本文是一篇机械论文，本文在传统锅炉热力学模型的基础上建立了锅炉中三相混合物的热力学模型，将该模型应用于某锅炉热力计算软件，并通过工程实例进行验证，结果表明该模型适用于工质流程创新布置的锅炉，表明了此模型的准确性和可靠性。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
我们这个时代是“能源时代”，能源在世界经济、政治、文化的高速发展中的作用是不可小觑的。随着社会经济的向前发展，能源在人类生活中的低位越来越重要，目前，世界能源的最大供应者是化石能源[1][2]，并且在较长时间里会继续提供人类发展和进步所需的能量。煤炭、石油、天然气就是化石燃料中最具有代表性的燃料，在我国电力工业的组成部分中，火力发电占56.58%，电站锅炉是火力发电中三大主机之一[3]，发电量占总发电量的49.07%，因此锅炉行业在工业中有着不可或缺的作用，火力发电在我国作为主力发电的结构在近几十年中还不会发生改变。锅炉为国民经济提供重要的热能供应，不止应用在在火力发电行业，还被普遍用于化工、食品、医药、纺织、建材等行业。根据调查数据表明，2020年中国锅炉的总产量为439112.2蒸发量吨，同比上升11.5%，2021年中国锅炉的总产量为389052.71蒸发量吨，2015至2021年中国工业锅炉的总产量变化情况如图1.1所示（数据来自：华经产业研究院）。
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随着锅炉行业的发展，火力发电行业的能源消耗问题和污染排放问题受到越来越多的关注，是我国能源实现可持续发展的当务之急。近年来为了燃料资源、减少污染物的排放、提高锅炉的热力性能、提高燃料利用率等研究者提出了更多锅炉型式和功能来适应不同的燃料需求，针对锅炉机组的不足还提出了许多改造方案，如省煤气分级布置、省煤器烟气旁路、炉水循环、给水侧旁路方案、省煤器分隔烟道等方案。
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1.2 国内外研究现状
在物理学中物质有气、液、固和等离子四种相，为了方便也会将等离子相当做气相来研究。单相流中物质只存在一种相态，双相流中物质存在两种相态，三相流中物质同时存在气-液-固三种相态[9]。与单相流热力学类似，研究多相流问题的理论分析方法分为微观分析法和宏观分析法两种观点。由于物理和数学上的种种困难，对三相流的研究目前还不能使用微观分析来解决实际问题，所以本文用宏观分析法进行研究。
锅炉系统中的质量交换和能量交换过程均是通过改变混合物工质的类型和状态来实现的，因此对锅炉三相混合物的热力学模型进行分析研究时，首先需要对多相混合物工质的热物性进行研究。锅炉中的工质有水、水蒸气、空气、烟气、灰、燃料、炭黑、焦炭粒子和石灰石等，锅炉中常用到的物性参数有密度、比焓、比热容、粘度、导热系数等，还有普朗特数。在进行热力学分析时，常规的方法是首先确定其物理状态参数，然后再根据工质的热物理性质表或者公式计算出该物理状态下的热物理性质参数，此方法仅适用于工程量较小的计算，当计算数据较多、过程较复杂、计算要求较高时就会有困难。随着人工智能技术的快速发展，国内外学者们针对计算要求较高的实施运行与控制优化展开了大量研究。
因为气-液两相流的性质是不稳定的，所以在近几十年来对气-液两相流的研究课题受到研究者们的重视。对于建立水和水蒸气热物性参数计算以及较高的计算精度，最早的研究是在1967年，国际公式化委员会（IFC）提出了IFC-67计算模型；1997年国际水和水蒸气性质协会（IAPWS）提出IAPWS-IF97模型[10]，与IFC-67相比它计算更简洁、精度更高、计算速度更快且误差较小。该公式已经被美国机械工程师协会（ASME）规定为工业计算标准，在我国锅炉行业的热力计算过程中该公式也得到了广泛的推广，此后几年内IAPWS协会又对该公式应用过程中出现的问题进行了公式优化。在2005年提出计算物性的新方法，该方法是通过确定温度和压力来实现的。在2008年至2011年IAPWS协会又陆续发布了水和水蒸气的粘度、导热系数的经验公式，到此IAPWS-IF97公式才完美的出现在人们的视野里[10]。
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第二章 锅炉中的工质物性及其物理化学过程
2.1 锅炉中工质经历的物理化学过程
锅炉的工作过程中工质经历燃烧、相变、混合、分离等过程。这几个过程并不全是逐步进行，可能会同时发生两个或两个以上的过程。下面分别介绍各物理化学过程。
燃烧是锅炉工作中最重要也是最复杂的物理化学反应之一，不同的燃烧方式其燃料状况也有所不同。以燃煤锅炉为例，煤粉颗粒由水分、原煤、焦炭和灰粉四部分组成，煤的燃烧有3个过程，分别是惯性加热、挥发分析出和焦炭的燃烧过程。惯性加热过程是煤粉粒加入炉膛中后，被高温环境迅速加热，当温度小于挥发分析出温度的阶段，此时系统中是煤粉颗粒、空气和水蒸气的混合物。然后继续加热，挥发分析出，原煤消耗，剩余固体焦炭，此时锅炉中工质为焦炭、水、水蒸气、空气、可燃性气体、灰的混合物，这些过程不是逐步进行的而是同时存在多个过程一起进行的。随着系统温度继续上升，达到可燃物的燃点温度之后，焦炭和挥发分可燃性气体就开始燃烧。焦炭的燃烧是在燃烧过程中最长的阶段，假设焦炭与氧气在异相反应中充分燃烧，析出的挥发分气体也在气相燃烧反应中迅速燃尽。燃烧产生二氧化碳、二氧化硫、水蒸气、灰分（残留的固形物）、含有其他物质的氧化物如含有氮的化合物，微量的硫化氢。
燃料在炉膛燃烧释放出大量的热，燃烧产生热量经炉膛吸收后，高温烟气被引入装有过热器、再热器、省煤器和空气预热器的尾部烟道，通过对流和辐射方式释放热量给管道中的水和水蒸气。之后烟气经过除硫、除尘装置后排出锅炉。燃烧形成的部分灰分粉末随着烟气流动，其余灰排入灰斗。
循环流化床锅炉中石灰石受热分解为CO2、CaO 和杂质，CaO和烟气中的SO2反应产生亚硫酸钙，完成锅炉产物烟气的脱硫过程。所以在循环流化床锅炉中还应有气相工质为CO2、SO2，固相工质为CaO、石灰石和杂质等。
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2.2三相混合物的热物性
对单相流体，为研究其物性特性而将单相流体拆分为单独工质进行研究，对两相流及多相流，由于相面届的问题使多相流热力学研究问题变得很复杂，为研究多相流的物性而将多相流拆分为多个单相流，然后再进行单相流的物性特性研究。锅炉中的工质主要有燃料（煤、燃油、天然气）、灰、烟气、空气、水和水蒸气等，多相混合物模型非常复杂，因此在工程中都会根据实际情况进行适当的简化和假设，设定理想的边界条件和参数值，在实际工程中只需要考虑温度、压力、密度、粘度、导热系数、比热容、普朗特数等宏观量，本小结将对锅炉单相热力学模型和多相流热力学模型中工质的物性进行研究。
空气主要是由氮气、氧气和少量水蒸气组成；烟气由二氧化碳、水蒸气、氮气、二氧化硫和灰组成；气体燃料由烷烃类气体、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气、苯和硫化氢组成；石灰石由碳酸钙、碳酸镁、水和灰组成；液体燃料和固体燃料主要组成元素是C、H、O、N、S等，可抽象为由C、H、O、N、S元素组成的单质和水与灰的混合物；水、水蒸气、炭黑和焦炭粒子均可看成单质。上述工质在进行热力学模型计算时都需明确其组分和份额（质量份额或份额）。
综上所述，三相混合物模型中，气相应包括烷烃类气体、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢、水蒸气、二氧化硫这些单质，液相应包括液体燃料单质、水，固相应包括固体燃料单质、碳酸钙、碳酸镁、灰、炭黑和焦炭粒子。其中炭黑和焦炭粒子不包含在热力学模型中。
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第三章 三相混合物的热物性模型 ............................... 19
3.1 三相混合物的组成 .................................... 19
3.1.1 三相混合物的描述 ...................................... 19
3.1.2 三相混合物的组分变化 ............................. 20
第四章 三相混合物的物理化学过程模型 ............................. 27
4.1 物理化学过程模型的依据 ................................. 27
4.2 燃烧过程 .............................. 28
4.3 混合与分离 ................................ 29
第五章 三相混合物热力学模型应用 ................................ 39
5.1 三相混合物热力学模型的实现 ...................................... 39
5.2 热力学模型在锅炉热力计算软件中的应用 ........................... 43
第五章 三相混合物热力学模型应用
5.1 三相混合物热力学模型的实现
锅炉中的工质，包括水、水蒸气、空气、烟气和灰，还有燃料、燃料燃烧产生的炭黑和焦炭粒子，循环流化床锅炉脱硫时加入炉膛的石灰石。这些工质的参数都会对锅炉热力学性能产生影响。其中，空气、烟气和灰是混合物，但是锅炉热力学计算中，对灰的组分不做区分，可以当单质对待。空气由氮气、氧气和少量水蒸气组成。烟气由二氧化碳、水蒸气、氮气、氧气、二氧化硫和灰组成。水（蒸汽）为单质，在锅炉设备中表现为气、液两相，有时气液两相共存。
根据文中第三章对锅炉中三相混合物工质的描述，在三相混合物模型中，气相工质应包括烷烃类气体、二氧化碳、一氧化碳、氧气、氢气、氮气、硫化氢、水蒸气等这些单质，液相工质应包括液体燃料单质、水，固相工质应包括固体燃料单质、碳酸钙、碳酸镁、灰、炭黑和焦炭粒子。三相混合物的温度和压力变化时，水、水蒸气有可能在气液两相间跳跃，也有可能在气液两相共存。这些三相混合物组成的物质中，除了炭黑和焦炭粒子，其它物质的质量流量均应包含在热力学模型中。
根据上述分析，得到的工质类图如图5.1所示。从图中可以看出，工质（work-medium）由气相工质（gas phase medium）、液相工质(liquid phase medium)和固相工质（solid phase medium）组成。这三相可单独存在，也可两两组合，亦可同时存在。当气相存在时，需至少包含一个继承至流体类（fluid）的气相工质，包括氮气、氧气、一氧化碳、水蒸气等。当液相存在时，也需要至少包含一个继承至流体类的液相工质，包括水和液体燃料单质。当固相存在时，应至少包含一个继承至固体类（solid）的固相工质，包括固体燃料单质、碳酸钙、灰、炭黑和焦炭粒子等。从图中还可以看出，三种相态的燃料，都要实现燃料接口，该接口的用于规定燃料发热量、实现燃料燃烧参数的计算。所有的气体工质和液体工质都继承于流体类，这一方面是由于气、液都属于流体。另一方面是由于热力学计算中对这两种物质调用的物性高度一致，气、液两相单质继承于同一类，可减少代码冗余度，便于后期维护，减少工作量。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文是在传统锅炉热力学模型的研究基础上，针对锅炉中三相混合物建立热力学模型，包括三相混合物的热物性模型和三相混合物的物理化学模型，设计一个适用度高、同时可以包含多种物理化学过程的热力学模型。并将此模型应用到某公司开发的针对传统锅炉的热力学计算软件中，实现了软件的升级，使得该软件可以满足现代锅炉工质流程的随意性布置需求，最后将该软件应用于某高压四角切圆燃煤热风炉，然后进行结果计算和分析。全文研究内容如下：
（1）锅炉中的工质除了水（蒸汽）、空气、烟气、灰等常见工质，还包括燃料、燃料产生的炭黑和焦炭粒子、循环流化床锅炉脱硫时加入炉膛的石灰石，所以造就了锅炉中工质种类和状态的复杂多样，给三相混合物的物性计算带来很大的困难，本文将混合物工质分为气相工质、液相工质和固相工质这三相，通过经验公式、查表、实验测量、程序计算等方法获得混合物的物性，建立三相混合物的热物性模型。
（2）程序设置了燃烧过程，可支持多种燃料同时进行燃烧，当该过程运行时，程序根据混合物中可燃气体和氧气的量，计算得到燃烧后的物质组成和释放的热量，并依据释放的热量调整混合物的温度和相态。在锅炉的换热过程中，根据吸收（释放）的热量来改变混合物的温度和相态，在三相混合物的换热研究中是通过由比焓反求温度、相态来实现的。
（3）根据热风炉系统的分析，在锅炉热力系统软件中添加相应部件，构建热风炉模型。为了体现工质流经部件之后参数的变化，加入了通用换热器模型，然后输入关联矩阵中工质的分配比例，设置收敛误差和目标收敛部件（锅筒）后，进行计算。当结果不满足要求，分析原因，然后根据原因再重新调整各输入参数类型和参数值，然后再进行计算，直至计算出满足要求的结果。
参考文献（略）