本發(fā)明涉及電力技術領域，尤其涉及一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬方法及裝置。

背景技術：

電站鍋爐煤粉燃燒是一個復雜的湍流流動、傳熱及燃燒的三維過程。由于過程的復雜性以及燃煤鍋爐燃料的多變性，迄今為止，對鍋爐的設計和運行缺乏成熟的理論和經(jīng)驗，往往需要冷態(tài)及熱態(tài)試驗來確定運行和設計參數(shù)，因為試驗具有直觀、可靠等優(yōu)點，可以直接用來指導鍋爐產(chǎn)品的設計生產(chǎn)和制造。但是目前我國火力發(fā)電廠已向高參數(shù)、大容量方面發(fā)展，爐膛尺寸越來越大，這類試驗周期長，耗資巨大，且很難得到全面、滿意的數(shù)據(jù)。制造全尺寸模型的試驗臺已不切實際，對現(xiàn)場實際運行的大容量鍋爐直接進行空氣動力場的測量，以及對爐內(nèi)燃燒、流動、傳熱整體規(guī)律特性進行測量幾乎是不可能的，所以，通過試驗指導鍋爐設計存在很大的局限性。

因此，如何上述提及的由于爐膛尺寸越來越大，制造全尺寸模型的試驗臺已不切實際，所導致的無法對爐內(nèi)燃燒、流動、傳熱整體規(guī)律特性進行測量的技術問題已成為了本領域技術人員亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬方法及裝置，其中，電站鍋爐煤粉燃燒特性生成數(shù)值的模擬方法包括：對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分；通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉在變磨煤機組合條件下的燃燒過程進行模擬；根據(jù)在變磨煤機組合條件下模擬的結(jié)果確定鍋爐燃燒器的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NO_X排放量、下爐膛出口溫度和。本實施例中，通過對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分；通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉在變磨煤機組合條件下的燃燒過程進行模擬；根據(jù)在變磨煤機組合條件下模擬的結(jié)果確定鍋爐燃燒器的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NO_X排放量、下爐膛出口溫度和，解決了目前由于爐膛尺寸越來越大，制造全尺寸模型的試驗臺已不切實際，所導致的無法對爐內(nèi)燃燒、流動、傳熱整體規(guī)律特性進行測量的技術問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬方法的一個實施例的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)至(c)為爐膛結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分示意圖；

圖4為變磨煤機組合下的煤粉燃燒率；

圖5為變磨煤機組合下的飛灰含碳量；

圖6為變磨煤機組合下的NO_X排風量；

圖7為變磨煤機組合下的下爐膛出口溫度。

具體實施方式

本發(fā)明實施例提供了一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬方法及裝置，解決了目前由于爐膛尺寸越來越大，制造全尺寸模型的試驗臺已不切實際，所導致的無法對爐內(nèi)燃燒、流動、傳熱整體規(guī)律特性進行測量的技術問題。

CFD，軟件(Computational Fluid Dynamics)，即計算流體動力學,是流體力學的一個分支，簡稱CFD。CFD是近代流體力學，數(shù)值數(shù)學和計算機科學結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數(shù)學方法，對流體力學的各類問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供的一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬方法的一個實施例包括：

101、對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分；

隨著計算機技術以及計算流體力學、計算傳熱學、計算燃燒學等學科的發(fā)展，計算機模擬技術得到了飛速發(fā)展。以CFD為基礎的數(shù)值模擬日益成為各國能源動力領域的研究者們用來研究鍋爐爐內(nèi)過程的重要手段。數(shù)值模擬方法速度快，獲得的信息量大，能全而預報爐內(nèi)的流動、傳熱和燃燒過程，為鍋爐的設計、運行和改造提供重要的參考依據(jù)，具有重要的工程應用價值。因而，通過爐內(nèi)過程的全模擬數(shù)值計算，分析爐內(nèi)的空氣動力場、溫度場，來對燃燒過程中NO_X的生成做出預報成為可行的研究手段，首先需要對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分。

102、通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的所述預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉在變磨煤機組合條件下的燃燒過程進行模擬；

當對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分之后，需要通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉在變磨煤機組合條件下的燃燒過程進行模擬。

103、根據(jù)在變磨煤機組合條件下模擬的結(jié)果確定所述鍋爐燃燒器的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NO_X排放量、下爐膛出口溫度。

當通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉的燃燒過程進行模擬之后，需要根據(jù)在變磨煤機組合條件下模擬的結(jié)果確定所述鍋爐燃燒器的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NO_X排放量、下爐膛出口溫度。

需要說明的是，以上所述變磨煤機組合條件是指燃盡風量分別為530、630和730t/h的狀態(tài)下，且對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分之后還包括：

對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型進行簡化，并獲取到設置后的設計參數(shù)和工況條件。

湍流流動模型為Realizable k-ε雙方程模型；

其中，k方程為

ε方程為

Gk表示由于平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生，Gb是用于浮力影響引起的湍流動能產(chǎn)生，YM表示可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，σ_k、σ_ε分別是湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)。

湍流氣固兩相流動模型為拉格朗日隨機顆粒軌道模型。

氣相湍流燃燒模型為混合分數(shù)—概率密度函數(shù)(PDF)模型。

煤粉顆粒燃燒模型的包括用于揮發(fā)份析出雙方程模型、用于焦炭燃燒的擴散—動力控制燃燒模型。

輻射換熱模型為P-1輻射模型。

NO_X生成模型為PDF輸運方程模型。

下面將以一具體實施例進行描述，應用例包括：

對于電站大型燃煤鍋爐燃燒過程，可以用基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型來進行數(shù)學描述，通過對上述方程數(shù)值求解來模擬實際過程，為實際運行提供參考參數(shù)。本部分就對本報告模擬研究中所采用的煤粉鍋爐燃燒過程的各個數(shù)學模型進行詳細介紹。

基本守恒方程

燃燒是包含有劇烈放熱化學反應的湍流流動過程，所有物理量都是空間和時間的隨機變量，但是湍流流動遵循連續(xù)介質(zhì)一般運動規(guī)律。描述燃燒規(guī)律的定律有：質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、化學組分平衡和化學元素質(zhì)量守恒等等。

(1)連續(xù)性方程

(2)動量方程

動量方程的一般形式可寫為：

式中σ_ij＝pδ_ij-τ_ij

其中：τ_ij為粘性應力。

δ_ij為克羅內(nèi)克函數(shù)：

δ_ij為應力張量，S_i則包括了各種體積力與阻力在i方向的分量。在考慮多相流動時，多相流動間的作用力也反映在此項中。

(3)能量方程

能量平衡方程：

方程式等號左邊：表示單位時間內(nèi)單位流體總能量對時間的變化率；方程式等號右邊：第1項為表面壓力對流體微元所做的功，一般可忽略；第2項為熱傳導引起的單位體積能量變化；第3項Φ為由于粘性作用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，稱為耗散函數(shù)；第4項S_h為化學反應熱、輻射熱、相間熱量交換以及自定義的體積熱源項。

(4)化學組分方程

化學組分方程體現(xiàn)的是燃燒過程中各個組分的質(zhì)量守恒。對于任何一種化學組分K，其化學組分連續(xù)性方程為：

式中：m_k—組分K的質(zhì)量分數(shù)，定義為：

S_k—由于化學反應引起的組分K的產(chǎn)生(或消耗)率以及多相反應產(chǎn)生的本組分的質(zhì)量源。

Γ_k—化學組分K的輸運系數(shù)：Γ_k＝ρD_k

D_k為化學組分K對應混合氣體的擴散系數(shù)。

將式(2-4)對整個組分K進行相加，即得到整個流體的連續(xù)性方程：

式中，為顆粒反應引起的質(zhì)量總源項，當無顆粒相反應時

(5)狀態(tài)方程

上述方程式中包含了6個未知數(shù)，u，v，w，p，T，及ρ，還需補充一個聯(lián)系p，ρ的狀態(tài)方程：

ρ＝ρ(p,T) (2-5)

對于以上所述的基本方程，其未知數(shù)與方程數(shù)是相等，應該說方程是封閉的。只要適當?shù)孛枋鲞吔鐥l件和初始條件，就可以求解，但事實上人們發(fā)現(xiàn)，在實際自然界和工程流動裝置中，流動往往是湍流流動，而湍流是在一個很小的湍流尺度上進行的。因此，求解這樣一組方程就必須在湍流尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)進行，然而這是目前計算機容量及速度尚不能實現(xiàn)的。因此，求解Navier-Stokes方程必須從其他方面著手，這就是湍流模型。

湍流流動模型

湍流流動是自然界常見的流動現(xiàn)象，在多數(shù)工程中流體的流動往往處于湍流狀態(tài)，湍流特性在工程中占有重要的地位。在鍋爐燃燒過程中，由于燃燒設備尺寸較大、形狀復雜、氣流速度較高，加上燃料燃燒等化學反應的影響，在燃燒器和鍋爐爐內(nèi)的氣流流動幾乎都是湍流流動。

雙方程模型中的k-ε模型，是在實際工程中應用最為廣泛的湍流模型。在關于湍流動能k的方程的基礎上，再引入了表示各向同性小尺度渦旋機械能轉(zhuǎn)化成熱能速率的脈動動能耗散率ε。該模型是由Launder和Spalding于1972年提出的。目前廣泛地用于燃燒室流場、管流、鈍體回流以及射流回流的數(shù)值模擬，以及一些設備中氣流流動、燃燒、傳熱、傳質(zhì)等過程綜合模型中的氣相模擬。

k-ε雙方程模型有以下優(yōu)點：(1)通過求偏微分方程考慮湍流物理量的輸運過程，即通過求解偏微分方程確定脈動特征速度與平均場速度梯度的關系，而不是直接將兩者聯(lián)系起來；(2)特征長度不是由經(jīng)驗確定，而是以耗散尺度作為特征長度，并由求解相應的偏微分方程得到。

但k-ε模型對浮力流、強旋流動、彎曲壁面流動、彎曲流線流動、低Reynolds數(shù)湍流以及圓射流等流動時，會產(chǎn)生一定的失真，原因是在標準的k-ε模型中，對于Reynolds應力的各個分量，假定粘度系數(shù)μ_t是相同的，即假定μ_t是各向同性的標量。而在彎曲流線的情況下，湍流是各向異性的，μ_t應該是各向異性的張量。因此，許多學者針對某些問題對k-ε模型進行了修正，如考慮非平衡流、旋轉(zhuǎn)和曲率、可壓縮性以及非線性等發(fā)展出許多改進的模型，如低Reynolds數(shù)k-ε模型、非線性k-ε模型、多尺度k-ε模型、重整化群k-ε模型、可實現(xiàn)k-ε模型等，而且在一些方面通過應用改進后的模型已經(jīng)取得了比較滿意的效果。

本報告選用的Realizablek-ε(帶旋轉(zhuǎn)修正)雙方程模型進行數(shù)值模擬計算。Realizable k-ε雙方程模型主要的特點就是它是通過求偏微分方程來考慮湍流物理量的輸運過程，即通過求解偏微分方程確定脈動特征速度與平均場速度梯度的關系，而不是直接將兩者聯(lián)系起來；另外，模型中的特征長度不是由經(jīng)驗確定，而是以耗散尺度作為特征長度，并由求解相應的偏微分方程得到。因此帶旋流修正的k-ε模型對于平板和圓柱射流的發(fā)散比率有更精確的預測，而且它對于旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有很好的表現(xiàn)。相對來說Realizablek-ε雙方程更為簡單，使用方便?，F(xiàn)在Realizablek-ε雙方程模型己被有效的用于各種不同類型的流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動、以及帶有分離的流動等。而且都取得了與試驗數(shù)據(jù)比較一致的結(jié)果，適合工程問題研究。

帶旋流修正的k-ε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標準k-ε模型來有兩個主要的不同點：(1)帶旋流修正的k-ε模型為湍流粘性增加了一個公式；(2)為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程。通過修正后的標準k-ε模型，明顯的提高了對平面射流以及圓柱射流的擴散率的模擬精度。

直角坐標系下，穩(wěn)態(tài)的標準k-ε模型的通用控制方程如下：

其中：P為流體壓力，ρ為流體密度，Φ是通用因變量，Г為各方程變量的輸運系數(shù)(擴散系數(shù))，S為因變量的守恒方程中所對應的源項，P、ρ、Φ、Г、S的具體內(nèi)容見表1。

表1通用控制方程中各變量的表達式

在表1中

μ_e＝μ+μ_t，

其中：μ_e為有效粘性系數(shù)；

μ_t為湍流粘性系數(shù)；

μ為層流粘性系數(shù)。

必須說明的是，標準k-ε模型對時均應變率特別大的情形，有可能導致負的正壓力。為使流動符合湍流的物理定律，需要對正壓力進行某種數(shù)學約束。計算湍流動力限度計算式中的C_μ應當不是常數(shù)，而應當與應變率聯(lián)系起來。從而提出了Realizable k-ε模型

k方程：

ε方程：

其中：G_k表示由于平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生，G_b是用于浮力影響引起的湍流動能產(chǎn)生；Y_M表示可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。σ_k、σ_ε分別是湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)。

C₂＝1.9，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.2，σ_1ε＝1.44

式中，μ_t與C_μ按下式計算：

其中：

A_o＝4.0

其中是從角速度為ω_k的參考坐標系中觀察到的時均轉(zhuǎn)動速率張量，顯然對無旋轉(zhuǎn)的流場，U^*式中根號中的第二項為零，這一項是專門用以表示旋轉(zhuǎn)的影響的，也是本模型的特點之一。

湍流氣固兩相流動模型

煤粉燃燒過程是典型的湍流氣固兩相流動和燃燒過程，氣固兩相流動的數(shù)值模擬研究主要包括氣相湍流的模擬、顆粒運動的模擬和氣固相間相互作用的模擬等，它是在單相湍流模擬的基礎上發(fā)展起來的。目前對兩相流的研究有兩種不同的觀點：一是把流體或氣體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標系內(nèi)加以描述，而把顆粒群作為離散體系，在拉氏坐標系內(nèi)加以描述；而另一是除了把流體作為連續(xù)介質(zhì)外，還把顆粒群當作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體，兩相在空間共存和互相滲透，兩相都在歐拉坐標系內(nèi)加以描述。對湍流多相流動的瞬時方程組按照類似于單相湍流流動中采用的方法進行雷諾分解和平均后，得其時均方程組，方程組時均化后含有未知關聯(lián)項，不能封閉。為此，提出下列模擬及簡化方法：(1)單顆粒動力學模型；(2)小滑移模型；(3)無滑移模型(單流體模型)；(4)雙流體模型(多流體模型或滑移—擴散的多連續(xù)介質(zhì)模型)；(5)顆粒軌道模型。

顆粒軌道模型，在拉格朗日坐標內(nèi)處理顆粒相，且考慮了與顆粒擴散無關的、兩相間的大速度滑移和溫度滑移，充分考慮了氣相與顆粒相間的相互作用。隨機軌道模型采用Monte-Carlo。法求解此隨機瞬時流場中顆粒運動的隨機軌道，來計入流體湍流的顆粒作用。顆粒軌道模型易于模擬有蒸發(fā)、揮發(fā)及異相反應的顆粒的經(jīng)歷，在顆粒相預報中無數(shù)值擴散。因此，該模型是目前在湍流流動與燃燒模擬中應用最廣泛的模型。但它無法滿足脈動量的連續(xù)方程，不能完全模擬顆粒脈動。如果要獲得與實驗結(jié)果相比較的顆粒詳細信息，需要非常大的計算量。

本報告選用的是拉格朗日隨機顆粒軌道模型，該模型求解的難題主要集中在三個方面：氣固兩相的耦合、流體速度模擬、邊界條件。其基本思想是：在計算顆粒的隨機軌道時考慮氣相脈動隨機速度對顆粒運動的影響，即由顆粒瞬時動量方程出發(fā)，隨機地給定氣體的瞬時速度，用Monte-Carlo法計算隨機瞬時流場中顆粒的隨機軌道以計入流體湍流對顆粒的作用。其主要優(yōu)點是計算簡單，當顆粒有較復雜的變化經(jīng)歷時，能較好的追蹤顆粒的運動，數(shù)值計算時也不會產(chǎn)生偽擴散；還有就是考慮了流體湍流脈動對顆粒的影響。其缺點是難以完全模擬顆粒湍流的輸運過程，也難以給出能與實測的顆粒歐拉場特征相對應的顆粒速度及濃度空間分布的相近數(shù)據(jù)。

顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式(X方向)為：

右式第一項為顆粒所受應力，第二項為顆粒本身重力，第三項為附加質(zhì)量力。

其中，u為氣相速度，u_p為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為氣體密度，ρ_p為顆粒密度，d_p為顆粒直徑。

在(2-13)中，Re為相對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))，表達式如下：

C_D為應力系數(shù)，表達式如下：

a₁、a₂、a₃是圓球顆粒常數(shù)，依據(jù)Morsi和Alexander等人看法其值隨Re值范圍變化而改變。

或者，依據(jù)Haider和Levenspiel的說法，亦可以表達為

其中，b₁＝exp(2.3288-6.4581+2.448Φ²)

b₂＝0.0964+0.5565Φ

b₃＝exp(4.905-13.8944+18.4222Φ²-10.2599Φ³)

b₄＝exp(1.4681+12.2584Φ-20.7322Φ²+15.8855Φ³)

形狀系數(shù)Φ的定義為：Φ＝s/S

S是與顆粒有相同體積的圓球球體表面積，S是顆粒的表面積。模擬中Φ設為1，即假定煤粉顆粒均為球形顆粒。

在拉格朗日坐標系下，顆粒瞬時的動量方程為：

式中m_p、V_p、t、F分別為顆粒的質(zhì)量、速度、運動時間及所受到的力。忽略顆粒的浮力、Magnus力、壓力梯度力、Saffman力以及虛假質(zhì)量力的作用等。因此顆粒質(zhì)量的動量方程為：

其中，τ_p為顆粒松弛時間，u′、v′、w′是氣相的脈動速度，這里假定氣相湍流流場是局部均勻和各向同性的，當顆粒位于某個湍流旋渦時，u′、v′、w′取為：

式中，為氣相湍流脈動速度的平均平方根值，ζ為符合高斯分布的隨機數(shù)，k為氣相湍流動能。

顆粒的軌跡方程為：

x_p＝∫u_pdt y_p＝∫v_pdt z_p＝∫w_pdt

氣相湍流燃燒模型

湍流的出現(xiàn)，不僅會影響流場的特性，而且會影響到所有的輸運方程。湍流燃燒速率同時受到湍流流動、分子輸運和化學動力學三方面的影響，目前尚未見到普遍使用的湍流燃燒速率公式。目前描述湍流氣相燃燒過程的模擬，主要有針對擴散火焰的k-ε-g模型、針對預混火焰的旋渦破碎模型(EBU)、拉切滑模型、ESCIMO湍流燃燒理論等。

在氣相擴散火焰中，燃料和氧化劑是處于不同流中。在其發(fā)生反應之前，兩者的接觸必須達到分子水平。當混合時間尺度比反應時間尺度大得多時，必須詳細考慮湍流混合過程，但可以假設是瞬時化學反應(快速化學反應)，可以采用平衡算法來計算反應過程。在綜合燃燒模型中有種基于此假設的方便的應用廣泛的方法，即混合分數(shù)法。

混合分數(shù)—概率密度函數(shù)(PDF)模型不需要求解每一組分的輸運方程，只求解一個或兩個守恒量(混合分數(shù))的輸運方程，單個組分的濃度根據(jù)預測的混合分數(shù)的分布來求解。在守恒量的求解過程中，利用概率密度函數(shù)來考慮湍流的影響。適用于不可壓縮的湍流流場和擴散燃燒反應系統(tǒng)，不能用于預混或部分預混燃燒系統(tǒng)。

對一種燃料和一種氧化劑組成的二元系統(tǒng)，混合分數(shù)f的定義式可表示為：

式中：Z_i為元素i的元素質(zhì)量分數(shù)。下標ox表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。

在相同擴散率的假設下，組分方程可被減少為一個單一的關于混合組分f的方程。f是一個守恒量，時間平均混合分數(shù)方程為：

源項S_m僅指質(zhì)量由反應顆粒(如煤)傳入氣相中。S_user為任何用戶定義源項。

除求解混合分數(shù)的時均方程外，還需求解平均混合分數(shù)均方值的守恒方程：

式中：常數(shù)σ_t、C_g、C_d分別取0.85、2.86、2.0。

混合分數(shù)模擬方法有利之處是將化學反應減少為一個或兩個守恒的混合分數(shù)。所有熱化學標量(組分質(zhì)量分數(shù)，密度和溫度)均唯一與混合分數(shù)有關。給定反應系數(shù)化學性質(zhì)與化學反應，流場中任何一點的瞬時守恒分數(shù)值可被用于計算每個組分摩爾分數(shù)、密度和溫度值。由于混合分數(shù)法無需求解大量的物質(zhì)傳輸方程就可以模擬湍流反應流動中中間產(chǎn)物的形成、湍流與化學反應的相互作用，并且其計算效率高，比有限率法能得出更精確的流體平均密度，所以目前得到了廣泛的應用。

煤粉燃燒模型

煤粉燃燒過程分為幾個階段：煤粉預熱、揮發(fā)份析出及燃燒過程、焦炭燃燒等過程。煤熱解時產(chǎn)生的揮發(fā)份及揮發(fā)份的燃燒對于整個煤的燃燒過程有著重要的影響，有時甚至是決定性的影響。為了得到封閉的微分方程組，能量方程和組分平衡方程中的源項主要由揮發(fā)物熱解模型和焦炭顆粒燃燒模型共同給出。

(1)揮發(fā)份析出模型

煤在高溫下首先發(fā)生熱解反應，析出揮發(fā)份，然后所剩余的焦炭以及析出的揮發(fā)份分別和空氣中的氧氣進行反應:

原煤：y揮發(fā)份+(1-y)焦炭

在數(shù)值計算試驗的基礎上，科研工作者建立了不同的熱解模型。主要有定揮發(fā)速率模型、單反應模型、雙方程模型、多步平行反應模型、官能團熱解模型、考慮非動力學控制因素的熱解模型等。

由Stickler等人于1975年提出的雙平行反應模型目前是應用比較廣泛的模型，該模型認為有速度常數(shù)

在該模型中，E₂＞E₁，A₂＞A₁。在較低溫度時，第一個反應起主要作用，高溫時，第二反應起主要作用。

釋放出揮發(fā)份比例分別為α₁和α₂，控制活化能數(shù)值使第一個反應在低溫下進行，第二個反應在高溫下進行，熱解所造成的煤的質(zhì)量減少量為：

揮發(fā)份質(zhì)量變化率：

其中：m_c為未反應原煤質(zhì)量；A₁,A₂,E₁,E₂為揮發(fā)份熱解動力學參數(shù)，由實驗測定。由于計算簡單，計算結(jié)果具有一定的準確性，因此雙方程模型在實際模擬中應用很廣。

(2)焦炭的燃燒模擬

在煤粉顆粒的燃燒過程中，焦炭的燃燒是個復雜的過程(屬于氣固非均相燃燒)，該過程包括氧化物質(zhì)向顆粒表面的擴散過程和這些物質(zhì)在顆粒表面與焦炭的反應過程，一般認為，這兩個過程是在一個準平衡反應狀態(tài)下同時進行的。焦炭顆粒非均相反應過程的模擬是復雜的，它受到焦炭的碎裂、內(nèi)孔擴散、表面積的變化以及溫度和壓力的變化等這些不確定性因素的影響。

由于焦炭的燃燒不僅與擴散有關，還與反應動力學因素有關。因而目前焦炭燃燒使用的模型中最常見的就是動力—擴散燃燒模型。焦炭的燃燒速率R_c受到氧擴散到焦炭表面的速率K_d和焦炭表面的化學反應速率K_c這兩方面的共同控制，可表示為：

式中，P_O2為氧氣的分壓；D_O2為氧氣的擴散系數(shù)；S_k為Sherwood數(shù)，取為2.0；Mc為碳的摩爾質(zhì)量。

在本實施例中，揮發(fā)份析出采用的是雙方程模型，焦炭燃燒采用的是擴散—動力控制燃燒模型。在模型中，假設煤粒為單一粒徑的球形顆粒，在反應的任何時刻，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分這四部分組成。煤粒溫度的上升導致煤粒中的水分蒸發(fā)，進入氣相變成水蒸汽。原煤隨著揮發(fā)份析出而消耗，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發(fā)生異相反應而逐漸燃盡?；曳蛛S著焦炭的燃盡而逐漸趨向于1。假設析出的揮發(fā)份的成分為碳氫化合物(CH_X)，它在氣相燃燒反應中迅速耗盡。

輻射換熱模型

輻射傳熱過程是高溫爐膛中的最主要傳熱方式，因此在模擬燃燒系統(tǒng)中，對輻射能量的傳輸?shù)哪M非常重要，同時也是一項非常復雜的任務。比如在一個典型的煤粉燃燒爐內(nèi)，輻射同時包括顆粒、煤粉、焦炭、灰粒、煙煤和氣相(主要是CO₂和H₂O)的作用。輻射計算的精確度取決于所采用計算方法的精確程度和對于輻射介質(zhì)和周圍墻壁性質(zhì)的了解程度。目前針對不同的適用條件，已發(fā)展了很多輻射換熱的計算模型，這些模型所采用的方法主要有熱流法(Heat Flux)、蒙特卡洛法(Monte-Carlo)和區(qū)域分析法(Zone Analysis)。

熱流法的特點是將復雜的不均勻的多項的界面輻射熱流用均勻的界面輻射熱流來代替，并取平均值。熱流法的優(yōu)點是計算簡單而且計算量小。但對于具有強烈輻射的區(qū)域，熱流法的假設明顯存在于事實不符之處。但由于該方法計算簡便，誤差在工程允許的范圍內(nèi)，故目前在爐內(nèi)過程數(shù)值模擬中應用較多，發(fā)展較為成熟完善。

本報告選用的模型是以熱流法為基礎的P-1輻射模型。P-1法是最簡單的一種球諧函數(shù)法，它假定介質(zhì)中的輻射強度沿空間角度呈正交球諧函數(shù)分布，并將含有微分、積分的輻射能量傳遞方程轉(zhuǎn)化為一組偏微分方程，聯(lián)立能量方程和相應的邊界條件便可以求出輻射強度和溫度的空間分布。與DO法相比，P-1法考慮了輻射散射的作用，更適用于光學厚度大和幾何結(jié)構(gòu)復雜的燃燒設備，并且求解輻射能量方程所需要的時間短，比較適合求解煤粉爐中燃燒。國內(nèi)外的研究者在模擬煤粉爐燃燒時多用此模型。

對于輻射熱流q_r，

其中：α為吸收系數(shù)，σ_s為散射系數(shù)，G為入射輻射，C為線性各項異性相位函數(shù)系數(shù)。引入?yún)?shù)：

方程可化為：

q_r＝-Γ▽G

G的輸運方程為：▽(Γ▽G)-αG+4ασT⁴＝S_G (2-27)

其中：σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，S_G為用戶定義的輻射源相。使用P-1模型時，求解這個方程以得到當?shù)剌椛鋸姸取?/p>

合并上面兩式，可得到如下方程：

-▽q_r＝αG-4ασT⁴ (2-28)

-▽q_r的表達式可以直接帶入能量方程，從而得到由于輻射所引起的熱量源(匯)。

當模型中包含有顆粒分散相時，可以在P-1輻射模型中考慮顆粒的影響。對于包含有吸收、發(fā)射、散射性質(zhì)顆粒的灰體介質(zhì)，入射輻射的輸運方程為：

其中，E_P為顆粒的等價輻射發(fā)射量，α_p為顆粒的等效吸收系數(shù)。

其中，ε_pn，A_pn，T_pn分別為第n個顆粒的黑度、投影面積(垂直輻射方向)和溫度。

Γ的定義為：

其中，等效顆粒散射因子定義為：

它是在顆粒跟蹤計算過程中得到的，f_pn為第n個顆粒的散射系數(shù)。

P-1法中輻射熱力量q_r的壁面邊界條件為：

如果假定壁面為擴散灰體表面，則ρ_w＝1-ε_w，上式可以表示為：

此方程用來計算能量方程中的q_r,w以及輻射方程的邊界條件。

NO_X的生成機理及模型

(1)NO_X的生成機理

目前研究認為煤燃燒過程中生成的NO_X分為三種類型，分別為熱力型、快速型和燃料型。影響燃燒中NO_X生成的因素有燃料特性如煤種、含氮量、含氮物質(zhì)結(jié)構(gòu)、顆粒粒徑等；運行條件如鍋爐形式、負荷、溫度、氧量、反應時間(停留時間)等。

(2)熱力型NO_X(Thermal NO_X)生成機理

熱力型NO_X是指燃燒用空氣中的N₂在高溫下氧化而生成的氮氧化物。它的生成機理是Zeldovich于1946年提出的，其生成過程可由如下反應來描述：

當燃料濃度過大時，還需要考慮下式反應：

熱力型NO_X主要是在1500℃以上的高溫區(qū)產(chǎn)生的，其生成速度和溫度的關系是按照阿累利烏斯定律：隨著溫度的升高，NO_X的生成速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。其生成量可以按Zeldovich動力學模型進行估算：

式中：[O₂]，[N₂]，[NO]分別為O₂，N₂，NO的濃度(mol/cm³)；

T為絕對溫度(K)；

t為時間(s)；

R為通用氣體常數(shù)(J/(mol·K))。

熱力型NO_X的生成速度與溫度呈指數(shù)關系，當燃燒溫度低于1800K時，熱力型NO_X生成極少，當溫度高于1800K時，反應逐漸明顯，而且隨著溫度的升高，NO_X的生成量急劇升高，溫度在1800K左右時，溫度每升高100K，反映速度將增大6-7倍。在燃燒過程中，如果出現(xiàn)局部高溫區(qū)，則在這些區(qū)域會生成較多的NO_X，它可能會對整個燃燒室內(nèi)的NO_X生成起關鍵性作用，因此在實際過程中應盡量避免局部高溫區(qū)的作用。

過剩空氣系數(shù)對熱力NO_X的影響也是非常明顯的，理論上來說熱力NO_X生成量與氧濃度的平方根成正比，即氧濃度增大在較高溫度下會使氧分子分解所得的氧原子濃度增加，使熱力NO_X的生成量增加。而在實際過程中情況會更復雜一些，因為過量空氣系數(shù)增加一方面增加氧濃度，另一方面O₂濃度的增大會由于氧的稀釋作用使得燃燒溫度下降，導致NO_X的生成速率降低。總之，NO_X的生成速率與O₂濃度有一個極值的關系，理論上這個極值為α＝1，偏離α＝1都會使NO_X的生成量降低。

(3)快速型NO_X生成機理

快速型NO_X最早是由費尼莫爾(Fenimore)于1971年通過實驗發(fā)現(xiàn)的。在富碳氫化合物燃料燃燒的火焰峰面上，會反應生成大量的快速NO_X，由于碳氫燃料高溫分解出的CH自由基和空氣中的N₂反應生成HCN和N，進而在O₂的作用下以極快的速度形成NO_X，反應所需要的時間大概為60ms，生成量和爐膛壓力的0.5次方成正比，與溫度的關系不大。由于快速NO_X需要碳氫化合物啟動和N₂的反應，所以在富燃料火焰中生成量較多，多發(fā)生于內(nèi)燃機的燃燒過程，對于燃煤設備，快速型NO_X只占5％左右。

(4)燃料型NO_X生成機理

燃料型NO_X在煤粉燃燒生成的NO_X中占很大的比例。無論是揮發(fā)份燃燒還是焦碳燃燒階段都形成了大量的NO_X，煤在熱解燃燒過程中燃料型NO_X的生成和還原過程非常復雜，它和煤種特性、煤中氮的結(jié)構(gòu)、氮受熱分解后在揮發(fā)份和焦碳中的比例、含氮產(chǎn)物成分以及燃燒條件密切相關。燃燒型NO_X的生成—還原過程大致可以分以下三步：(a)熱解揮發(fā)過程：揮發(fā)份N的析出；(b)氧化過程：揮發(fā)份N和焦碳N與空氣中氧的反應過程；(c)雙競爭反應過程：燃料N轉(zhuǎn)化的含氮中間產(chǎn)物生成NO_X的氧化反應和生成的NO_X被含氧中間產(chǎn)物還原成N₂的還原反應同時發(fā)生并相互競爭的過程。

(5)NO_X生成模型

燃燒過程中NO_X的生成過程及其復雜，目前主要有以下幾個NO_X生成模型：基元反應模型、PDF輸運方程模型、De’Soete模型和擴展的De’Soete模型等。

(6)基元反應模型

基元反應模型忽略了實際燃燒過程中的特征，強調(diào)NO_X生成的平衡反應，考慮體系內(nèi)所有可能的基元反應和反應物質(zhì)，按平衡方程求解?；磻Ｐ途容^高，但由于涉及的反應很多，計算比較復雜。

(7)De’Soete模型

De’Soete模型把所有中間產(chǎn)物都設定為HCN，煤中N的釋放速率正比于煤粉熱解及煤焦燃燒時的質(zhì)量衰減率。

其中，f_N為煤中氮的質(zhì)量分數(shù)；M_HCN，分別為HCN，N₂的分子量。

(8)擴展的De’Soete模型

De’Soete模型僅考慮了燃料NO_X里面的揮發(fā)份HCN產(chǎn)生的NO_X和熱力型NO_X，未考慮揮發(fā)份中NH₃等組分和焦炭生成的NO。

(9)PDF輸運方程模型

NO_X在生成過程中，不僅與本身的化學反應機理有關，而且和湍流流場及其之間的相關作用有關。PDF輸運方程模型把湍流輸運和化學反應速率相關的項都用封閉形式表達，無需模擬，任何復雜的化學反應機理都可以精確計算，因此它在污染物生成過程的模擬過程中得到廣泛應用。

煤粉燃燒過程中NO_X污染物的生成量極少，主要是NO，它不會對當?shù)氐钠渌骄鶊鲎兞?，如溫度、速度、主要組分濃度產(chǎn)生較大的影響。因此，NO生成的數(shù)值模擬計算可以從計算爐內(nèi)氣固兩相流動、傳熱和煤粉燃燒的程序中解耦出來，即采用后置處理(post-processor)的方法進行模擬很小，一般可以忽略。因此，本文對快速型NO的反應未予考慮。

煤粉爐內(nèi)的NO_X生成過程發(fā)生于湍流兩相流動中，其湍流時均反應速率不同于化學機理模型給出的瞬時反應速率，因此必須考慮湍流脈動對其化學反應速率的影響。焦炭對NO的還原反應為異相反應，速率較慢，可以忽略湍流脈動對其化學反應速率的影響，其時均反應速率可以由平均變量直接計算得出。對于煤中HCN的釋放速率也可以忽略湍流脈動的影響。然而，對于NO生成與還原過程中的各均相反應，由于其反應時間尺度與湍流混合時間尺度為同一數(shù)量級，因此必須考慮湍流脈動對其化學反應速率的影響。目前，應用得比較普遍的方法是采用設定PDF(Probability Density Function)模型方法模擬湍流的影響，與PDF輸運方程模型方法相比，該模型難以模擬詳細的有限化學反應動力學和湍流間的相互作用，但對于NO_X生成的總體模擬是合適的，而且計算量較小，并具有較高的計算精度。本研究設瞬時反應速率為兩個變量-溫度、氧濃度的函數(shù)，采用有限反應速率的設定β函數(shù)形式的PDF模型，即p(T)、p(Y_O2)，將瞬時反應速率乘以p(T)p(Y_O2)進行積分，就可以得出平均反應速率。將溫度T進行無量綱化為θ，同時假定θ和Y_O2是兩個統(tǒng)計獨立的變量，具體模型為：

數(shù)值求解方法

通過對燃燒過程中的質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒、組分平衡和反應動力學的基本規(guī)律的研究，建立了燃燒過程中的流動、傳熱、傳質(zhì)和燃燒現(xiàn)象及各子過程的數(shù)學模型。燃燒過程的控制方程是復雜的非線性偏微分方一程，除了個別簡單情形外，很難用直接解法獲得這些偏微分方程的精確解，只能用迭代法求其近似解，因此，建立正確的物理模型后，關鍵在于是否能夠建立適當?shù)那蠼夥椒ā?/p>

(1)區(qū)域的離散化

在對鍋爐燃燒進行數(shù)值模擬之前，首先要進行計算區(qū)域的離散化，它的實質(zhì)就是用有限個離散的點來代替原來的連續(xù)空間，即網(wǎng)格化。區(qū)域的離散化是進行數(shù)值計算的前提。網(wǎng)格化的方法很多，有固定網(wǎng)格和浮動網(wǎng)格，正交網(wǎng)格和非正交網(wǎng)格，均勻分布網(wǎng)格和非均勻分布網(wǎng)格，交錯網(wǎng)格等。

根據(jù)應變量在節(jié)點的分布假定及推導離散方程的方法，主要有以下幾種離散方法：有限差分法、有限元法和有限體積法。本文采用的是有限體積法(Finite Volume Method簡稱FVM)又稱控制體積法。有限體積法的基本思路：將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解微分方程對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權余量法中的子域法，從未知界的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。

此外，視節(jié)點在控制容積中的位置，可分為內(nèi)節(jié)點法和外節(jié)點法。網(wǎng)格化的方式影響微分方程離散的難易。也關系到解的精度，收斂性和經(jīng)濟性

(2)幾種離散格式

在使用有限體積法建立離散方程時，很重要的一步就是將控制體積界面上的物理量及其導數(shù)通過節(jié)點物理量插值求出。目前主要有以下幾種離散格式：中心差分格式、一階迎風格式、混合格式、指數(shù)格式、乘方格式、二階迎風格式和QUICK格式。

中心差分格式(Central Differencing Scheme)，就是界面上的物理量采用線性插值公式來計算。中心差分格式只能應用于速度很小或者網(wǎng)格間距很小。

一價迎風格式(First Order Upwind Scheme)考慮到流動方向的影響，在任何條件下都不會引起解的震蕩，永遠都可以得到物理上看來是合適的解。因此，一階迎風格式得到了廣泛的應用。

混合格式(Hybrid Scheme)綜合了中心差分和迎風作用兩方一面的因素。因此，混合格式在CFD軟件中廣為采納。缺點是只有一階精度。

指數(shù)格式(Exponential Scheme)將擴散與對流的作用和在一起來考慮。指數(shù)運算可以得到精確解，但運算費用費時，在二維和三維的問題，以及源項不為零的情況，計算不準確。

乘方格式(Power-law Scheme)與指數(shù)格式非常接近的一種離散格式。

二階迎風格式與一階迎風格式相同點在于都通過上游單元點的物理量來確定控制體積界面的物理量。但二階迎風格式不僅用到上游最近的一個點的值，還要用到另外一個上游點的值。

QUICK(Quadratic Upwind Interpolation of Connective Kinematics)格式是一種改進離散方程截差的方法。

本報告采用一價迎風格式。

(3)流場數(shù)值算法

流場計算的基本過程是在空間上用有限體積法將計算域離散成許多小的體積單元，在每個體積單元上對離散后的控制方程組進行求解。可以分為藕合式解法和分離式解法，木文采用分離式求解法。分離式求解法是順序地、逐一地求解各方程(關于u、v、w、p和T的方程)。也就是先在全部網(wǎng)格上解出一個方程(如u動量方程)后，再解另外一個方程(如v動量方程)。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂解之前，要經(jīng)過多輪迭代。每一輪迭代由如下步驟組成：1、根據(jù)當前解的結(jié)果，更新所有流動動量，如果計算剛剛開始，則用初始值來更新；2、按順序分別求解u、v和w動量方程，得到速度場，注意在計算時，壓力和單元界面的質(zhì)量流量使用當前的已知值；3、因第2步得到的速度很可能不滿足連續(xù)方程，因此，用連續(xù)方程和線性化的動量方程構(gòu)造一個Poisson型的壓力修正方程，然后求解該壓力修正方程，得到壓力場與速度場的修正值；4、利用新得到的速度場與壓力場，求解其他標量(如溫度，湍動能和組分等)的控制方程；5、對于包含離散相的模擬，當內(nèi)部存在相間耦合時，根據(jù)離散相的軌跡計算結(jié)果更新連續(xù)相的源項；6、檢查方程組是否收斂。若不收斂，回到第1步，重復進行。

SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)是目前工程中廣泛應用的一種流場計算方法，它屬于壓力修正法的一種。主要包括SIMPLE和由它派生出來的SIMPLER、SIMPLEST和PISO。

本實施例采用SIMPLE算法。

爐內(nèi)燃燒過程數(shù)值模擬

計算網(wǎng)格

旋流燃燒器是單只組織燃燒，因此旋流對沖鍋爐的燃燒器對鍋爐燃燒有很大的影響。由于燃燒器相對于鍋爐來說，尺寸相對很小，燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格會很大，這對計算機的性能要求很高?？紤]到水平煙道及尾部煙道內(nèi)的過程并不影響爐膛內(nèi)煤粉燃燒，而煤粉顆粒運動到煙道時燃燒已經(jīng)基本結(jié)束，煙氣在煙道內(nèi)基本上不發(fā)生化學反應，因此本文沒有對尾部煙道內(nèi)的過程進行模擬，并且忽略了水平煙道內(nèi)過熱器對流場的影響。根據(jù)上一節(jié)燃燒器出口的流動特性，作為鍋爐燃燒器入口邊界條件，構(gòu)建求解區(qū)域并進行網(wǎng)格劃分，在爐膛出口增加10m的水平段，以在出口處獲得充分發(fā)展流。為了獲得高質(zhì)量的計算網(wǎng)格，采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，為了準確模擬燃燒器出口空氣動力場，燃燒器入口區(qū)域需要進行網(wǎng)格局部加密，總的網(wǎng)格數(shù)為150萬。爐膛結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格如圖3(a)至(c)所示。

模擬工況和計算方法

對燃燒器本體進行簡化，根據(jù)燃燒器尺寸構(gòu)建燃燒器入口模型；中心風和一次風采用速度入口邊界條件，內(nèi)二次風和外二次風采用質(zhì)量入口邊界條件；入口處風速、風溫、質(zhì)量流量根據(jù)設計參數(shù)、變工況條件以及上一節(jié)的燃燒器出口流動特性進行設置。對燃盡風和側(cè)燃盡風本體進行簡化，根據(jù)燃燒器尺寸構(gòu)建其入口模型；燃盡風和側(cè)燃盡風采用質(zhì)量入口邊界條件，質(zhì)量流量數(shù)值根據(jù)設計參數(shù)及變工況條件計算得到。在入口邊界條件中，速度分量的定義采用局部圓柱坐標系，分別設定各個噴口的速度分量。出口邊界條件采用壓力出口，壓力設置為-80Pa；爐膛壁面采用標準壁面方程，無滑移邊界條件，熱交換采用第二類邊界條件，即溫度邊界條件，給定壁面溫度和輻射率，壁面溫度為700K，壁面輻射率為0.6。模擬中，考慮了爐膛上部屏過熱器和高溫過熱器對尾部流場和換熱得影響。

煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布。Rosin-Rammler分布假定在顆粒直徑d與大于此直徑的顆粒的質(zhì)量分數(shù)Y_d之間存在指數(shù)關系：

為平均直徑，n為分布指數(shù)

對現(xiàn)象取得的煤粉樣品進行激光粒度分析，獲得煤粉粒徑分布數(shù)據(jù)：最小粒徑5μm，最大粒徑250μm，平均粒徑63.8μm，分布指數(shù)1.008。

首先進行冷態(tài)計算，然后再進行熱態(tài)計算，直至收斂。對于離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐線迭代法及低松馳因子，收斂標準為能量、輻射傳熱、NO和HCN計算殘差小于10^-6，其余各項計算殘差小于10^-3。

變磨煤機組合模擬分析

圖4至圖7是變磨煤機組合下的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NOx排放量和下爐膛出口溫度。

在ACDEF磨煤機運行、BCDEF磨煤機運行和ABCDE磨煤機運行時，煤粉燃盡率分別為99.66％、99.59％和99.62％，飛灰含碳量分別為1.97％、2.40％和2.19％。相比ACDEF磨煤機運行，BCDEF磨煤機運行時，煤粉燃盡率降低了0.07％，飛灰含碳量增加了0.43％；ABCDE磨煤機運行時，煤粉燃盡率降低了0.04％，飛灰含碳量增加了0.22％。由于A層燃燒器為后墻下層燃燒器，F(xiàn)層燃燒器為后墻中層燃燒器，而B層燃燒器為后墻上層燃燒器；在600MW負荷時，當ACDEF磨煤機運行時，A層與F層燃燒器進入爐膛的煤粉在爐內(nèi)有更長的停留距離和更長的燃盡時間，煤粉的燃盡率會增加，飛灰含碳量會降低。相比ACDEF磨煤機運行，當BCDEF磨煤機與ABCDE磨煤機運行時，B層燃燒器進入爐膛的煤粉在爐內(nèi)的停留距離和燃盡時間相對要短一些，煤粉的燃盡率會降低，飛灰含碳量會增加。

在ACDEF磨煤機運行、BCDEF磨煤機運行和ABCDE磨煤機運行時，NO_X排放量分別為281、321和308mg/m^3(6％O₂)。這表明，不同磨煤機組合對NO_X排放量有一定的影響。如上述分析，A層燃燒器為后墻下層燃燒器，F(xiàn)層燃燒器為后墻中層燃燒器，而B層燃燒器為后墻上層燃燒器；當ACDEF運行時，A層與F層燃燒器離燃盡風區(qū)域的距離最遠，空氣分級程度最大，在燃燒器區(qū)域生成的NOx被還原的效果得到了強化，降低NO_X效果最好，爐膛出口NO_X排放量最低；當BCDEF磨煤機與ABCDE磨煤機運行時，相當于在ACDEF磨煤機運行的基礎上弱化了空氣分級效果，在燃燒器區(qū)域生成的NO_X被還原的效果有所弱化，爐膛出口NO_X排放量也有所升高。

在ACDEF磨煤機運行、BCDEF磨煤機運行和ABCDE磨煤機運行時，下爐膛出口煙氣溫度分別為1209、1226和1214℃。這表明，停運上層燃燒器，下爐膛出口煙氣溫度會降低，有利于降低屏式過熱器積灰掛渣的傾向。

以上分析表明，停運上層燃燒器有利于提高燃燒效率和降低NOx排放量，也有利于降低屏式過熱器積灰掛渣的傾向。

請參閱圖2，本發(fā)明實施例提供的一種電站鍋爐煤粉在變磨煤機組合下燃燒特性模擬裝置的一個實施例包括：

劃分單元201，用于對預置鍋爐燃燒器模型進行分區(qū)網(wǎng)格劃分；

模型再處理單元202，用于對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型進行簡化，并獲取到設置后的設計參數(shù)和工況條件。

模擬單元203，用于通過基本守恒方程、湍流流動模型、湍流氣固兩相流動模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NO_X生成模型對網(wǎng)格劃分后的預置鍋爐燃燒器模型中的鍋爐煤粉在變磨煤機組合條件下的燃燒過程進行模擬；

確定單元204，用于根據(jù)在變磨煤機組合條件下模擬的結(jié)果確定鍋爐燃燒器的煤粉燃盡率、飛灰含碳量、NO_X排放量、下爐膛出口溫度。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統(tǒng)，裝置和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實現(xiàn)。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

以上所述，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。