（热能工程专业论文）循环流化床锅炉燃烧系统的数值模拟研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 循环流化床( c f b ) 技术是近年来在国际发展起来的新一代清洁煤燃烧技术，由 于其高效、低污染、煤种适应广等优点受到各国学者普遍关注，成为发展清洁煤 燃烧技术的主导发展方向之一。 本文简要的概述了循环流化床锅炉燃烧技术的特点，介绍了国内外学者对循 环流化床锅炉模型研究的现状及成果。在前人研究的基础上，充分考虑了循环流 化床内气一固两相的流动、煤中挥发份的释放和燃烧、焦炭的燃烧、有害物质的生 成与还原、传热等循环流化床锅炉内部进行的主要过程，并采用小室模型考虑了 固体颗粒沿轴向的分布特性，用“环一核”流动结构描述固体颗粒沿径向分布的特 性。根据基本的质量守恒定律、能量守恒定律以及一些经验公式等建立了系统的 燃烧数学模型。由于炉内复杂的物理过程和化学过程，模型中做出了相应的简化 假设。 文中将循环流化床炉膛分为底部密相区和上部稀相区，底部密相区为一个鼓 泡床，上部稀相区为环一核结构的快速床，即认为床内核心区存在着向上运动的气 固悬浮相和边壁区低速下降的颗粒絮团相。在循环流化床流体动力学的基础上， 建立了密相区为鼓泡床传热模型和稀相区以颗粒团更新理论为基础的传热模型。 燃烧模型中建立了挥发分析出和燃烧子模型，焦炭燃烧子模型，可燃气体均相燃 烧子模型，同时考虑污染物子模型。在污染物子模型中，建立了脱硫模型和简化 了的氮氧化物生成与分解模型。 通过本文建立的模型，对某热电厂7 5 t h 循环流化床锅炉燃烧情况进行了数值 模拟，得出了主要运行参数( 循环物料率、温度、脱硫剂等) 对循环流化床锅炉炉 膛燃烧的影响规律，从而加深了对循环流化床锅炉炉膛内的流动、传热的认识与 了解，为其进一步开发利用及运行管理提供一些有益的理论依据。 数值模拟的结果与相关文献资料中试验结果进行对比，发现其结果基本吻合， 说明所建立的模型是可行的，具有一定的预测意义。 关键词：循环流化床锅炉，燃烧，小室模型，环核结构，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e di n t e r n a t i o n a l l ya s an e wt y p eo fc l e a nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sh i 曲e f f i c i e n c y 、l o w p o l l u t i o na n dw i d es o r t so f c o a l s ，c f bt e c h n o l o g yd e s e r v e ds c h o l a r sg r e a ta t t e n t i o nf r o m m a n yc o u n t r i e sa n di th a sb e e nap r i m a r yg u i d e t oc o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i sas b m m a r yi sm a d et od e s c r i b ec h a r a c t e r i s t i c so fc f bc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y , i t i n t r o d u c e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n da c h i e v e m e n t so fc f b c o m b u s t i o nm o d e l s b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s ，t h ec h a r a c t e r so ft h eg a sa n d s o l i df l o w i n g , t h ef u g i t i v ec o n s t i t u e n tr e l e a s i n ga n dc o m b u s t i n g , t h ec o k ec o m b u s t i n g , t h ef o r m i n ga n dr e d u c i n go ft h ep o l l u t i o n , a n dt h eh e a tt r a n s f e ra r ea l la d e q u a t e l y c o n s i d e r e di nt h i sm o d e l a n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro f t h et h e r m a lp a r a m e t e ri sa l s o c o n s i d e r e db yt h ec o m p a r t m e n tm o d e li nt h ed i r e c t i o no fa x i a l a n dt h ea n n u l a rc o r e s t r u c t u r ei nt h ed i r e c t i o no fr a d i a l b a s e do nt h em a s sc o n s e r v a t i o nl a w , t h ee n e r g y c o n s e r v a t i o nl a wa n ds o m ee m p i r i c a le q u a t i o n s t h ec o m b u s t i o nm o d e li sb u i l t d i s t r i b u t i o n b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s si nt h ef 1 m l a c e ， s o m ep r o p e rs i m p l i f i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e di nt h em o d e l t h em o d e ld i v i d e st h ef u r n a c ei n t ot w op a r t s ：ad e n s eo n ea tb o t t o mp a r tt h a ti sa b u b b l i n gb e da n dad i l u t eo n ea tu pp a r tw h i c hi saa n n u l a rc o r ef l o ws t r u c t u r e n a m e l y t h em o d e li sb a s e do nat w op h a s es t r u c t u r e , c o n s i s t i n go fa nu p f l o w i n gl e a ns u s p e n s i o n a n dad o w n f l o w i n gp a r t i c l ec l u s t e r s o nt h eh y d r o d y n a m i c sm o d e l ，ap a r t i c l ec l u s t e r r e n e wm e c h a n i s mi sa d o p t e dt od e s c r i b et h eh e a tt r a n s f e r t h ec o a lc o m b u s t i o nm o d e l i n c l u d e s f o u rs u b m o d e l s ：d e v o l a t i l i z a t i o na n dv o l a t i l i z a t i o nc o m b u s t i o n , c o k e c o m b u s t i o n , f u e lg a sh o m o g e n e o u sc o m b u s t i o nr e a c t i o n , p o l l u t a n te m i s s i o nf o r m a t i o n a n dr e d u c t i o n i nt h ep o l l u t a n ts u b m o d u l e , h a se s t a b l i s h e dt h ed e s u l p h u r i z a t i o nm o d e l a n ds i m p l i f i e dt h en i t r o g e no x i d ec o m p o u n dp r o d u c t i o na n dt h e d e c o m p o s i t i o nm o d e l t h r o u g he s t a b l i s h e dm o d e li nt h i sa r t i c l e ，h a sc a r r i e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o m p u t a t i o na n dc a l c u l a t i o na n a l y s i sa b o u tt h e7 5 t hc f b b o i l e rc o m b u s t i o ns i t u a t i o n a r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r h a so b t a i n e dt h ep r i m a r yr u n n i n gp a r a m e t e r s ( c i r c u l a t i n g s o l i d sf l u x 、t e m p e r a t u r e 、d e s u l f u r a t e ra n ds oo n ) t ot h ec f bb o i l e rc o m b u s t i o n p e r f o r m a n c ei n f l u e n c er u l e t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri sf u r t h e ru n d e r s t o o da n d c o m p r e h e n d e da n dt h i s t h e s i sp r o v i d eat h e o r e t i cb a s i sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f c f b b o i l e r 重壅盔堂雯主堂堡鲨塞2 塑墨 hc o m p a r i s o nw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fd o c u m e n t a t i o nd a t a , n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u i t sm a t c hw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s np r o v e st h a tt h eo v e r a l l m o d e li sal l s e f u lt o o lt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e db o i l e r k e y w o r d s c i r c u l a t i o nf l u i d i z e d b e db o i l e r , c o m b u s t i o n ，c o m p a r t m e n tm o d e l ， a n n u l a rc o r es t r u c t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：气呈隶歌签字日期：工呻 年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位敝作者戳。毒：羔谲 签字日期：奠q 年6 月y 日 导师签名影冬 签字日期：2 司年6 月上日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 能源与环境是当今社会发展的两大问题。我国是世界上少数几个以煤为主要 能源的国家之一，目前每年煤炭消费量约1 2 亿吨，而这些煤炭中又有约8 4 是直接 用于燃烧的，但其燃烧效率还不够高，环境污染现象严重，以致于我国每年排入 大气的8 7 s 0 2 和6 7 n o ；均来源于煤的直接燃烧。与发达国家相比，我国现有各 类电站锅炉和工业锅炉在效率和排放上差距相当大，它们是环境污染的主要根源 之一。能源节约与环境保护己成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。 我国是世界上最大的发展中国家，同时也是世界上最大的煤生产与消耗国。 煤在我国一次能源构成中占据着绝对主要的地位，占6 7 以上【l l ，其次是石油和天 然气以及可再生资源( 如图1 1 所示) 。由于自然条件的限制以及历史发展的原因， 我国一次能源以煤炭为主的局面在今后5 0 年内不会改变。煤炭将是当今和今后我 国能源的一个最重要的组成部分。 图1 12 0 0 6 年中国一次能源消费构成图 f i g u r e l 1t h ec o m p o n e n tp l o to f t h ec h i n e s ep r m l r ye i l e l g yi nt h ey e a ro f 2 0 0 6 虽然我国煤炭资源储量丰富、分布广，可供开采的储量为2 5 7 8 亿吨，但与丰 富的煤炭资源相比，我国人均能源资源占有量却只有世界人均占有量的1 2 。我国 人均煤炭资源占有量只有2 3 3 4 吨，比世界人均占有量少7 8 3 吨。因此，节约煤炭 资源，尤其是节约优质煤炭资源，是确保国民经济可持续发展的重要措施之一。 洁净煤技术作为一种高效清洁燃烧技术日益得到人们的重视。循环流化床燃 烧技术是清洁煤技术的一个重要领域。并且已在电力工业及工业锅炉等方面得到 应用。它通过燃料和脱硫剂的多次循环，反复进行低温燃烧和脱硫反应，达到了 燃料适应性强、燃烧效率高、污染控制性好和易于调节负荷等优点。8 0 年代以来， 发达国家投入了大量人力和物力，开发和研究洁净煤发电技术，包括循环流化床 燃烧c f b c ) 、增压流化床燃烧联合循环( p f b c c c ) 、整体煤气化联合循环( i g c c ) 、 大型常规锅炉脱硫脱氮等先进的燃煤发电技术，其宗旨都是方面提高发电效率， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 另一方面满足低污染排放的要求。 流化床的概念最早出现在化工领域【2 】。1 9 2 1 年1 2 月，德国的f r i zw i n l d e r 发明并 成功地投运了流化床。1 9 3 8 年1 2 月，麻省理工学院的w a r r e nk l e w i s 和e d w i n r g i l l i l a n d 在流化床催化裂化过程( f c c ) i 艺设计中发明了快速流化床。1 9 4 2 年5 月2 5 日，美国新泽西标准石油公司( s t a n d a r do i lo f n e wj e r s e y ) 在b a t o nr o u g e r 炼, 油 厂投运了第一台快速流化床。而循环流化床真正成为具有工业实用价值的新技术 则是在五六十年代。 流化床燃烧具有对燃料适应性好，有害气体排放量低等优点，自它问世以来 在世界各主要工业化国家得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、 窑炉和焚烧各种废物、烧水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层燃 燃烧与煤粉燃烧之间的一种燃烧方式。层燃燃烧效率低；煤粉燃烧效率高，但气 体污染排放物多。流化床燃烧则克服了二者的某些缺点，保留了它们的优点，是 一种很有竞争能力和优势的洁净燃烧技术。专家们估计，下一个世纪将是流化床 燃烧在大型电站锅炉，工业锅炉和各种废物焚烧炉等方面得到广泛应用的世纪。 1 2 循环流化床锅炉在国内外的发展概况 1 2 1 国9 1 c f b 锅炉的发展状况 经过2 0 年的迅速发展，国p i , c f b 技术已日趋成熟，国外许多c f b 技术研究与开 发公司在长期实际运行和大量实验的基础上形成了各具特色的c f b 技术，并且将其 技术转让给其它一些锅炉设计制造商，为c f b 技术的不断发展做出了历史性的贡 献。 早期容量较小的循环流化床锅炉类型较多，经过不断的发展完善和大型化以 后，已经形成了几个各具特色的主要炉型【2 】： 德国鲁奇( l u r g i ) 开发的外置式换热器循环流化床锅炉 德 雪l u r g i 公司是世界上最早开发循环流化床锅炉的公司之一，在长期的生产 和实验基础上，逐步形成了比较有特色的循环流化床燃烧技术，在循环流化床的 设计和研究上处于世界领先地位。 l u r g i 型循环流化床锅炉主要有以下特点： 1 1 设置流化床外置换热器，只需调节进入换热器和返回燃烧室的固体物料量的 比例即可调节床温，无须改变循环倍率等。 2 1 燃料颗粒尺寸为0 7 r a m ，脱硫剂粒径为1 0 0 9 m 2 0 0 a m ，运行速度在 4 9 9 m s 之间。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 2l u r g i 型循环流化床锅炉 f i g1 2t h es c h e m a t i co f l u r g ic f b 芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉 a h i s t r o m 公司对循环流化床锅炉的开发是在6 0 年代末期对鼓泡流化床锅炉的 发展开始的，目前己成为世界上生产循环流化床锅炉最多的公司之一，p y r o f l o w 循 环流化床锅炉己经遍布世界各地。p y r o f l o w 循环流化床锅炉主要有以下特点： 图1 3p y r o f l o w 型循环流化床锅炉 f i 9 1 3t h es c h e m a t i co f p y r o f l o wc f b 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 ) 不设流化床外置换热器，循环燃烧系统主要由流化床、高温分离器、回料 装置等组成，吸热靠膜式水冷壁和分隔墙受热面保证。 2 ) 一、三级过热器布置在尾部烟道上方，二级过热器布置在炉膛中部。 德国b a c o k e 和v k w 公司开发的c i r o e o f l u i d 型循环流化床锅炉 德国b a b c o c k 公司研$ 1 j c i r c o f l u i d 循环流化床锅炉，充分发挥了循环流化床锅炉 燃烧效率高和燃料适应性广的特点，主要特点为： 1 ) 炉膛下部呈湍流流化床，其中不布置埋管受热面，二次风口以上布置了屏 式过热器、管式过热器、蒸发受热面等。 2 ) 炉膛出口烟温控制在4 0 0 以下，较低的烟温使分离器可以采用钢结构，避 免了结构复杂、能耗大的高温旋风分离器。 图1 4c i r o c o f l u i d 型循环流化床锅炉 f i 9 1 4t h es c h e m a t i co f c i r o c o f l u i dc f b 美国f w 公司的f w 型循环流化床锅炉 美国f o s t e rw h e e l e r 公司于7 0 年代开始研制循环流化床锅炉，目前世界上最大 的j a c k s o n v i l l e 电站循环流化床锅炉就是该公司的产品。该公司的循环流化床锅炉 主要特点为： 1 ) 采用气冷或水冷旋风分离器，分离器内壁用膜式鳍片管制造，既可起分离作 用，又可作为蒸发受热面，适合变负荷运行。 2 1 炉膛内设有内置床，有利于锅炉向大型化发展。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 5f w 型循环流化床锅炉 f i 9 1 5t h es c h e m a t i co f f wc f bb o i l e r 英国k a v e m e r 公司的c y m i c 型循环流化床锅炉 该锅炉的主要特点为： 1 ) 以曲径迷宫式惯性分离器代替高温旋风分离器，在固体颗粒粒度较高的情 况下可以获得很高的分离效率，而且流阻低。 2 ) 独特的分离器使锅炉受热面可以更加紧凑，启动时间大大缩短，有利于向 大型化发展。 图1 6c y m i c 型循环流化床锅炉 f i 9 1 6 t h es c h e m a t i co f c y m i cc f bb o i l e r 1 2 2 国内c f b 锅炉的发展状况 我国是开发流化床燃烧技术较早的国家。早在6 0 年代我国就开始发展鼓泡流 化床技术。目前，国家正在大力推广循环流化床技术，1 0 0 m w 循环流化床的辅机 国产化，引进3 0 0 m w 循环流化床锅炉，直接参与设计与开发，尽快形成3 0 0 m w 循 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 环流化床锅炉机组装备能力。煤炭部已在全国1 5 0 多个煤矿推广c f b 技术，原电力 工业部1 9 9 7 年1 1 月2 4 日在京发布了3 0 0 m w 循环流化床征询合作方案，建设四川白 马3 0 0 m w 循环流化床示范电站，这个示范工程由法国阿尔斯通( a l s t o m ) 公司与东 方锅炉厂合作执行，白马电厂3 0 0 m wc f b 锅炉整体立面图如图1 7 所示，锅炉为自 然循环型，蒸发量为l ，0 2 5 t h 。从图1 7 可看出，锅炉采用了4 个耐火砖内砌的高温 旋风分离器和4 个外部流化床热交换器，布置在燃烧室两侧，旋风分离器的直径为 8 7 7 m 。2 个热交换器内布置了过热器，控制床温。2 个热交换器内布置了再热器， 控制再热蒸汽温度。燃烧系统最小负荷为5 0 。 图1 7 自马电厂3 0 0 m w c f b 锅炉立面图 f i 9 1 7e l e v a t i o nv i e wo f 3 0 0 m wc f bb o i l e r 由于循环流化床锅炉技术及其产品的广阔市场前景，国内大型骨干锅炉制造 企业纷纷加强对循环流化床锅炉技术及其产品的研究与开发。先后有东方锅炉股 份有限责任公司、哈尔滨锅炉有限责任公司、上海锅炉厂等单位采取国际合作、 技术引进等不同方式为国内发电、化工等行业提供数台5 0 m w ( 2 2 0 t h ) 、 1 0 0 m w ( 4 1 0 t h ) 高压无再热循环流化床锅炉和1 5 0 m w ( 4 9 0 t h ) 高压中间再热循环 流化床锅炉。国内原来一些主要生产循环流化床工业锅炉的制造厂家，也纷纷进 入循环流化床电站锅炉市场，设计制造4 5 0 t h 以下容量的高温高压循环流化床电 站锅炉。同时国外循环流化床锅炉供货商普遍看好中国市场，至今有石油、化工、 电力等部门从国外购进数台2 2 0 t h 、4 1 0 t h 、4 9 0 t h 循环流化床锅炉在运行。 截止至u 2 0 0 3 年底，国内投运及计划投运的5 0 m w 级以上的c f b 锅炉已超过3 0 0 台。预计至u 2 0 0 8 年，国内投运的2 2 0 硼4 9 0 t hc f b 锅炉将超过6 0 0 台。 1 3 循环系统的工作过程 循环系统的工作过程可以这样来描述，煤进入炉膛后其中一部分在密相区燃 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 烧，另一部分随气流向上进入稀相区燃烧；其中一部分物料进入分离器，在分离 器中较细的颗粒随烟气进入尾部烟道形成飞灰，被排除循环系统；而颗粒较大的 物料经分离器分离下来，通过回料器送回炉膛实施循环燃烧。逸出系统的飞灰将 由进入系统的燃煤补充，系统将处于周而复始的循环运行状态 3 1 。图1 8 是c f b 锅炉 工作的原理简图。 对滴烟道 图1 8c f b 锅炉工作原理图 f i 9 1 8w o r ks c h e m a t i cd i a g r a mo f c f bb o i l e r 1 4 国内外循环流化床燃烧系统数学模型研究现状 建立燃烧数学模型都是从循环流化床锅炉系统本身的特点出发，以描述锅炉 系统各个复杂的物理过程和化学过程的数学模型为基础，其中对于一些至今还没 有正确物理模型的过程则直接使用一些经验公式，建立系统内气固两相各组分的 质量平衡和能量平衡方程式，通过对模型的求解来模拟锅炉系统。由于循环流化 床内燃烧及流动过程非常复杂，对其进行分析依然是目前国内外都非常重视的课 题。 许多研究人员为探求c f b 内流动结构，做了大量实验提出了一些模型来模拟 c f b 内部流动结构【4 j 。其中“四区模型”由于与实验结果吻合较好，现已被各国学 者认可。按照观察到的轴向物料颗粒的分布情况，如图1 9 所示，将循环流化床在 垂直方向上分为四个区域：靠近床底部的高颗粒物料浓度的密相区，s v e n s s o ne t a 1 ( 1 9 9 3 ) 和w e r t h e r & w e i n ( 1 9 9 4 ) 用实验证明该区的流体力学特性与鼓泡床极其相 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 似；在密相区上面气泡破碎，截面物料颗粒浓度迅速下降，该区被称为过渡区； 靠近c f b 口出的出口区；在过渡区与出口区之间为稀相区，通常情况下， c f b 床高的绝大部分被稀相区所覆盖，而且目前大多数研究人员的工作也主要集中 在该区1 5 , 6 , 7 。 图1 9 循环流化床锅炉燃烧系统示意图 f i 9 1 9d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c f bb o i l e r c o m b u s t i o ns y s t e m 目前国外主要有德国济根大学、加拿大新斯科舍工业大学、国际能源署( i e a ) 、 法国电力公司等；国内清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等机构开发了各自 的循环流化床锅炉燃烧过程模型。下面对几个典型的c f b 锅炉燃烧过程数学模型进 行简单介绍【8 9 l o j 。 1 4 1 国外循环流化床锅炉燃烧过程数学模型 德国济根大学的循环流化床锅炉燃烧过程数学模型 德国济根大学动力工程研究所先于1 9 8 0 年建立了一个鼓泡流化床锅炉的数学 模型，之后又开发了牛顿一拉普森数值解法来求解该模型。w e ib 在此基础上建立 一个循环流化床锅炉的动态数学模型。此类模型还有增压循环流化床静态数学模 型和循环流化床直流锅炉的动态数学模型等。 加拿大新斯科舍工业大学的循环流化床锅炉数学模型 加拿大新斯科舍工业大学p b a s u 教授建立了一个适用于2 5 0 m w 的循环流化床 锅炉模型，该模型研究经历两个阶段，第一阶段没有考虑n o 。反应的简单模型，第 二阶段则考虑n o ；的生成与分解反应。 国际能源署( 1 e a ) 的循环流化床锅炉数学模型 为了有效地进行流化床领域方面的研究，l e a 组织了约1 5 个国家的研究人员组 成一个数学模型研究组，其主要目的是能相互交换经验，把各自研究成果有机地 结合到总体数学模型中，并编制成计算软件，用来预测和诊断流化床锅炉的运行。 该研究小组建立了鼓泡流化床锅炉的模型( i e a c f b ) ，由于循环流化床锅炉的普及 和其特殊性，在此基础上又建立循环流化床锅炉综合数学模型。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 法国电力公司( e d f ) 开发的大型循环流化床锅炉数学模型 为了预测和分析电站循环流化床锅炉的运行及设计放大，e d f 成立了开发一 维、二维及三维循环流化床锅炉数学模型的研究小组，其中较典型的是一维两相 模型( i dt w o p h a s e ) 。 1 4 2 国内循环流化床锅炉燃烧过程数学模型 清华大学的循环流化床数学模型 李政等人依据德国济根大学的c f b 模型思想并考虑宽筛分给煤特性提出自己 的循环流化床燃烧过程模型。该模型应用小室模型作为建立燃烧系统内守恒方程 的手段，建立一个循环流化床通用动静态数学模型。并且细致考虑了流动、煤的 挥发分析出焦碳燃烧污染物生成及还原等问题。此模型弥补了德国济根大学的c f b 燃烧过程数学模型忽略宽筛分给煤的不足，并引用核心边壁区流动模型，较好地 反映真实情况【l “。 浙江大学的循环流化床数学模型 浙江大学热能工程研究所多年来一直致力于循环流化床锅炉的研究，取得了 许多成果。该所于9 3 年提出了一种综合数学模型随后又进行锅炉启动过程数学模 型的研究。该类模型采用颗粒群轨道模型方法，对各尺寸组颗粒考虑其在拉格朗 日坐标系中的运动、燃烧及能量变化过程，并考虑气相场和颗粒团之间的相互作 用。其最大优点具有较大的普适性和可替换性，但模型的准确性还有待于进一步 提高。 哈尔滨工业大学的c f b 模型 七五期间，哈工大热能工程教研室开发了适于燃用煤矸石的循环流化床燃烧 模型。该模型考虑到悬浮段具体情况，基于运动方程和能量方程建立独特的模型， 对颗粒的温度处理更为细致，弥补上述几种模型在此方面的不足。 张新文【1 2 】等( 1 9 9 8 ) 建立了一个循环流化床的一维模型。流动模型根据实际运 行情况考虑了颗粒的宽筛分特性，同时建立了传热模型和燃烧模型。但是在该模 型中未能考虑污染物的生成和排放。 蒋宏利 13 】为了更好的设计、应用流化床燃烧设备，作者设计、搭建了循环 流化床实验台，并首次进行了系统的冷、热态实验研究和理论分析。在冷态试验 中，考察了床料的最小流化特性，比较了两种计算最小流化速度的方法。 丁丽萍、李成之、赫冀成【1 4 】建立了一维的数学模型，认为各状态参数在床 截面上是均匀的，只考虑它们沿床高方向的变化。将床沿高度分为两个区：下部 的密相区处于鼓泡流化状态，按两相流动理论处理；上部的稀相区处于快速流化 状态，物料浓度符合指数递减规律。建立了炉内物料浓度模型和燃烧模型。 上述的几个循环流化床锅炉模型虽然建模的基本思想类似，但也各有其特点 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 和侧重点。在已发表的文献中，循环流化床燃烧系统的数学模型各有特点，其研 究重点通常侧重于对某一具体的试验装置的流动特性进行描述，并在模型中辅之 以试验数据或经验公式。这些模型通常从宏观角度出发，采用小室模型描述循环 流化床燃烧室内的流动和燃烧过程。同时，对流动结构的研究大多是针对化工领 域内的循环流化床反应器进行的。对于商用循环流化床锅炉，由于技术保密等原 因，很少能够见到有关其模型的报导。在已有的少量文献中，对循环流化床内诸 如颗粒团的形成、环核两区之间的质量交换以及固体的返混流动等现象则很少予 以描述。显然，建立商用循环流化床锅炉的数学模型，对解决目前循环流化床锅 炉设计和运行中存在的问题，以及对引进技术进行消化吸收和预测循环流化床锅 炉的整体性能都有很重要的现实意义。 1 5 建立模型的研究意义 随着燃煤循环流化床锅炉在工业生产中的广泛应用，如何完善与优化循环流 化床锅炉的设计及准确而有效地预测系统的性能是高效快速地发展循环流化床燃 烧技术的关键问题。研究和发展循环流化床使其更好的发挥它的优势也成为科研 工作者的一个重要课题。对循环流化床进行数值模拟，就是研究和发展循环流化 床的一个主要手段。 循环流化床锅炉作为一种新型动力设备，是一个大型复杂系统。其内部过程 包括燃烧、气固两相流动、传热和各种复杂化学反应等，是一个极为复杂的过程 组合，其内在规律尚且不被人们完全了解，其内部参数和外部操作变量和输入问 存在极为复杂和敏感的依赖关系。因此，在循环流化床锅炉的研究和开发、尤其 是大型化研究中，数学模型必然成为一种不可或缺的研究方法和工具，具有重要 的学术意义和实用价值。 一个理想的循环流化床锅炉数学模型应当包含对循环流化床锅炉系统的一系 列物理过程和化学过程的数学描述。研究影响循环流化床锅炉最终性能的各种影 响因素，并建立这些影响因素与外观性能参数间的作用关系，从而获得一个能够 研究和试验各种设计结构和尺寸、各种运行条件以及不同部件性能条件下循环流 化床锅炉性能的有力工具。 循环流化床锅炉的建模就是应用基本理论定律，结合有关流动、燃烧、化学 反应、传热等方面的经验模型从理论上建立起循环流化床燃烧过程的数学模型， 然后借助于计算机对其性能进行模拟计算。相对试验而言，建模的投资要小得多， 然而其通用性、灵活性和快速性却可以使锅炉设计者的设计建立在各种可能方案 的充分比较、筛选和优化的基础上，其好处和经济效益是显而易见的。 由此可见，发展循环流化床燃烧过程的数学模型是循环流化床锅炉进一步发 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 展的要求，建立燃烧数学模型对循环流化床锅炉的设计和运行有其重要意义。 1 6 本课题研究内容和特点 循环流化床是一个兼有流动、燃烧、传热和各种复杂化学反应过程在内的复杂 动力装置。数学模型的任务就是应用基本定律和基本规律将流化床内部的各种过 程按照其重要程度、发生的先后顺序、彼此间作用关系组合在一起，从而建立循 环流化床最终运行特性与输入条件和运行方式间的定量关系。所以我们研究的任 务就是在给定具体运行参数如给风量、给煤量、给石灰石量和运行方式等条件下， 预测诸如炉膛温度、气体成分等人们关心的运行参数的数值、分布以及变化趋势。 本文对循环流化床锅炉进行总体模型化研究，通过建立循环流化床流体动力 学模型，传热模型和燃烧模型，深入的了解循环流化床锅炉炉内流体动力特性、 燃料燃烧、污染物排放等方面的特性，从而使人们更好的认识循环流化床内的流 动、传热和燃烧的机理。通过模拟，可以得n s 0 2 ，n o ，n 2 0 这些污染物在不同 条件下的生成分布情况，这对于循环流化床的实际运行是很有帮助的。 本文建立的循环流化床总体模型主要包括流体动力学模型、传热模型和燃烧模 型，其中还包括污染物模型。 建立流体动力学模型时，将床沿轴向分为下部颗粒浓度较高的密相床和上部 颗粒浓度较低的稀相床。密相床被认为是一个鼓泡床，采用两相流动理论进行模 化；稀相床模型则采用本文提出的环一核模型。它将气固流动沿床截面分为两个通 道，在每个通道内气体速度、颗粒速度及其颗粒浓度均一，而且两个通道之间有 质量和动量等交换。核心区和环形区构成了气固流动的两个通道，即在核心区内 颗粒呈弥散状态向上运动( 气固并流) ，而在环形区则形成絮状物向下运动( 气固逆 流) 。两区的界面平行于床层壁面。在循环流化床锅炉流体动力模型的基础上，建 立以颗粒团更新理论为基础的炉内膜式水冷壁面传热模型。传热模型是进行燃烧 计算必不可少的，为了计算简便，传热模型尽量简化。在密相区内，传热按照已 较成熟的鼓泡床传热模型进行计算；在稀相区内，传热模型建立在颗粒团更新的 假设基础上。根据假设，床层由颗粒浓度很低的上升稀相( 分散相) 和相对颗粒浓 度较大的颗粒团两部分组成，两部分交替的与床壁面接触，床层和受热面间局部 换热系数和颗粒浓度及两部分接触壁面的份额有关。 在燃烧模型中，考虑挥发分析出及燃烧、焦炭燃烧、可燃气体均相反应和污 染物的生成，建立了求解各反应气体在床内浓度分布的计算模型。现有的燃烧模 型中，一般忽略了污染物的生成。本文研究了在一些运行工况改变情况下，s 0 2 ， n o ，n 2 0 的生成量会有怎样的变化。文中考虑的影响因素主要有温度，石灰石的 供给。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 以国内外研究者所作的可靠的试验为依据，将他们的试验条件和试验对象作 为程序计算中的初始条件带入进行计算，并将计算结果与其试验结果进行比较， 如果基本吻合，说明所建立的模型可行，具有一定的预测意义。 本模型对前人模型的改进之处在于以下几点： 本文模型是基于对炉内流体动力特性采用二维环核模型描述的基础上建立 的。在上升下降流中，将炉膛内稀相区的流动模型分为环一核二维模型，并考虑了 固体粒子径向的质量交换； 调整了部分传热模型，以考虑稀相区壁面部分固体物料浓度较大的特点； 考虑污染物子模型，建立了脱硫模型和简化了的氮氧化物生成与分解模型。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 循环流化床锅炉燃烧室基本过程模型 2 循环流化床锅炉燃烧室基本过程模型 2 1 煤燃烧模型 煤燃烧本身是一个相当复杂的过程，既有热量和质量的传递效应，又伴随着各 种化学反应的相互作用，它涉及到流动、传热、化学反应及若干相关的物理化学 现象。当煤粒通过给料机给入流化床后，将依次经历如下过程【1 5 】，如图2 1 所示： 温 度 031 52 0 0 图2 1 煤颗粒燃烧所经历的几个过程 f i 9 2 1t h ep r o c e s so f t h ec o a lc o m b u s t i o n 煤粒得到高温床的加热并干燥： 挥发分析出及燃烧； 煤粒由于膨胀会发生一级破碎，有时有二级破碎； 焦碳燃烧并伴随磨损。 实际上煤颗粒在循环流化床内的燃烧过程中并不能简单地以上述步骤绝对地 划分成各个孤立的阶段，往往有时几个过程会同时进行。大量的实验研究表明， 挥发份的析出和燃烧过程与焦炭的燃烧过程存在着明显的重叠现象【i ”。 为了能够建立起一个比较准确的循环流化床内煤颗粒燃烧各个阶段的数学模 型，必须要做很多的假设。燃烧模型的主要假设如下： 一氧化碳和二氧化碳都是一次产物； 产生的一氧化碳离开焦碳颗粒表面在床内燃烧； 焦碳燃烧速率由动力学控制、灰层扩散传质阻力和颗粒与床内的扩散传质阻 力三个因素共同控制； 考虑了煤种对焦炭燃烧动力学速率和灰层扩散传质阻力的影响； 重庆大学硕士学位论文 2 循环流化床锅炉燃烧室基本过程模璎 焦碳颗粒温度由床层和颗粒之间的换热确定； 煤燃烧模型在总体模型中是个相当重要的部分。它包括煤的热解、热量传递、 煤的燃烧和气体复杂的化学反应的多个过程。下面将建立煤燃烧的各个子模型。 2 1 1 挥发分的析出 挥发分的析出( 或热解) 过程是煤粒受到高温加热后分解并产生大量气态物质 的过程，热解产物由焦油和气体组成。煤的热解是煤炭转化过程的一个重要的初 始过程，并对后续过程有很大的影响。大量的研究表明，煤的热解特性除了与煤 种本身有关外，还显著地受到加热速率、环境压力、煤粒尺寸及煤粒内部结构等 的影响。 一方面，煤种不同或同一种煤但反应条件不同时，挥发分的成分及释放量的 大小差异很大；另一方面，循环流化床内流动，特别是密相床内的两相流动使得 挥发分的燃烧更加复杂化而且有很大的不确定性。为此，本文对挥发分的释放和 燃烧过程采用了简化处理的方法。 煤颗粒在循环流化床中首先经过干燥过程，然后被进一步加热，达到一定温 度后煤中的挥发分开始析出。对于挥发分析出过程的模型包括两个方面的内容： 挥发分析出的速率和挥发分析出后的组分。 本文为了简化计算，采用最简单的方程反应模型，并假设床内各点处挥发分 析出速率相同。 挥发分的析出成分和质量份额采用l o i s o n & c h a u v i n 提出的关系式计算1 7 】： i c 岛= 0 2 0 1 0 4 6 9 j i + o 2 4 1 j 嘭v c h ，= 0 1 5 7 0 0 8 6 8 x m + 1 3 8 8 0 x 知 2 0 _ 1 3 5 一o 9 0 0 0 砌0 6 0 硫 c c o = 0 4 2 8 0 2 6 5 3 x m + 4 8 4 5 0 x c h 。= 0 4 0 9 2 3 8 9 x + 4 5 5 4 x 锄 c o = 0 3 2 5 0 7 2 7 9 x m 一1 2 8 8 0 x 式( 2 1 ) 中，j 锄为挥发分；乙代表焦油，其分子式c h o 。o o 。及摩尔质量分 别是和1 2 9 1 3 9 m o l 。 挥发分的燃烧模型保留了李星 1 8 1 和殷立宝等的做法，考虑如下的化学反应： 1 以+ 亡d 2 - - 9 皿d ( 2 2 ) 1 c o + 寺0 2 哼c 0 2 ( 2 | 3 ) c h 4 + 2 0 2 - - 4 c q + 2 0 ( 2 - 4 ) 1 4 重庆大学硕十学位论文2 循环流化床锅炉燃烧室基本过程模型 2 1 1 2 焦炭燃烧反应 煤在挥发分析出后所剩下的呈多孔性结构的固体物质即焦炭。在一般情况下， 焦炭的燃烧方式取决于燃烧反应速率和氧气扩散速率，二者的综合作用决定了整 个燃烧反应。根据燃烧反应速率和氧气扩散速率作用程度不同，可简单地分为三 种情 况【2 0 0 1 】： 动力燃烧 在动力燃烧中，化学反应速度远低于扩散速度。无孔大颗粒焦炭在9 0 0 c 左右 燃烧以及多孔大颗粒焦炭在6 0 0 以