煤炭作为我国储藏丰富的常规化石燃料，其消费总量的50％以上被用来燃烧发电。碳烟被定义为煤、石油等碳氢燃料热解或不完全燃烧所产生的碳质颗粒，对人体健康、生态环境和工业生产具有很大影响。超细碳烟颗粒可深入到肺中而引起呼吸系统疾病，另外，碳烟对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳，燃烧设备中碳烟的存在对其热效率有重要影响。因此，对碳烟的生成过程以及影响碳烟生成的因素进行深入研究，对降低碳烟排放，提高燃烧设备燃烧效率具有重要意义。 本文首先构建煤粉燃烧数学模型，将碳烟生成模型进行描述，应用ANSYSFluent软件对煤粉射流燃烧器进行稳态数值模拟，并将Moss-Brookes碳烟模型结合脱氢加乙炔(H-abstraction-C2H2-addition，HACA)机理研究其中碳烟形成特性。模拟预测结果与实验数据相符，验证了构建的煤粉燃烧数学模型的正确性。结果表明，煤粉点火方式对着火稳定有很大影响，在燃烧器中心存在狭长高温区。碳烟表面生长在燃烧器中心偏下游处达最大值，碳烟氧化伴随着碳烟生长进行，乙炔、氢气及氢原子浓度变化验证了HACA机理的适用性。 然后，对燃烧器模型加密后进行冷态流场大涡模拟(LES)，将Moss-Brookes碳烟模型与LES-PDF(Probability Density Function)模型结合对其进行热态模拟，大涡模拟冷态平均速度和实验测量值对比显示大涡模拟能够较好预测流场中流体的速度分布，且将大尺度涡直观地反映出来。热态模拟显示高温多集中分布在轴线附近的狭长区域，并更好地展现出温度场的脉动性能，且OH自由基分布与实验结果符合较好。 接着，分别采用矩方法碳烟模型和Moss-Brookes模型对某一旋流煤粉燃烧炉火焰进行稳态数值模拟，并研究了旋流作用及碳烟对炉内辐射温度场的影响。结果表明旋流燃烧炉喷口处旋流二次风对温度场和组分场以及碳烟颗粒分布作用明显。碳烟质量密度主要分布在燃烧炉入口处到炉主体1/4中心空间处，碳烟表面积存在随着旋流二次风在较窄的区域内先增大然后逐渐扩散减小的趋势。碳烟成核、表面生长和氧化在时空上具有连续性，且碳烟体积分数与炉内发射辐射呈正相关性。 最后，对燃烧炉大涡模拟分析火焰特性并对不同燃料当量比下碳烟生成与辐射特性和温度场相互影响进行分析。结果显示，在大涡模拟中考虑湍流脉动，煤粉火焰最高温度大幅降低，且考虑碳烟生成使最高温度再次降低了127K。碳烟成核、表面生长和氧化均主要存在于燃烧炉主体空间高温区域，且具有一致的连贯性。不同燃料当量比对火焰温度场影响很大，但碳烟体积分数分布趋势相近。
NETL
