本發(fā)明涉及富氧燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種對富氧燃燒進行仿真的方法和裝置。

背景技術(shù)：

富氧燃燒技術(shù)是用純氧或富氧氣體混合物代替助燃空氣，實現(xiàn)化石燃料低碳利用的技術(shù)，該技術(shù)不僅便于回收煙氣中CO2，還能大幅度地減少NOx、SO2和顆粒物排放，是一種近“零”排放的清潔燃煤利用技術(shù)。

由于介質(zhì)的密度、比熱、擴散系數(shù)、輻射特性以及煙氣量的差異，使得富氧燃燒氣氛下爐內(nèi)的流動特性、煤粉火焰特性、燃燒過程、傳熱過程等與常規(guī)燃燒不同化。因此，需要在實際使用富氧燃燒前，先對富氧燃燒進行試驗。

現(xiàn)有技術(shù)中，采用小型試驗臺對富氧燃燒進行試驗。但是，在實際鍋爐進行試驗代價昂貴，而且存在一定的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種對富氧燃燒進行仿真的方法和裝置，用于解決上述技術(shù)問題或者至少部分地解決上述技術(shù)問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種對富氧燃燒進行仿真的方法，該方法包括：對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；當(dāng)冷態(tài)模擬的仿真計算收斂時，對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算，獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布仿真結(jié)果。

優(yōu)選地，所述對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算包括：使用冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括氣相湍流模型和能量模型中至少一者。

優(yōu)選地，所述對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算包括：利用化學(xué)反應(yīng)機理并使用熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括如下至少一者：組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型和輻射模型。

優(yōu)選地，所述對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算包括：采用一階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解；當(dāng)一階迎風(fēng)方式計算穩(wěn)定時，采用二階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解。

優(yōu)選地，所述參數(shù)包括如下至少一者：溫度、熱負荷、組分、壓力、速度、動量。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種對富氧燃燒進行仿真的裝置，該裝置包括：冷態(tài)模擬模塊，用于對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；熱態(tài)模擬模塊，用于當(dāng)冷態(tài)模擬的仿真計算收斂時，對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算，獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布仿真結(jié)果。

優(yōu)選地，所述冷態(tài)模擬模塊用于使用冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括氣相湍流模型和能量模型中至少一者。

優(yōu)選地，所述熱態(tài)模擬模塊用于利用化學(xué)反應(yīng)機理并使用熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括如下至少一者：組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型和輻射模型。

優(yōu)選地，所述熱態(tài)模擬模塊用于采用一階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解；當(dāng)一階迎風(fēng)方式計算穩(wěn)定時，采用二階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解。

優(yōu)選地，所述參數(shù)包括如下至少一者：溫度、熱負荷、組分、壓力、速度、動量。

通過上述技術(shù)方案，對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；當(dāng)冷態(tài)模擬的仿真計算收斂時，對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算，獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布仿真結(jié)果。在本發(fā)明中對富氧燃燒過程進行仿真計算，無需在實際中進行試驗便可獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布；并且將富氧燃燒的仿真計算分為冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬，進一步提高富氧燃耗的仿真計算的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的對富氧燃燒進行仿真的方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算的流程圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的仿真對象的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃燒器的水平布置圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的仿真所得燃燒區(qū)斷面速度分布的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的仿真所得爐膛溫度分布的示意圖；以及

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的對富氧燃燒進行仿真的裝置的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的對富氧燃燒進行仿真的方法的流程圖；該方法可由任何具有計算能力的設(shè)備執(zhí)行，例如，計算機等。如圖1所示，該方法可包括如下步驟。

在步驟S110中，對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算。

冷態(tài)模擬為熱態(tài)模擬提供基礎(chǔ)，冷態(tài)模擬為不考慮燃燒和輻射以及化學(xué)反應(yīng)的影響的模擬，在冷態(tài)模擬中可采用氣相湍流模型和能量模型。

在冷態(tài)模擬中，可以使用簡化(SIMPLE)算法來進行求解。

在一實施例中，所述對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算可包括：使用冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算。

其中，冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括氣相湍流模型和能量模型中至少一者。

氣相湍流模型可采用標(biāo)準(zhǔn)k-ξ模型，該模型具有較好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和較高的計算精度。標(biāo)準(zhǔn)k-ξ模型通過求解k方程和ξ方程，得到k和ξ的解，然后由此計算湍流粘度μ_t，最終利用Boussinesq假設(shè)得到雷諾應(yīng)力。

能量模型可采用常用的各種能量模型，本發(fā)明在此沒有特別限制。

在步驟S120中，當(dāng)冷態(tài)模擬的仿真計算收斂時，對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算，獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布仿真結(jié)果。

熱態(tài)模擬為考慮燃燒和輻射以及化學(xué)反應(yīng)的影響的模擬。

其中，參數(shù)可包括如下至少一者：溫度、熱負荷、組分、壓力、速度、動量。

舉例而言，在冷態(tài)模擬中可同時使用能量模型和氣相湍流模型進行仿真計算，根據(jù)仿真計算的殘差曲線來判斷冷態(tài)模擬的仿真計算是否收斂。在冷態(tài)模擬的仿真計算的基礎(chǔ)上開始進行熱態(tài)模擬的仿真計算。在熱態(tài)模擬中，可以使用簡化(SIMPLE)算法來進行求解。熱態(tài)模擬中考慮化學(xué)反應(yīng)，并可采用組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型和輻射模型來進行仿真。

在一實施例中，所述對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算可包括：利用化學(xué)反應(yīng)機理并使用熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算。

其中，熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括如下至少一者：組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型和輻射模型。

化學(xué)反應(yīng)機理

化學(xué)反應(yīng)機理涉及兩個方面，一個是實際全面燃燒過程的完整機理，另一個是簡化的骨架反應(yīng)機理和總包反應(yīng)機理。富氧條件下的總包反應(yīng)機理主要是由于CO₂和N₂在熱容、熱擴散系數(shù)、反應(yīng)性上都存在的差異，導(dǎo)致反應(yīng)速率、反應(yīng)級數(shù)都產(chǎn)生了變化。并且富氧燃燒產(chǎn)生大量的CO₂和H₂O，所產(chǎn)生的CO2和H2O將直接參與反應(yīng)，使反應(yīng)路徑發(fā)生改變。因此，需要對適合于空氣燃燒條件下的機理進行修正。在本發(fā)明的仿真計算中，考慮了七種氣體成分(CxHyOz，CO₂，CO，H₂O，O₂，H₂，N₂)。在富氧干循環(huán)下采用的四步反應(yīng)機理，如表1所示。

表1富氧干循環(huán)燃燒化學(xué)反應(yīng)機理

其中，A_r為阿倫尼烏斯常數(shù)，E_r為活化能，β_r為反應(yīng)指數(shù)。

組分輸運模型

組分輸運模型如下所示。

其中R_i是化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率；S_i是離散相及用戶定義的源相導(dǎo)致的額外產(chǎn)生的速率；ρ為氣體密度；ν為氣流速度；t為時間；和Y_i代表方向。

計算過程中采用的容積反應(yīng)模型為渦耗散概念模型(Eddy-dissipation Concept Model，EDC)，其在湍流流動中包括詳細的化學(xué)反應(yīng)機理，假定反應(yīng)發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)中，稱為良好攪拌尺度。

良好攪拌尺度的容積比率按下式模擬：

其中，*表示良好攪拌尺度；C_ξ為容積比率常數(shù)，為2.1377；v為運動黏度，k為湍流動能，ε為湍動能耗散率。

該模型認為物質(zhì)在良好攪拌尺度的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一個時間尺度τ后開始反應(yīng):

其中C_τ為時間尺度常數(shù)，等于0.4082，v為運動黏度，k為湍流動能。

離散相模型(Discrete Phase Model)

離散相模型在坐標(biāo)Lagrangian下模擬流場中離散的第二相(discrete phase)。顆粒的作用力平衡方程(x方向)為：

其中F_D(u-u_p)為顆粒的單位質(zhì)量曳力。

其中，u為流體相速度，u_p為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為流體密度，ρ_p為顆粒密度，d_p為顆粒直徑，Re為相對雷諾數(shù)，C_D為曳力系數(shù)，相應(yīng)的表達式為：

其中，系數(shù)α₁、α₂和α₃隨著雷諾數(shù)的變化有不同的范圍，Re_p為顆粒的雷諾數(shù)。

當(dāng)流動狀態(tài)為湍流時，可以通過考慮流體速度脈動引致的瞬時速度來計算由于流體湍流引致的顆粒擴散(Number of tries)。例如，采用隨機軌道模型(Discrete random walk model)來確定流體的瞬時速度。假設(shè)流體脈動速度服從高斯概率分布：

其中||η_guass||＝1

瞬時速度為：

揮發(fā)份析出模型

揮發(fā)分析出模型采用具有較高精度的化學(xué)滲透析出模型(CPD)。CPD模型建立在分析煤粉結(jié)構(gòu)在快速加熱析出過程中的物理、化學(xué)變化基礎(chǔ)上，是一種基于分析煤粉化學(xué)結(jié)構(gòu)特征的揮發(fā)份析出模型。使用CPD模型時，可設(shè)置如下5個參數(shù)：煤粉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中初始橋鍵分?jǐn)?shù)、初始碳鍵分?jǐn)?shù)、配位數(shù)、單體分子量、側(cè)鍵官能團分子量。依據(jù)設(shè)置來使用CPD模型進行仿真計算

焦炭燃燒模型

在空氣燃燒環(huán)境中，N₂在所有組分中質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)最大；但在富氧燃燒環(huán)境中，CO₂在所有組分中質(zhì)量和體積分?jǐn)?shù)是最大的。在此兩種不同氣氛中，O₂質(zhì)量擴散具有較大差別。對前后兩者而言，質(zhì)量擴散系數(shù)約為:DO₂,m＝5×10^-12kg/m²sPa和4×10^-12kg/m²sPa。

焦炭燃燒模型選擇使用動力學(xué)/擴散控制反應(yīng)速率模型。

動力學(xué)/擴散控制反應(yīng)速率(kinetics/diffusion-limited)模型假定表面反應(yīng)速率同時受到擴散過程和反應(yīng)動力學(xué)的影響。

擴散速率常數(shù)為：

其中，C₁為反應(yīng)常數(shù)；T_p為顆粒溫度；T_∞為環(huán)境溫度；d_P為顆粒粒徑。

化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)為：

依據(jù)二者不同的加權(quán)值得到焦炭的燃燒速率為：

其中：p_ox為顆粒周圍的氣相氧化劑的分壓；模型中假定顆粒尺寸不變，但顆粒密度可以降低，R為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。

輻射模型

采用離散坐標(biāo)(DO)輻射模型進行求解，利用從有限個立體角發(fā)出的輻射傳播方程(RTE)，每個立體角對應(yīng)著坐標(biāo)系(笛卡爾)下的固定方向立體角的精度根據(jù)實際的需要定義。DO模型把輻射傳熱方程轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)系的輻射強度的輸運方程。有多少個方向就求解多少輸運方程。

在富氧燃燒下，由于三原子氣體CO₂和H₂O的分壓大幅提升，傳統(tǒng)的灰氣體加權(quán)模型(WSGGM)已經(jīng)不再適用。顆粒的輻射特性對爐內(nèi)介質(zhì)輻射特性具有支配性的影響。在富氧燃燒條件下，由于煙氣容積減小，爐膛空間內(nèi)顆粒的濃度有所上升，因此顆粒的吸收系數(shù)也會增大。

各工況的爐內(nèi)吸收系數(shù)數(shù)值如下表2所示。

表2氣體吸收系數(shù)

在一實施例中，如圖2所示，所述對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算可包括如下步驟。

在步驟S202中，采用一階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解。

在步驟S204中，當(dāng)一階迎風(fēng)方式計算結(jié)果能夠確定時，采用二階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解。

舉例而言，在熱態(tài)模擬時，可采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式求解溫度、熱負荷、組分、壓力、速度、動量。在求解過程中，先采用一階迎風(fēng)方式，當(dāng)計算穩(wěn)定以后再使用二階迎風(fēng)方式。

針對如圖3和圖4所示的鍋爐采用本發(fā)明中方法進行仿真。其中，鍋爐采用п型布置，單爐膛，自然循環(huán)汽包爐。采用四角切圓直流燃燒，擋板調(diào)溫，固態(tài)排渣，爐膛水冷壁為膜式壁結(jié)構(gòu)，后墻水冷壁上部彎成折焰角，前后水冷壁下部形成550冷灰斗，冷灰斗下面布置除渣裝置。在爐膛上部垂直布置輻射式前大屏和后屏過熱器，水平煙道布置高溫過熱器和高溫再熱器。懸垂于爐膛上部的前大屏過熱器屬輻射型過熱器，共有8屏，分成四排排列。在前大屏的后部，布置有16片懸垂式的后屏過熱器。燃燒器采用四角布置切向燃燒。采用雙切圓布置方式。燃燒器噴口的布置方案：每角燃燒器噴口布置11層噴口，其中一次風(fēng)噴口5層，頂二次風(fēng)(冷卻風(fēng))噴口1層，其余5層為二次風(fēng)噴口。鍋爐和燃燒器噴口的詳細尺寸如圖1所示。燃燒器的水平布置圖如圖4所示。

在本實施例中，基于200MW常規(guī)的空氣燃燒鍋爐，以干循環(huán)工況為例，進行仿真計算。分為冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬。在進行冷態(tài)模擬時，不考慮燃燒和輻射以及化學(xué)反應(yīng)的影響，啟用氣相湍流模型和能量模型。當(dāng)冷態(tài)模擬收斂后，進行熱態(tài)模擬。熱態(tài)模擬在冷態(tài)模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進行，啟用組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型以及輻射模型來模擬全爐膛的溫度和熱負荷分布以及組分的摩爾濃度分布，其中各個模型的描述如前所述。

在冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬過程中，可采用SIMPLE算法對壓力-速度耦合進行求解。熱態(tài)模擬過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式求解，在計算初期采用一階迎風(fēng)方式，當(dāng)一階迎風(fēng)方式計算穩(wěn)定后，再使用二階迎風(fēng)方式。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5和圖6分別示出燃燒區(qū)斷面速度分布以及爐膛溫度分布。

在本發(fā)明中對富氧燃燒過程進行仿真計算，無需在實際中進行試驗便可獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布；并且將富氧燃燒的仿真計算分為冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬，進一步提高富氧燃耗的仿真計算的準(zhǔn)確性。

如圖7所示，一種對富氧燃燒進行仿真的裝置可包括如下模塊。

冷態(tài)模擬模塊710，用于對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；

熱態(tài)模擬模塊720，用于當(dāng)冷態(tài)模擬的仿真計算收斂時，對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算，獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布仿真結(jié)果。

在一實施例中，冷態(tài)模擬模塊710用于使用冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行冷態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述冷態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括氣相湍流模型和能量模型中至少一者。

在一實施例中，熱態(tài)模擬模塊720用于利用化學(xué)反應(yīng)機理并使用熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型對富氧燃燒進行熱態(tài)模擬的仿真計算；其中，所述熱態(tài)模擬對應(yīng)仿真模型包括如下至少一者：組分輸運模型、離散項模型、揮發(fā)份析出模型、焦炭燃燒模型和輻射模型。

在一實施例中，熱態(tài)模擬模塊720用于采用一階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解；當(dāng)一階迎風(fēng)方式計算穩(wěn)定時，采用二階迎風(fēng)方式對富氧燃燒時的參數(shù)進行求解。

在一實施例中，參數(shù)包括如下至少一者：溫度、熱負荷、組分、壓力、速度、動量。

上述裝置與前述方法相對應(yīng)，具體示例性描述可參見方法中詳細描述，在此不再贅述。

在本發(fā)明中對富氧燃燒過程進行仿真計算，無需在實際中進行試驗便可獲得富氧燃燒時的參數(shù)分布；并且將富氧燃燒的仿真計算分為冷態(tài)模擬和熱態(tài)模擬，進一步提高富氧燃耗的仿真計算的準(zhǔn)確性。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。