哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Spaling在1971年提出[41,44]。其基本思想是：认为在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应在两个气团的交界面上发生，当湍流速度梯度增大，使气团进一步破裂，交界面也进一步增加，因此认为平均的化学反应速率由未燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率而决定，而破碎速率则与脉动动能的衰变速率成正比。EBU模型将湍流与化学反应的关系式给出了明确的表达式，从而获得了可解的方法，但模型认为反应完全由湍流控制，只能在一定的湍流情况下适用。
2.4.2.2 拉切滑模型 为克服EBU模型的缺陷，Spalding于1976年提出了拉-切-滑（Stretch-Cut-Slide）模型[41,44]，其基本思想是：湍流反应区充满了未燃气团和已燃气团，气团在湍流作用下受到拉伸、切割、滑动重新组合，其不均匀性尺度下降，未燃气和已燃气界面上存在燃烧面，燃烧面以层流火焰向未燃部分传播。此模型跳过了湍流与化学反应的相互作用问题，未反映出湍流的脉动统计特性，对于复杂的化学反应系统，很难找到合适的表达式进行应用。
2.4.2.3 ESCIMO湍流燃烧理论 ESCIMO湍流燃烧理论由Spalding于1976年提出[41,44]，其基本思想是：认为湍流燃烧场由大量流体夹层块构成，它们在流场作用下不断被拉伸，夹层块内部存在层流扩散和化学反应。该模型兼顾了湍流输运、分子扩散及化学反应本身三个方面的特征，也许是目前最有发展前途的湍流燃烧模型。
2.4.3 焦炭燃烧模型
焦炭燃烧是固体与气体氧化剂之间进行的异相化学反应，气体氧化剂一般指氧气、二氧化碳、水蒸汽和氢气，对于焦炭与这几种氧化剂之间的反应一般假设：炭的颗粒是球形的颗粒；气体氧化剂向焦炭表面或气孔扩散；扩散的氧化剂被焦炭表面吸附；被吸附的氧化剂与炭反应形成被焦炭表面吸附的产物，然后产物从表面解吸，被解吸的产物扩散离开焦炭表面[45]。
焦炭颗粒燃烧模型主要有以下几类[25,45]：
（1）纯扩散燃烧模型 假设焦炭所处的环境既无自然对流，又无强迫对流，焦炭的燃烧速率完全由气体氧化剂向焦炭颗粒表面的扩散速度控制。 （2）扩散-动力控制模型 认为焦炭的燃烧速率不仅与氧化剂的扩散速度有关，还与反应动力学因素有关，Hottle等人在三十年代引用半经验公式对这一问题进行了论述。
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（3）具有容积反应的焦炭燃烧模型 焦炭的表面与氧气反应可能生成二氧化碳，也可能生成一氧化碳，碳还会与二氧化碳发生还原反应生成一氧化碳，因此当表面反应产物从焦炭表面解吸进入空间后，空间中就会存在一氧化碳和氧气的容积氧化还原反应。考虑这种容积反应的模型一种是Black Shear等人的模型，另一种模型引入了“折算薄膜”概念来考虑强迫对流的影响，采用等温及没有斯蒂芬流的假定。
（4）考虑内孔效应的焦炭燃烧模型 焦炭是具有多孔性质的固体，焦炭与气体氧化剂的异相反应不但发生在炭粒外表面上，而且还发生在炭粒的内孔表面上，因而反应面积除焦炭表面面积外，还应加上颗粒的内部反应面积，而此面积与颗粒孔隙结构有关，孔隙结构随燃烧深化而增长。
（5）考虑覆盖层影响的焦炭燃烧模型 焦炭燃烧时生成的二氧化碳（或一氧化碳）从焦炭表面解吸附放出去后，残剩的固态灰分，往往形成一层多孔德覆盖层，这层惰性覆盖层对里层内的焦炭燃烧就构成了附加的扩散阻力。
2.4.4 本文所选用的模型
采用的煤粉燃烧综合模型假设煤粒为单一粒径的球形颗粒，在反应过程进行的任何时刻，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分这四部分组成。煤粒温度的上升导致煤粒中的水分蒸发，进入气相变成水蒸汽。原煤随着挥发分析出而消耗，假设析出的挥发分的成分为碳氢化合物（CHx），它在气相燃烧反应中迅速耗尽，这样剩余的固体中仅含有可燃物焦炭和非可燃物灰分，焦炭与氧气发生异相反应而逐渐燃尽，灰分在固体中的含量则随着焦炭的燃尽而逐渐趋向于1。该模型能够定量地预报大型煤粉锅炉炉内的燃烧过程，较为准确地得出炉内烟气温度、组分分布规律，并已为试验结果所验证[46]。 2.4.4.1 水分蒸发 假定当煤粉颗粒中含有水分时，所有传递给颗粒的热量被认为是用来加热颗粒中的水分，使之变成水蒸汽。水蒸汽的生成速率为：
dmd1dQ1→2
（2-33） =
dtLdt
式中，L为水的汽化潜热。
2.4.4.2 挥发分析出 挥发分析出采用单方程模型来模拟，挥发分的生成速率为
Rvol=Ar2ρ2Yvmc?exp(?E/RT2) （2-34）
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式中，mc为煤粉颗粒的质量；Yv为干燥无灰基煤中挥发分所占的质量百分数；A和E为与煤种有关的动力学常数，由实验确定；T2为颗粒相的温度，R为通用气体常数。
2.4.4.3 挥发分燃烧 挥发分燃烧采用EBU-Arrhenius气相湍流燃烧模型，两步反应机理的反应式如下：
1xx
CHx+(+) O2→CO+H2O+ΔH1
242
1
CO+ O2→CO2+ΔH2
2
挥发分燃烧反应速率为：
RcomCH4=?[(RkCH4)?1+(ReCH4)?1]?1 （2-35） RcomCO=?[(RkCO)?1+(ReCO)?1]?1 （2-36）
式中，Rk和Re分别为动力反应率和涡旋破碎率（kg/m3·s）,表达式为：
ReCH4=4ρ1?min(YCH4,YO2/3)?ε/k （2-37） ReCO=4ρ1?min(YCO,YO2/0.57)?ε/k （2-38）
2
RkCH4=1.15×109?ρ1e?24444/TYCH4RkCO=5.42×109?ρ1e?15152/TYO2
2
0.25
?0.3
YO2 （2-39）
0.5
1.3
YH2OYCO （2-40）
2.4.4.4 焦炭燃烧模型 焦炭燃烧反应采用了扩散－动力模型，焦炭燃烧速率Rc受到氧扩散到焦炭表面的速率和化学反应的动力速率两个过程的控制，
6r2PO2
?1?1
RC=?(Kc?1+Kd) （2-41）
D
式中，PO2为焦炭表面氧分压；Kc和Kd分别为化学反应动力和表面扩散系数，
Kc=Acexp(?EcRT2) （2-42） Kd=
ShDO2McRT1D
（2-43）
式中，Ac为反应前置因子，取为9081.935kg·m-2·s-1·MPa-1[47]；Ec为反应活化能，取为21900J·mol-1[47]，Sh为舍伍德（Sherwood）数，取为2.0[6]；DO2为氧气的扩散系数；Mc为碳的摩尔质量。
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2.5 NO生成模型
在煤粉炉内燃烧过程中，NOx主要有三部分，即燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx，但其比例不一。快速型NOx仅占总量的5%以下，基本上可以忽略；热力型NOx约占总量的20%左右；燃料型NOx约占总量的75%～80%[44]。而通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx中NO约占90%以上，NO2占5%～10%，而N2O只占1%[47]，因而在研究燃煤锅炉NOx的生成时，一般主要讨论热力型NO和燃料型NO的生成机理。
因为相对于煤粉燃烧过程中的其余物质，NO所占的浓度非常小，NO生成过程的模拟对于气相物质的混合特性、热力学特性及燃烧产物的组分分不影响很小。所以对NO生成特性模拟采用后处理计算的办法，即在整个炉膛流动、传热和燃烧过程计算出合理的收敛结果后再进行计算。
2.5.1 热力型NO生成模型
热力型NO是空气中的氮气在高温下氧化而生成，采用扩展的Zeldovich机理，由以下三个反应描述[48]：
N2+O→NO+N
N+O2→NO+O
N+OH→NO+H
NO摩尔浓度的变化率为：
d[NO]
=2ρ1k1YN2[O]MNOMN2 （2-44） dt
式中，Mi为I组分的摩尔质量；Yi为I组分的质量百分数； k1为第一个反应的反应常数，k1=1.8×108e?38370/T1； [O]为氧原子的摩尔浓度，[O]=3.97×105T1
?0.5
(ρY
1O2
MO2
)0.5
e?31090/T1。
2.5.2 燃料型NO生成模型
燃料型NO为煤中所含的氮元素转化而形成，可分为挥发分中氮生成的NO和焦炭中的氮生成的NO两部分[44]。挥发分氮以氮化合物形式出现，主要是HCN，它在挥发分的均相燃烧过程中被氧化成NO，但同时它又会把生成的NO还原成N2；焦炭氮在焦炭的异相燃烧过程中被氧化成NO，同时生成的NO又会通过焦炭表面还原反应而被还原。燃料氮转化成NO的量主要取决
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