75th四角切圆燃气锅炉内流动与传热数值模拟(开题报告)

本科生毕业设计（论文）开题报告
题目：75t/h四角切圆燃气锅炉内流动与传热数值模拟
学院：环境与化学工程学院系过程装备与控制工程
专业：过程装备与控制工程
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
填表日期：年月日
一、选题的依据及意义
近年来,随着钢铁工业的迅猛发展，生产中的副产煤气大量增加。

焦炉煤气和转炉煤气由于发热值高，可以在生产和生活中有效利用。

而高炉煤气属低热值燃料，受到其燃烧特性的限制，很难作为远距离输送的生活用气，只能在企业内部转换利用。

为了充分利用自产的高炉煤气，国内钢铁企业纷纷兴建全燃高炉煤
气的蒸汽锅炉，既避免了高炉煤气直接排空造成的烟尘污染和热污染，又提高了企业的经济效益。

但是，燃烧高炉煤气锅炉的燃烧状况受高炉生产影响较大，煤气压力波动较大，锅炉的燃烧状况很不稳定，甚至会造成锅炉熄火，进而影响汽动风机或发电机组的安全运行。

为了实现高强度下全燃高炉煤气锅炉的稳定燃烧，除了在燃烧器上安装点火辅助烧嘴以外，还在锅内设置了稳燃热岛。

热岛的存在对四角切圆锅炉内的流场和温度分布有较大影响。

由于能更有效地利用低热值的高炉煤气，带稳燃热岛的燃气锅炉已得到推广应用。

通过对内置稳燃热岛的四角切圆燃气锅炉的研究可以更加清晰的了解此类燃气锅炉的燃烧状况，进而改进此类燃气锅炉，提高此类锅炉的效益。

随着计算机技术以及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学等学科的发展，计算机模拟技术得到了飞速发展。

以CFD 为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域的研究者们用来研究锅炉炉内过程的重要手段。

为了了解锅炉炉内的燃烧过程，建立炉内的湍流流动、传热及燃烧模型来进行全面模拟是非常必要的。

本课题以某电厂75t/h燃气锅炉为对象，利用计算流体力学软件Fluent，对锅炉内的气体流动和传热特性进行模拟分析，为改进高炉煤气锅炉的设计和生产组织提供参考
二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）
四角切圆锅炉是目前世界上比较常用的电站锅炉类型之一，其燃料适应性好、风粉混合均匀。

目前，四角切圆是我国应用最广、最为成熟的燃烧方式。

研究四角切圆锅炉炉内的流动、传热与燃烧特性，具有重要的工程应用价值。

为了深入了解四角切圆燃烧方式炉内的空气动力场，为煤粉燃烧器设计提供理论依据、并对电厂锅炉运行提供指导，国内外有很多学者对四角切圆锅炉燃烧过程的数值模拟做过很多研究。

下面简单的介绍一下国内外四角切圆锅炉的现状与发展趋势：
1、国外的研究对于四角切圆锅炉最早进行专门研究的是国外的一些专家。

①Boyd和Lowe对500MW塔式切向燃烧锅炉进行了数值模拟。

气相场用了
SIMPLE法解了k-g双方程湍流模型，用拉格朗日颗粒轨道模型对煤粉颗粒运动模拟，用随机法对其弥散做了描述，两相耦合用了PSIC法，炉内辐射换热用了离散发射法。

为了验证模拟计算结果，Boyd将其结果与实际炉膛的冷态流场进行了比较。

②Lockwood等对四角炉膛内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了模拟。

气相场采用k-g双方程模型，气相燃烧采用快速反应的扩散燃烧模型，辐射传热采用离散传播模型。

对颗粒相的运动采用随机轨道模型，并考虑了颗粒与
壁面碰撞的机制。

模拟结果给出了冷态气相速度分布，气相燃烧的温度分布，热流分布和颗粒在炉内的运动轨道。

③澳大利亚南威尔士大学对500MW塔式布置锅炉四角切圆燃烧的炉膛进行了两相流和燃烧数值模拟。

湍流模型为k-ε双方程模型，两相流的颗粒相模型为随机轨道模型，挥发物热解采用双方应模型，焦炭燃烧采用扩散一动力模型，辐射传热为离散经验模型。

其结算结果与实际进行了对比，计算结果与实测值基本一致。

④美国杨百翰大学先进燃烧工程研究中心f用该中心开发的煤粉燃烧计算软件PCGC．3对85MW的切向燃煤锅炉燃烧过程进行了数值模拟。

与PCGC．2相比，PCGC．3引入非线性的k-ε双方程模型，试图模拟炉内各向异性的湍流流动。

同时对近壁区及低雷诺区进行层流化修正处理。

计算所得的气体速度、温度、组分(包括NoD与实际炉膛运行中局部测点值进行了对比，结果较为理想。

2、国内的研究国内的研究主要是以下几个大学与研究院的研究为代表。

①国内较早利用计算机模拟炉膛内空气动力场的是浙江大学能源研究所的
岑可法、樊建人掣，从二十世纪六十年代初开始，发展了计算机辅助数值实验(CAT)的方法，理论结合工程实际，通过实验研究和计算机数值实验分析，对燃烧流体力学的理论进行总结；利用计算机模拟了锅炉运行状况和结构参数对四角切圆燃烧炉内空气动力特性的影响，包括直流燃烧器动量变化对切圆直径的影响；切圆燃烧缺角运行对炉内空气动力特性的影响；直流燃烧器高宽比对切圆燃烧炉内流动的影响；燃烧器喷口距离对流动特性的影响；影响炉膛出口扭转残余的因素g切圆燃烧炉膛灰口附近的流动特性；八角切圆燃烧炉内空气动力特性等多个方面，内容十分丰富，对实际生产和理论研究都有较高的参考价值。

由于当时一些客观条件的制约，对大容量锅炉的数值模拟研究不多。

但随着在流场方面引进更稳定、更精确的差分格式及RNG七一g模型来提高模拟的准确性，采用Stokes扩散模型对粒子轨迹进行跟踪，并用密度函数对CO的源项进行处理，应用Eulerian／Lagrangian方法对
600MW的大型四角切圆燃烧炉内的流动、传热和燃烧过程进行了数值模拟研究，获得较满意的精度。

②上海交通大学的何庆、章明川等，对引进型300MW机组四角切圆燃烧锅炉实施一次风反吹系流的技术改造，并进行了冷态模化实验。

实验和数值结果表明：在原炉上实施一次风反吹技术能够改善炉内空气动力场，解决炉内高温腐蚀、炉壁结渣等问题，并且能有效地减小水平烟道入口处的残余旋转量，
防止了过、再热器超温爆管。

东北电力学院的王金铭、赵景林、钱力庚等，直接将k-ε双方程湍流模型应用于大型锅炉水平烟道的三维冷态流场计算，给出了流场计算的模型方程，且用壁面函数法来处理水平烟道的各受热面。

平顶山工学院衡丽君等针对锅炉传统冷、热态性能实验存在的局限性，以220t／h四角圆燃烧锅炉为原型，建立其可实现的k-g数学模型，结合锅炉冷态性能实验，利用Fluent软件模拟炉内空气动力场。

数值模拟结果与冷态实验结果的基本一致性和两种结果分布趋势的较好吻合性说明该数值模拟方
法能较好地反映炉内真实的流场特性，验证了所建数学模型的正确性及可靠性，为进一步完善锅炉冷态性能实验和进行热态数值实验提供更全面的数据信息。

③清华大学由长福、祁海鹰、徐旭常等，采用不同湍流模型(k-ε模型、RNG．k-ε模型、Realizablek-g模型、雷诺应力模型)及差分格式对四角切圆燃烧煤粉炉内冷态流场进行了数值模拟，对四角切圆燃烧煤粉锅炉内冷态气相流动进行了数值模拟。

文中通过比较，发现采用Realizable k—g模型对于强旋流的计算收敛较快、计算量小，此外通过减少网格尺寸的方法并没有降低伪扩散对强旋流动计算结果的影响，采用高阶差分格式虽可在一定程度上减小伪扩散的影响，但对计算结果没有明显的改善，这些均对选择合理的湍流模型和差分格式有着指导作用。

另外周力行、郑楚光、柳朝辉等，提出了湍流两相流动有燃烧颗粒相概率密度函数输运方程理论。

从有燃烧的湍流气粒两相流动的瞬态方程和统计力学概率密度函数概念出发，推导了有燃烧颗粒相的质量、动量、能量联合概率密度函数(PDF)输运方程，并对方程中条件期望项用梯度模拟概念进行了、模型封闭，封闭后的PDF方程可作为建立颗粒拟流体模型方程和封闭二阶矩模型的基础，也可以通j2-血Monte-Carlo法求解直接计算颗粒雷诺应力和湍流动能，以便和二阶矩模型的结果相对照，改善二阶矩模型。

④江苏省电力科学研究院陈志兵采用非预混燃烧模型，用标准k-ε紊流模型模拟气相湍流运输，用FLUENT软件对四角切圆燃烧煤粉锅炉的炉内过程进行数值模拟，分析了炉膛内温度场、速度场和气相各组分的浓度场的分布规律，并对模拟结果进行分析与对比，计算结果呈现出与实际炉内过程定性上较好的一致性，为研究四角切圆燃烧锅炉炉内过程提供了参考。

随着对数值计算模型的进一步深入，研究者们从不同的角度对两相流中的颗粒运行模型进行了研究，较典型的是清华大学的张会强、王赫阳、王希麟等采用离散涡方法对平板混合层流动进行了数值模拟，得到了与实验完全定量符合的速度场，
再用单向耦合的方法模拟了混合层流动中颗粒的运动，分析了混合层中大尺度涡结构及Stokes数对颗粒扩散的影响。

⑤华北电力大学的孙昭星、王雅勤、李文彦等，以炉内湍流流动、传热传质、
燃烧释热的基本理论建立数学模型，寻求合理解法对大型电站锅炉的燃烧过程进行了三维全模拟数值计算，全面预报燃烧室燃烧、流动和传热特性，对于锅炉特别是大型电站锅炉在选型设计、运行优化、新型燃烧器研究、低污染燃烧技术的研究等方面均有广阔的应用前景。

⑥哈尔滨工业大学也在四角切圆燃烧炉膛气固两相流场的数值模拟方面做
了许多研究工作，王春刚、朱群益、秦裕琨等，进行了四角切圆燃烧炉膛气固两相冷态模化实验，同时基于锅炉内湍流流动各向同性的假设，得出炉内各点的特征频率，并采用特征频率．频谱随机轨道模型及随机轨道模型对炉内颗粒的湍流扩散进行了数值模拟。

计算结果表明特征频率．频谱随机轨道模型更能反映出颗粒湍流扩散中受涡结构影响的特征，也为模拟颗粒的脉动速度提供了新思路。

⑦上海电力学院的朱珍锦、张长鲁、刘松等对于使用切圆锅炉烟道气流形成
的速度偏差的残余旋转尚无规律性的认识，根据300MW锅炉采用模化理论建立实验平台，通过数值模拟和实验研究的手段，对切圆锅炉炉膛出口处气流残余旋转的形成、锅炉设计参数和运行参数对残余旋转的影响，以及残余旋转对烟气速度偏差的影响进行了研究。

数值模拟也采用了k—F双方程湍流模型，使用混合差分格式，对锅炉进行数值模拟。

尽管计算精度及准确性不是很高，但研究结果对切圆锅炉的设计和实际运行参数的调整有一定的意义。

随着大型W型火焰锅炉在国内电厂的应用日益增多，清华大学孙保民、徐旭常等，也针对国内电厂从国外引进的w型火焰锅炉及国内一些制造厂家也准备生产W型火焰锅炉过程中该型号锅炉出现的问题，开始研究开发W型火焰锅炉，探索其最佳结构和配风方式，这对节能有着十分重要的意义。

三、本课题研究内容
本课题以某电厂75 t/h内置稳燃热岛燃气锅炉为对象，利用计算流体力学Fluent软件，对锅炉内的气体流动和传热特性进行模拟分析，得出了炉膛内的速度场、温度场以及气相浓度场等的分布情况，为改进高炉煤气锅炉的设计和生产组织提供参考。

锅炉水平切圆燃烧系统
通过燃烧器烧嘴的各类气体的流量和速度：
四、本课题研究方案
（1）、对国内外有关全燃低热值高炉煤气锅炉研究工作的综述；
（2）、画出燃烧器布置总图，拆出燃烧器主要零件图；
（3）、对炉膛内的气体流动和传热特性进行数值模拟分析，研究燃烧器的工作条件以及锥形稳燃热岛对锅炉内气体流动和传热过程的影响，总结出适
当的数值模拟算法，包括网格的划分、理论模型的选择、初边条件的设
定以及数值计算方法等；
（4）、对有无稳燃热岛的炉内燃烧状况进行比较，提出优化的燃烧器布置及优化的稳燃热岛尺寸和形状，。

五、研究目标、主要特色及工作进度
（1）、研究目标
1．了解四角切圆燃气锅炉工作原理；
2．熟悉CAD绘图软件。

3．初步掌握如Pro/E、Gmabit等建模软件，
4．初步掌握Fluent流体分析软件。

（2）、主要特色
由以上的文献综述中可以看出对于四角切圆燃气锅炉目前国内外都进行了相关的研究，不过同时我们也看到了针对内置稳燃热岛的四角切
圆燃气锅炉的研究还是比较少。

本课题以某电厂75 t/h燃气锅炉为对象，先利用proe建模，再通过建造的模型导入计算流体力学软件Fluent，从
而对锅炉内的气体流动和传热特性进行模拟分析，对比有稳燃热岛与没
有稳燃热岛两种情况下锅炉内的气体流动与传热特性。

这样就可以对内
置稳燃热岛四角切圆燃气锅炉中的稳燃热岛对锅炉内气体流动和传热特
性的影响得到清晰细致的了解，从而为改进高炉煤气锅炉的设计和生产
组织提供参考。

（
[1] 王福军.计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用[M]。

北京：清华大学出版社，
2004
[2] 庄正宁,曹子栋,唐桂华,等.50MW高压锅炉全燃高炉煤气的研究[J]。

热能动力工程,2001
[3] 陶文铨.数值传热学[M] 。

西安：西安交通大学出版社，2001
[4] 韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用。

北京理工大学出版社，
2004
[5] 江帆，黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M] 。

北京：清华大学出版社2008
[6] 赵坚行.燃烧的数值模拟。

北京：科学出版社，2002
[7] 李巍.燃气锅炉在中国的发展前景[J]。

应用能源技术，2003
[8] 曾贵敏.燃气锅炉发展的趋势分析[J]。

特色经济，2001
[9] 郑友取，樊建人，岑可法.切向燃烧锅炉炉内NOx生成的数值模拟[J]。

动力工程，2000
[10]仇性启，毛羽.燃气燃烧器空气旋流对回流区尺寸的影响[J]。

石油化工设备技术，1999
[11]潘维，池作和，斯东波等。

200MW四角切圆然烧锅炉改造工况数值模拟。

中国电机工
程学报，2005
[12] 孙锐，李争起，孙绍增，吴少华。

四角切圆锅炉炉内煤粉燃烧过程数值模拟。

机械工
程学报，2006
[13] 徐广强，魏敦崧，石奇光，殷捷。

四角切圆煤粉锅炉燃烧温度场的数值模拟。

上海电
力学院学报，2007
[14]陈志兵，孙亚强，四角切圆燃烧锅炉炉内过程热态数值模拟。

江苏电机过程，2005
[15] 张吕化，徐顺法，420t/h四角切圆燃烧锅炉燃烧器的改造。

浙江电力，2005
[16]赵立业，辛国华，600MW四角切圆燃烧锅炉炉内过程的数值模拟。

东北电力大学学报，
2008
[17]罗渝东，张力，唐强等，地热之煤层气燃烧器的数值模拟。

热能动力工程，2007
[18]刑菲，樊未军，崔金雷，邓元凯，某200MW四角切圆锅炉燃烧器改造降低NOx数值模
拟，2007
[19] da Silva CV (da Silva, Cristiano V.)1, Indrusiak MLS (Indrusiak, Maria Luiza S.)2, Beskow
AB (Beskow, Arthur B.) 1，CFD Analysis of the Pulverized Coal Combustion Processes in a 160 MWe Tangentially-Fired-Boiler of a Thermal Power Plant。

JOURNAL OF THE BRAZILIAN SOCIETY OF MECHANICAL SCIENCES AND ENGINEERING ，2010 [20] Yin C, Caillat S, Harion JL, Baudoin B, Perez E，Investigation of the flow, combustion,
heat-transfer and emissions from a 609 MW utility tangentially fired pulverized-coal boiler。

FUEL ，2002
[21] Achim D (Achim, Daniela)1, Naser J (Naser, J.)2, Morsi YS (Morsi, Y. S.)2, Pascoe S
(Pascoe, S.)3 ，Numerical investigation of full scale coal combustion model of tangentially fired boiler with the effect of mill ducting。

HEAT AND MASS TRANSFER ，2009
[22] Habib MA (Habib, M. A.)1, Ben-Mansour R (Ben-Mansour, R.)1, Abualhamayel HI
(Abualhamayel, H. I.)1 ，Thermal and emission characteristics in a tangentially fired boiler model furnace。

INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH ，2010。