阅读说明：本技术 一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法 (Combustion system improvement method based on multiphase partition coupling ) 是由 钟晟 汪应洛 吕绚丽 周勇 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法,根据燃烧系统的边界条件构建燃烧系统模型,对燃烧系统模型进行数值模拟分析,对温度场、速度场、组分场进行分析后,采用多相分区耦合燃烧技术,在燃烧系统模型的合适区域设置清洁能源的接口以及边界条件,再次对改进后的燃烧系统模型进行计算,确定改进后燃烧系统模型的燃烧效率以及排放指标,当燃烧效率以及排放指标达到改进目标时,将该清洁能源的接口参数以及边界条件作为燃烧系统的改造参数,对燃烧系统进行改进,提高燃烧系统的燃烧效率、减少碳排放及污染物排放。(The invention discloses a combustion system improvement method based on multiphase partition coupling, which comprises the steps of constructing a combustion system model according to boundary conditions of a combustion system, carrying out numerical simulation analysis on the combustion system model, analyzing a temperature field, a speed field and a component field, then adopting a multiphase partition coupling combustion technology, arranging an interface and boundary conditions of clean energy in a proper area of the combustion system model, calculating the improved combustion system model again, determining the combustion efficiency and emission indexes of the improved combustion system model, and when the combustion efficiency and the emission indexes reach the improvement targets, taking the interface parameters and the boundary conditions of the clean energy as modification parameters of the combustion system to improve the combustion system, improve the combustion efficiency of the combustion system, and reduce carbon emission and pollutant emission.)

一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，具体为一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法。

背景技术

传统的燃烧设施一般采用单相燃烧的方式，为气相、液相或固相能源形式，且一般为单一能源，如天然气、燃煤等，这样会造成燃烧设备燃料适应性、灵活性和安全性差的问题，另外，一般不分区的燃烧方式也会造成燃烧过程中NOx排放不达标的问题，而解决NOx排放不达标的问题，一般采用燃烧后处理工艺，如SNCR、SCR等技术，形成额外的消耗成本。

发明内容

针对现有燃烧设备大部分只能采用单相、单一能源且不分区或不合理分区等问题，本发明提供一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法，对燃烧设备进行数值模拟分析，对温度场、速度场、组分场进行分析后，采用多相分区耦合燃烧技术，选择合适的区间耦合清洁能源进行燃烧，提高燃烧效率、减少碳排放及污染物排放。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法，包括以下步骤；

S1，获取燃烧系统的边界条件，以及燃烧系统内部的组分、温度和压力数据；

S2，根据步骤S1获得的边界条件构建燃烧系统模型，并对燃烧系统模型进行求解，得到燃烧系统模型的组分、温度和压力数据；

S3，对步骤S2得到的燃烧系统模型的组分、温度和压力数据进行校对，使燃烧系统模型的数据误差小于预设误差；

S4，对步骤S3获得燃烧系统模型的温度、压力和组分数据进行分析，确定燃烧系统的燃烧效率和NOx排放量；

S5，根据步骤S4获得的燃烧效率和NOx排放量，预设燃烧系统改进后的燃烧效率目标值和NOx排放量目标值；

S6，对燃烧系统模型进行分区，在燃烧系统模型的一个或多个区域设置单相或多相清洁燃料的接口及边界条件，并根据数值模拟模型对改进后燃烧系统模型进行求解，确定改进后燃烧系统模型在模拟燃烧时的燃烧效率和NOx排放量；

S7，对步骤S6得到的燃烧系统模型的燃烧效率和NOx排放量与步骤S5设置的燃烧效率目标值和NOx排放量目标值进行比较；

当改进后的燃烧系统模型的燃烧效率或/和NOx排放量达到设置的目标值，则清洁燃料的接口及边界条件确定为燃烧系统的改造参数；

当改进后的燃烧系统模型的燃烧效率或/和NOx排放量未达到目标值，修改清洁燃料的接口参数及边界条件，重复步骤S6和S7，直至燃烧效率或/和NOx排放量达到目标值。

优选的，步骤S1中的边界条件包括燃料特性数据、燃烧系统的助燃风数据、燃烧系统的内部换热面积和燃烧系统的结构尺寸数据。

优选的，步骤S2中得到燃烧系统模型的组分、温度和压力数据的具体方法如下：

1)对燃烧系统模型的空间进行网格化；

2)根据CFD数值模拟器，并结合边界条件，构建燃烧系统的数值模拟模型；

3)根据数值模拟模型对网格进行求解，得到燃烧系统模型的组分、温度和压力数据。

优选的，所述网格质量大于0.2。

优选的，所述数值模拟模型包括标准κ-ε双方程模型、离散相模型随机跟踪模型、离散型输运模型动力学/扩散模型、燃料型后出力模型和组分输运模型中的至少一种模型。

优选的，步骤S3中燃烧系统模型的组分、温度和压力数据的校对方法如下：

计算步骤S3获得的数据与步骤S1测量的数据的差值，然后计算差值与步骤S1测量的数据的百分比，当得到的百分比大于预设误差值，则修改数值模拟模型重新对网格进行求解，直至步骤S3获得数据的误差小于误差值。

优选的，步骤S6中将燃烧系统模型的空间分为还原区、燃尽区、替代或/和稳燃区。

优选的，步骤S6中对燃烧效率和NOx排放量同时改进时，方法如下：

在燃烧系统模型的替代或/和稳燃区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧时的组分、温度和压力数据，并根据得到的组分、温度和压力数据，确定燃烧系统模型的燃烧效率和NOx排放量。

优选的，步骤S6中对NOx排放量改进时，方法如下：

在步骤S2构建的燃烧系统模型的还原区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧时的组分数据，并根据得到燃烧系统的组分数据，确定燃烧系统模型的NOx排放量。

优选的，步骤S6中对燃烧效率改进时，方法如下：

在步骤S3构建的燃烧系统模型的燃尽区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧时的组分和温度数据，并根据得到燃烧系统的组分和温度数据，确定燃烧系统模型的燃烧效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法，根据燃烧系统的边界条件构建燃烧系统模型，对燃烧系统模型进行数值模拟分析，对温度场、速度场、组分场进行分析后，采用多相分区耦合燃烧技术，在燃烧系统模型的合适区域设置清洁能源的接口以及边界条件，再次对改进后的燃烧系统模型进行计算，确定改进后燃烧系统模型的燃烧效率以及排放指标，当燃烧效率以及排放指标达到改进目标时，将该清洁能源的接口参数以及边界条件作为燃烧系统的改造参数，对燃烧系统进行改进，提高燃烧系统的燃烧效率、减少碳排放及污染物排放。

附图说明

图1为本发明多相分区耦合燃烧系统改进方法的原理图；

图2为本发明建立数值模拟模型的原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和2所示，一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法，包括以下步骤：

S1，获取燃烧系统燃烧效率和NOx排放指标。

具体为，采集燃烧系统的运行数据，包括燃料特性、炉内温度、烟气温度及其组分，根据运行数据对燃烧系统进行诊断，确定燃烧系统的燃烧效率、热效率以及排放指标。

燃烧系统为窑炉燃烧系统或锅炉燃烧系统。

S2，获取燃烧系统的边界条件，以及燃烧系统内部的组分、温度和压力数据。

具体的，边界条件包括燃料特性数据、燃烧系统的助燃风数据、燃烧系统的炉膛内换热面积、燃烧系统的结构尺寸数据；

生产锅炉还包括工艺物料数据和燃烧系统的温度、压力和组分数据。

燃料的特性数据，如燃煤的工业分析、元素分析数据、煤粉流量数据；燃烧系统的助燃风数据包括流量、温度和压力；燃烧系统的结构尺寸数据为锅炉或窑炉的结构尺寸数据；工艺物料数据，如水泥行业分解炉生料组成、玻璃窑炉进料组成。

S3，根据燃烧系统的边界条件计算炉膛内的组分、温度和压力数据。

1)根据步骤S2获得的燃烧系统的结构尺寸数据构建燃烧系统模型。

2)对构建燃烧系统模型的空间进行网格划分，网格质量大于0.2。

3)根据CFD数值模拟器，并结合步骤2获取的燃料的特性数据、燃烧系统的助燃风数据和燃烧系统的换热面积，构建燃烧系统的数值模拟模型；

4)根据数值模拟模型对网格进行求解，得到燃烧系统模型的组分、温度和压力数据；

网格作为数值模拟计算中求解方程的载体，须将燃烧系统模型的空间进行离散划分，即进行计算网格的划分，网格质量需大于0.2。

数值模拟计算模型选择：对于气相流场采用标准κ-ε双方程模型；对于气固相流场采用离散相模型；对离散相湍流之间的相互作用采用随机跟中模型；对于煤粉燃烧采用离散型输运模型；焦炭的燃烧采用动力学/扩散模型；氮氧化物的生成采用燃料型后出力模型；氮氧化物的还原采用组分输运模型。

S4，将步骤S3获取的燃烧系统模型的组分、温度和压力数据与步骤2测量的燃烧系统的组分、温度和压力数据进行一一比对，当步骤S3获得的数据与步骤S2测量的数据误差大于±5％，则修改数值模拟模型重新对网格进行求解，直至步骤S3获得的数据与步骤S2测量的数据误差小于±5％。

S5，根据步骤S4获取温度、压力和组分数据进行分析，确定燃烧系统的燃烧效率和NOx排放量。

根据燃烧过程中组分的氧含量和CO浓度确定燃料的燃烧效率。

根据燃烧过程中NOx的浓度确定NOx的排放量。

S6，根据步骤S5获得的燃烧效率和NOx排放量，设置燃烧系统模型在模拟燃烧过程中的氧含量目标值、CO浓度目标值和NOx浓度目标值。

当燃烧过程中的氧含量和CO浓度大于氧含量目标值、CO浓度目标值时，对替代区或/和燃尽区或/和稳燃区进行改进。

当燃烧过程中NOx的浓度大于NOx浓度目标值时，对还原区进行改进。

例如，烟气CO浓度大于150ppm，氧含量大于3.5％(V)，则需要对燃烧系统的替代区或/和燃尽区进行改进。

S7、根据步骤S6设置的氧含量目标值、CO浓度目标值和NOx浓度目标值设计燃烧系统的改造方案。

对燃烧系统模型进行分区，在燃烧系统模型的一个或多个区域设置单相或多相清洁燃料的接口及边界条件，并根据数值模拟模型对改进后燃烧系统模型进行求解，确定改进后燃烧系统模型在模拟燃烧时的燃烧效率和NOx排放量。

所述单相或多相清洁燃料是指天然气、氢气、生物质、生物质油、生物质气、醇醚燃料、工业和生活有机类垃圾及污泥。

一、对燃烧效率和NOx生成量同时改造时方案如下：

对燃烧系统模型的空间进行分区，分为替代或/和稳燃区、燃尽区和还原区，在替代或/和稳燃区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧过程的组分、温度和压力数据，并根据得到组分、温度和压力数据，确定燃烧系统模型在模拟燃烧过程中的氧气含量、CO浓度和NOx浓度。

当模拟的氧气含量、CO浓度均和NOx浓度均小于氧含量目标值、CO浓度目标值和NOx浓度目标值，该清洁燃料的接口及边界条件则确定为替代区的改造参数。

当模拟的氧气含量、CO浓度和NOx浓度，其中任意一个大于预设目标值要求时，修改清洁燃料的接口及边界条件，重复上述过程，直至模拟的氧气含量、CO浓度和NOx浓度均满足预设目标值，此时燃烧效率和NOx排放量均满足改进要求。

例如，当燃烧系统模型中CO浓度小于50ppm和NOx的产生量下降50-75％时，该耦合清洁燃料的接口及边界条件即为燃烧系统的改造参数。

二、对NOx排放量改造时方案如下：

对燃烧系统模型的空间进行分区，分为替代或/和稳燃区、燃尽区和还原区，在还原区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧过程的组分和温度数据，并根据得到燃烧系统的组分和温度数据，确定燃烧系统模型在模拟燃烧过程中的NOx浓度。

当模拟的NOx浓度均小于NOx浓度目标值，该清洁燃料的接口及边界条件则确定为还原区的改造参数。

当NOx浓度大于预设值要求时，修改清洁燃料的接口及边界条件，重复上述过程，直至NOx浓度均小于NOx浓度目标值。

例如，根据燃烧系统中NOx生成量在还原区域耦合还原性清洁能源，当NOx的浓度下降50-75％，该耦合清洁燃料的接口及边界条件即为燃烧系统还原区的改造参数。

三、对燃烧效率改造时方案如下：

对燃烧系统模型的空间进行分区，分为替代或/和稳燃区、燃尽区和还原区，在燃尽区设置清洁燃料的接口及边界条件，并对燃烧系统模型改进后的空间进行网格划分，然后根据数值模拟模型对网格进行求解，得到耦合清洁燃料后的燃烧系统模型在模拟燃烧过程的温度和压力数据，并根据得到燃烧系统的温度和压力数据，确定燃烧系统模型在模拟燃烧过程中的氧气含量和CO浓度。

当模拟的氧气含量和CO浓度均小于氧含量目标值和CO浓度目标值，该清洁燃料的接口及边界条件则确定为燃尽区的改造参数。

当模拟的氧气含量和CO浓度任意一个大于预设目标值要求时，修改清洁燃料的接口及边界条件，重复上述过程，直至模拟的氧气含量和CO浓度均小于氧含量目标值和CO浓度目标值。

例如，根据CO浓度在燃烧系统的燃尽区耦合清洁燃料，当CO浓度小于50ppm，该耦合清洁燃料的接口及边界条件即为燃烧系统燃尽区的改造参数。

例如，如锅(窑)炉燃效率低，外排烟气CO浓度波动大，大于150ppm，可考虑提高锅(窑)炉的燃烧效率，选择锅(窑)炉的燃尽区域，耦合清洁燃料燃烧，提高锅(窑)炉的燃尽效率。

如锅(窑)炉烟气NOx排放不满足环保排放要求，可适当调整还原区氧含量，形成还原性区域，然后根据炉内温度数据(900～1200℃)、组分数据(NOx浓度100ppm～1500ppm，O₂％体积分数小于0.5％)选择具体还原区域，在还原区耦合还原性清洁能源，降低锅(窑)炉的NOx排放；

在锅(窑)炉的替代区域内，采用清洁能源与燃煤耦合燃烧器，替换部分燃煤(5％～30％)；采用清洁能源替换原有点火及助燃系统。

本发明提供的一种基于多相分区耦合的燃烧系统改进方法，在对替代或/和稳燃区改造后，可以替换燃煤5％～30％；可以完全替代点火及助燃区的燃油。

对燃尽区耦合改造后，外排烟气CO浓度小于120ppm，提高燃煤燃尽率；还原区改造后，外排烟气NOx浓度降低30～90％；

对还原区耦合改造后，，NOx排放降低30～90％，燃烧效率提高0.5％～5％，替代燃煤5％～30％；

S7、根据步骤S6确定改造方案，开展设备设计及工程设计，对燃烧系统进行改造。

实施例1

案例：5000吨/天的水泥分解炉低氮耦合

第一步：获取燃煤工业分析及元素分析、生料的成分分析数据，回转窑燃煤流量及助燃风数据；三次风与分解炉接口位置、尺寸、流量、温度及压力；燃煤与分解炉接口位置、尺寸、流量、温度及压力；生料与分解炉接口位置、尺寸、流量、温度及压力；分解炉整体尺寸数据：高度、直径、烟气进口直径、缩口尺寸等；烟气DCS成分分析数据。

第二步：以烟箱底部为0米层，往上每隔1.5～3米高程，同一高程上东、南、西、北打4个直径50毫米的检测孔，采用气体成分、压力、温度一体化检测仪器进行检测，检测仪器探头距离手柄1.5米以上，分别按照探头深入炉体内0.5米、1米、1.5米，检测三组数据；然后继续往上1.5～3米，重复打孔及检测步骤；测定10层数据，共120组数据；数据测量完毕后，将检测孔采用耐火材料封堵。

第三步：根据第一步获取的数据构建水泥分解炉的模型，利用网格划分工具，将水泥分解炉三维结构离散化，网格质量大于0.2；选用气相流场、气固相流场、离散相湍流随机跟中模型、煤粉燃烧离散型输运模型、焦炭燃烧动力学/扩散模型、氮氧化物生成模型、氮氧化物还原输运模型，建立数值模拟器。

第四步：利用数值模拟器进行数值模拟计算；根据模拟的温度场、压力场、组分场及NOx浓度场与第二步检测数据进行对比分析；并校正模型，以满足实际精度(±5％)需求。

第五步：根据满足精度的数值模拟结果，选定在NOx浓度(350ppm以上)、氧含量(小于0.5％)、温度(850～1150℃)的区间作为还原剂喷入区域，并计算还原剂喷入量约为分解炉燃煤量的1％～10％左右。

第六步：对于分解炉，采用一定数量的还原剂喷嘴并设置喷入方向、角度，喷入还原剂流量、速度，建立数值模拟模型。通过改变上述条件，进行模拟计算，烟气NOx排放可降低30％以上。

第七步：根据模拟，设计喷嘴尺寸，并进行窑炉打孔；还原剂系统的设计、管道及喷嘴的安装；调试及运营。

第八步：运营结果分析，采用还原剂分区耦合技术后，烟气NOx排放降低1/2左右，满足模拟分析结论。

本发明提供的一种基于多相耦合的燃烧系统的改进方法，构建燃烧系统模型对燃烧设备进行数值模拟分析，对温度场、速度场、组分场进行分析后，采用多相分区耦合燃烧技术，选择合适的区间耦合清洁能源或垃圾或污泥进行燃烧，清洁能源包括天然气、氢气、生物质、生物质油、生物质气、醇醚燃料或/和工业和生活有机类垃圾及污泥，一方面可增加清洁能源的比例、提高燃烧效率、减少碳排放及污染物排放；另一方面可以对垃圾或污泥得到有效处理，避免二次污染。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。