燃料相比，煤的储量丰富得多，占我国一次能源构成的比例约为75％，这种比例在长期内不会有很大改变，且由于其价格低廉，煤炭必将仍是未来发电的主要能源。
近几年，随着工业上高效洁净燃煤技术的发展，煤粉颗粒燃烧理论引起了国内外学者的广泛关注，而煤粉颗粒燃烧过程的研究通常是采用计算机模拟方法进行，以计算流体学为理论基础。计算流体力学(CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体运动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。计算流体力学(CFD)的基本思想主要是通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，由此建立该流动的数值模型，再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭方程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数方程组，从而获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。计算流体力学(CFD)方法可以将理论分析方法与实验测量方法有效地结合起来，既简化了真实流场过程，便于场参数的求解，同时又能保证求解结果的准确性，且与传统实验方法相比具有实验设备占地面积小、实验条件要求简单、实验周期短、占用资金少、结果较准确等一系列优点。通过计算流体力学数值模拟，我们可以较准确的得到煤粉燃烧状况，以及影响煤粉燃烧的主要因素，进而为提高煤粉燃烧热效率，降低单位发电量煤耗提供理论依据。
煤粉燃烧是进行气相输运、均相和异相化学反应等一系列复杂反应的过程，包括水份蒸发、挥发份析出和残炭燃烧。燃烧过程中，煤粉颗粒成分、尺寸和气氛对煤粉颗粒燃烧过程均有着显著的影响。而对煤粉燃烧过程研究的可靠性关键即在于数值模型的建立，数值模型建立的准确性直接影响其能否反映真实的流场运动状态。近年来，国内外学者关于煤粉燃烧过程的研究已较多，如韩国高丽大学Chong Pyo Cho等数值研究了颗粒间间距对煤粉颗粒燃烧过程的影响，美国犹他大学Babak Goshayeshi等运用详细的化学反应动力学数据对单个煤粉颗粒的点火时间进行了研究，然而当前大多数研究者主要集中在对单个煤粉颗粒燃烧过程的研究，而忽视了多个煤粉颗粒间的相互作用对燃烧过程的影响。一般来说，煤粉颗粒由不同粒径组成，因此，不同颗粒尺寸下煤粉颗粒燃烧特性存在巨大的差异。研究也表明，流场中任何一个颗粒对流场的干扰都会间接地影响到其附近的颗粒，同时其本身的运动状态也将受到其附近颗粒的影响，煤粉颗粒间的相互作用机制尤其会对煤粉颗粒的挥发份析出速率和焦炭的异相反应具有较大影响。
哈尔滨工业大学的赵云华等考虑了均匀分布的球形煤粉群外在初始条件如环境温度、气氛浓度等对煤粉着火及燃烧的影响，但其缺乏对煤粉颗粒团内部不同颗粒燃烧之间相互影响的研究，而目前国内关于煤粉颗粒粒径和间距间的相互作用机制对燃烧过程影响的研究也还处于空白，从而不能有效用于指导工业生产中煤粉燃烧技术的改进与优化设计，不能为电站锅炉、高炉喷煤等工业的节能、降耗和减排措施提供便捷、高效的技术支持。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中对煤粉燃烧过程进行研究时通常忽略煤粉颗粒间的相互作用，难以捕捉和再现煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的不足，提供了一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法。通过使用本发明的煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，能够真实客观、便捷高效地反映煤粉颗粒间燃烧过程的相互作用机理，从而可以为煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供有效途径。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其步骤为：
(1)依据煤粉颗粒构造形式，建立煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型，并划分气相和固相计算区域，对该计算区域进行网格划分；
(2)根据所述网格确定基本控制方程：连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，并建立壁面反应模型和有限反应速率模型；
(3)定义固定碳、挥发份和氧化气氛材料属性，所述材料属性包括密度ρ、导热系数λ和比热c；
(4)定义进出口边界条件及对称面和流固耦合面边界；
(5)定义初始条件：煤粉颗粒初始温度、初始质量；
(6)定义挥发份燃烧化学反应机制和壁面反应机制，具体包括化学反应方程式、指前因子、活化能、化学当量系数、浓度指数和速率指数；
(7)耦合自定义模型：颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型；
(8)设定监测变量：煤粉颗粒表面温度、煤粉颗粒质量变化率及挥发份逸出质量速率变化；
(9)对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，并采用步骤(4)中定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解；
(10)对整个计算区域初始化，设定时间步长，对计算区域内代数方程组进行反复迭代，直到满足煤粉颗粒完全燃烧为止且满足守恒定律，完成煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟，并运用质量变化保存机制对计算结果进行保存；
(11)对计算结果进行后处理。
更进一步地，步骤(1)中煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型是基于煤粉颗粒的真实工业成分组成，不考虑水分和灰分，假设煤粉颗粒内部为固定碳，外围是挥发份而建立的，煤粉颗粒与固定碳的几何关系为：
式(1)中，dp为煤粉颗粒直径，dc为固定碳直径，fv为挥发份含量，fc为固定碳含量，ρp为煤粉颗粒密度，ρc为固定碳密度，上述参数均通过煤粉工业分析获得。
更进一步地，步骤(1)中采用分块结构化网格对所述几何模型的气相和固相计算区域进行网格划分。
更进一步地，步骤(4)中边界条件为：上下面为对称边界，其它壁面为流固耦合边界；氧化剂空气或富氧为速度进口边界，出口为自由出流边界。
更进一步地，所述速度进口处的空气进口速度为1.5m/s，温度为1700K。
更进一步地，步骤(5)中的初始条件为：煤粉颗粒初始温度为600K，初始煤粉颗粒质量为3.97e-12kg和3.35e-10kg。
更进一步地，步骤(7)中颗粒质量变化模型为：煤粉颗粒燃烧过程中，煤粉颗粒的质量变化率由热解产生的挥发份析出率和焦炭异相反应消耗率决定，即
式中：rc为焦炭反应速率，Mw,c为碳元素摩尔质量，为当量系数；
粒径动态变化模型：煤粉颗粒燃烧过程中，粒径将发生变化，依据燃烧过程中的煤粉颗粒质量，将粒径的变化转化为煤粉颗粒导热系数和密度的变化，即
式(4)-(7)中，cp为煤粉颗粒比热，ypi为各元素，即C、H、O、N和S的质量分数，upi为上述各元素摩尔质量，ρ和λ分别为煤粉颗粒密度和煤粉颗粒导热系数，d0为煤粉颗粒初始粒径，R为通用气体常数，Tp为煤粉颗粒温度；
挥发份析出模型：依据煤粉颗粒温度Tp，确定挥发份析出率其挥发份析出率采用两步竞争模型，即
式(8)中，mv为挥发份析出质量，α1、α2为热解常数，R1、R2为挥发份析出速率，其中，R1、R2通过下式求得：
Ri＝Aie-Ei/RT (9)，
式(9)中，Ai为指前因子，Ei为活化能，T为煤粉燃烧过程中的气相温度；
更进一步地，步骤(9)中采用有限体积法对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，计算过程采用一阶迎风格式和SIMPLE速度——压力藕合算法，压力插补格式采用STANDARD格式。
更进一步地，步骤(10)中的时间步长为5.56×10-6秒。
更进一步地，步骤(10)中的质量变化保存机制为：为实现对煤粉颗粒间燃烧过程的数值模拟结果的处理，根据煤粉颗粒的质量变化率来自动保存数据文件，并确定煤粉颗粒燃烧状态，即当任一煤粉颗粒挥发份完全析出和残碳燃烧结束，则煤粉颗粒仅仅以导热形式换热，当所有煤粉颗粒都结束燃烧，则保存最终结果，
Ω＝βi(τ) (10)，
式中：βi为i时刻的质量变化率，τ为煤粉颗粒燃烧时间，Ω为保存机制。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，是依据煤粉颗粒间真实燃烧过程的特点，在大型计算流体力学软件FLUENT已有数理模型基础上，运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程，耦合用户自定义模型，即煤粉颗粒相互作用模式(颗粒构造形式、颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型)、质量变化保存机制，从而实现煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟。本发明的颗粒构造形式能够从几何模型上真实再现煤粉燃烧过程挥发份的析出和残炭的燃烧，而颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型和挥发份析出模型耦合大型流体力学计算软件现有物理模型便捷高效的实现了煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的全息仿真，生动逼真的表征不同煤粉粒径和间距对煤粉燃烧过程的影响，其中质量变化保存机制能够灵活的完成对不同燃烧阶段模拟结果进行后处理。经验证，本方法获得的煤粉颗粒温度等信息变化规律与现场实验数据基本一致，可靠性较高，且与现有技术相比，本发明的方法使得煤粉颗粒间燃烧过程相互作用机理得到了便捷、高效的捕捉和再现，为煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供了有效解决途径，具有重要的理论意义和实用价值。
(2)本发明的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，根据其质量变化保存机制保存的计算结果，可以对煤粉着火装置进行更加有效地设计，且在此基础上进行O2/CO2富氧气氛下的燃烧过程全息模拟，从而有利于进一步提高煤粉利用率，优化燃料结构以节约能源、保护环境。
附图说明
图1为本发明的煤粉颗粒间燃烧过程自定义模型的计算流程图；
图2为本发明的煤粉颗粒间燃烧过程的FLUENT求解框图；
图3为本发明中煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型计算区域的示意图；
图4为本发明中不同氧浓度下煤粉颗粒温度的模拟数值与实际实验数值的比较变化曲线图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，是在大型计算流体力学软件FLUENT已有数理模型基础上，运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程，耦合用户自定义模型，即煤粉颗粒相互作用模式(颗粒构造形式、颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型)、质量变化保存机制，来实现煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟的，其具体步骤为：
(1)基于煤粉颗粒的真实工业成分组成，如表1所示，不考虑水分和灰分，假设煤粉颗粒内部为固定碳，外围是挥发份，构造煤粉颗粒的构造形式，煤粉颗粒与固定碳的几何关系为：
式(1)中，dp为煤粉颗粒直径，dc为固定碳直径，fv与fc分别为挥发份含量和固定碳含量，其具体数值由煤粉真实工业分析成分决定，ρp为煤粉颗粒密度，为1300kg/m3，ρc为固定碳密度，考虑煤粉燃烧中焦炭性质，视为950kg/m3。设煤粉颗粒直径分别为79μm和18μm，则固定碳直径分别为57μm和13μm，即挥发分外直径分别为79μm和18μm，内直径为57μm和13μm，固定碳区域为固相，其它区域为气相。
表1煤粉真实工业分析成分，％
依据构造的上述煤粉颗粒构造形式建立煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型(36dp×8dp，dp为煤粉颗粒直径)，模拟时可对不同煤粉颗粒粒径和间距时的燃烧过程进行模拟，本实施例中煤粉颗粒间距X＝2dp，如图3所示，并划分气相和固相计算区域，采用分块结构化网格对该计算区域进行网格划分。
煤粉颗粒构造形式是煤粉颗粒燃烧过程模拟的关键，其直接影响煤粉颗粒燃烧过程模拟结果的准确性。发明人结合工业生产中煤粉颗粒燃烧的真实反应机理及特点，经过大量的模拟实验，并与真实实验过程相对比，对煤粉颗粒构造形式进行不断优化，最终得出本实施例的上述煤粉颗粒构造形式，该颗粒构造形式既实现了对煤粉颗粒燃烧过程的有效简化，降低了运算的复杂性，同时也能够真实再现煤粉燃烧过程挥发份的析出和残炭的燃烧，大大提高了模拟结果的准确性。
(2)利用FLUENT对所述网格建立基本物理模型：基本控制方程、壁面反应模型和有限反应速率模型，对挥发份燃烧化学反应机制和壁面反应机制进行定义，具体包括化学反应方程式、指前因子、活化能、化学当量系数、浓度指数和速率指数。
煤粉颗粒间的燃烧过程为二维层流运动，其基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，其中挥发份CH4的燃烧化学反应采用两步反应机制，即
CH4+1.5O2→CO+H2O (A)，
CO+0.5O2→CO2 (B)，
连续性方程：
动量方程：
能量方程：
组分方程：
式中：λ为气相导热系数，cp为气相比热，ρ为气相密度，均为工业测得的实际数值；ui和uj分别为i和j方向上的气相速度，p为压强，为系统定义压力，μ为分子热运动引起的动力粘度系数，Yk为组分k的质量分数，Sm，Sh，Sk分别是煤粉颗粒相引起的气相质量、物质组分和能量增加率(源相)，Rk,r为组分k在反应r中的生成/分解率，D为扩散系数，其中：
式中：kf,r为反应r的反应常数，v″k,r和v′k,r分别为生成物和反应物的当量系数，Cj,r为反应r中各组分j的摩尔浓度，ηˊj,r为反应r中组分j的正向反应速率指数(本实施例中为反应物的速率指数)，η〃j,r反应r中组分j的逆向反应速率指数(本实施例中为生成物的速率指数)，ηˊj,r和η〃j,r的数值具体即为表2中对应各组分的浓度指数数值。其中，
式中：Ar为指前因子，Er为活化能，R为气体常数，其反应参数如表2所示。
当挥发份逸出结束，在煤粉颗粒表面，焦炭发生异相反应，其壁面反应一般形式如下：
C+O2→CO2 (C)，
2C+O2→2CO (D)，
C+CO2→2CO (E)，
上式中：G为气相组分，B为固相组分，g′、b′分别为对应反应物的当量系数，g″、b″分别为对应生成物的当量系数，N为对应的组份数，[]wall为壁面浓度，kf,r的计算参照公式(16)，kf,r计算时的参数具体见表2。
表2反应中Arrhenius反应速率中的参数
(3)对煤粉燃烧过程中固定碳、挥发份和氧化气氛材料属性进行定义，上述材料包括C(S)、O2、N2、CH4、CO、CO2、H2O，其材料属性包括密度ρ、导热系数λ和比热c，各材料属性的初始值即为实际工业测量值。
(4)定义边界条件和初始条件：本实施例中以上下面为对称边界，其它壁面为流固耦合边界；氧化剂空气或富氧为速度进口边界，即图3中的左侧面，空气进口速度为1.5m/s，温度为1700K，出口为自由出流边界，即图3中的右侧面。本实施例的初始条件为：煤粉颗粒初始温度为600K，煤粉颗粒初始质量分别为3.97e-12kg和3.35e-10kg。
(5)运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程耦合自定义模型，即颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型。
其中，颗粒质量变化模型为：煤粉颗粒燃烧过程中，煤粉颗粒的质量变化率由热解产生的挥发份析出率和焦炭异相反应消耗率决定，即
式中：rc为焦炭反应速率，由反应中Arrhenius反应速率确定，Mw,c为碳元素摩尔质量，为当量系数，为2.67，煤粉颗粒直径dp根据煤粉颗粒质量计算得到。
粒径动态变化模型：煤粉颗粒燃烧过程中，粒径将发生变化，依据燃烧过程中的煤粉颗粒质量，将粒径的变化转化为煤粉颗粒导热系数和密度的变化，即
式(4)-(7)中，cp为煤粉颗粒比热，ypi为各元素，即C、H、O、N和S的质量分数，由工业煤粉的真实元素分析结果决定，upi为上述各元素摩尔质量，ρ和λ分别为煤粉颗粒密度和煤粉颗粒导热系数，d0为煤粉颗粒初始粒径，R为通用气体常数，Tp为煤粉颗粒温度，通过软件算出温度场分布，并采用有限体积法计算得到。
挥发份析出模型：依据煤粉颗粒温度Tp，确定挥发份析出率其挥发份析出率采用两步竞争模型，即
式(8)中，mv为挥发份质量，根据煤粉颗粒组成计算得到，α1、α2为热解常数，分别为0.38和0.8，R1、R2为挥发份析出速率，其中，R1、R2通过下式求得：
式(9)中，Ai为指前因子，Ei为活化能，R1、R2按照公式(9)进行计算时的各参数具体参照表2。
本实施例的颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型和挥发份析出模型是发明人结合煤粉颗粒真实燃烧过程的特点得出的，通过将以上自定义模型与大型流体力学计算软件现有基本物理模型相耦合，能够便捷高效地实现煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的全息模拟，真实地表征出不同煤粉粒径和间距对煤粉燃烧过程的影响，从而有助于对实际生产中煤粉燃烧过程进行指导和优化设计。
(6)通过步骤(2)中的基本物理模型与步骤(5)中的自定义模型对煤粉颗粒燃烧过程进行模拟，模拟过程中对煤粉颗粒表面温度、煤粉颗粒质量变化率及挥发份逸出质量速率变化进行监视。
(7)采用有限体积法对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，并采用步骤(4)中定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解，计算过程采用一阶迎风格式和SIMPLE速度——压力藕合算法，压力插补格式采用STANDARD格式。
(8)对整个计算区域初始化，设定时间步长和迭代次数，对计算区域内代数方程组进行反复迭代，直到满足煤粉颗粒完全燃烧为止且满足守恒定律，完成煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟，本实施例中的时间步长为5.56×10-6秒。通过上述求解过程，得出各计算节点上的解后，运用质量变化保存机制对煤粉颗粒温度、质量变化、燃尽时间、挥发份析出时间、最大煤粉颗粒表面逸出速率进行保存。
本实施例的质量变化保存机制为：为实现对煤粉颗粒间燃烧过程的数值模拟结果的处理，根据煤粉颗粒的质量变化率来自动保存数据文件，并确定煤粉颗粒燃烧状态，即当任一煤粉颗粒挥发份完全析出和残碳燃烧结束，则煤粉颗粒仅仅以导热形式换热，当所有煤粉颗粒都结束燃烧，则保存最终结果，
Ω＝βi(τ) (10)，
式中：βi为i时刻的质量变化率，τ为煤粉颗粒燃烧时间，Ω为保存机制。
(9)通过云图、矢量图、流线图和曲线图等方式对计算结果进行后处理，包括煤粉颗粒温度、质量变化、燃尽时间、挥发份析出时间、最大煤粉颗粒表面逸出速率等，从而能够便于对实际工业生产中的煤粉燃烧运行参数进行优化调节，有利于进一步提高煤粉利用率，使锅炉满足预设燃烧性能指标，且能够优化燃料结构以节约能源、保护环境。同时与现有技术相比，本发明通过计算机模拟即可获得煤粉在不同工艺参数下的燃烧效率等状况，耗时较短，成本低，对工艺的调节精度较高，克服了采用人工经验控制容易引起燃烧不稳定和燃烧效率低下的问题。
具体地，本发明的应用思路详细求解说明如下：
煤粉颗粒间的燃烧过程现象十分复杂，主要包括气相流动、煤粉颗粒的加热升温、挥发份的析出燃烧、焦炭异相反应和煤粉颗粒质量的变化等。总的来说，其燃烧过程基本模型包括基本守恒方程(连续性方程、动量方程和能量方程)、壁面反应模型、有限反应速率模型和流固耦合传热模型。上述基本模型和用户自定义模型通过流固耦合传热模型完成煤粉颗粒和气相之间的流动与传热耦合计算信息交换，它们共同协作完成煤粉颗粒间燃烧过程的数值模拟。如图1所示，其中基本模型与用户自定义模型间的耦合关系如下：
颗粒构造形式为煤粉颗粒相互作用模式的关键，通过基本模型中固定碳的壁面反应和挥发份的逸出燃烧反应实现煤粉颗粒的燃烧。质量变化模型和挥发份析出模型获取基本模型中的煤粉颗粒温度，得到残炭燃烧速率和挥发速率，进而依据颗粒构造形式确定挥发份析出率和煤粉颗粒质量变化率，得到当前时刻煤粉颗粒质量。粒径动态变化模型依据质量变化模型中的煤粉颗粒质量，利用等效热阻和等效质量法，将粒径动态变化的过程转化为煤粉颗粒物理特性，即导热系数和密度动态变化的过程。而最终结果由质量变化保存机制依据煤粉颗粒相互作用模式的煤粉颗粒质量变化率保存特定时刻的燃烧结果，包括煤粉颗粒温度、质量变化、燃尽时间、挥发份析出时间、最大煤粉颗粒表面逸出速率等。图2为本发明煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的FLUENT求解框图，其计算流程说明如下：
1)、init_func函数完成煤粉颗粒间燃烧过程的参数设置，即煤粉颗粒初始质量、直径、成分等。
2)、firstcoal_devol和secondcoal_devol函数确定煤粉颗粒的挥发份析出率。
3)、firstcoalmass_uns、firstcoalmass_src、secondcoalmass_uns和secondcoalmass_src函数实现煤粉颗粒燃烧过程质量变化。
4)、firstcoal_thermcond、secondcoal_thermcond、firstcoal_density、secondcoal_density和gas_thermcond函数更新煤粉颗粒物性，如导热系数、密度等。
5)、coalcomb_proc过程和coalparticle_comb函数交换煤粉颗粒质量变化信息，依据其变化情况保存模拟结果，其中coalparticle_comb函数计算流程如图1所示。依次计算煤粉颗粒温度、质量、直径、物性参数等，当煤粉颗粒质量大于焦炭质量时，析出挥发份；当煤粉颗粒质量大于灰分质量而小于焦炭质量时，焦炭发生燃烧反应；当煤粉颗粒质量小于灰分质量时，煤粉颗粒燃烧过程结束。
如图4所示为本实施例中不同氧浓度下煤粉颗粒温度的模拟数值与实际实验数值的比较变化曲线图，由图可以看出，采用本实施例的方法模拟得到的挥发份析出时间和燃尽时间与实验测试基本趋势一致，可靠性较高，随着氧气浓度的增加，气相导热系数增加，并且壁面反应更加强烈，煤粉颗粒与气相间换热量增加，故挥发份析出时间和燃尽时间都减小，且随着煤粉颗粒温度增加，煤粉颗粒表面挥发速率增加。而通过对不同煤粉颗粒粒径及间距时的煤粉燃烧过程进行模拟的结果表明，因超细颗粒和常规颗粒之间的粒径差距较大，间距对煤粉颗粒间燃烧过程的相互作用较弱。而对较大间距来说，常规颗粒从外界吸收的热量较少，超细颗粒周围的气相温度较高，常规颗粒的挥发份析出时间和燃尽时间也较单颗粒燃烧过程长，这是因为单颗粒燃烧过程中，有更多热量用来加热颗粒，而双颗粒需要更多的热量来加热升温，但双颗粒燃烧的温度更高。当超细颗粒残炭燃烧完全，常规颗粒释放大量的热量，所以常规颗粒周围气相温度更高。当超细颗粒的残炭开始燃烧，常规颗粒的挥发份仍然继续逸出，因此，超细颗粒周围的CO2浓度较高。另一方面，由于气流从左向右流动，颗粒下游CO2浓度较高。在挥发逸出阶段，CO2主要来自挥发份中CH4的燃烧，而在残炭燃烧阶段，则来自残炭的异相反应。因此，依据本实施例中对煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的模拟结果，能够为实际生产中煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供有效解决途径。
Claims (9)
1.一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：其步骤为：
(1)依据煤粉颗粒构造形式，建立煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型，并划分气相和固相计算区域，对该计算区域进行网格划分；
(2)根据所述网格确定基本控制方程：连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，并建立壁面反应模型和有限反应速率模型；
(3)定义固定碳、挥发份和氧化气氛材料属性，所述材料属性包括密度ρ、导热系数λ和比热c；
(4)定义进出口边界条件及对称面和流固耦合面边界；
(5)定义初始条件：煤粉颗粒初始温度、初始质量；
(6)定义挥发份燃烧化学反应机制和壁面反应机制，具体包括化学反应方程式、指前因子、活化能、化学当量系数、浓度指数和速率指数；
(7)耦合自定义模型：颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型；
颗粒质量变化模型为：煤粉颗粒燃烧过程中，煤粉颗粒的质量变化率由热解产生的挥发份析出率和焦炭异相反应消耗率决定，即
式中：rc为焦炭反应速率，Mw,c为碳元素摩尔质量，为当量系数；dp为煤粉颗粒直径，mv为挥发份析出质量，mp为煤粉颗粒的质量，mc为焦炭异相反应的消耗量；
粒径动态变化模型：煤粉颗粒燃烧过程中，粒径将发生变化，依据燃烧过程中的煤粉颗粒质量，将粒径的变化转化为煤粉颗粒导热系数和密度的变化，即
式(4)-(7)中，cp为煤粉颗粒比热，ypi为各元素，即C、H、O、N和S的质量分数，upi为上述各元素摩尔质量，ρ和λ分别为煤粉颗粒密度和煤粉颗粒导热系数，d0为煤粉颗粒初始粒径，R为通用气体常数，Tp为煤粉颗粒温度；ρ0为煤粉颗粒初始密度，ρp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时密度，λ0为煤粉颗粒的初始导热系数，λp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时导热系数；dp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时直径；
挥发份析出模型：依据煤粉颗粒温度Tp，确定挥发份析出率其挥发份析出率采用两步竞争模型，即
式(8)中，mv为挥发份析出质量，α1、α2为热解常数，R1、R2为挥发份析出速率，其中，R1、R2通过下式求得：
式(9)中，Ai为指前因子，Ei为活化能，T为煤粉燃烧过程中的气相温度；
(8)设定监测变量：煤粉颗粒表面温度、煤粉颗粒质量变化率及挥发份逸出质量速率变化；
(9)对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，并采用步骤(4)中定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解；
(10)对整个计算区域初始化，设定时间步长，对计算区域内代数方程组进行反复迭代，直到满足煤粉颗粒完全燃烧为止且满足守恒定律，完成煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟，并运用质量变化保存机制对计算结果进行保存；
(11)对计算结果进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(1)中煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型是基于煤粉颗粒的真实工业成分组成，不考虑水分和灰分，假设煤粉颗粒内部为固定碳，外围是挥发份而建立的，煤粉颗粒与固定碳的几何关系为：
式(1)中，dp为煤粉颗粒直径，dc为固定碳直径，fv为挥发份含量，fc为固定碳含量，ρp为煤粉颗粒密度，ρc为固定碳密度，上述参数均通过煤粉工业分析获得。
3.根据权利要求1所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(1)中采用分块结构化网格对所述几何模型的气相和固相计算区域进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(4)中边界条件为：上下面为对称边界，其它壁面为流固耦合边界；氧化剂空气或富氧为速度进口边界，出口为自由出流边界。
5.根据权利要求4所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：所述速度进口处的空气进口速度为1.5m/s，温度为1700K。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(5)中的初始条件为：煤粉颗粒初始温度为600K，初始煤粉颗粒质量为3.97e-12kg和3.35e-10kg。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(9)中采用有限体积法对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，计算过程采用一阶迎风格式和SIMPLE速度——压力藕合算法，压力插补格式采用STANDARD格式。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(10)中的时间步长为5.56×10-6秒。
9.根据权利要求8所述的一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：步骤(10)中的质量变化保存机制为：为实现对煤粉颗粒间燃烧过程的数值模拟结果的处理，根据煤粉颗粒的质量变化率来自动保存数据文件，并确定煤粉颗粒燃烧状态，即当任一煤粉颗粒挥发份完全析出和残碳燃烧结束，则煤粉颗粒仅仅以导热形式换热，当所有煤粉颗粒都结束燃烧，则保存最终结果，
Ω＝βi(τ) (10)，
式中：βi为i时刻的质量变化率，τ为煤粉颗粒燃烧时间，Ω为保存机制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610045056.8A CN105590005B (zh) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | 一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610045056.8A CN105590005B (zh) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | 一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105590005A CN105590005A (zh) | 2016-05-18 |
| CN105590005B true CN105590005B (zh) | 2018-11-13 |
Family
ID=55929583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610045056.8A Active CN105590005B (zh) | 2016-01-22 | 2016-01-22 | 一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105590005B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108954375B (zh) * | 2018-07-18 | 2020-06-19 | 厦门邑通软件科技有限公司 | 锅炉节煤控制方法 |
| CN110222360B (zh) * | 2019-04-22 | 2023-04-18 | 江苏大学 | 一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法 |
| CN110308237A (zh) * | 2019-06-11 | 2019-10-08 | 西安交通大学 | 一种均混球团的多物理化学过程分析方法 |
| CN113000072B (zh) * | 2019-12-20 | 2022-07-12 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种适用于气固流态化系统的中空带孔结构催化剂 |
| CN112699618B (zh) * | 2020-12-18 | 2023-01-17 | 赣江新区澳博颗粒科技研究院有限公司 | 一种离子型稀土矿原地浸矿过程数值模拟方法 |
| CN114970383B (zh) * | 2022-04-26 | 2024-08-23 | 安徽工业大学 | 一种co2和h2o气氛下渣/金熔滴脱碳行为的数值模拟方法 |
| CN115081354B (zh) * | 2022-06-22 | 2024-09-13 | 昆明理工大学 | 一种多物理场耦合的煤矿乏风相变蓄热催化燃烧数值模拟分析方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009109081A (ja) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | シミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びにシミュレーション装置 |
| CN102913936A (zh) * | 2012-10-26 | 2013-02-06 | 安徽工业大学 | 一种提高O2/CO2气氛下煤粉燃烧性能且降低NOx生成的方法 |
| CN103324991A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-25 | 广东电网公司电力科学研究院 | 煤粉锅炉NOx排放预测的方法与系统 |
| CN103576655A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-02-12 | 华北电力大学（保定） | 一种电站锅炉燃烧子空间建模及多目标优化方法和系统 |
| CN103994463A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-08-20 | 广东电网公司电力科学研究院 | 锅炉改造后不同磨煤机组合下燃烧特性的获取方法 |
-
2016
- 2016-01-22 CN CN201610045056.8A patent/CN105590005B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009109081A (ja) * | 2007-10-30 | 2009-05-21 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | シミュレーション方法、プログラム及びこれを記録した記録媒体、並びにシミュレーション装置 |
| CN102913936A (zh) * | 2012-10-26 | 2013-02-06 | 安徽工业大学 | 一种提高O2/CO2气氛下煤粉燃烧性能且降低NOx生成的方法 |
| CN103324991A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-25 | 广东电网公司电力科学研究院 | 煤粉锅炉NOx排放预测的方法与系统 |
| CN103576655A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-02-12 | 华北电力大学（保定） | 一种电站锅炉燃烧子空间建模及多目标优化方法和系统 |
| CN103994463A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-08-20 | 广东电网公司电力科学研究院 | 锅炉改造后不同磨煤机组合下燃烧特性的获取方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105590005A (zh) | 2016-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105590005B (zh) | 一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法 | |
| CN105930585B (zh) | 基于CFD的Shell气化炉流场和温度场的模拟方法 | |
| Karim et al. | CFD modelling of combustion and associated emission of wet woody biomass in a 4 MW moving grate boiler | |
| CN106649917A (zh) | 一种电站锅炉煤粉在变氧量下的燃烧特性生成数值的模拟方法及装置 | |
| Ilamathi et al. | Modeling and optimization of unburned carbon in coal-fired boiler using artificial neural network and genetic algorithm | |
| Rosen | Exergy analysis | |
| Rajika et al. | Modelling and simulation of wood chip combustion in a hot air generator system | |
| WO2019241944A1 (zh) | 计算垃圾焚烧炉床层燃烧的方法和装置 | |
| CN115034138A (zh) | 以计算流体力学与深度学习结合的锅炉温度场预测方法 | |
| CN106548032A (zh) | 基于锅炉烟道网格检测烟气co和o2浓度的分布场重建方法 | |
| CN116085823A (zh) | 锅炉燃烧控制方法及系统 | |
| Chen et al. | Modelling the furnace temperature field of a municipal solid waste incinerator using the numerical simulation and the deep forest regression algorithm | |
| Gupta et al. | CFD modeling and simulation of 10KWE biomass downdraft gasifier | |
| Karim et al. | A CFD model for biomass combustion in a packed bed furnace | |
| CN118039004A (zh) | 煤粉锅炉内温度与硫化氢气体浓度在线监测方法 | |
| Jaganathan et al. | Unified ignition–devolatilization model for fixed bed biomass gasification/combustion | |
| Enget et al. | CFD modeling of a downdraft gasifier with woodchips used as feedstock | |
| Holubcik et al. | Factors affecting emission concentrations in small heat sources | |
| Zheng et al. | Study on heating performances of steam generator for solid oxide fuel cell using waste heat from solid particles | |
| Caposciutti et al. | Biomass early stage combustion in a small size boiler: experimental and numerical analysis | |
| Zhou et al. | Experimental and numerical investigations on the heat production and thermal storage characteristics of rapid preparation amorphous powder activated coke | |
| Perera et al. | Numerical Modelling of Biomass Combustion on Moving Grates | |
| Ihsan et al. | Numerical Investigation Effect of the addition of palm fronds on the burning of coal-fired boilers tangentially | |
| Singh et al. | CFD analysis of bubbling fluidized bed using rice husk | |
| Besseron et al. | Toward High-Performance Multi-Physics Coupled Simulations for the Industry with XDEM |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |