一种对富氧燃烧进行仿真的方法和装置与流程

本发明涉及富氧燃烧技术领域，具体地，涉及一种对富氧燃烧进行仿真的方法和装置。

背景技术：

富氧燃烧技术是用纯氧或富氧气体混合物代替助燃空气，实现化石燃料低碳利用的技术，该技术不仅便于回收烟气中CO2，还能大幅度地减少NOx、SO2和颗粒物排放，是一种近“零”排放的清洁燃煤利用技术。

由于介质的密度、比热、扩散系数、辐射特性以及烟气量的差异，使得富氧燃烧气氛下炉内的流动特性、煤粉火焰特性、燃烧过程、传热过程等与常规燃烧不同化。因此，需要在实际使用富氧燃烧前，先对富氧燃烧进行试验。

现有技术中，采用小型试验台对富氧燃烧进行试验。但是，在实际锅炉进行试验代价昂贵，而且存在一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对富氧燃烧进行仿真的方法和装置，用于解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种对富氧燃烧进行仿真的方法，该方法包括：对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；当冷态模拟的仿真计算收敛时，对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算，获得富氧燃烧时的参数分布仿真结果。

优选地，所述对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算包括：使用冷态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；其中，所述冷态模拟对应仿真模型包括气相湍流模型和能量模型中至少一者。

优选地，所述对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算包括：利用化学反应机理并使用热态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算；其中，所述热态模拟对应仿真模型包括如下至少一者：组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型和辐射模型。

优选地，所述对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算包括：采用一阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解；当一阶迎风方式计算稳定时，采用二阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解。

优选地，所述参数包括如下至少一者：温度、热负荷、组分、压力、速度、动量。

根据本发明的另一方面，提供了一种对富氧燃烧进行仿真的装置，该装置包括：冷态模拟模块，用于对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；热态模拟模块，用于当冷态模拟的仿真计算收敛时，对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算，获得富氧燃烧时的参数分布仿真结果。

优选地，所述冷态模拟模块用于使用冷态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；其中，所述冷态模拟对应仿真模型包括气相湍流模型和能量模型中至少一者。

优选地，所述热态模拟模块用于利用化学反应机理并使用热态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算；其中，所述热态模拟对应仿真模型包括如下至少一者：组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型和辐射模型。

优选地，所述热态模拟模块用于采用一阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解；当一阶迎风方式计算稳定时，采用二阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解。

优选地，所述参数包括如下至少一者：温度、热负荷、组分、压力、速度、动量。

通过上述技术方案，对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；当冷态模拟的仿真计算收敛时，对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算，获得富氧燃烧时的参数分布仿真结果。在本发明中对富氧燃烧过程进行仿真计算，无需在实际中进行试验便可获得富氧燃烧时的参数分布；并且将富氧燃烧的仿真计算分为冷态模拟和热态模拟，进一步提高富氧燃耗的仿真计算的准确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的对富氧燃烧进行仿真的方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例的对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算的流程图；

图3是根据本发明的实施例的仿真对象的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的燃烧器的水平布置图；

图5是根据本发明的实施例的仿真所得燃烧区断面速度分布的示意图；

图6是根据本发明的实施例的仿真所得炉膛温度分布的示意图；以及

图7是根据本发明的实施例的对富氧燃烧进行仿真的装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明的实施例的对富氧燃烧进行仿真的方法的流程图；该方法可由任何具有计算能力的设备执行，例如，计算机等。如图1所示，该方法可包括如下步骤。

在步骤S110中，对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算。

冷态模拟为热态模拟提供基础，冷态模拟为不考虑燃烧和辐射以及化学反应的影响的模拟，在冷态模拟中可采用气相湍流模型和能量模型。

在冷态模拟中，可以使用简化(SIMPLE)算法来进行求解。

在一实施例中，所述对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算可包括：使用冷态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算。

其中，冷态模拟对应仿真模型包括气相湍流模型和能量模型中至少一者。

气相湍流模型可采用标准k-ξ模型，该模型具有较好的稳定性、经济性和较高的计算精度。标准k-ξ模型通过求解k方程和ξ方程，得到k和ξ的解，然后由此计算湍流粘度μ_t，最终利用Boussinesq假设得到雷诺应力。

能量模型可采用常用的各种能量模型，本发明在此没有特别限制。

在步骤S120中，当冷态模拟的仿真计算收敛时，对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算，获得富氧燃烧时的参数分布仿真结果。

热态模拟为考虑燃烧和辐射以及化学反应的影响的模拟。

其中，参数可包括如下至少一者：温度、热负荷、组分、压力、速度、动量。

举例而言，在冷态模拟中可同时使用能量模型和气相湍流模型进行仿真计算，根据仿真计算的残差曲线来判断冷态模拟的仿真计算是否收敛。在冷态模拟的仿真计算的基础上开始进行热态模拟的仿真计算。在热态模拟中，可以使用简化(SIMPLE)算法来进行求解。热态模拟中考虑化学反应，并可采用组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型和辐射模型来进行仿真。

在一实施例中，所述对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算可包括：利用化学反应机理并使用热态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算。

其中，热态模拟对应仿真模型包括如下至少一者：组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型和辐射模型。

化学反应机理

化学反应机理涉及两个方面，一个是实际全面燃烧过程的完整机理，另一个是简化的骨架反应机理和总包反应机理。富氧条件下的总包反应机理主要是由于CO₂和N₂在热容、热扩散系数、反应性上都存在的差异，导致反应速率、反应级数都产生了变化。并且富氧燃烧产生大量的CO₂和H₂O，所产生的CO2和H2O将直接参与反应，使反应路径发生改变。因此，需要对适合于空气燃烧条件下的机理进行修正。在本发明的仿真计算中，考虑了七种气体成分(CxHyOz，CO₂，CO，H₂O，O₂，H₂，N₂)。在富氧干循环下采用的四步反应机理，如表1所示。

表1富氧干循环燃烧化学反应机理

其中，A_r为阿伦尼乌斯常数，E_r为活化能，β_r为反应指数。

组分输运模型

组分输运模型如下所示。

其中R_i是化学反应的净产生速率；S_i是离散相及用户定义的源相导致的额外产生的速率；ρ为气体密度；ν为气流速度；t为时间；和Y_i代表方向。

计算过程中采用的容积反应模型为涡耗散概念模型(Eddy-dissipation Concept Model，EDC)，其在湍流流动中包括详细的化学反应机理，假定反应发生在小的湍流结构中，称为良好搅拌尺度。

良好搅拌尺度的容积比率按下式模拟：

其中，*表示良好搅拌尺度；C_ξ为容积比率常数，为2.1377；v为运动黏度，k为湍流动能，ε为湍动能耗散率。

该模型认为物质在良好搅拌尺度的结构中，经过一个时间尺度τ后开始反应:

其中C_τ为时间尺度常数，等于0.4082，v为运动黏度，k为湍流动能。

离散相模型(Discrete Phase Model)

离散相模型在坐标Lagrangian下模拟流场中离散的第二相(discrete phase)。颗粒的作用力平衡方程(x方向)为：

其中F_D(u-u_p)为颗粒的单位质量曳力。

其中，u为流体相速度，u_p为颗粒速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρ_p为颗粒密度，d_p为颗粒直径，Re为相对雷诺数，C_D为曳力系数，相应的表达式为：

其中，系数α₁、α₂和α₃随着雷诺数的变化有不同的范围，Re_p为颗粒的雷诺数。

当流动状态为湍流时，可以通过考虑流体速度脉动引致的瞬时速度来计算由于流体湍流引致的颗粒扩散(Number of tries)。例如，采用随机轨道模型(Discrete random walk model)来确定流体的瞬时速度。假设流体脉动速度服从高斯概率分布：

其中||η_guass||＝1

瞬时速度为：

挥发份析出模型

挥发分析出模型采用具有较高精度的化学渗透析出模型(CPD)。CPD模型建立在分析煤粉结构在快速加热析出过程中的物理、化学变化基础上，是一种基于分析煤粉化学结构特征的挥发份析出模型。使用CPD模型时，可设置如下5个参数：煤粉网格结构中初始桥键分数、初始碳键分数、配位数、单体分子量、侧键官能团分子量。依据设置来使用CPD模型进行仿真计算

焦炭燃烧模型

在空气燃烧环境中，N₂在所有组分中质量分数、体积分数最大；但在富氧燃烧环境中，CO₂在所有组分中质量和体积分数是最大的。在此两种不同气氛中，O₂质量扩散具有较大差别。对前后两者而言，质量扩散系数约为:DO₂,m＝5×10^-12kg/m²sPa和4×10^-12kg/m²sPa。

焦炭燃烧模型选择使用动力学/扩散控制反应速率模型。

动力学/扩散控制反应速率(kinetics/diffusion-limited)模型假定表面反应速率同时受到扩散过程和反应动力学的影响。

扩散速率常数为：

其中，C₁为反应常数；T_p为颗粒温度；T_∞为环境温度；d_P为颗粒粒径。

化学反应速率常数为：

依据二者不同的加权值得到焦炭的燃烧速率为：

其中：p_ox为颗粒周围的气相氧化剂的分压；模型中假定颗粒尺寸不变，但颗粒密度可以降低，R为化学反应速率常数。

辐射模型

采用离散坐标(DO)辐射模型进行求解，利用从有限个立体角发出的辐射传播方程(RTE)，每个立体角对应着坐标系(笛卡尔)下的固定方向立体角的精度根据实际的需要定义。DO模型把辐射传热方程转化为空间坐标系的辐射强度的输运方程。有多少个方向就求解多少输运方程。

在富氧燃烧下，由于三原子气体CO₂和H₂O的分压大幅提升，传统的灰气体加权模型(WSGGM)已经不再适用。颗粒的辐射特性对炉内介质辐射特性具有支配性的影响。在富氧燃烧条件下，由于烟气容积减小，炉膛空间内颗粒的浓度有所上升，因此颗粒的吸收系数也会增大。

各工况的炉内吸收系数数值如下表2所示。

表2气体吸收系数

在一实施例中，如图2所示，所述对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算可包括如下步骤。

在步骤S202中，采用一阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解。

在步骤S204中，当一阶迎风方式计算结果能够确定时，采用二阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解。

举例而言，在热态模拟时，可采用标准离散方式求解温度、热负荷、组分、压力、速度、动量。在求解过程中，先采用一阶迎风方式，当计算稳定以后再使用二阶迎风方式。

针对如图3和图4所示的锅炉采用本发明中方法进行仿真。其中，锅炉采用п型布置，单炉膛，自然循环汽包炉。采用四角切圆直流燃烧，挡板调温，固态排渣，炉膛水冷壁为膜式壁结构，后墙水冷壁上部弯成折焰角，前后水冷壁下部形成550冷灰斗，冷灰斗下面布置除渣装置。在炉膛上部垂直布置辐射式前大屏和后屏过热器，水平烟道布置高温过热器和高温再热器。悬垂于炉膛上部的前大屏过热器属辐射型过热器，共有8屏，分成四排排列。在前大屏的后部，布置有16片悬垂式的后屏过热器。燃烧器采用四角布置切向燃烧。采用双切圆布置方式。燃烧器喷口的布置方案：每角燃烧器喷口布置11层喷口，其中一次风喷口5层，顶二次风(冷却风)喷口1层，其余5层为二次风喷口。锅炉和燃烧器喷口的详细尺寸如图1所示。燃烧器的水平布置图如图4所示。

在本实施例中，基于200MW常规的空气燃烧锅炉，以干循环工况为例，进行仿真计算。分为冷态模拟和热态模拟。在进行冷态模拟时，不考虑燃烧和辐射以及化学反应的影响，启用气相湍流模型和能量模型。当冷态模拟收敛后，进行热态模拟。热态模拟在冷态模拟结果的基础上进行，启用组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型以及辐射模型来模拟全炉膛的温度和热负荷分布以及组分的摩尔浓度分布，其中各个模型的描述如前所述。

在冷态模拟和热态模拟过程中，可采用SIMPLE算法对压力-速度耦合进行求解。热态模拟过程中，采用标准离散方式求解，在计算初期采用一阶迎风方式，当一阶迎风方式计算稳定后，再使用二阶迎风方式。

仿真结果如图5和图6所示，图5和图6分别示出燃烧区断面速度分布以及炉膛温度分布。

在本发明中对富氧燃烧过程进行仿真计算，无需在实际中进行试验便可获得富氧燃烧时的参数分布；并且将富氧燃烧的仿真计算分为冷态模拟和热态模拟，进一步提高富氧燃耗的仿真计算的准确性。

如图7所示，一种对富氧燃烧进行仿真的装置可包括如下模块。

冷态模拟模块710，用于对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；

热态模拟模块720，用于当冷态模拟的仿真计算收敛时，对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算，获得富氧燃烧时的参数分布仿真结果。

在一实施例中，冷态模拟模块710用于使用冷态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行冷态模拟的仿真计算；其中，所述冷态模拟对应仿真模型包括气相湍流模型和能量模型中至少一者。

在一实施例中，热态模拟模块720用于利用化学反应机理并使用热态模拟对应仿真模型对富氧燃烧进行热态模拟的仿真计算；其中，所述热态模拟对应仿真模型包括如下至少一者：组分输运模型、离散项模型、挥发份析出模型、焦炭燃烧模型和辐射模型。

在一实施例中，热态模拟模块720用于采用一阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解；当一阶迎风方式计算稳定时，采用二阶迎风方式对富氧燃烧时的参数进行求解。

在一实施例中，参数包括如下至少一者：温度、热负荷、组分、压力、速度、动量。

上述装置与前述方法相对应，具体示例性描述可参见方法中详细描述，在此不再赘述。

在本发明中对富氧燃烧过程进行仿真计算，无需在实际中进行试验便可获得富氧燃烧时的参数分布；并且将富氧燃烧的仿真计算分为冷态模拟和热态模拟，进一步提高富氧燃耗的仿真计算的准确性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。