430T直流煤粉燃烧器的设计及冷态流场的计算哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计） 哈尔滨工业大学 本科毕业论文（设计） 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，随国民经济发展的发展，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...

  ） 哈尔滨工业大学 本科毕业论文（设计） 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，随国民经济发展的发展，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，煤粉燃烧器大致上可以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 Calculation Abstract The thermal power is the main form of energy production in China, with the development 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 coal 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 economy. 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 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. Finally 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 I 摘 要 I Abstract II 目 录 1 第1章 绪 论 1 1.1 课

  背景及研究的目的和意义 1 1.2 燃烧器的发展概况 2 1.2.1 燃烧器的发展 2 1.2.2 燃烧器的分类 3 1.3 本文的主要研究内容 4 第2章 直流煤粉燃烧器的简单介绍 4 2.1 引言 4 2.2 直流燃烧器的型式 4 2.3 直流燃烧器的四角布置方式 6 2.4 本章小结 7 第3章 炉膛及制粉系统的设计选取 7 3.1 引言 7 3.2 煤粉锅炉炉膛横截面设计 7 3.2.1 煤粉炉炉膛概述 7 3.2.2 煤粉炉炉膛的设计 12 3.3 制粉系统的选取 12 3.3.1 磨煤机简介 13 3.3.2 制粉系统的分类 13 3.4 本章小结 14 第4章 直流煤粉燃烧器的设计 14 4.1 引言 14 4.2 直流燃烧器各种风的设计计算 16 4.3 直流燃烧器的结构设计 18 4.4 本章小结 19 第5章 用FLUENT软件计算四角切圆流场 19 5.1 引言 19 5.2 FLUENT软件简介 19 5.2.1 FLUENT的组成 19 5.2.2 FLUENT程序的求解步骤和问题 20 5.3 FLUENT软件流场计算 21 5.3.1 用GAMBIT建立计算模型 23 5.3.2 利用FLUENT 3D求解器进行求解 30 5.4 本章小结 31 结 论 32 致 谢 33 参考文献 第1章 绪 论 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核心部件 ,其最大的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，能在极短的时间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、高效率节约能源，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，深受广大新老客户欢迎。 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： 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。 有较好的煤种适应性，拥有非常良好的调节性能。 运行可靠，不易烧坏和磨损，便于维修。 易于实现远程活自动控制。 控制污染物的排放，保护自然环境。 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： 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。 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,进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相对比较简单,调节方便,反应灵敏,投资节省等优点。 制粉系统基本上采用正压直吹式中速磨煤机。 上世纪 80 年代始 ,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。 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一定的影响。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。 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。这种燃烧器的型式更适合无烟煤、贫煤和劣质烟煤的使用。 2.3 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法不一样，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： 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）。 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）。 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）。 八向或六向切圆布置：适用于截面较大的单炉膛，非常适合于大容量褐煤炉。如下图2-1（d）。 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做到合理的选择。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选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是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，保障火焰在炉内充满良好，不贴壁，并有均匀的截面热负荷分布。 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3-1 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*Oar 6.8476 m3/Kg 2 ＲＯ２容积 0.01866*(Car+0.375*Sar) 1.293 m3/Kg 3 Ｎ２理论容积 0.79*V+0.8*Nar/100 5.4175 m3/Kg 4 Ｈ２Ｏ理论容积 0.111*Har+0.0124*Mar+0.0161*V 0.493 m3/Kg 5 理论烟气容积 7.2036 m3/Kg 6 飞灰中纯灰分额 — 0.95 — 7 烟气中飞灰质量浓度 0.1804 Kg/Kg 8 煤的折算灰分 7.1932 g/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4-3 0.10 0.03 0.02 0.03 0.02 0.03 2 出口过量空气系数 查表4-4 1.25 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 0.524 0.527 0.530 0.533 5 实际烟气量 8.943 9.047 9.221 9.395 9.569 9.743 6 RO2容积份额 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 7 H2O份额 0.058 0.057 0.056 0.056 0.055 0.054 8 三原子份额 0.202 0.200 0.197 0.193 0.190 0.187 9 烟气质量 11.99 12.12 12.35 12.57 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) (6) (7) (8) 100 169.7 219.4 129.6 702.11 150.5 74.20 995.73 200 357.5 462.2 259.9 1408.14 304.5 150.12 2020.50 300 558.8 722.5 392.0 2123.86 462.7 228.11 3074.50 400 771.9 998.1 526.5 2852.58 626.2 308.72 4159.36 500 994.4 1285.8 663.8 3596.47 794.9 391.89 5274.11 600 1224.6 1583.4 804.1 4356.61 968.9 477.67 6417.69 700 1461.9 1890.2 947.5 5133.56 1148.9 566.41 7590.20 800 1704.9 2204.4 1093.6 5925.12 1334.4 657.86 8787.42 900 1952.3 2524.3 1241.6 6726.99 1526.1 752.37 10003.68 1000 2203.5 2849.1 1391.7 7540.23 1722.9 849.39 11238.75 1100 2458.4 3178.7 1543.8 8364.31 1925.1 949.07 12492.09 1200 2716.6 3512.6 1697.2 9195.43 2132.3 1051.22 13759.22 1300 2976.7 3848.9 1852.7 10037.93 2343.7 1155.44 15042.25 1400 3239.1 4188.2 2008.7 10883.14 2559.1 1261.64 16332.93 1500 3503.1 4529.5 2166.0 11735.39 2779.0 1370.05 17634.94 1600 3768.8 4873.1 2324.5 12594.14 3001.8 1479.89 18947.09 1700 4036.4 5219.1 2484.0 13458.31 3229.2 1592.00 20269.37 1800 4304.7 5566.0 2643.7 14323.57 3458.4 1704.99 21594.53 1900 4574.1 5914.3 2804.1 15192.61 3690.3 1819.32 22926.24 100 132.4 906.62 80.67 14.55 — — 1354.80 200 266.4 1824.20 168.87 30.46 — 2689.44 2744.16 300 402.7 2757.53 263.34 47.51 — 4087.14 — 400 541.8 3710.03 359.48 64.85 — 5522.72 — 500 684.1 4684.44 457.71 82.57 — — — 600 829.7 5681.45 559.28 100.89 — — — 700 978.3 6699.01 661.28 119.29 — — — 800 1129.1 7731.63 765.78 138.15 — — — 900 1282.3 8780.68 873.62 157.60 — — — 1000 1437.3 9842.06 982.30 177.21 — — — 1100 1594.9 10921.24 1095.16 197.57 — — — 1200 1753.4 12006.58 1203.84 217.17 — — — 1300 1914.2 13107.68 1358.50 245.07 — — — 1400 2076.2 14216.99 1580.04 285.04 — — — 1500 2238.9 15331.09 1755.60 316.71 — — — 1600 2402.9 16454.10 1872.64 337.82 — — — 1700 2567.3 17579.84 2060.74 371.76 — — — 1800 2731.9 18706.96 2181.96 393.63 — — — 1900 2898.8 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、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/Kg 2 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/Kg 4 排烟温度 给定 140 ℃ 5 排烟热焓 查表3（α=1.38），插入法计算 1908.187 KJ/Kg 6 排烟过量空气系数 查表2 1.38 — 7 排烟热损失 5.578 % 8 固体不完全燃烧热损失 查表8-39 4 % 9 气体不完全燃烧热损失 查表8-39 0 % 10 散热损失 查图3-4 0.88 % 11 灰渣物理热损失 0 % 12 锅炉总热损 10.46 % 13 锅炉热效率 89.542 % 14 锅炉蒸发量 给定 119.40 Kg/s 15 过热蒸汽出口焓 3332.40 KJ/Kg 16 饱和水焓 1108.50 KJ/Kg 17 给水焓 721.65 KJ/Kg 18 锅炉排污率 给定 2.00 % 19 锅炉总吸热量 312647.3 KW 20 燃料消耗量 13.2259 Kg/s 21 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8-40、8-41 3500 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8-38 135 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，结构相对比较简单，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，大致上可以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征在于磨制合格的煤粉全部储存在中间煤粉仓内，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，可以从始至终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，运行可靠性相比来说较低。 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。为了能够更好的保证燃烧的稳定性，一定要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： 为了能够更好的保证着火的稳定性，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380~420℃，故采用中间储仓式制粉系统。这时还有10~15%的煤粉和高湿度低温度的干燥剂（

  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 0.2355 10 每个三次风喷口截面积 0.1405 11 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 767 14 三次风喷口截面直径 423 15 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 0.2006 19 每个二次风喷口截面积 0.1897 20 二次风喷口宽度 选取 360 21 二次风喷口高度 527 22 一次风喷口间间距 由周界风截面积算得 120 23 上二次风喷口间间距 查表8-15 250 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、风量等做到合理的选取，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很有效。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还能够准确的通过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，故能节约计算时间。 5.2.1 FLUENT的组成 FLUENT的程序软件包括以下几个部分： 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； FLUENT——用于进行流动模拟计算的求解器； prePDF——用于模拟PDF的燃烧过程； TGrid——用于从现有边界网格生成体网格； 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，并确定别的需要的模型，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求解器的选取有四种： FLUENT 2D——二维单精度求解器； FLUENT 3D——三维单精度求解器； FLUENT 2ddp——二维双精度求解器； FLUENT 3ddp——三维双精度求解器。 FLUENT可求解的问题十分普遍：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影响，故此种计算方式是可行的。 5.3 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： 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。 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define—injection指令，插入细粉粒子射流，通过演示得出煤粉的运动轨迹。 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 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 设置为0.03，选中Mesh，其余默认。 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 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1cf、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。 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。 创建连续相计算模型 设置求解器。操作：Define-Models-Solver，选中Steady，启用定常、隐式、非耦合求解器。 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。 选取默认材料。操作：Define-Materials，Fluent中默认材料即为空气。 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。 确定边界条件。操作：Define-Boundary Conditions，打开边界设置对话框。在Velocity 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。 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。点击OK。 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。 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。。 保存Case文件。操作：File-Write-Case，保存为“ransq”。 连续相流场计算及计算结果后处理 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。 创建等值坐标面。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。 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 离散相的流动计算 设置离散相。操作：Define-Models-Discrete Phase，打开离散相模型设置对话框，选取默认设置，点击OK。 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40μm。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，选中要进行设置的面，Material选项中选择anthracite（无烟煤）。 颗粒运动轨迹显示。 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。 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 在Release from injections 项中分别选择injection-31得到炉膛一角的三次风中煤粉射流，选择injection-11得到炉膛一角的一次风中煤粉射流，同时选择injection-31和injection-11得到炉膛一角燃烧器的煤粉射流。如图5-15、5-16、5-17所示。 图5-34 炉膛一角的三次风中煤粉射流轨迹 图5-35 得到炉膛一角的一次风中煤粉射流轨迹 图5-36 炉膛一角燃烧器的煤粉射流轨迹 5.4 本章小结 本章利用FLUENT软件进行流场的计算。分为两大模块：一、利用GAMBIT绘制炉膛燃烧器，并划分网格，设置边界类型；二、利用FLUENT进行流场的计算及煤粉颗粒运动轨迹的显示。网格的划分先对燃烧器进行线节点的划分，后对炉膛整体进行网格划分。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流场的计算结果，且离散相的质量和动量在流场中的承载率很低，对连续相的流场没有影响。 结 论 对于燃烧设备组（炉膛、制粉系统和燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备），选定了相关的设计： 为组织更好的切圆燃烧，本设计中炉膛横断面设计为正方形。 根据无烟煤的特性，本设计中选用中间储仓式制粉系统，配备低速钢球磨煤机。 无烟煤着火不易，挥发分低，燃烧不稳定，故本设计中选用一次风喷口集中布置即分级配风直流燃烧器型式。 在燃烧器的设计中采用如下设计： 采用热风送粉（因是无烟煤，着火不易），热风送粉温度选为380℃，制粉系统中的磨煤废气作为三次风送入燃烧器。 对每个燃烧器的设计，有3个一次风喷口、3个二次风喷口、1个三次风喷口。 将3个一次风喷口集中布置（分级配风布置型式），并且有共同的周界风包围。周界风占二次风量的6.7%。 二次风喷口的布置为：1个二次风喷口布置在一次风喷口下方，称为下二次风喷口，以便托住煤粉并隔离煤粉；2个二次风喷口分级布置在一次风喷口上方，称为上二次风喷口。 将三次风喷口设计为圆形，布置在上二次风喷口上方。 各喷口间的间距根据范围要求合理选择。 本设计中用GAMBIT软件绘制出了炉膛和燃烧器计算模型，之后进行网格划分和边界条件类型的设置。因燃烧器的尺度与炉膛尺度相比很小，故网格的划分采取先对燃烧器的边界进行线节点的划分，之后再对整个模型进行网格划分。 本设计中对煤粉颗粒轨迹的模拟采用DPM离散相模型。因离散相煤粉颗粒的轨迹计算基于连续相空气的流场计算，故先对空气的流场进行模拟，选取3D、非耦合、定常、隐式求解器，得出空气流动场。再设置离散相计算模型，利用Define-Injection命令在一次风、三次风空气中插入煤粉射流，最后计算显示得出煤粉颗粒的运动轨迹图。 致 谢 为期一个学期的毕业设计就要结束了，也预示着我在哈工大这个美丽的校园内的旅程也走进了尾声。四年的大学生活有欢笑也有泪水，离别之际，蓦然回首看见自己成长的历程，看见自己在青葱校园内踏遍的足迹，不舍，涌上心头。这个校园内有我美丽的室友、可爱的同学和敬重的老师，有我参加班级活动雀跃的身影，也有我在自习室埋头苦读的努力。四年的锻炼，四年的磨难，四年的成长，成为我心中最美好的回忆！ 在大学的最后一项作业——毕业设计，也完成了。四个月的查阅资料、学习、思考、设计、修改也有了相应的收获。四个月的时光，

  着我对毕设的认真。虽然不算完美，但是我尽了最大的努力！ 衷心感谢导师黄盛珠老师对本人毕设的精心指导。在毕设过程中遇到了很多模棱两可的问题，百忙中的黄老师无论何时何地都在QQ上为我解答问题给我指导。感谢谭建宇老师、郝晓文老师在答辩时对我听力不好的谅解和照顾。感谢陈彬同学和王程超同学在我学习FLUENT软件时对我的帮助。感谢这四年来传授我知识的老师们！感谢这四年陪伴我的同学们！再次感谢你，我美丽的校园！ 参考文献 [1] 韩占忠. FLUENT——流体工程仿真计算实例与分析. 北京：北京理工大学出版社，2009. [2] 韩占忠. FLUENT——流体工程仿真计算实例与应用. 王敬，兰小平. 北京：北京理工大学出版社，2004. [3] 叶江明. 电厂锅炉原理及设备. 潘效军，陈广利，编写. 周强泰，张永涛，主审. 第三版. 北京：中国电力出版社，2010. [4] 温正. FLUENT 流体计算应用教程. 石良辰，任毅如，编著. 北京：清华大学出版社，2009. [5] 冯俊凯. 锅炉原理及计算. 沈幼庭，杨瑞昌，主编. 第三版. 北京：科学出版社，2003. [6] 徐通模. 锅炉燃烧设备. 西安：西安交通大学出版社, 1990. [7] 徐旭常. 燃烧理论与燃烧设备. 机械工业出版社, 1990. [8] 姚文达. 锅炉燃烧设备. 北京：中国电力出版社, 2000. [9] 范从振. 锅炉原理. 北京：中国电力出版社, 1986. [10] 容銮恩. 电站锅炉原理. 袁镇福，刘志敏. 北京：中国电力出版社, 1997. [11] 朱红钧. FLUENT流体分析及仿真实用教程. 人民邮电出版社, 2010. [12] 杨俊. 国外热风炉发展综述 . 沈阳工程学院学报(自然科学版)，2005.10.01. [13] 郭建团. DG670／13．7-20型锅炉燃烧器改造技术

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