煤粉燃燒
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2022-07-06
煤粉燃燒的實例教程
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對于化學反應模擬有啟示作用
通常CFD軟件會提供煤粉顆粒燃燒的標準模板，類似于分解反應，則需要通過程序的接口自己定義。這里我們利用CFX軟件模擬爐內煤粉燃燒及碳酸鈣分解的過程，碳酸鈣的分解速率采用user fortran 實現。
物理問題描述
碳酸鈣顆粒從分解爐底部進入，煤粉顆粒從分解爐兩側噴入，進口速度/溫度及空氣流量如圖1。由于碳酸鈣分解需要消耗熱，因此爐內溫度比純煤粉燃燒燃燒時溫度低。
圖1 分解爐模擬示意圖
碳酸鈣分解速率的定義
碳酸鈣分解速率采用圖2所示的表達式，通過PT_REACTION子程序與主程序關聯（如圖2）。為了進行比較，計算考慮了如下兩種工況：
1）只考慮煤粉燃燒；
2）同時考慮煤粉燃燒及碳酸鈣分解。
圖2 碳酸鈣分解速率定義
計算結果
圖3 溫度場分布
圖4 二氧化碳濃度分布
圖3 給出了兩種工況下爐內的溫度場分布。可見純煤粉燃燒工況下，爐出口平均溫度為1998K，考慮碳酸鈣分解后，爐出口溫度將為1340K。純煤粉燃燒情況下，爐出口CO2質量分數為14.2%，考慮碳酸鈣分解反應后，出口CO2質量分數上升為25.9%（圖4）。主要原因是碳酸鈣分解反應是吸熱反應，同時會生成一部分CO2。
圖5 CaCO3質量分數隨顆粒軌跡的變化
圖6 CaO質量分數隨顆粒軌跡的變化
圖7粒子溫度隨顆粒軌跡的變化
圖8沿爐高方向顆粒的分解率
圖5和圖6給出了顆粒中CaCO3和CaO質量分數沿顆粒軌跡的變化。隨著分解反應的進行，粒子中CaCO3質量分數逐漸降低，而生成物CaO的質量分數沿爐高逐漸增大。圖7給出了粒子溫度沿爐高的變化，可見，粒子溫度逐漸升高，在出口位置處，大部分粒子溫度在1240K左右。
展開 煤粉與氨氣混合燃料
減少燃燒產生的溫室氣體排放的有效措施是二氧化碳捕獲和儲存。 該過程涉及將二氧化碳從工業和能源相關來源中分離出來，運輸到儲存地點，與大氣長期隔離。用于煤粉燃料燃燒的所謂氧燃料燃燒技術是促進二氧化碳封存的有前途的方法。在這種方法中，通常使用純度大于 90% 的氧氣和循環煙氣的混合物來燃燒燃料。因此，燃燒過程會產生主要由 CO2 和 H2O 組成的煙道氣，從而可以簡單地在下游去除 CO2。 回收的煙氣代替燃燒空氣中的 N2，用于降低火焰溫度并保持通過鍋爐的氣體量。在煤粉中混合氨氣進行燃燒，是有效降低燃燒溫度，抑制氮氧化物的生成方式。
模型設置
根據PSR模型的設置，搭建入口、反應器、出口的模型布置，如圖一所示。
圖1 模型搭建
根據實際工況條件，設置溫度壓力等參數。值得注意的是氨氣的層流燃燒速度較低，反應器的溫度要設置的高一點，才能達到引燃燃料的條件要求，反應器的體積設置為150立方厘米，保證了不會因為反應體積過大或者過小導致計算發散。
圖2 反應器界面設置
設置反應器入口流量，設置反應物初始溫度，初始溫度越高有助于燃燒反應的發生。
圖3 入口設置
勾選主要氮氧化物的敏感性和反應路徑分析。
圖4 敏感性勾選
主要結果分析
圖5和圖6分別為敏感性分析和NO的后處理結果，圖7為氮氧化物的主要反應路徑。從圖中可以看出，小的活性基團對于氮氧化物的生成起著至關重要的影響。其中H基，OH基等對氮氧化物的生成有抑制作用，而HO2基團有促進作用。氮氧化物的含量隨著當量比單調遞減，這是由于氨氣在稀混合氣的條件下也能良好燃燒。從反應路徑上來看煤粉可以直接生成氮氧化物，氨氣的加入主要是抑制了此條反應路徑的進行。
展開 6.1利用多相流混合模型和歐拉模型求解T形管流動
Day 3
FLUENT 燃 燒及 化 學 反 應流 模 擬
（1）FLUENT燃燒模擬簡介
（2）FLUENT燃燒模型之渦耗散模型與非預混模型
2.1使用非預混燃燒模型模擬燃燒問題
（3）FLUENT燃燒模型之層流火焰面模型、預混燃燒模型、及部分預混燃燒模型
（4）FLUENT詳細化學反應模型、EDC及組分輸運PDF模型
（5）表面反應模擬及多孔介質反應模擬
（6）FLUENT離散相DPM反應和噴霧模型
6.1模擬噴霧蒸發過程
（7）FLUENT輻射模型
7.1使用太陽光輻射加載模型模擬室內通風過程
（8）FLUENT污染物模型，NOx、SOx、soot及SNCR、SCR脫硝模擬
8.1使用噴尿素法并利用選擇性非催化還原法（SNCR）經行NOx模擬
（9）FLUENT燃燒模擬技巧
（10）FLUENT燃燒模擬算例，氣體、液體及固體燃燒算例
10.1利用EDC燃燒模型模擬擴散火焰
10.2擴散射流火焰的PDF輸運方程模型模擬
10.3液體燃料燃燒
10.4使用EBU模型模擬煤粉燃燒
10.5多步焦炭反應模擬
Day 3
FLUENT
各 領 域 實 例 操 作 講 解
（1）FLUENT流固耦合模擬算例
1.1求解流固耦合換熱問題
（2）氣體、液體及煤粉燃料燃燒模擬算例
2.1利用EDC燃燒模型模擬擴散火焰
2.2擴散射流火焰的PDF輸運方程模型模擬
2.3液體燃料燃燒
2.4使用EBU模型模擬煤粉燃燒
（3）對固體燃料電池進行流體動力學模擬
（4）UDF算例
4.1壁面溫度正弦狀變化的
展開 
煤粉燃燒的最新內容
1、案例背景
燃燒器常用在燃油、燃氣、煤粉燃燒等行業，通過本節仿真操作，可以看到燃燒器內燃料運動速度及溫度的分布，為燃燒器的結構設計提供參考依據。
上述CO2捕集技術主要是針對燃煤煙氣中的CO2捕集．結合中試、工程示范等情況，煤粉電站的燃燒后捕獲傾向于化學吸收，而IGCC電站的燃燒前捕獲多用膜分離技術，燃燒中捕集多是在嘗試富氧改造．大氣中CO2(超低濃度，體積分數約4.15×10-4)或純CO2(超高濃度)的捕集多采用吸附和分離的方法，因此提高吸附劑和吸收劑的性能是重要的研究方向之一．
對純凝機組，通過優化燃料供應、鍋爐和煙氣化學處理系統，實現最低負荷工況下提升煤粉燃燒穩定性，并保證低負荷運行時脫硝、除塵器和脫硫等系統的正常投運，達到節能及環保指標。對供熱機組，一般較少涉及鍋爐低負荷運行問題，主要舉措為通過汽輪機本體改造，改善汽輪機在低負荷運行下的運行特性，增加電鍋爐、儲熱罐等熱電解耦設備，增加熱電機組的調峰能力（圖1）。
現在市面上很多燃燒器是三風道四通道的結構， 風速不穩定，易產生峰值高溫，河南匯金的燃燒器是四風道五通道的設計，四風道從內到外分別是外軸流風道、煤粉通道、旋流風道、渦流風道，每個風道的風速都可以無級調節，對于燃燒器的一次風、二次風，包括三次風都可以完美利用，不浪費燃燒器形成的任何熱能余溫，而且多風道多通道的設置也可以促使煤粉更充分的燃燒，所以也能降低煤粉消耗，達到節能環保的效果。
用于煤粉燃料燃燒的所謂氧燃料燃燒技術是促進二氧化碳封存的有前途的方法。在這種方法中，通常使用純度大于 90% 的氧氣和循環煙氣的混合物來燃燒燃料。因此，燃燒過程會產生主要由 CO2 和 H2O 組成的煙道氣，從而可以簡單地在下游去除 CO2。 回收的煙氣代替燃燒空氣中的 N2，用于降低火焰溫度并保持通過鍋爐的氣體量。
煤粉以其具有分散性、懸浮性、易燃性及便于運輸等特點作為原料廣泛地應用于電廠鍋爐、水泥行業、新型煤粉工業鍋爐等燃燒設備中。與原煤相比，煤粉粒徑小、表面積大，具有一定的爆炸性。作為煤粉制備、儲存和供給的重要設備的煤粉倉，如果防爆措施不到位，不僅影響設備的正常運行，還可能造成財產損失和人身傷亡，所以有必要認識煤粉爆炸機理，并掌握足夠的煤粉倉防爆措施。
鍋爐內部煤粉燃燒的環境復雜惡劣，需要在高溫高壓條件下長期穩定的運行。爐膛內防磨防爆檢查對鍋爐安全運行具有至關重要的意義。正常情況下，只在B級及以上等級檢修才搭設爐內大型升降平臺，平時的機組臨停、臨修或C級檢修，一般不開展此項工作，對鍋爐防四管泄漏非停檢查和結焦狀況判斷失去了一次檢查、驗證的機會。
（2）高爐煤氣與煤粉混合在鍋爐燃燒過程中由于受諸多因素的影響，燃燒狀況及運行條件不斷變化，煙氣中既有煤氣不完全燃燒產生的 CO，又有煤粉不完全燃燒產生的 CO，煙氣在流動過程中產生的渦流、死角也會造成 CO濃度局部積聚。因此，要準確地確定煙氣中 CO 濃度（爆炸）極限及煙道中整體及局部的 CO 濃度是非常困難的。
水平軸風力渦輪機（HAWT）運動參考系+周期邊界
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基于Fluent的離心泵葉輪空化模擬
5
油水分離器模擬
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離心風機STAR CCM+仿真操作
7
基于 STAR CCM+的燃氣輪機氣動仿真分析
8
渦流破碎：煤粉燃燒
十、FLUENT UDF/UDS、表達式
（1）FLUENT用戶定義函數UDF介紹 （2）表達式應用
（3）編輯UDF程序 （4）UDF宏及其使用
（5）UDF應用實例 （6）用戶定義標量UDS及其輸運方程
十一、FLUENT各領域案例總結
（1）FLUENT流固耦合模擬算例
（2）氣體、液體及煤粉燃燒模擬算例
