直流电弧数值模拟及等离子点火特性研究

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火电站锅炉启动和低负荷稳燃过程中,需要消耗大量的燃料油,我国的油资源贫乏,国际原油价格又呈现不断上涨之势,因此节油急不可待。等离子点火装置可以在完全不需要任何燃油的情况下达到点火及稳燃的目的,是一种有效节约锅炉点火、稳燃和调试用油的手段,对降低发电成本、节约油资源、增强国家能源安全有很大意义。等离子燃烧器是等离子点火系统主要设备之一,其结构特点、点火特性直接关系到该技术的应用和推广,因此,本文对等离子燃烧器的点火特性进行了系统的研究。首先,本文介绍了等离子体点火系统的基本构成、等离子体的基本特性、等离子体对煤粉的促燃效果以及等离子发生器的传热量分析等。在此基础上,运用热力学和物理化学的基本知识,对等离子发生器出口的等离子体射流的温度进行了估算。其次,本文运用磁流体力学模型和k-ε湍流模型,使用ANSYS软件对等离子体发生器内的直流电弧等离子体进行数值模拟,得到温度场和速度场分布,结果显示等离子发生器阳极喷口等离子体的中心温度高,从中心至壁面的温度逐渐降低,呈抛物线分布,阳极喷口的速度类似于温度分布,也呈抛物线分布,将温度和速度分布拟合成方程作为等离子体点火数值模拟的入口边界条件。对不同工况下直流电弧进行数值模拟,得到不同功率、不同进气量、不同冷却水流量对电极温度的影响规律。再次,本文利用商业软件FLUENT,采用合适的数学模型对等离子燃烧器内的点火过程进行数值模拟计算。气相湍流流动采用k-ε模型模拟,气相湍流燃烧采用平衡混合分数/PDF模型模拟,辐射换热采用P1模型模拟,焦炭的燃烧采用动力扩散燃烧模型,对煤粉挥发分的释放采用了双匹配速率模型,煤粉颗粒的跟踪采用了随机轨道方法。模拟得出了一些能反应等离子点火特性的关键参数的分布,如温度场、速度场、CO和CO2的质量分数以及燃烧筒的壁面温度等,从而对等离子燃烧器的点火特性进行系统研究。最后,对不同工况下的点火过程进行数值模拟,得到了一次风速度、煤粉浓度以及一次风的入口角度对等离子点火的影响规律。这些规律为等离子燃烧器的改进和设计提供参考依据。
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