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75t/h循环流化床燃烧系统数值模拟
发布时间：2013-07-24 07:49 来源：未知
随着燃煤循环流化床( CFB)锅炉的广泛应用，如何有效地进行CFB锅炉设计和系统性能的预测成为一个迫切需要解决的课题。由于计算机数学模拟相对试验而言，其通用性、灵活性及快速性使得锅炉设计可以建立在多方案比较和选择的基础上，从而使锅炉设计达到最优化。从电力发展规模和要求来说，今后燃煤电站发电机组标准容量为( 300~600) MW，因此，CFB锅炉要能在电力工业中起较大作用，必须解决大型化问题，才能在容量上与煤粉炉竞争。目前，燃煤流化床燃烧技术已经发展到商业化阶段，在对商用CFB锅炉进行大型化设计，以及进行控制方案、控制策略、运行特性的研究时，迫切需要开发出能够同时反映流化床内部和外部的主要物理化学过程，并能够预测其静态和动态性能的整体模型，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂�。
中国科学院工程热物理研究所( IET)结合近年来的研究成果和现场试验及运行数据，进行了75 t/h、130 t/h、220 t/h、410 t/h和650 t/h CFB锅炉数值模化工作，本文介绍模拟IET设计的某75 t/h CFB锅炉燃烧系统的情况，将计算参数与设计参数进行对比，分析模型计算结果并从机理上分析结果的合理性。
1、75 t/h CFB锅炉设计参数
IET 75 t/h CFB锅炉炉膛高度为20. 32 m，下二次风离布风板的高度为2. 22 m，上二次风高度为4.52m。炉膛下部内衬耐磨材料，分离器采用高温旋风分离器。一次风经布风板送入炉内，二次风又分为上下两级，上二次风的位置被用来确定密相区的高度。炉膛过量空气系数为0.2，其中一次风份额为0.55，空气预热温度为180℃。计算中取密相区（也就是上二次风以下区域）小室数目10个，稀相区小室数目20个。煤的元素工业分析结果见表1，给煤的粒径分布见表2。
2、计算结果及分析
假设挥发分在密相区内完全、均匀释放，额定负荷下的一些计算结果见表3。
由表3可见，飞灰含碳量、灰渣含碳量、碳燃烧效率等均在合理范围之内，另外，炉膛顶部烟气出口温度为875℃，而设计温度为900℃，二者相差不多。总的来说，上述结果从定性的角度来看是合理的。CFB锅炉模型对象的一个重要特性就是计算温度、传热系数、物料浓度、气体浓度等参数的分布特性。图1给出了炉内温度沿炉膛高度的变化情况。
从定性角度来看，CFB内温度分布比较均匀。大量试验表明，二次风的加入往往会引起局部烟气温度的升高。本文虽然没有预测出这种趋势，但从图1可以看到，在炉膛高度(2.5~5.0)m之间温度下降速度要比(5.0~7.5)m之间快。这说明二次风的加入确实延缓了附近区域温度下降趋势。
图2给出了炉内反应释热速率沿炉膛高度变化情况。从该图可以看出放热速率存在2个极大值。1个位于给煤点附近，可以理解为给煤入炉后挥发分迅速释放并燃烧从而放出大量热量。而后，由于得不到足够的氧气，反应速率变缓。随着上二次风的加入，补充了足够的氧气，因此反应加速，形成反应释热的另1个峰值，这也减缓了温度的下降。
图3、图4分别给出了炉内颗粒流量及上下颗粒流量差沿炉膛高度的变化情况。从图3可以看出，密相区内单向的颗粒流量非常高，进入稀相区之后颗粒流量急速下降。由于炉内温度非常高，在900℃左右，这些颗�；岽糯罅康南造式朊芟嗲械哪掣鲂∈摇Ｔ谡庵智榭鱿�，该小室内的反应放热仅占其总热焓的很少一部分，因此燃烧放热并不能明显地改变此处的温度。同样道理，虽然二次风的加入加快了反应速度，但对温度的影响较小。由于实际测量结果大多数是在实验室规模下进行的，床内颗粒流量可能较小，因此二次风能够较大地改变此处的温度。另外，从图4还可以看到，密相区内颗粒往上与向下流量之差为零，证明了密相区内是充分混合的这个基本过程。在稀相段，颗粒上下流量之差为一个常数。从颗粒总体质量平衡角度分析，这个差量约等于进入旋风分离器内的颗粒流量。从图可以看出，在当前工况下，进入分离器的颗粒流量约为100kg/s。
图5给出了平均空隙率沿炉膛高度的变化情况�？梢钥闯觯诓挤绨甯浇�，颗粒空隙率受一次风的影响较大，颗粒较稀。但在密相区的大部分区域，空隙率比较一致，这也说明密相床内混合比较均匀。进入稀相区之后，空隙率急速上升，而颗粒浓度急剧下降。这点同颗粒扬析夹带率的下降趋势一致�？梢钥吹�，在某个高度以上，空隙率或扬析夹带率基本上没有变化。根据TDH（输送高度）定义方法，可以据此确定这个特征高度。
图6给出了氧气、二氧化碳和水蒸气的浓度变化情况。该图较明显地显示了烟气浓度随锅炉进风的变化情况。从图可以看出，二氧化碳的浓度在高度方向基本上是上升的，而水蒸气的浓度在进入稀相区之后基本上没有变化。这可能同挥发分析出及燃烧模型有关，也可能同碳氢化合物的燃烧特性有关。因为，一般情况下，碳氢化合物从煤中析出后能够迅速燃烧并消耗干净，其产物之一为H，O。由于模型中假定挥发分在密相区均匀释放，因此水蒸汽浓度分布同挥发分析出模型一致。CO，浓度的不断增加，一方面是因为CO燃烧会持续较长的时间，另一方面焦炭在炉膛上部的燃烧也会增加CO，的排放。
图7给出了CO浓度变化情况。从图可以看出，CO浓度随着炉膛高度的增加，先是迅速上升，在某个位置达到第1个峰值（该处对应着给煤点），说明挥发分在此大量析出。而后CO与氧气反应被消耗。随着高度的增加，CO由于得不到足够的氧气其浓度又会增加。直到上二次风加入后，其浓度才逐渐减小。在炉膛出口处，CO的浓度约为20uL/L，
图8分别给出了气泡相和乳化相中CO浓度的分布。从图可以看出，二者之间区别较大。这说明对气泡相和乳化相分别考虑气体质量平衡是必要的。
图9给出了稀相区中环行区厚度变化情况�？梢钥吹�，随着炉膛高度的增加，环区的厚度逐渐变薄，最大环区的厚度约为210mm。
图10给出了炉膛中传热系数的变化情况。由于床高2.0m以下区域布置有耐磨材料，该区域中的实际换热系数应为上图中的数值乘以系数0.6。从图可以看出，密相床中的换热系数约为240 W/(m2K)。在密相床以上随着高度的增加，由于固体浓度开始随高度急剧减小，随后趋于平缓，所以换热系数也有一个先急剧下降，然后又趋于平缓的过程。在炉膛出口处，总的换热系数约为118 W/(m2K)。同时还可以看到，总传热系数主要随对流传热系数而变化。这是因为炉内温度均匀，辐射传热系数相对变化不大的缘故。
3结论
本文用所建模型预测了IET设计的某75 t/h CFB锅炉的燃烧性能。从定性的角度来看，计算结果基本上是合理的。所预测的各参数变化趋势基本上能够从模型中得到解释，验证了模型与计算结果的一致性，富通新能源不但销售生物质锅炉，同时我们也销售木屑颗�；怪频哪拘忌镏士帕Ｈ剂稀�
