【文章內(nèi)容簡介】 本項(xiàng)目研究的煤層氣燃燒器的選擇、布置以及點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)等具有很好的借鑒作用。燃燒數(shù)值模擬研究在混燒機(jī)理的基礎(chǔ)研究及數(shù)值模擬方面，爐內(nèi)物理化學(xué)過程的數(shù)值?；玫窖赴l(fā)展，無論理論模型和計(jì)算技巧都趨向于成熟階段。各國工程界普遍認(rèn)為爐內(nèi)流動過程的數(shù)值模擬可以代替冷態(tài)模化試驗(yàn)。世界各大鍋制造集團(tuán)公司，包括美國的福斯特惠勒公司和燃燒工程公司、美國和加拿大的巴布科克威爾科克斯公司、日本的三菱重工長崎研究所、中國的哈爾濱和上海發(fā)電設(shè)備成套研究所、哈爾濱鍋爐廠等都以巨大的財(cái)力和人力對爐內(nèi)過程的數(shù)值?；M(jìn)行開發(fā)和研究[55]。任何數(shù)值模擬的進(jìn)行都必須通過建立合理的系統(tǒng)模型及采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法來實(shí)現(xiàn)。得益于各國研究人員的重視及努力，循環(huán)流化床反應(yīng)器的系統(tǒng)模型得到很大發(fā)展也更加趨于合理。[5661]Van Swaaij在1978年首先提出了用一個(gè)非常簡單的拴狀流模型和帶有氣體擴(kuò)散的拴狀流模型來解釋CFB內(nèi)流動結(jié)構(gòu)，并獲得成功。此后，對CFB內(nèi)部氣固流動結(jié)構(gòu)的研究模型經(jīng)歷了從“單相流體SF”模型發(fā)展到“兩流體模型TFM”、從“拴狀流”模型到“環(huán)核顆粒絮團(tuán)”模型的變化。進(jìn)入80年代，Elghobashiamp。AbouArab首先提出SF模型，認(rèn)為在CFB稀相區(qū)內(nèi)顆粒之間的碰撞顆粒被忽略，且顆粒尺寸很小，并假設(shè)顆粒隨著氣體而進(jìn)行流態(tài)化運(yùn)動，與單相流體不同的是物性參數(shù)為氣體與顆粒的混合值，但該模型無法解釋在靠近壁面處顆粒速度變化。之后，Pouranhmadiamp。Hummphrey、Chenamp。Wood和Rizkamp。Elghobashi進(jìn)一步發(fā)展了該模型。然而實(shí)驗(yàn)證明該模型只對顆粒直徑小于100微米、床內(nèi)顆粒濃度很低的情況下有效，對大尺寸顆粒計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在明顯不符。隨后，Yershalmi ，而不是單個(gè)顆粒形式。在此基礎(chǔ)上，Brereton和Berrutiamp。Kalogerakis率先提出了“環(huán)核顆粒絮狀模型”，以為床內(nèi)流動為純環(huán)核流動，即稀相區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)區(qū)域：“環(huán)壁區(qū)”，顆粒絮團(tuán)僅存在與該區(qū)并沿著壁面低速下降；“核心區(qū)”，氣固懸浮相在該區(qū)高速上升。但是由于試驗(yàn)證明環(huán)核區(qū)之間過渡是漸變得。因此該模型過分簡化了真實(shí)流動結(jié)構(gòu)。1992年Brereton和Grace對其1987年的環(huán)核模型又加以改進(jìn)，但仍無法解釋固體顆粒從濃度低的核心區(qū)向高濃度的環(huán)壁區(qū)“擴(kuò)散”機(jī)理。Heping Yangamp。Mridul Gautam用一冷態(tài)CFB試驗(yàn)驗(yàn)證了床內(nèi)局部氣體速度與固體物料循環(huán)率、表觀氣體速度和顆粒劑和尺寸有關(guān)，并總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在CFB稀相區(qū)（充分發(fā)展階段）氣體速度沿高度變化可以忽略。1995年Kruse、Koenigsorff和Werther在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的兩流體模型。認(rèn)為在床內(nèi)任何地方都存在著低顆粒濃度向上流動的懸浮相和高顆粒濃度低低速下降的環(huán)核區(qū)之間的界面，而認(rèn)為懸浮相與顆粒絮團(tuán)向共存于任意位置，只是由于二者所占比例不同二造成壁面區(qū)與核心區(qū)的出現(xiàn)。同時(shí)測量了直徑為60微米的SiC在CFB內(nèi)的流動情況，理論結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。我國中科院的李靜海在1998年進(jìn)一步完善了TFM模型。否定了兩流體模型中氣固相的連續(xù)假設(shè)。提出一個(gè)“粒子顆粒運(yùn)動離散模型”，即將每一個(gè)顆粒的運(yùn)動分成碰撞過程和懸浮過程，同時(shí)認(rèn)為氣體流動仍符合NS方程，并用計(jì)算機(jī)模擬了流化鉆臺，證實(shí)了在CFB系統(tǒng)中懸浮相合顆粒絮團(tuán)相共存。懸浮相中顆粒是以單個(gè)顆粒形式出現(xiàn)，顆粒絮團(tuán)相內(nèi)的顆粒團(tuán)之間彼此糾結(jié)在一起，造成絮團(tuán)相尺寸和形狀的不規(guī)則?？偟膩碚f，目前所提出的大多數(shù)模型參照了1988年由Brereton提出的“環(huán)核模型”。除了對理論模型的研究之外，各大學(xué)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也加強(qiáng)對爐內(nèi)數(shù)值模化實(shí)際應(yīng)用的研究，浙江大學(xué)熱能研究所[62]在熱態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上初步提出了循環(huán)床燃燒模型和循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)方法，并在冷、熱態(tài)試驗(yàn)臺上進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)。在循環(huán)流化床的氣固兩廂流動特性方面提出了由脈動顛譜隨機(jī)軌道模型和顆粒隨機(jī)脈動模型組成的循環(huán)流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動模型。宋新南等 [63]根據(jù)經(jīng)典的燃燒學(xué)參數(shù)計(jì)算方法，通過對混燒技術(shù)的理論分析，提出一種適用于常見燃燒條件下多燃料混合性燃燒工程實(shí)際的燃燒學(xué)參數(shù)計(jì)算方法。王勤輝等[64]建立了能描述寬篩分循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)流體動力特性和燃燒過程的數(shù)學(xué)模型，模擬了12MW循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行,模擬計(jì)算結(jié)果合理正確,與試驗(yàn)研究結(jié)果吻合良好。包鋼[65]對75t/h樹皮煤粉流化床鍋爐復(fù)合燃燒系統(tǒng)的控制進(jìn)行了模擬計(jì)算。依據(jù)爐膛內(nèi)的熱量平衡、物質(zhì)平衡及煙道動力確定了該鍋爐燃料的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了抑制擾動的仿真研究。該模型提出了燃燒控制的優(yōu)化方法，其核心是如何控制穩(wěn)定燃燒，但是對系統(tǒng)的配風(fēng)方式、燃燒效率的影響并未涉及。朱彤[66]等采用k—ε湍流雙方程模型、PDF燃燒模型以及離散坐標(biāo)輻射傳熱模型，對低熱值煤氣高溫空氣燃燒過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助模擬試驗(yàn)，比較了不同預(yù)熱溫度和不同過量空氣系數(shù)對低熱值煤氣燃燒過程的影響，為低熱值煤氣蓄熱式雙預(yù)熱燒嘴的研制提供了理論指導(dǎo)。國外也有許多關(guān)于循環(huán)流化床內(nèi)的氣固兩相流動、固體顆粒運(yùn)動、氣泡發(fā)展等的數(shù)值模擬方面的研究，雖然采用的模擬方法各有不同，但基本上都通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此這些數(shù)值模擬方法或結(jié)果可作為本項(xiàng)目研究中數(shù)值模擬部分的參考。參考文獻(xiàn)[6773]介紹了這些數(shù)值模擬的研究成果。Leschziner,Sloan,HoggS等[7476]采用Shih提出Realizable ke模型進(jìn)行了湍流流動的數(shù)值模擬，實(shí)踐證明該模型能夠較好地模擬大尺度旋轉(zhuǎn)射流的細(xì)致結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7783]介紹了一些有關(guān)循環(huán)流化床其它方面的數(shù)值模擬。從目前的資料來看，循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流動中常用的數(shù)學(xué)模型包括歐拉坐標(biāo)系下的兩相流體模型、顆粒動力學(xué)雙流體模型、基于拉格朗日坐標(biāo)下的顆粒軌道模型、小室模型等，這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況簡化計(jì)算條件，確定各項(xiàng)系數(shù)，建立合理的數(shù)學(xué)模型以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。燃料燃燒特性研究燃料的燃燒特性的研究對于燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)、燃燒效率及穩(wěn)定性等的提高具有重要的意義，并可為工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。因此，國內(nèi)外都有許多科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了煤層氣、煤矸石組分與燃特性的基礎(chǔ)研究。文獻(xiàn)[8491]通過對煤粉在氫氣以及在一些低熱值氣體或惰性氣體氣氛下的燃燒熱解特性的研究為我們改進(jìn)熱解模型，來分析研究煤矸石在煤層氣氣氛下的燃燒與熱解特性。張全國等[92]通過實(shí)驗(yàn)對煤矸石的燃燒特性進(jìn)行研究并利用回歸相關(guān)分析的數(shù)學(xué)方法得出煤矸石成型燃燒特性的關(guān)聯(lián)式。李化建[93]運(yùn)用XRD和IR試驗(yàn)方法對不同煅燒溫度煤矸石的熱力學(xué)特性進(jìn)行煤矸石最佳活化溫度的研究。董德恩[94]介紹了測定煤殲石熱量的方法和經(jīng)驗(yàn)，并提出對殲石電廠燃料結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量特性的分析。劉柏謙[9596]等通過實(shí)驗(yàn)研究了煤矸石在流化床的著火特性,尋找不同條件下的煤矸石著火溫度，其試驗(yàn)結(jié)果為指導(dǎo)煤矸石燃燒提供了依據(jù)。周伯俞[97]等對煤矸石成型燃料進(jìn)行了研究，他指出合成燃料的一般原則是發(fā)熱量高的與發(fā)熱量低的搭配，結(jié)焦性強(qiáng)的和結(jié)焦性差的搭配，灰熔點(diǎn)高的與灰熔點(diǎn)低的搭配，使燃料的揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)、發(fā)熱量等得到合理的配比，從而使矸石能夠正常燃燒。在煤矸石的燃燒污染物控制技術(shù)方面，陳明功等[98]運(yùn)用煤矸石中含有豐富的堿性物質(zhì)和化學(xué)吸收技術(shù)，對煤矸石漿液脫除燃煤煙氣中SO2的影響因素進(jìn)行了研究，得出煤矸石可有效脫除低濃度煙道氣中的SO2脫硫的適宜條件。Hari Prashan[99]等分析了在弱酸性環(huán)境或酸性環(huán)境中Fe元素的化學(xué)反應(yīng)過程，指出在弱酸性環(huán)境中，富含硫組分的煤矸石在適宜條件下，不但不影響脫硫效果，反而有利于脫硫反應(yīng)；在酸性條件下,Fe2+不但與SO2反應(yīng)，還將進(jìn)一步起催化氧化作用,發(fā)生S(IV)—S(VI)反應(yīng),生成穩(wěn)定的SO42，因此煤矸石中的鐵在脫硫過程中起著重要的催化氧化作用。Chishoim[100]等研究了煤矸石中含量最多的元素硅對煙氣脫硫的作用，硅元素主要以硅酸鹽及SiO2的形式存在，通過對其化學(xué)反應(yīng)過程的分析，指出在酸性環(huán)境中，硅酸鹽可以成為良好的脫硫劑。在張國[101]等分析了煤矸石綜合利用電廠循環(huán)流化床鍋爐在脫硫方而的優(yōu)勢與存在的不足，討論了濕法脫硫工藝的常見問題及解決辦法，并提出應(yīng)根據(jù)硫含量多少采用不同的脫硫工藝。Spliethoff 等[102]對NOx排放控制試驗(yàn)的研究結(jié)果表明再燃燃料中不同碳?xì)浠衔餄舛鹊淖兓?20 %～100 %) 對NOx 的還原率沒有太大的影響。關(guān)于這兩方面的研究資料還有很多，由此我們可以了解，只要將循環(huán)流化床爐內(nèi)的燃燒溫度和燃燒氣氛等控制在適宜的條件下，煤矸石自身的組成成分對SO2的脫除等會起到一定的促進(jìn)作用，有利于煤矸石的清潔燃燒?？傊藗儗γ簩託?、煤矸石清潔穩(wěn)定燃燒方面的研究日漸增多。循環(huán)流化床鍋爐中煤層氣和煤矸石復(fù)合燃燒方式的目的是將循環(huán)流化燃燒和氣體燃燒這兩種不同的燃燒方式有機(jī)結(jié)合起來, 共用在