430T直流煤粉燃烧器的设计及冷态流场的计算

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1、应用直流燃烧器的430T/H煤粉炉炉膛流场计算摘 要 火力发电是我国电能生产的主要形式，随着国民经济的发展，发电厂的机组容量逐渐增大，对大容量锅炉的需求也逐渐增多。室燃炉是我国目前电厂锅炉的主要类型，其中以煤粉炉为主得到了广泛的应用。在燃烧煤粉的煤粉炉中，燃料是悬浮在炉膛空间内进行燃烧的，煤粉燃料是由燃烧器一次风气流携带喷入炉膛。燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备，其性能对燃烧的稳定性和经济性有很大的影响,一个好的燃烧器应组织良好的空气动力场，并且运行安全可靠。根据其出口气流的特征，煤粉燃烧器主要分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类，这两种类型各有优缺点。本设计主要为直流煤粉燃烧器的设计，根据煤种和锅

2、炉参数的不同合理选取。包括各喷口的形式、大小、布置的设计及一、二、三次风的选取等,并用CAD绘出燃烧器的形式。最后用Fluent软件计算四角切圆燃烧炉膛的流场,得出煤粉颗粒的运动轨迹。关键词：直流燃烧器；设计；fluent软件；四角切圆；流场计算The 430 t/H Pulverized Coal Furnace Flow Field of Applied DC Furnace Burners CalculationAbstract The thermal power is the main form of energy production in China, with the devel

3、opment of the national economy, a power generation unit capacity gradually increases,and the demand for lager-capacity boiler is gradually increased. Room stoves are at present the main types of boilers in power plants in china, which has been widely applied to pulverized coal. In the pulverized coa

4、l boiler, the burning fuel were suspended in space of the furnace. The pulverized coal fuel were carried by primary air what were sprayed into the furnace. Burner is a main combustion of pulverized coal-fired boiler equipment, its performance has a great influence on the combustion stability and eco

5、nomy. A good burner should be well-organized aerodynamic and safe and reliable operation. According to the characteristics of the outlet flow, the pulverized coal burner is divided into two categories:direct current(DC) burner and swirl burner. Each has advantages and disadvantages. The mean design

6、of DC pulverized coal burner. According to the coal and the different parameters of boiler, the design of the burner should be selected reasonably, including the form, size, layout design of the vents and the selection of the Primary,secondary,tertiary air. And draw the form of burner by CAD. Finall

7、y calculate the Corner Tangential burning flow field in furnace using the Fluent software, and derive the trajectory of coal particles.Keywords: direct current(DC) burner, design, the Fluent software , the Corner Tangential,calculate the flow filed 目 录摘 要IAbstractI目 录II第1章 绪 论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2

8、燃烧器的发展概况11.2.1 燃烧器的发展21.2.2 燃烧器的分类21.3 本文的主要研究内容3第2章 直流煤粉燃烧器的简单介绍42.1 引言42.2 直流燃烧器的型式42.3 直流燃烧器的四角布置方式42.4 本章小结6第3章 炉膛及制粉系统的设计选取73.1 引言73.2 煤粉锅炉炉膛横截面设计73.2.1 煤粉炉炉膛概述73.2.2 煤粉炉炉膛的设计73.3 制粉系统的选取123.3.1 磨煤机简介123.3.2 制粉系统的分类133.4 本章小结13第4章 直流煤粉燃烧器的设计144.1 引言144.2 直流燃烧器各种风的设计计算144.3 直流燃烧器的结构设计164.4 本章小结1

9、8第5章 用FLUENT软件计算四角切圆流场195.1 引言195.2 FLUENT软件简介195.2.1 FLUENT的组成195.2.2 FLUENT程序的求解步骤和问题195.3 FLUENT软件流场计算205.3.1 用GAMBIT建立计算模型215.3.2 利用FLUENT 3D求解器进行求解235.4 本章小结30结 论31致 谢32参考文献33第1章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义 随着经济、 社会的发展 ,人类对能源的需求逐年增加.煤、 石油、 天然气等化石燃料仍然是人类赖以生存的主要能源. 对我国来说 ,煤在我国的能源总消费中占有 70 %以上的份额 .电力行业是我

10、国的第一耗煤大户 ,因此电力行业的节能降耗对全国能耗降低目标的实现有举足轻重的影响. 在我国火力发电厂中 ,煤粉炉得到了广泛应用. 锅炉技术发展的趋势是容量的增大和参数的提高 ,其中燃烧技术的发展是一个重要方面. 燃烧器是锅炉燃烧系统的关键部件 ,其主要作用是向炉膛内输送燃料和空气 ,并组织合理的混合与燃烧. 燃烧器的主要评价指标是使煤粉气流能够稳定着火、 燃尽 ,并防止结焦.其技术水平对锅炉整体效率（能耗）有重大影响 .且随着目前环境污染的压力增大 ,燃烧器的污染物控制(特别是 NOx 生成量的控制)也已成为燃烧器性能的重要考察指标. 煤粉燃烧器具有特殊设计的多级多嘴送风导向结构，能在短时间

11、内使煤粉产生高温涡流，具有燃烧完全，热利用率高，消烟除尘、高效节能，改善工作条件，减轻劳动强度等优点，是节能环保的理想产品，深受广大客户欢迎。1.2 燃烧器的发展概况燃烧器也称喷燃器，是煤粉炉燃烧设备的主要组成部分。其作用是：将携带煤粉的一次风和助燃的二次风送入炉膛，并组织一定的气流结构，使煤粉迅速稳定的着火；二次风的及时供应，使煤粉在炉内达到迅速的完全燃烧。一个好的燃烧器应满足下列要求：（1） 组织良好的空气动力场，使燃料及时着火，与空气适时混合，保证燃烧的稳定性和经济性。（2） 有较好的煤种适应性，具有良好的调节性能。（3） 运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修。（4） 易于实现远程活自动控

12、制。（5） 控制污染物的排放，保护环境。1.2.1 燃烧器的发展燃烧器从开始使用到现在的发展，走过了漫长的过程。从早期的简单装配到现在的能满足各种不同煤种及需要的燃烧器，其在理论及结构上大发生了翻天覆地的变化，促进了电力工业的发展。目前国外大型燃煤锅炉的特点：（1） 从专利权和掌握技术熟练程度方而考虑，某专业公司燃烧器的设计总是采用角式布置切圆燃烧方式。（2） 总是采用可以上下摆动一定角度的煤粉燃烧器来调节炉膛出口烟气温度,从而达到调节过热及再热蒸汽温度的目的。这种调节汽温的方式具有结构简单,调节方便,反应灵敏,投资节省等优点。（3） 制粉系统基本上采用正压直吹式中速磨煤机。 上世纪 80 年

13、代始 ,我国开始引进国外的锅炉技术，取其精华去其糟粕，主要引进了直流燃烧器 ,我国的大型燃煤锅炉大部分采用直流燃烧器。近年来我国的燃烧器研制开发工作取得了很大进展，并继续对直流燃烧技术进行改进和创新。1.2.2 燃烧器的分类燃烧器的形式很多，根据其出口气流的特征，煤粉燃烧器可分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。出口气流为直流射流（组）的燃烧器为直流燃烧器。煤粉气流以一定的速度，从直流燃烧器的喷口直接射入炽热的炉膛内部。由于气流不旋转，所以阻力小，直流射程相对旋流射程场，对烟气的贯穿能力也强，对后期混合有利。直流射程与喷口尺寸和射流的初速度有关。喷口尺寸越大初始速度越高，射程越长。射流的卷吸能力直

14、接影响燃料的着火。卷吸能力越强，速度衰减越快，射程也就越短。射流射入炉膛后，在炉内微小的扰动，也会导致射流偏离原定的轴线方向，对炉内空气动力场的组织产生影响。射流动量越大，越不容易偏转，射流的刚性也越好。对矩形的截面喷口，喷口的高宽比越小，其刚性越大。出口气流包含有旋转射流的燃烧器为旋流燃烧器。出口气流的初期扰动非常强烈，卷吸能力较强，但射程较短。射流的扩展角较大。1.3 本文的主要研究内容 本课题的研究内容主要是针对使用无烟煤的大型煤粉锅炉进行直流燃烧器的设计。包括炉膛截面设计、制粉系统的选定及燃烧器具体形式的设计。最后用FLUENT软件计算四角切圆炉膛内部流场。 第2章 直流煤粉燃烧器的简

15、单介绍2.1 引言我国主要的常规能源是煤，占能源总消耗的70%以上。随着锅炉熔容量和参数的提高，煤粉炉在电站中得到了广泛的应用。其主要燃烧设备为燃烧器。其中又以直流燃烧器应用最为广泛。2.2 直流燃烧器的型式直流燃烧器的出口是由一组圆形、矩形或多边形的喷口组成。一次风煤粉气流、燃烧所需要的二次风以及中间仓储式制粉系统送粉是的热风乏气分别由不同的喷口以直流射流的形式喷进炉膛。燃烧器喷口之间保持一定的距离，整个燃烧器成狭长型。喷口射出的直流多为水平方向，有的直流燃烧器喷口可以在运行时在一定角度内上下摆动。直流煤粉燃烧器根据一、二次风喷口的布置情况，可分为均等配风和分级配风两种形式。均等配风直流煤粉

16、燃烧器：一、二次风喷口相间布置，即在每一个一次风喷口的上下两端均布置有二次风喷口，这样很有利于煤粉气流着火燃烧后，二次风能及时充分地供应燃烧所需氧气。故燃烧烟煤和褐煤使用较多。分级配风直流煤粉燃烧器：将一次风喷口集中布置在一起，二次风分级分阶段地送入燃烧的煤粉气流中，二次风喷口分层布置，且一、二次风喷口间保持较大的距离，以便根据燃烧状况控制一、二次风的混合时间。一次风喷口集中布置，意味着煤粉气流的着火和燃烧相对集中，有利于提高燃烧器区域局部热负荷和温度水平。但是不利于与二次风的充分混合，故有些燃烧器的二次风喷口设计为可上下摆动的形式。这种燃烧器的型式比较适合无烟煤、贫煤和劣质烟煤的使用。2.3

17、 直流燃烧器的四角布置方式 直流煤粉燃烧器与炉膛的配合方式不同，其炉内形成的空气动力厂特性也不同。而炉内气体的运动状况，影响着燃料的着火、燃烧和燃尽。燃烧器的布置形式有前后墙对冲布置、炉膛顶部布置、炉膛中部布置、四角切圆布置等等。直流燃烧器常采用四角布置形式，其出口气流的集合轴线射向炉膛中心的一个假想切圆，组织切圆燃烧火焰，此即为切向燃烧方式。切向燃烧的炉内空气动力特性对煤粉的燃烧有很大的影响。燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬，在离心力的作用下气流向四周扩散。由于引风机的抽力，迫使气流旋转上升，形成一个旋转上升的气流，这不仅改变了火焰在炉内的充满情况，而且延长了煤粉气流

18、在炉内的停留时间，有利于煤粉的燃尽。各个角燃烧器的煤粉气流喷入炉内，收到上游已燃高温火焰的点燃而迅速燃烧，因此着火条件良好。直流射流射程长，对烟气的贯穿能力强，炉内气流的强烈旋转使后期湍流混合强烈，煤粉的燃尽条件较理想。切向燃烧方式通常有以下布置形式：（1） 正四角单切圆布置：四角燃烧器一、二次风口的集合轴线相切于炉膛中心同一个圆。此种布置方式，出口气流两侧补气差异小，气流偏离较轻风粉管道对称。如下图2-1（a）。（2） 两角对冲，两角相切或一次风对冲，二次风切圆：可改善出口气流的偏离，有利于避免炉膛结渣。如下图2-1（b）。（3） 双切圆布置：四角一、二次风口相切于不同直径的圆或对角燃烧器各

19、自相切于不同直径的圆，用于截面长宽比较大的炉膛，可改善气流偏斜，防止实际切圆的椭圆度较大。如下图2-1（c）。（4） 八向或六向切圆布置：适用于截面较大的单炉膛，特别适用于大容量褐煤炉。如下图2-1（d）。（5） 双炉膛切圆布置：大容量锅炉有时采用这种布置，通常两炉膛气流旋转方向相反。如下图2-1（e）。 （a） （b） （c） （d） （e）图2-1 切圆燃烧布置方式（a）正四角切圆 （b）两角相切两角对冲 （c）双切圆 （d）八向布置（e）双炉膛切圆2.4 本章小结燃烧器有各种不同的型式及布置方式，应根据设计的煤种和设计需要进行合理的选择。本设计使用的煤种是无烟煤，故燃烧器的型式采用分级配

20、风直流燃烧器，将一次风喷口集中布置。燃烧器与炉膛的配合方式采用正四角单切圆布置方式。第3章 炉膛及制粉系统的设计选取3.1 引言制粉系统、炉膛、燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备。燃烧器的设计与炉膛的横截面形状、制粉系统的选取息息相关。3.2 煤粉锅炉炉膛横截面设计炉膛横截面的设计与炉膛截面热负荷的选取及计算燃料消耗量有关。3.2.1 煤粉炉炉膛概述炉膛是供煤粉充分燃烧的空间。高温烟气在炉膛内把一部分热量主要通过辐射的方式传递给炉膛四周的受热面上，以保证出口气温在允许的范围内。故炉膛应该有合理的形状及足够的空间，并与燃烧器共同组织炉内燃烧空气动力场，保证火焰在炉内充满良好，不贴壁，并有均匀的截面热

21、负荷分布。固态除渣炉的横断面一般为长方形或者正方形。为更便于组织良好的切圆燃烧方式，长方形的长宽比一般不超过1.2。炉膛下部有一个倒锥形的斗，由前后墙水冷壁管倾斜形成。其高度的一半是炉膛的下部边界。其作用是把炉膛空间内燃烧后的高温炉渣冷却后以固态炉渣形式排出炉膛。3.2.2 煤粉炉炉膛的设计煤粉炉炉膛的设计很是复杂，在本设计中，仅设计出与燃烧器的设计计算有关的主要部分，包括炉膛横断面、炉膛高度及冷灰斗的设计，烟窗及前后测墙水冷壁的设计在本设计中并不重要，忽略。各部分的设计见以下各表（注：公式均汇总在表内）。根据设计任务书中所给无烟煤的成分，计算出初始数据（各种气体的体积），如下表3-1：表3-

22、1 初始数据序号名称符号计算公式或来源结果单位1理论空气容积0.0889*(Car+0.375*Sar)+0.265Har-0.0333*Oar6.8476m3/Kg2容积0.01866*(Car+0.375*Sar)1.293m3/Kg3理论容积0.79*V+0.8*Nar/1005.4175m3/Kg4理论容积0.111*Har+0.0124*Mar+0.0161*V0.493m3/Kg5理论烟气容积7.2036m3/Kg6飞灰中纯灰分额0.957烟气中飞灰质量浓度0.1804Kg/Kg8煤的折算灰分7.1932g/MJ 初始数据中得出了理论空气量，三原子气体、氮气和水蒸汽的理论容积，以及

23、飞灰质量浓度，为以下的计算做准备。烟气特性如下表3-2：表3-2 烟气特性序号名称符号计算公式或来源炉膛与防渣管过热器上级省煤器上级空气预热器下级省煤器下级空气预热器1漏风系数查表4-30.10 0.03 0.02 0.03 0.02 0.03 2出口过量空气系数查表4-41.25 1.28 1.30 1.33 1.35 1.38 3平均过量空气系数1.250 1.265 1.290 1.315 1.34 1.37 4实际水蒸气容积0.521 0.522 0.5240.527 0.530 0.533 5实际烟气量8.943 9.047 9.221 9.395 9.569 9.743 6RO2容

24、积份额0.144 0.142 0.140 0.137 0.135 0.132 表3-2（续表）序号名称符号计算公式或来源炉膛与防渣管过热器上级省煤器上级空气预热器下级省煤器下级空气预热器7H2O份额0.058 0.057 0.0560.056 0.055 0.054 8三原子份额0.202 0.200 0.197 0.1930.190 0.1879烟气质量11.99 12.12 12.3512.57 12.79 13.02 10飞灰浓度0.0150 0.0149 0.0146 0.0144 0.0141 0.0139 查表并计算得焓温表如下表3-3：表3-3 焓温表(1)(2)(3)(4)(5

25、)(6)(7)(8)100169.7 219.4 129.6 702.11 150.5 74.20 995.73 200357.5 462.2 259.9 1408.14 304.5 150.12 2020.50 300558.8 722.5 392.0 2123.86 462.7 228.11 3074.50 400771.9 998.1 526.5 2852.58 626.2 308.72 4159.36 500994.4 1285.8 663.8 3596.47 794.9 391.89 5274.11 6001224.6 1583.4 804.1 4356.61 968.9 477.6

26、7 6417.69 7001461.9 1890.2 947.5 5133.56 1148.9 566.41 7590.20 8001704.9 2204.4 1093.6 5925.12 1334.4 657.86 8787.42 9001952.3 2524.3 1241.6 6726.99 1526.1 752.37 10003.68 10002203.5 2849.1 1391.7 7540.23 1722.9 849.39 11238.75 11002458.4 3178.7 1543.8 8364.31 1925.1 949.07 12492.09 12002716.6 3512.

27、6 1697.2 9195.43 2132.3 1051.22 13759.22 13002976.7 3848.9 1852.7 10037.93 2343.7 1155.44 15042.25 14003239.1 4188.2 2008.7 10883.14 2559.1 1261.64 16332.93 15003503.1 4529.5 2166.0 11735.39 2779.0 1370.05 17634.94 16003768.8 4873.1 2324.5 12594.14 3001.8 1479.89 18947.09 17004036.4 5219.1 2484.0 13

28、458.31 3229.2 1592.00 20269.37 18004304.7 5566.0 2643.7 14323.57 3458.4 1704.99 21594.53 19004574.1 5914.3 2804.1 15192.61 3690.3 1819.32 22926.24 100132.4 906.62 80.67 14.55 1354.80 200266.4 1824.20 168.87 30.46 2689.44 2744.16 300402.7 2757.53 263.34 47.51 4087.14 400541.8 3710.03 359.48 64.85 552

29、2.72 500684.1 4684.44 457.71 82.57 600829.7 5681.45 559.28 100.89 700978.3 6699.01 661.28 119.29 8001129.1 7731.63 765.78 138.15 9001282.3 8780.68 873.62 157.60 10001437.3 9842.06 982.30 177.21 11001594.9 10921.24 1095.16 197.57 12001753.4 12006.58 1203.84 217.17 13001914.2 13107.68 1358.50 245.07 1

30、4002076.2 14216.99 1580.04 285.04 15002238.9 15331.09 1755.60 316.71 16002402.9 16454.10 1872.64 337.82 17002567.3 17579.84 2060.74 371.76 18002731.9 18706.96 2181.96 393.63 19002898.8 19849.82 2382.60 429.82 煤粉燃烧后产生的总烟气在烟道内依次流过防渣管、过热器、上级省煤器、上级空气预热器、下级省煤器和下级空气预热器。在不同的烟道处，总烟气的焓值也不同。烟道内每处的总烟气的焓等于理论烟气焓

31、、飞灰焓及此处的过量空气的焓三者之和。烟气特性及焓温表得出之后，接下来便进行锅炉热量和计算燃料消耗量的计算。如下表3-4：序号名称符号计算公式或来源结果单位1燃料低位发热量给定26400 KJ/Kg2冷空气温度给定30 3理论冷空气焓查表3，插入法计算271.185 KJ/Kg4排烟温度给定140 5排烟热焓查表3（=1.38），插入法计算1908.187 KJ/Kg6排烟过量空气系数查表21.38 7排烟热损失5.578 %8固体不完全燃烧热损失查表8-394 %9气体不完全燃烧热损失查表8-390 %10散热损失查图3-40.88 %11灰渣物理热损失0 %12锅炉总热损10.46 %13

32、锅炉热效率89.542 %14锅炉蒸发量给定119.40 Kg/s15过热蒸汽出口焓3332.40 KJ/Kg16饱和水焓1108.50 KJ/Kg17给水焓721.65 KJ/Kg18锅炉排污率给定2.00 %19锅炉总吸热量312647.3 KW20燃料消耗量13.2259 Kg/s21计算燃料消耗量12.6968 Kg/s表3-4 锅炉热平衡及燃料消耗量计算通过锅炉热量计算，得出计算燃料消耗量后，查表参考选取锅炉截面热负荷，接下来进行炉膛横断面的设计计算。本设计中为更好的组织四角切圆燃烧，炉膛横断面设计为正方形。如下表3-5：序号名称符号计算公式或来源结果单位1 炉膛界面热负荷查表8-4

33、0、8-413500 2 炉膛截面积96 3 炉膛宽度及深度10 4 炉膛容积热负荷查表8-38135 5 炉膛容积2483 6 冷灰斗底口宽度设定1 7 冷灰斗倾角设定60 8 冷灰斗高度7 9 冷灰斗等分面到出口烟窗高度26 表3-5 炉膛截面设计3.3 制粉系统的选取煤粉锅炉燃用的合格煤粉应由制粉系统供应。制粉系统的选用和设计是要在保证磨煤单位消耗最经济的情况下，安全可靠的将燃烧所需的煤粉通过燃烧器送入炉膛中悬浮燃烧，并提供一定的符合锅炉稳定燃烧需要的风量和风压。故制粉系统的选取影响这燃烧器的设计。3.3.1 磨煤机简介磨煤机是煤粉制备系统的主要设备。其作用是将具有一定尺寸的煤块干燥、破

34、碎并磨制成煤粉，主要受到撞击、挤压和研磨三种力的作用。按照磨煤部件的转速可分为：低速磨煤机、中速磨煤机和高速磨煤机。其中常用的钢球磨煤机是低速磨煤机的一种。钢球磨煤机适应煤种广，尤其适合磨制其他磨煤机不宜磨制的煤种，如硬度大、磨损性强的煤及无烟煤、贫煤、高灰分和高水分的劣质煤等。能在运行中补充钢球，结构简单，故障也少，运行安全可靠。磨煤机的选用与煤种特性、要求经济细度及锅炉负荷有关。3.3.2 制粉系统的分类 不同性质的燃料，不同负荷的锅炉以及与燃烧器的配合情况，有多种不同的制粉系统。对于电站锅炉，主要分为中间储仓式和直吹式两种制粉系统。中间储仓式制粉系统的主要特点在于磨制合格的煤粉全部储存在

35、中间煤粉仓内，然后经过给粉机按锅炉燃烧需要量供给锅炉燃烧使用。由于中间有个煤仓，所以磨煤机的运行处理不必时刻与锅炉配合，制粉量不必与燃煤量一致，故其运行有一定的独立性，可以一直保持在经济负荷下运行，并保证整个设备和系统的可靠性。这种系统最适合配用调节性能较差的钢球磨煤机。直吹式制粉系统中，磨制合格的煤粉全部直接送入锅炉内燃烧。因此每台锅炉所有磨煤机制粉量之和应时时与锅炉煤粉消耗量一致，即制粉量随锅炉负荷变化而变化，运行可靠性相对较低。3.4 本章小结为更好的组织四角切圆燃烧流场，本设计中炉膛的横断面设计为正方形，四个燃烧器分别置在炉膛下部四角处。因本设计使用的煤种是无烟煤，不易燃烧，为保证锅炉

36、的可靠运行及煤粉的可靠供应，故采用中间储仓式制粉系统，与钢球磨煤机配合使用。第4章 直流煤粉燃烧器的设计4.1 引言燃烧器的设计包括一、二、三次风的选取和燃烧器个喷口具体具体尺寸的设计。4.2 直流燃烧器各种风的设计计算本设计设计煤种为无烟煤，挥发分很低只有9%，而固定碳含量较高，不易着火和燃尽。为了保证燃烧的稳定性，必须保持较高的炉膛温度，因此在燃烧器的一、二、三次风的选取上采取：（1） 为了保证着火的稳定性，减少煤粉气流的着火热，我国燃用无烟煤的锅炉均采用热风送粉，热风温度一般选取为380420，故采用中间储仓式制粉系统。这时还有1015%的煤粉和高湿度低温度的干燥剂（100），只能作为三

37、次风送入炉膛，三次风喷口应布置在上二次风喷口以上一定距离处，采用较高的风速，使其能穿透高温烟气进入炉膛中心。三次风应不影响炉膛内燃烧中心的燃烧过程，又能加强炉内气体的扰动和混合，同时有利于三次风中细粉的燃尽。（2） 有的低挥发分煤种的直流燃烧器的一次风喷口四周包有一层速度较高的二次风，称之为周界风。周界风风层薄，风速高，有利于将高温烟气卷吸入一次风气流中。周界风的风量一般为二次风量的10%左右，风速为3045m/s，风层厚度为1525mm。（3） 磨煤废气作为三次风在炉膛上部喷入，三次风量按照制粉系统而定，一般约占总风量的1020%，对高水分和高灰分的劣质煤，三次风量有可能达到2530%。（4

38、） 二次风的作用是及时提供煤粉燃烧所需要的氧气，并加强炉内气体的扰动混合，故要求二次风射流对烟气的贯穿力较大，故二次风风速选取较高，并且还应保持一定的一、二次风风速比。燃烧器一、二、三次风的选取设计计算如下表4-1：表4-1 燃烧器设计计算序号名称符号公式或来源结果单位1 计算燃料消耗量查表413 2 燃料低位发热量给定26400 3 理论空气量查表17 4 炉膛出口过量空气系数查表21 5 炉膛漏风系数查表20.16 炉膛漏风率87 空气预热器出口风温给定370 8 一次风率查表8-425 9 一次风温（送粉风温）选取380 10 一次风速查表8-2723 11 一次风量65 12 三次（磨

39、煤废气）风率选取20 13 三次风温选取80 14 三次风速查表8-2750 15 三次风量28 16 二次风率47 17 二次风温360 18 二次风速查表8-2748 19 二次风量118 4.3 直流燃烧器的结构设计在燃烧器的结构设计上采取：（1） 为了提高着火区域气流中的煤粉浓度，推迟一、二次风的混合，一次风喷口采用集中布置，即分级配风的燃烧器型式。（2） 为了增加一次风射流与周围高温烟气的接触面积，喷口常设计成直立狭长型，以增加一次风射流周界，但其高宽比也不易过大，否则射流刚性变差而偏离导致炉膛及受热面结渣。当采用一次风喷口集中布置，并用共同的周界风包围时，它的高宽比应小于4。（3）

40、 为了不干扰一次风煤粉气流的着火过程，二次风采用分级送入的方式，在燃烧发展阶段，将二次风分级逐步加入。一般二次风喷口布置在一次风喷口的上、下方，上方的二次风喷口又分为两个，下方布置一个。一般情况下二次风喷口设计为可摆动形式，以便控制二次风与一次风的混合时间。（4） 各喷口间间距的选取应在合理的范围内，过大则燃烧器整体过于狭长，过小则风量过于集中，混合时间过小，对燃烧不利。燃烧器的结构设计见下表4-2：表4-2 燃烧器结构设计序号名称符号计算公式或来源结果单位1 燃烧器数量四角切圆布置4 个2 每个燃烧器的标准出力10 3 一次风口总面积3 4 二次风口总面积2 5 三次风口总面积1 6 每个燃

41、烧器一次风喷口个数查表8-31选取3 个7 每个燃烧器二次风喷口个数选取3 个8 每个燃烧器三次风喷口个数选取1 个 表4-2（续表）序号名称符号计算公式或来源结果单位9 每个一次风喷口截面积0.235510 每个三次风喷口截面积0.140511 一次风喷口高宽比选取3 12 一次风喷口宽度307 13 一次风喷口高度76714 三次风喷口截面直径42315 周界风风层厚度选取25 16 周界风风速选取40 17 周界风风量选取二次风量的6.7%8.024 18 周界风风口截面积0.200619 每个二次风喷口截面积0.189720 二次风喷口宽度选取360 21 二次风喷口高度52722 一

42、次风喷口间间距由周界风截面积算得120 23 上二次风喷口间间距查表8-15250 24 一、上二次风喷口间间距查表8-15选取310 25 一、下二次风喷口间间距查表8-15选取200 26 三、上二次风喷口间间距查表8-15选取210 27 燃烧器间距离与炉膛宽度同9.786 28 燃烧器假想切圆直径1200 29 下二次风边缘到灰斗转折点查表8-14选取1500 燃烧器的结构设计完成。4.4 本章小结本设计中根据无烟煤的煤种特性，先对一、二、三次风的风温、风速、风量等进行合理的选取，并选定各种风喷口的个数，后对各喷口的形状进行设计（选定高宽比）。给出喷口的布置方式（一次风喷口集中布置，一

43、个下二次风喷口，两个上二次风喷口，三次风喷口布置在最上方），在合理范围内选取各喷口间间距，保证燃烧器整体的高宽比合适。 第5章 用FLUENT软件计算四角切圆流场5.1 引言FLUENT软件是用来计算流体流动和传热问题的程序。故可用来计算燃烧器组织的切圆燃烧的炉内流动场。5.2 FLUENT软件简介FLUENT是用于计算流体流动和传热的程序，它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的集合结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格，三维的四面体、六面体和混合网格。FLUENT还可以根据计算结果调整整个网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有非常大的好处。且由于

44、网格自适应调整只是在需要加密的整个流场区域里实施，而非整个流场，故可以节约计算时间。5.2.1 FLUENT的组成FLUENT的程序软件包括以下几个部分：（1） GAMBIT用于建立几何结构和网格生成，为FLUENT的模型读入计算准备条件；（2） FLUENT用于进行流动模拟计算的求解器；（3） prePDF用于模拟PDF的燃烧过程；（4） TGrid用于从现有边界网格生成体网格；（5） Filters转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。FLUENT软件功能强大，复杂难懂。虽完全渗透不易，但是简单的基本操作还是具有很大的可掌握性。本设计主要涉及到的是GAMBIT和FLUENT这两大基

45、本部分。用GAMBIT绘出计算模型，划分网格并设置边界条件，后用FLUENT读取模型进行计算5.2.2 FLUENT程序的求解步骤和问题FLUENT的求解步骤：（1）确定几何形状，用GAMBIT生成计算网格，也可读入其他指定程序生成的网格；（2）输入并检测网格；（3）选择求解器（2D、3D）；（4）选择求解方程：层流或湍流或无粘流、化学组分或化学反应、传热模型等，并确定其他需要的模型，如：风扇，热交换器等模型；（5）确定流体的材料物性；（6）确定边界类型及边界条件；（7）条件计算控制参数；（8）流场的初始化；（9）求解计算；（10）保存结果，进行后处理等。在进行计算时，FLUENT求解器的选取

46、有四种：（1） FLUENT 2D二维单精度求解器；（2） FLUENT 3D三维单精度求解器；（3） FLUENT 2ddp二维双精度求解器；（4） FLUENT 3ddp三维双精度求解器。FLUENT可求解的问题非常广泛：可压缩流体和不可压缩流动问题；稳态和瞬态流动问题；无粘流、层流及湍流问题；对流换热问题；两相流问题；复杂表面形状下的只有流动问题等等。本设计所涉及的是DPM离散相的问题。对煤粉颗粒的运动轨迹，采用离散相模型进行计算。颗粒轨迹的计算基于连续相空气流场的计算结果，且离散相（煤粉颗粒）的质量和动量在流场中的承载率很低，对连续相空气的流场没有影响，故此种计算方法是可行的。5.3

47、FLUENT软件流场计算问题描述：一、二、三次风分别以垂直于燃烧器（分置于炉膛四角）各喷口的速度方向以直流射流方式射入炉膛内部，在炉内组织流动场。所研究的内容是炉内冷态的流场，得出煤粉颗粒的运动轨迹，即冷态模拟。问题简化：（1） 本例中喷口布置情况较为复杂，一次风喷口集中布置，四周包含有共同的周界风，由于周界分层厚度较小，不利于网格的划分，故在模拟计算时，将周界风忽略掉。另外三次风喷口设计为圆形，也增加了网格划分的复杂性，故将三次风喷口简化为正方形。（2） 本例的采取DPM离散相的模拟方法：先模拟单相空气的流动场，后采用defineinjection指令，插入细粉粒子射流，通过演示得出煤粉的运

48、动轨迹。5.3.1 用GAMBIT建立计算模型用GAMBIT创建计算模型，并设定边界条件划分网格，用以FLUENT流场的计算，具体步骤如下。步骤一：启动GAMBIT并选定求解器（FLUENT5/6）。步骤二：创建模型分别按设计尺寸画出炉膛、冷灰斗及燃烧器，通过移动、旋转、融合等指令，将燃烧器与炉膛冷灰斗融合为一个整体。如图5-1、5-2所示。 图5-1 炉膛燃烧器整体 图5-2 燃烧器步骤三：网格的划分（1） 打开Mesh Edges 对话框，选中炉膛下部四个燃烧器，如图5-3所示，将其进行线节点划分。选中Grading Apply，选中Spacing Apply，将interval size

49、 设置为0.03，选中Mesh，其余默认。（2） 打开Mesh Volumes 对话框，选中整个Volumes，如下图5-4所示。选中Scheme Apply，选中Spacing Apply，将interval size 设置为0.25，选中Mesh，得出网格划分情况。如图5-5、5-6所示。 图5-3 燃烧器边界线节点划分选取 图5-4 炉膛整体网格划分选取 图5-5 炉膛整体网格 图5-6 燃烧器喷口网格步骤四：边界条件类型的指定打开Specify Boundary Types 对话框，通过一系列的设置，得到所需的边界条件将一、二、三次风喷口截面选中（分别将一、二、三次风喷口截面命名为1c

50、f、2cf、3cf），边界类型设置为VELOCITY-INLET，将炉膛上部出口截面（命名为chukou）设置为PRESSURE-OUTLET。注意：对其他未设置的面，默认为固壁。步骤五：输出网格文件打开File-Export-Mesh 对话框，进行网格输出为ransq.msh，得到网格文件。5.3.2 利用FLUENT 3D求解器进行求解运用离散相DPM计算模型，计算煤粉颗粒在炉膛内部的运行轨迹。1、 启动FLUENT三维双精度计算器，读入网格文件ransq.msh。网格读入后，执行Grid-Check指令，得到反馈消息Done。2、 创建连续相计算模型（1） 设置求解器。操作：Define

51、-Models-Solver，选中Steady，启用定常、隐式、非耦合求解器。（2） 选取紊流模型。操作：Define-Models-Viscous，选取k-epsilon紊流模型，弹出设置对话框，保持默认设置。（3） 选取默认材料。操作：Define-Materials，Fluent中默认材料即为空气。（4） 选取默认的操作条件。操作：Define-Operating Conditions，首先对单相的空气进行计算，由于对空气而言，重力的而影响甚微，可以不考虑重力的影响。（5） 确定边界条件。操作：Define-Boundary Conditions，打开边界设置对话框。在Velocity

52、Specification Method项选取为Magnitude，Normal to Boundary，在Reference Frame项选取Absolute，其余保持默认。a）1cf边界，一次风空气以速度23m/s垂直边界面流入。b）2cf边界，二次风以速度48m/s垂直边界流入。c）3cf边界，三次风空气以速度50m/s垂直边界流入。d）chukou边界，为压力出口，默认设置。e）其他边界均为默认设置。（6） 设置求解参数控制。操作：Solve-Controls-Solution，打开设置对话框，在Equations项选中所有，在Pressure相选中Standard，其余设置均默认。点

53、击OK。（7） 流场初始化。操作：Solve-Initialize-Initialize，用速度入流边界对流场进行初始化，点击Init。（8） 打开残差监视器。操作：Solver-Monitors-Residual，将OPtions项全部选中，保留其他默认设置，点击OK。（9） 保存Case文件。操作：File-Write-Case，保存为“ransq”。3、 连续相流场计算及计算结果后处理（1） 开始计算。操作：Solver-Iterate，打开迭代对话框，设置Number of Iterations项为1000，点击Iterate按钮，计算开始。经过953次计算，计算结果收敛。（2） 创建

54、等值坐标面。为显示3D模型流场计算结果，需要创建一些面，并在这些面上显示计算结果。操作：Surface-Iso Surface/Plain，具体操作按对话框指示和所创建面的坐标得出。（3） 绘制速度分布图。操作：Display-Contours。各创建面的速度显示如下各图所示。图5-7 炉膛对角面速度 图5-8 下二次风底部速度场图5-9 一次风喷口中心速度场图5-10 一次风喷口顶部速度场图5-11 上二次风喷口中心速度场图5-12 三次风喷口中心速度场4、 离散相的流动计算（1） 设置离散相。操作：Define-Models-Discrete Phase，打开离散相模型设置对话框，选取默认

55、设置，点击OK。（2） 设置煤粉颗粒射流。 操作：Define-Injections，打开射流设置对话框，点击Create，打开射流属性对话框，分别对四角燃烧器的一次风、三次风中的离散相煤粉射流进行设置。根据燃烧器所处四角的位置不同，各射流的入口速度大小和方向也不同，应根据燃烧器与炉膛的夹角分别加以计算设置（喷入速度大小乘以与炉膛夹角的正弦余弦值，冠以正负号）。且设定三次风中携带的煤粉量占总煤粉量的10%（计算燃料消耗量在前面的设计中已经计算得出）。煤粉颗粒粒径选取为40m。如下图所示的是炉膛其中一角燃烧器的一次风、三次风中煤粉射流的设置。Injection Type选项中选择Surface，

56、选中要进行设置的面，Material选项中选择anthracite（无烟煤）。（3） 颗粒运动轨迹显示。a） 操作：Display-Particle Tracks，打开颗粒轨迹对话框。在Release from injections 项中选择所有，Color by项选择Particle Variables和Particle Residence Time，其他设置默认，点击Display，显示出所有煤粉粒子的运动轨迹。如图5-13、5-14所示。点击Pulse按钮，即可查看动态效果。b） 在Color by项选择Velocity和Velocity Magnitude，得出轨迹图如图5-33所示。图5-13 煤粉颗粒轨迹图图5-14 煤粉颗粒轨迹速度大小c） 在Release from injections 项