第19卷 第3期矿 冶Vol 119, No 13
文章编号:1005-7854(2010) 03-0045-04
煤粉颗粒团燃烧过程的数值模拟
刘向军, 林超
(北京科技大学热能系, 北京100083)
摘 要:煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧, 颗粒内部传热传质机理复杂。本文根据
多孔介质的传热传质学理论, 引入对流项, 建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型, 并对不同孔隙率的煤粉团的燃烧过程进行了对比计算, 计算结果合理, 揭示了孔隙率对煤粉团着火燃烧的影响, 为深入研究煤粉团燃烧特性打下基础。
关键词:煤粉颗粒团; 燃烧; 数值模拟中图分类号:TK16 文献标识码:A
NUM ER I CAL SI M ULATION OF THE COAL CLUSTER CO M BUSTION PROCESS
LIU X iang-j u n, LIN Chao
(Therm al Engineering D e part m ent , University o f Science&Technology B eijing, Beijing 100083, Ch i n a) ABSTRACT :M ost o f the coa-l gas co m bustion process acti n g i n a dense partic l e -gas t w o -phase fl o w fiel d is coa l cluster co m bustion, w h ic h is d ifferent fr o m tha t o f a sing le coa-l partic l e co m bustion because of the co m plex inner -cluster heat and m ass transfer 1I n this paper , a 3D m athe m atica lm ode lo f a coa l c l u ster co m bustion i n hot air fl o w , w hich based on the heat and m ass conservation la w of porous m edia , is established 1The governing equations i n -clude heat transfer equation and gas transfer equati o n 1The detailed heating -up and co m busti o n processes of a coa l cluster are obtained and t h e effects of the porosity are also ana l y sed 1A ll t h ese results are reasonab le and o ffer theo -retical bases for futher st u dy i n g t h e co mbusti o n pr ocess of coa-l c l u sters 1KEY W ORD S :coal cluster ; co m bustion ; nu m erical si m ulati o n 煤粉的燃烧过程属气固两相反应过程, 局部颗粒的浓度决定局部煤粉的燃烧状态。对于稀疏悬浮两相流, 如锅炉炉膛内的大部分区域, 煤粉处于单颗粒燃烧状态, 其燃烧行为目前已有了较为成熟的认识。但在工程实际问题中, 很多情况下反应器内整体或局部颗粒浓度大, 如在循环流化床中、锅炉的近壁区以及燃烧器出口等区域, 颗粒浓度通常较
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大, 煤粉在复杂的相互作用下聚集成团。煤粉的燃烧主要表现为煤粉颗粒团的燃烧, 而不是单个煤粉颗粒的燃烧反应。研究表明, 常见的颗粒团一般直径小于1c m , 煤粉团内煤粉颗粒之间的间距一
收稿日期:2010-04-28
作者简介:刘向军, 博士, 教授, 长期从事流动与燃烧过程的基础研究。
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般平均在几十到上百微米左右, 颗粒之间有气流流
过, 颗粒团内温度浓度分布不均匀, 存在温度、浓度梯度, 因而煤粉颗粒团内的燃烧机理和其燃烧行为包括传热升温、水分蒸发、着火、挥发分析出、碳粒的燃烧及污染物的排放等各个过程与单颗粒状态的煤粉的燃烧行为不同。建立煤粉颗粒团的燃烧模型, 对煤燃烧技术的发展具有重要意义。
本文考虑内部流动对煤粉团升温、传热传质的影响, 根据多孔介质的传热传质学理论, 引入对流项, 建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型, 对煤粉团的燃烧过程进行数值计算, 并对比计算了不同孔隙率条件下煤粉团的升温燃烧, 揭示了煤粉团的着火燃烧特性。
#46#矿 冶
1 研究对象与基本假设
如图1, 以气流流场为一煤粉团示意图。以由单颗粒组成的内部颗粒均匀分布的煤粉团为研究对象, 假设颗粒团为标准球型, 忽略水分的影响, 煤粉组分为灰分、挥发分以及固定碳, 假设燃烧过程中煤密度不变,
体积不变。
55T 55T
=2++2+2+2
r 5r 5r r 5H r si n H 5H +Q
222r sin H 5气体组分(氧气、二氧化碳、挥发份) 的方程:5Z i 5Z i X H 5Z i X U 5Z i
+X r ++5t r r sin H 2
2
2
22
(1)
5Z i 5Z i 5Z i 5Z i
=E D ++++r 5r r 5H r sin H 5Z i -K i r sin H 5U
3
2
(2)
式中:C M 和C A 分别是煤和空气的比热容, kJ/(m #K ); K 为煤的热导率, W /(m#K ); E 为煤堆
图1 煤粉团示意图F i g . 1 Sketch of a coa l cluster
的孔隙率, %; X r , X H 和X U 为空气在颗粒团内部孔隙中流动的速度, m /s; T 为煤粉温度, K; Z i 为气体组分含量, m ol/m; K i 为气体组分的反应速率, m o l/(m #s); Q 为氧化放热, kJ/mo; l t 为时间, s 。
煤粉的燃烧是一个复杂的过程, 其中包含了多种反应
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3
为了简化计算, 本文对于煤颗粒团的燃烧过程
进行了进一步的如下假设:
(1) 认为计算开始时煤粉团内部温度分布均匀, 且与周围环境温度皆为20e 。
(2) 煤颗粒团球体各部分均质, 在计算过程中忽略煤粉团内部体积变化以及煤粉颗粒的移动, 忽略重力引起的加热传质不均匀的问题。
(3) 由于挥发分的吸附速率很快, 假设挥发分在达到挥发分析出温度瞬时析出。且整个计算过程仅存在以下2种化学反应:
碳+O 2y CO 2(I) 挥发分+O 2y H 2O +C O 2(II) (4) 加热流体在煤粉团外部为定常流, 忽略煤粉燃烧对团外部气流的影响。
(5) 对热气流在煤粉团内部的流动进行简化。
, 由假设3, 本文假设在煤粉到达挥发分析
15-62
出温度时挥发分瞬时析出, 并将燃烧反应简化为两个氧化放热反应, 反应的反应常数
见表1。
表1 燃烧反应参数
T ab l e 1 R eac tion para m eters o f coal co m busti on
速率表达式Ñ
R ) =K ) C O 2
速率常数/(m ol #m -3#s -1)
K ) =41193@105exp (-13237/T ) K ) ) =11201@105exp (-31710/T )
反应热/(kJ #mo l -1) Q ) =1110@105Q 0=8190@105
II R II =K II C 挥发分
因而, 方程1和2中热量和质量源项为:Q =R I Q I +R II Q II , K i =R I i +R IIi
212 定解条件
在煤粉团内部, 初始温度均为20e , 初始内部压力以及煤粉团内部孔隙中的气体组分等初始条件也都与环境的相同, 即:
T (r , H ,
在整个计算过程中, 颗粒团球体的表面直接跟来流流体接触, 假设燃烧过程中周围环境条件不变, 煤粉团表面的温度和浓度满足局部平衡, 即:
+E C A X r $T =-A C A (T-T e ) C M 煤粉团表面的氧气组分应符合:E D +EX r $Z =A (Z -Z e )
2 数学模型与计算方法
211 基本方程
由于所研究的对象是一个球型煤粉颗粒团, 计算过程中选取球坐标系进行研究。多颗粒组成的煤粉团与一个独立的大直径煤粉颗粒的升温燃烧不同, 颗粒之间有气流通过, 内部对流传热传质不可忽略, 根据上述假设条件, 基于多孔介质的传热传质理论, 本文引入对流项, 考虑内部流动对团内传热传质
142
的影响, 建立煤粉团的温度控制方程和气体组分(氧气、二氧化碳、甲烷) 的输运方程如下:
传热方程:
5T X X U 5T C M +E C A X r 5T +H 5T +5t r r sin H
213 计算方法
采用有限体积法对控制方程(1) (2) 进行离散化, 在球坐标系下, 网格数为10@10@20, 时间项的离散采用隐式差分格式, 时间步长为010001s , 结合定解条件, 得到离散化的代数方程, 利用高斯) 赛德尔迭代法进行迭代求解。编程采用M icrosoftV isual C++610作为工具进行计算。
性, 现在尚未有成熟的三维理论, 已有研究表明
17-82
, 当孔隙率达到35%以下时, 一般可忽略内
部流速, 当孔隙率大于85%时, 可视其内部流速与
17-82
外部流速相等。根据前人的研究成果, 孔隙率为30%, 取内部流速为0; 孔隙率为50%时, 内部平均流速为外部流速的013, 即取内部平均流速为0103m /s, 孔隙率为70%时, 内部平均流速取的0106m /s, 并采用质量平衡方法来确定在(r ,
312 不同空隙率计算结果与分析
由图2(a-c) 所示为计算所得孔隙率013的煤粉团在各时刻温度分布, 煤粉团初始温度为20e , 可以看出, 由于孔隙率为013时煤粉团内部流速为0, 煤粉团的燃烧相当于一个独立大颗粒煤粉的燃烧, 煤粉内部升温较慢。到018s , 内部温度仅为100e , 但外层煤粉已开始燃烧, 由于外部气流的影响, 迎风面氧气充足, 燃烧较快, 与背风面温差达40e ; 到214s , 内部温度升到800e , 颗粒内部挥发分析出全部完成, 但内部大部分残碳仍未燃烬。另外, 由图2(a-c) 可看出, 虽然对流对外层煤粉燃烧有较明显的影响, 但由于内部流速为0, 等温面几乎
就是以煤粉团中心位置为球心的球面。
3 计算结果与分析
311 计算工况与参数的选取
以如图1所示的直径为8mm 的煤粉团为研究对象, 假设颗粒团为标准球型, 忽略水分的影响, 煤粉组分为20%灰分、30%挥发分以及50%碳, 煤密度2@10kg /m, 热值为P K =2193@10kJ /kg。煤粉团的初始温度为20e , 取空气来流速度u ]=011m /s, 温度T ]=750e , 压力P ]=1101M Pa , 气体质量分数Y O , ]=01233、Y N , ]=01767, 其余为0, 碳粒热导率K 192W /(m #K ) 。c =1
孔隙率对于燃烧过程的影响是很大的, 不同的孔隙率会产生截然不同的燃烧过程, 本文选取孔隙率为30%、50%、70%, 对三种情况进行了对比研究。采用本文的模型, 不同的孔隙率, 内部渗透速度不同, 由于三维物体孔隙率与渗透速度关系的复杂
3
3
4
图2 孔隙率013的煤粉团在各时刻温度分布(e )
F ig 12 T emperature d i str i bu tion o f the coal c l uster w it h poro sit y of 013a t different ti m e
图3(a-c) 是计算所得孔隙率为015时温度的
分布情况, 由于空隙率较大, 内部流动加剧了煤粉团的升温、燃烧。到018s , 内部温度已升为1100e , 各个部位的碳粒开始燃烧, 但由于气流流速很低, 团内供氧量不很充足, 煤粉团的整体燃烧速率较慢, 到116S , 计算表明, 残碳的平均剩余量为60%, 到214S , 外层的碳粒都已燃烬, 但中心处仍有极少量残
碳仍未燃烬, 此时, 中心处温度最高, 外层温度开始
下降。另外, 由图3(a-c) 可看出, 由于内外气流的影响, 在不同时刻, 煤粉团的迎风面的温度均高于背风面, 这说明迎风面的燃烧反应比背风面要强。这是由于热气流在穿透煤粉团时, 所携带的氧气会优先与迎风面的煤粉反应, 当其到达背风面附近时, 氧气含量已经降低, 影响了背风面附近的煤粉燃烧。
图3 孔隙率015的煤粉团各时刻温度分布(e )
F i g 13 T e m pera t ure distributi on of the coa l cluster w ith porosity o f 015at d ifferen t ti m e
图4(a -b) 是孔隙率017时的温度分布图, 由
前文所述, 由于空隙率很大, 本文所取内部平均流速为0106m /s , 内部对流传热传质加强, 煤粉团升温很快, 反应迅速。如图4所示, 到018s , 颗粒内部温度已达到1300e , 到116s , 碳粒已基本燃烬, 煤粉的
升温、燃烧速率很快。另外, 对比图2(a-c) 和图3
(a-c), 孔隙率为017时煤粉团的迎风面温度还是高于背风面, 但温差减小。且各时刻颗粒团内部各点温差也较小,
内部温度分布较为均匀。
图4 孔隙率017的煤粉团各时刻温度分布(e )
F i g 14 T e m pe ra t ure distributi on of t he coa l cluster w ith porosity o f 017at d ifferent ti m e
由上述计算结果可见, 由于在控制方程中引入对流项表征内部流动对传热传质的影响, 可较好地模拟出不同空隙率下煤粉团的升温、燃烧规律。空
隙率越大, 煤粉团升温越快, 燃烧越快, 内外温差越均匀。对于本文的研究工况, 在空隙率为013时, 由于内部流动可忽略, 煤粉团燃烧很慢, 到214s , 大部分残碳未能燃烬, 但空隙率为017时, 内部流动加强内部传热与反应, 到116s , 整个煤粉团已基本燃烬。
方程中引入对流项, 表征内部流动对煤粉团升温着火燃烧的影响, 建立了气流场内煤粉团燃烧的三维数学模型, 并以直径为8mm 的煤粉团为研究对象, 对比研究了空隙率为013、015和017三种情况下煤粉团的传热着火与燃烧过程, 得到了各时刻详细的温度分布。结果表明, 孔隙率越大, 煤粉团的燃烧过程也越迅速, 温度分布也越均匀。计算结果与分析表明, 采用本文所建立煤粉团燃烧的三维数学模型, 计算结果合理, 可模拟外部流动对团内燃烧的影响, 能较好地模拟气流场内煤粉团的燃烧特性。
(下转至第65页)
4 结论
本文根据多孔介质的传热传质学理论, 在控制
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(上接第48页) 参考文献:
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摘 要:煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧, 颗粒内部传热传质机理复杂。本文根据
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关键词:煤粉颗粒团; 燃烧; 数值模拟中图分类号:TK16 文献标识码:A
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LIU X iang-j u n, LIN Chao
(Therm al Engineering D e part m ent , University o f Science&Technology B eijing, Beijing 100083, Ch i n a) ABSTRACT :M ost o f the coa-l gas co m bustion process acti n g i n a dense partic l e -gas t w o -phase fl o w fiel d is coa l cluster co m bustion, w h ic h is d ifferent fr o m tha t o f a sing le coa-l partic l e co m bustion because of the co m plex inner -cluster heat and m ass transfer 1I n this paper , a 3D m athe m atica lm ode lo f a coa l c l u ster co m bustion i n hot air fl o w , w hich based on the heat and m ass conservation la w of porous m edia , is established 1The governing equations i n -clude heat transfer equation and gas transfer equati o n 1The detailed heating -up and co m busti o n processes of a coa l cluster are obtained and t h e effects of the porosity are also ana l y sed 1A ll t h ese results are reasonab le and o ffer theo -retical bases for futher st u dy i n g t h e co mbusti o n pr ocess of coa-l c l u sters 1KEY W ORD S :coal cluster ; co m bustion ; nu m erical si m ulati o n 煤粉的燃烧过程属气固两相反应过程, 局部颗粒的浓度决定局部煤粉的燃烧状态。对于稀疏悬浮两相流, 如锅炉炉膛内的大部分区域, 煤粉处于单颗粒燃烧状态, 其燃烧行为目前已有了较为成熟的认识。但在工程实际问题中, 很多情况下反应器内整体或局部颗粒浓度大, 如在循环流化床中、锅炉的近壁区以及燃烧器出口等区域, 颗粒浓度通常较
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大, 煤粉在复杂的相互作用下聚集成团。煤粉的燃烧主要表现为煤粉颗粒团的燃烧, 而不是单个煤粉颗粒的燃烧反应。研究表明, 常见的颗粒团一般直径小于1c m , 煤粉团内煤粉颗粒之间的间距一
收稿日期:2010-04-28
作者简介:刘向军, 博士, 教授, 长期从事流动与燃烧过程的基础研究。
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般平均在几十到上百微米左右, 颗粒之间有气流流
过, 颗粒团内温度浓度分布不均匀, 存在温度、浓度梯度, 因而煤粉颗粒团内的燃烧机理和其燃烧行为包括传热升温、水分蒸发、着火、挥发分析出、碳粒的燃烧及污染物的排放等各个过程与单颗粒状态的煤粉的燃烧行为不同。建立煤粉颗粒团的燃烧模型, 对煤燃烧技术的发展具有重要意义。
本文考虑内部流动对煤粉团升温、传热传质的影响, 根据多孔介质的传热传质学理论, 引入对流项, 建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型, 对煤粉团的燃烧过程进行数值计算, 并对比计算了不同孔隙率条件下煤粉团的升温燃烧, 揭示了煤粉团的着火燃烧特性。
#46#矿 冶
1 研究对象与基本假设
如图1, 以气流流场为一煤粉团示意图。以由单颗粒组成的内部颗粒均匀分布的煤粉团为研究对象, 假设颗粒团为标准球型, 忽略水分的影响, 煤粉组分为灰分、挥发分以及固定碳, 假设燃烧过程中煤密度不变,
体积不变。
55T 55T
=2++2+2+2
r 5r 5r r 5H r si n H 5H +Q
222r sin H 5气体组分(氧气、二氧化碳、挥发份) 的方程:5Z i 5Z i X H 5Z i X U 5Z i
+X r ++5t r r sin H 2
2
2
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(1)
5Z i 5Z i 5Z i 5Z i
=E D ++++r 5r r 5H r sin H 5Z i -K i r sin H 5U
3
2
(2)
式中:C M 和C A 分别是煤和空气的比热容, kJ/(m #K ); K 为煤的热导率, W /(m#K ); E 为煤堆
图1 煤粉团示意图F i g . 1 Sketch of a coa l cluster
的孔隙率, %; X r , X H 和X U 为空气在颗粒团内部孔隙中流动的速度, m /s; T 为煤粉温度, K; Z i 为气体组分含量, m ol/m; K i 为气体组分的反应速率, m o l/(m #s); Q 为氧化放热, kJ/mo; l t 为时间, s 。
煤粉的燃烧是一个复杂的过程, 其中包含了多种反应
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为了简化计算, 本文对于煤颗粒团的燃烧过程
进行了进一步的如下假设:
(1) 认为计算开始时煤粉团内部温度分布均匀, 且与周围环境温度皆为20e 。
(2) 煤颗粒团球体各部分均质, 在计算过程中忽略煤粉团内部体积变化以及煤粉颗粒的移动, 忽略重力引起的加热传质不均匀的问题。
(3) 由于挥发分的吸附速率很快, 假设挥发分在达到挥发分析出温度瞬时析出。且整个计算过程仅存在以下2种化学反应:
碳+O 2y CO 2(I) 挥发分+O 2y H 2O +C O 2(II) (4) 加热流体在煤粉团外部为定常流, 忽略煤粉燃烧对团外部气流的影响。
(5) 对热气流在煤粉团内部的流动进行简化。
, 由假设3, 本文假设在煤粉到达挥发分析
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出温度时挥发分瞬时析出, 并将燃烧反应简化为两个氧化放热反应, 反应的反应常数
见表1。
表1 燃烧反应参数
T ab l e 1 R eac tion para m eters o f coal co m busti on
速率表达式Ñ
R ) =K ) C O 2
速率常数/(m ol #m -3#s -1)
K ) =41193@105exp (-13237/T ) K ) ) =11201@105exp (-31710/T )
反应热/(kJ #mo l -1) Q ) =1110@105Q 0=8190@105
II R II =K II C 挥发分
因而, 方程1和2中热量和质量源项为:Q =R I Q I +R II Q II , K i =R I i +R IIi
212 定解条件
在煤粉团内部, 初始温度均为20e , 初始内部压力以及煤粉团内部孔隙中的气体组分等初始条件也都与环境的相同, 即:
T (r , H ,
在整个计算过程中, 颗粒团球体的表面直接跟来流流体接触, 假设燃烧过程中周围环境条件不变, 煤粉团表面的温度和浓度满足局部平衡, 即:
+E C A X r $T =-A C A (T-T e ) C M 煤粉团表面的氧气组分应符合:E D +EX r $Z =A (Z -Z e )
2 数学模型与计算方法
211 基本方程
由于所研究的对象是一个球型煤粉颗粒团, 计算过程中选取球坐标系进行研究。多颗粒组成的煤粉团与一个独立的大直径煤粉颗粒的升温燃烧不同, 颗粒之间有气流通过, 内部对流传热传质不可忽略, 根据上述假设条件, 基于多孔介质的传热传质理论, 本文引入对流项, 考虑内部流动对团内传热传质
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的影响, 建立煤粉团的温度控制方程和气体组分(氧气、二氧化碳、甲烷) 的输运方程如下:
传热方程:
5T X X U 5T C M +E C A X r 5T +H 5T +5t r r sin H
213 计算方法
采用有限体积法对控制方程(1) (2) 进行离散化, 在球坐标系下, 网格数为10@10@20, 时间项的离散采用隐式差分格式, 时间步长为010001s , 结合定解条件, 得到离散化的代数方程, 利用高斯) 赛德尔迭代法进行迭代求解。编程采用M icrosoftV isual C++610作为工具进行计算。
性, 现在尚未有成熟的三维理论, 已有研究表明
17-82
, 当孔隙率达到35%以下时, 一般可忽略内
部流速, 当孔隙率大于85%时, 可视其内部流速与
17-82
外部流速相等。根据前人的研究成果, 孔隙率为30%, 取内部流速为0; 孔隙率为50%时, 内部平均流速为外部流速的013, 即取内部平均流速为0103m /s, 孔隙率为70%时, 内部平均流速取的0106m /s, 并采用质量平衡方法来确定在(r ,
312 不同空隙率计算结果与分析
由图2(a-c) 所示为计算所得孔隙率013的煤粉团在各时刻温度分布, 煤粉团初始温度为20e , 可以看出, 由于孔隙率为013时煤粉团内部流速为0, 煤粉团的燃烧相当于一个独立大颗粒煤粉的燃烧, 煤粉内部升温较慢。到018s , 内部温度仅为100e , 但外层煤粉已开始燃烧, 由于外部气流的影响, 迎风面氧气充足, 燃烧较快, 与背风面温差达40e ; 到214s , 内部温度升到800e , 颗粒内部挥发分析出全部完成, 但内部大部分残碳仍未燃烬。另外, 由图2(a-c) 可看出, 虽然对流对外层煤粉燃烧有较明显的影响, 但由于内部流速为0, 等温面几乎
就是以煤粉团中心位置为球心的球面。
3 计算结果与分析
311 计算工况与参数的选取
以如图1所示的直径为8mm 的煤粉团为研究对象, 假设颗粒团为标准球型, 忽略水分的影响, 煤粉组分为20%灰分、30%挥发分以及50%碳, 煤密度2@10kg /m, 热值为P K =2193@10kJ /kg。煤粉团的初始温度为20e , 取空气来流速度u ]=011m /s, 温度T ]=750e , 压力P ]=1101M Pa , 气体质量分数Y O , ]=01233、Y N , ]=01767, 其余为0, 碳粒热导率K 192W /(m #K ) 。c =1
孔隙率对于燃烧过程的影响是很大的, 不同的孔隙率会产生截然不同的燃烧过程, 本文选取孔隙率为30%、50%、70%, 对三种情况进行了对比研究。采用本文的模型, 不同的孔隙率, 内部渗透速度不同, 由于三维物体孔隙率与渗透速度关系的复杂
3
3
4
图2 孔隙率013的煤粉团在各时刻温度分布(e )
F ig 12 T emperature d i str i bu tion o f the coal c l uster w it h poro sit y of 013a t different ti m e
图3(a-c) 是计算所得孔隙率为015时温度的
分布情况, 由于空隙率较大, 内部流动加剧了煤粉团的升温、燃烧。到018s , 内部温度已升为1100e , 各个部位的碳粒开始燃烧, 但由于气流流速很低, 团内供氧量不很充足, 煤粉团的整体燃烧速率较慢, 到116S , 计算表明, 残碳的平均剩余量为60%, 到214S , 外层的碳粒都已燃烬, 但中心处仍有极少量残
碳仍未燃烬, 此时, 中心处温度最高, 外层温度开始
下降。另外, 由图3(a-c) 可看出, 由于内外气流的影响, 在不同时刻, 煤粉团的迎风面的温度均高于背风面, 这说明迎风面的燃烧反应比背风面要强。这是由于热气流在穿透煤粉团时, 所携带的氧气会优先与迎风面的煤粉反应, 当其到达背风面附近时, 氧气含量已经降低, 影响了背风面附近的煤粉燃烧。
图3 孔隙率015的煤粉团各时刻温度分布(e )
F i g 13 T e m pera t ure distributi on of the coa l cluster w ith porosity o f 015at d ifferen t ti m e
图4(a -b) 是孔隙率017时的温度分布图, 由
前文所述, 由于空隙率很大, 本文所取内部平均流速为0106m /s , 内部对流传热传质加强, 煤粉团升温很快, 反应迅速。如图4所示, 到018s , 颗粒内部温度已达到1300e , 到116s , 碳粒已基本燃烬, 煤粉的
升温、燃烧速率很快。另外, 对比图2(a-c) 和图3
(a-c), 孔隙率为017时煤粉团的迎风面温度还是高于背风面, 但温差减小。且各时刻颗粒团内部各点温差也较小,
内部温度分布较为均匀。
图4 孔隙率017的煤粉团各时刻温度分布(e )
F i g 14 T e m pe ra t ure distributi on of t he coa l cluster w ith porosity o f 017at d ifferent ti m e
由上述计算结果可见, 由于在控制方程中引入对流项表征内部流动对传热传质的影响, 可较好地模拟出不同空隙率下煤粉团的升温、燃烧规律。空
隙率越大, 煤粉团升温越快, 燃烧越快, 内外温差越均匀。对于本文的研究工况, 在空隙率为013时, 由于内部流动可忽略, 煤粉团燃烧很慢, 到214s , 大部分残碳未能燃烬, 但空隙率为017时, 内部流动加强内部传热与反应, 到116s , 整个煤粉团已基本燃烬。
方程中引入对流项, 表征内部流动对煤粉团升温着火燃烧的影响, 建立了气流场内煤粉团燃烧的三维数学模型, 并以直径为8mm 的煤粉团为研究对象, 对比研究了空隙率为013、015和017三种情况下煤粉团的传热着火与燃烧过程, 得到了各时刻详细的温度分布。结果表明, 孔隙率越大, 煤粉团的燃烧过程也越迅速, 温度分布也越均匀。计算结果与分析表明, 采用本文所建立煤粉团燃烧的三维数学模型, 计算结果合理, 可模拟外部流动对团内燃烧的影响, 能较好地模拟气流场内煤粉团的燃烧特性。
(下转至第65页)
4 结论
本文根据多孔介质的传热传质学理论, 在控制
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