1、第!卷第#期!$!年%月煤炭轉化+012!*02#4512!$!&()&*+,-./*3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333循環流化床燃燒數學模型7777肖顯斌6楊海瑞6呂俊復!岳光溪#摘要介紹了有關文獻中循環流化床燃燒的數學模型2按照各模型所使用的流體動力學模型的差異8將它們分成了不同的類別2同時也簡要介紹了幾種目前應用于循環流化床數學模型的氣固兩相流數值模擬方法2在評述各模型的優缺點和分析目前所存在問題的基礎上8初步提出了進一步發展的方向2關鍵詞循環流化床8數學模型8流體動力學模型8氣固兩相流8

2、數值模擬!2%9:$近二十年來8不少研究者在循環流化床數學模中圖分類號$引言使模型得到了一定的發展2從目型上做了許多工作8前已有的數學模型上看8各燃燒數學模型間的主要循環流化床是我國重點發展的清潔煤燃燒技術8它由于具有燃料適應性廣;燃燒反應充分及低污染排放等優勢在國內外得到了蓬勃的發展和廣8泛的應用2因此8它所涉及的相關研究內容成為國內同時8按照建模機理分類8可分為基于經驗的半關聯性質的模型和基于微觀守恒方程的機理模型按照簡化程度分類8可分為零維;一維;二維;三維等模型2本節將有針對性地介紹各個典型模型及其所采用的流體動力學模型22零維集中參數模型另一方面8借助計算機模型來研究復雜現象背后的微

3、觀物理本質也是一種高效;實用的方法2建立循環流化床燃燒數學模型8對正確地預測其運行性能8優化循環流化床反應裝置的設計和操作有著重要的意義2特別是商用循環流化床裝置的大型化8使得發展循環流化床燃燒的總體數學模型也成為基礎研成為循環流化床進一步發展的要求8究和工程應用兩方面都極為迫切的需要2本文對有關文獻中循環流化床燃燒的數學模型進行了簡要總結8按照各模型所使用的流體動力學模型的差異8將同時也簡要介紹了幾種目它們分成了不同的類別2前應用于循環流化床數學模型的氣固兩相流數值模擬方法2在評述各模型的優缺點和分析目前所存在問題的基礎上8初步提出了進一步發展的方向26!CO鍋爐及位于P$CO鍋爐進J0QG

4、HMG的!行了仿真;預測2模型中將鍋爐分成一系列模塊8并通過一個圖形化界面將不同的模塊按需要組合8組合后的整體用牛頓I拉普森算法聯立求解2模型中不考慮各變量的空間分布8而是用平均值代替8這會帶來一定偏差2但模型形式簡單8計算量相對較小22R鼓泡床模型該類模型基本上是鼓泡流化床和飛灰回送模型的組合8將因飛灰回送而增加的停留時間和粒度分布的變化考慮到鼓泡床的模型中去2模型分為濃相段和稀相段流化床由兩相組成8即氣泡相呈平推6循環流化床燃燒數學模型萬方數據博士生導師8清華大學熱能工程系867博士生!7副教授#7教授;6$ST北京收稿日期U!$!I$I6V年流!乳化相呈全混固體顆粒在床內的停留時間服從正

5、態隨機分布規律#金保%&等$的模型認為顆粒在床內作隨機運被鼓泡流化床停留時間分布計算出顆粒在濃相動!區的平均停留時間!認為顆粒在稀相區作變速運動!運動方程為)/55+,374*.(2.4(4)-90式中:(;顆粒流動速度(;顆粒相對氣流的)5滑移速度*;床高.);顆粒密度./;氣體密度1;重力加速度3;曳力系數4;床直徑#按雙表面收縮模型求得燃燒的關系#這類模型在處理循環流化床時過于簡單!只能得到一些總體的特性!且模型的結果與循環流化床的差別比較大!但求解比較容易!適用于循環倍率較低的循環流化床的初步設計計算#萬方數據期肖顯斌等循環流化床燃燒數學模型更為細致!目前發展得比較成熟!應用較多但它忽

6、存在一定程度的失真另外!略了爐內的徑向分布!小室如何劃分并沒有一個明確的依據!經驗性很強考慮到實際氣相和固相的返混程度大不相同!兩相采用不同的劃分方法可以更好地兼顧兩相的流動核結構模型#$環%環%核流動模型假設爐膛任一高度處有一明顯的環&核分界面!即中間是稀疏的核相區!靠壁面處核模型描述這也是一種在一維小室模型基礎上發展起來的準二維模型是濃密的環相區!核相區內顆粒向上流動!而環相區內顆粒向下流動!氣體向上流動不僅從整體上考慮顆粒的軸向分布顆粒粒徑的變化!而且考慮徑向顆粒濃度分布!環內顆粒的向下運動及環與核上下區段固體與氣體的物質和能量交換張永哲()*在李政的工作基礎上!在徑向引入了環核兩種小室

7、!利用經驗公式計算環核空隙率及氣固交換!更加細致地給出了鍋爐中流動傳熱和反應的分布情況王勤輝等(+*將鍋爐爐膛軸向分為密相區和稀相區!兩個區域以二次風高為界,密相區被假設成一個鼓泡床!兩相混和均勻!沒有濃度梯度-稀相區沿徑向分成核心區和環區兩個通道!各區內不存在濃度梯度!固相速度及通量由經驗式直接給定兩個通道分別進行流動傳熱和反應計算這類模型由于考慮了徑向的分布!使其發展成為了準二維的模型!比一維模型更加細致區域內仍然均一化!沒有進一步考慮內部的徑向分布-各研究者所采用的經驗公式和經驗模型也各不相同另外!雖然環%核流動模型在一定范圍內已被接受!但相關文獻也指出!實際中并無明顯的環&核分界面(.

8、/*!這需要更進一步的研究#0氣固濃%淡模型沈來宏(./*在吸收環%核流動模型的基礎上!將循環流化床爐膛上部稀相床內下降的顆粒團物料流定義為濃相!顆粒團周圍向上運動的稀疏物料定義為淡相!床內任一位置處濃相和淡相共存!下降的濃相存在于上升的淡相周圍1見圖23淡相內氣體和固體均向上運動!濃相內顆粒向下運動!氣體流動方向取決于濃相區內顆粒向下運動的速度大小!忽略兩相內氣體顆粒的軸向擴散過程!不考慮濃相區和淡相區內顆粒濃度沿徑向的變化沿垂直方向分成若干個小室!每個小室又分為濃相區和淡相區相鄰小室之間存在著氣體萬方數據固體質量交換和能量交換!小室內濃相區和淡相區存在著氣體交換燃燒采用縮%煤炭轉化;EE;

9、年熱以及各種熱效應計算顆粒群造成的質量!動量及能量源并使之作用于氣相速度場!溫度場及組分濃度場氣相場則反過來又影響顆粒的軌道及沿軌道變化的經歷#%&岑可法等$采用脈動頻譜隨機軌道模型計算%A但能夠將燃燒機制引入該模型的研究還動模擬$目前還不能完全實現基于微觀守恒原理并不多見#%B的流動!反應!傳熱等過程的全面耦合計算王維$實現了在鍋爐特定條件下的流動計算并引入燃燒行為建立了一維連續分布的燃燒模型此類模型形式統一便于應用計算流體力學的成功解法#此類模型物理意了循環流化床內的顆粒運動規律#義簡明方程形式簡單但計算很復雜#在循環流化床內由于固體顆粒濃度較高采用此模型來計算固體顆粒濃度分布等會遇到比較

10、大的困難但在計算;氣固兩相流動模型顆粒速度及氣固化學反應過程中有獨到的優點可以追蹤比較復雜的顆粒經歷#(#)雙流體模型雙流體模型是把顆粒和氣體都看成是連續介質即看成雙流體系統認為空間各點都有這兩種流體各自不同的速度!密度分布它們共同占據同一空間而互相滲透但存在不同的體積份額*或出現的概率+相互間存在著滑移#采用雙流體模型建立兩相流方程的觀點和基本方法是先建立每一相的!瞬時的!局部的守恒方程然后采用某種平均的方法得到兩相流方程和各種相間作用的表達式#最一般形式的兩相流方程很復雜直接用它去解決具體流動問題目前還有很多困難尤其是各種相互間作用的表達式為了便于使用需進行簡化#忽略流體相密度的脈動!顆粒

11、質量變化率的脈動以及非定常關聯項雙流體模型中流體相控制方程組和顆粒相控制方程組可以用一個統一的形式表示為,./0/1/2,3./0/56/41/47,385/0/291:4,34*;+式中從單純的流動模型研究來看萬方數據國內外研究者已經逐步從一維$%?!二維$%;?;發展到了三維的流從上節對總體模型的介紹中可以發現一個合適的流體動力學模型是循環流化床模型成功的關鍵#目前對于循環流化床鍋爐中的流動!傳熱及反應等方面的了解還不透徹因此這方面的模型多是基于表象的宏觀解釋#隨著對認識的不斷深入循環流化床的模擬也必然從宏觀的!經驗性的模型逐漸走向基于微觀守恒方程的模型#其中的機理性工作主要是指多相流體力

12、學中氣固兩相流領域的基礎研究#時至今日雖然兩相流的模型已經有了較大的進展但仍處于發展完善階段#從刻劃的尺度及屬性上區分目前的兩相流模型主要有三類#C#(連續介質模型此類模型把顆粒相看成擬流體這是在兩相流動研究領域中使用最廣泛的一種方法#如果顆粒只被處理成一相的話就被稱為雙流體模型#$%DC#C離散顆粒模型此類模型只將顆粒看作離散相而氣體仍視為連續相對每個顆粒與氣體以及顆粒與顆粒間的作用都詳細考慮#由于此模型可以跟蹤所有顆粒的運動軌跡也常被稱為顆粒軌道模型#$;EC#F流體擬顆粒模型此類模型從刻劃單顆粒尺度上的運動行為入手不僅將宏觀離散的顆粒當成離散相處理還將宏觀連續的流體也采用擬顆粒性質的流體

13、微團來處理從而可以模擬遠離平衡態的系統#$;%&氣固兩相流的數值模擬方法流動模型中參數的獲取可以有兩種途徑第一是經驗模型關聯即由實驗數據關聯的半經驗模型計算得到結果=第二就是直接數值模擬即利用計算流體力學的方法建立基本守恒方程結合初始和邊期肖顯斌等循環流化床燃燒數學模型界條件!加上數值計算理論與方法!得出流場溫度場和濃度場等的分布#目前對氣固兩相流的數值模擬不外乎兩類方即歐拉方法和拉格朗日方法#第一類方法把顆粒法!作為擬流體!認為顆粒與流體是共同存在且相互滲透的連續介質!兩相都在歐拉坐標系下處理!即連續介質模型#這類模型經歷了無滑移模型小滑移雙流體模型有滑移$擴散的雙流體模型以及近年來發展起來

14、的以顆粒碰撞理論為基礎的顆粒動力學雙流體模型#對密相氣固兩相流!這類模型能通過固體粘度和固體壓力來表示顆粒間相互作用#第二類方法把氣體當作連續介質!而將顆粒視為離散體系!在歐拉坐標系下考察流體相的運動!在拉格朗日坐標系下研究顆粒群的運動!即顆粒軌道模型#這類模型用完全彈性碰撞模型或顆粒離散單元法處理密相氣固兩%&相流顆粒間相互作用#用#初始時各個顆粒/01將顆粒視為非連續介質!處于力平衡狀態#當所考慮在空間有其固定的位置!范圍內的作用力系或邊界條件發生變化時!某些顆粒在重力及外力的作用下產生一定的加速度和相對使得顆粒的空間狀態發生變化!位移后的顆的位移!粒與所接觸的顆粒產生疊加!根據力$位移關

15、系!產生新的作用力系狀態!使得更多的顆粒由于作用力而產生新的運動和位移#離散單元法的計算是交替采用牛頓第二定律和接觸的力$位移方程來完成!牛頓第二定律給出由于所有施加在顆粒上的力而引起的顆粒運動!力$位移方程則用來計算接觸力與位移的關系!其計算過程可簡單表示成圖2的形式#&2!&8等%運用此方法對流化床和循環流化34567床進行了模擬!得到了床內氣固兩相的速度濃度分布顆粒團聚分散!氣泡長大和破碎的信息#這些研究結果說明/01方法在模擬氣固兩相流方面已顯示出其潛在的強大預測性能!可望對氣固密相流中顆粒的流動特性進行詳細描述#但由于受計算機容量和速度的限制!目前模擬主要針對大顆粒!小規模裝置和短時

16、間計算#(#)離散單元法*+,-.近年來在/01是研究顆粒軌道模型的方法!流體$固體密相流*特別是循環流化床.得到不少應萬方數據S煤炭轉化)VV)年能!模型必然由簡單向復雜發展!多維模型將成為研同時!一個合適的流體動力學模型是循環究的重點流化床模型成功的關鍵流動模型中!對宏觀經驗模型及微觀機理模型的研究使得循環流化床的建模也其一是從微觀流動$傳熱$傳質沿著兩個方向發展#機理出發!建立微觀機理的偏微分方程!得到詳盡的局部信息!這一工作依賴于兩相流模型及其封閉關系的改進!以及計算方法與能力的提高%另一方向是參考依賴現有知識!以現有實驗數據與經驗模型來關聯據前面對各種模型特點的分析!可以得出#第一個

17、方向中!可對顆粒動力學雙流體模型進行進一步深入對固相粘度$壓力的模擬!適當簡化!合理研究!引入燃燒機制%第二個方向中!可以小室模型為基礎!充分利用現有各經驗模型的成果!建立簡化的多維模型!由于計算能力的限制!其關鍵在于探尋合理的假設以簡化計算而不失真文獻沈幼庭鍋爐原理及計算第)版北京#科學出版社!&(馮俊凱!*+&)(,!#!-./00-123456-7.!8/9/:;?AB-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F31-C;5H4I;5-/C.1F;C-:0J:KL/4M.!8-7;F6#!*STSSUT+VB-54C/D-:03;F2;=:1C10NO3;-P-:0Q-;:;R5;66&W

18、(金保范新寬!阮!征等燃煤飛灰循環流化床燃燒數學模型工程熱物理學報!*V!X)Y#)*&T(Z!*+V!)SXTY#ST)USbb/P/:ZZ;:BB1I5;=;:6-_;.1F;C915EC4-F-G;F3;FB1/CB1I46D-1:JB=a7e&b(;!#!-cd!Q=1C;57E;DDEH./D=;I/D-/C.1F;C-:019B1/CB1I46D-1:-:/B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;FZ;/D15J:3/64R!#!*+)+*U)*+8/50;7E;F6B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F2;=:1C10Nfgh915FR;50/I1:&S(李政循環流化床鍋

19、爐通用整體數學模型$仿真與性能預測#博士學位論文(北京#清華大學!&*T&i(.4!U-57Z35;5;D1:Bj5/?A,N:/I-.1F;C-:0915Q-I4C/D-1:/:FB1:D51C19/B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;FB1I4!*i!TWXbY#TUb)6D15JB=a7焦載熱氣化燃煤聯合循環系統的動態模型與控制研究#博士學位論文(北京#清華大學!&+(張永哲&)VVV駱仲泱!李絢天等循環流化床鍋爐爐內流動和燃燒特性的理論模擬動力工程!&*(王勤輝!*!*XTY#)S*U)iT循環流化床燃燒數學模型及試驗研究煤炭轉化!*!)XTY#biUS)&V(沈來宏e&(kN!

20、U#!U/:;:28;!Z/-:-12=5;F-I;:6-1:/C.1F;5915B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F31-C;56J:D=1:Na7;FR51#!*TW*UTT+;F-:0619D=;D=J:D;5:/D-1:/CB1:9;5;:;1:EC4-F-G;F3;FB1I46D-1:H;L15MQ.a&)(K:!l2U1;-0284;M;K!;5D=;57.-h-:0/:FZ;/D-1:-:D=;B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F=5;F-I;:6-1:/CB1I46D15!*!bT#)bU)SV.1F;CB=;I-/Ca:0-:;5-:0Q-;:;倪明江!駱仲泱

21、等循環流化床鍋爐理論設計與運行北京#中國電力出版社!&W(岑可法!*i二相流體動力學北京#高等教育出版社!*W&T(劉大有&b(3!U#!+#/-,-:051:07-:1:02=;2L1=/:;C.1F;C915E/6DEC4-F-G/D-1:J:KL/4M.!K4:-,;F6EC4-F-G/D-1:m3;-P-:0!*+bbUSTQ-;:;R5;66&S(5!UU/6D11145k!R/MF;CRF;L4I-.kNF51FN:/I-6:/CN6-619,-C4D;j/661C-FEC1L-:/d;5D-/CR-;R1LF;52;=!*V!S)#SWUiV:1C10N陳新國!徐春明運用稠密氣體

22、理論建立氣粒兩相流流動模型化學反應工程與工藝!&i(郭印誠!*!bXTY#TSUT)W&+(王維兩相流數值模擬及在循環流化床鍋爐上的軟件實現#博士學位論文(北京#中國科學院過程工程研究所!&)VV&*(Q#!#-:C/-578kNF51FN:/I-6.1F;C-:0J:j5/;7Z_-F/:!K:1LCD1:2.!;F6B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F681:F1:!*iT*U+VB=/I/:nk/CC湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數值模擬北京#科學出版社!&)V(周力行*T&)(jUUU#!;!8-7R6;4F1/5D-C;51/=D1kNF51FN:/I-619j/661C-F

23、2L1=/6;EC1LJ:KL/4M.!8-7;F6B-54C/D-:0#!*S)SVU)SSEC4-F-G;F3;F2;=:1C10NO3;-P-:0Q-;:;R5;66&)(張政!謝灼利流體U固體兩相流的數值模擬化工學報!)VV!b)XY#U)&)W(2U64P-!K/L/04=-2!2/:/M/2,-65;D;R/5D-C;Q-I4C/D-1:192L1F-I;:6-1:/CEC4-F-G;F3;FR1LF;52;=:1C10N!*W!iiXY#i*U+i&)T(2!X64P-!2/:/M/21:;I45/QBC46D;5R/DD;5:6-:B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F6

24、R5;F-D;FNH4I;5-/CQ-I4C/D-1:,-65;D;UY!*+!*bX)Y#)bTU)STR/5D-C;.1F;Cd;56462L19C4-F.1F;CR1LF;52;?AkNF51FN:/I-.1F;C-:019j/6R/5D-C;EC1L6-:Z-6;5Z;/D156!*S!T)XSY#bS*Ub+)JB=a7&)S(Qo!*S!T)XSY#bWSUbTS/I4;C6;50!kP;5D/0;53kB1I4D/D-1:/C.1F;C-:019j/6R/5D-C;EC1L-:/Z-6;5JB=a7萬方數據下轉第TX)頁Y)L%&(&)*+,*-./&!#$煤炭轉化LL年0)126.6%&)(K+,&.L&-345!78#9:;?$83A73BA8:C37DEAF7E:83I!#$A:AIJ方開泰主編%多元統計分析引論6北京,科學出版社%0*1張堯庭%&MNOPQNRSPNTUVUMPQVUOWTQPTXYZVZPVZZZUPOMSQNU_TVWQTONOabcdecfghYbhihcYebcdYbhjbkbclfgckcd(%*&-+mnopqrstnupvwxwnwytzpy|qtp!y|vxtps