（工程热物理专业论文）循环流化床锅炉大型化的数值模拟.pdf

摘要 摘要 循环流化床( c f b ) 锅炉的大型化是其技术成熟和商业化的标志，对c f b 锅 炉大型化的研发具有重要的理论价值和实践意义。本文从煤种刈c f b 锅炉整体 性能的影响、容量放大c f b 炉膛内参数变化规律和准三维c f b 模型的建立三二个 方面进行了数值模拟研究。 首先本文建立了一个c f b 锅炉燃烧系统的整体数学模型，所建模型有机地 集成了前人对c f b 锅炉内部各种单独过程及模型化的研究成果，以小室模型为 基础，详细考虑了c f b 内气固两相的流动、挥发分的释放和燃烧、焦炭的燃烧、 有害物质s 0 2 和n o x 的生成和还原、颗粒的爆裂和磨损、高温旋风分离器分离 特性和后燃、外置换热器、流化床冷渣器等c f b 锅炉内部进行的卜要过种1 羽i 孤 环回路主要部件，使得该模型能够较全面地反映不同容量、1 i 同煤种的c f b 锅 炉循环燃烧特性。 为了研究煤种对c f b 锅炉燃烧系统整体特性的影响，本文加入了和煤种有 关的煤爆裂模型。燃烧模型将等密度缩核模型和等径缩核模型结合起来，引入了 和煤种有关的灰层阻力扩散速率，动力反应速率引入了煤种通用理论，因而该模 型具有了煤种的通用性。修正后的模型经过了五种典型煤种燃烧试验数据的验 证，结果吻合很好。根据五种煤的模拟计算结果，分析了不同煤种在i 刊一炉型下 的流动、传热和燃烧特性，不同煤种的燃烧速率特点、成狄特性、燃烧份额坪 s 0 2 和n o x 的排放特性。 本文选择了1 3 0 t h 、4 4 0 t j h 和6 7 0 t h 三个典型容量的c f b 锅炉为算例来研究 c f b 锅炉的放大规律。1 3 0 t h 和4 4 0 t h 的c f b 锅炉计算结果和运行结果吻合良 好，且对4 4 0 t h 的c f b 锅炉进行了给煤粒径、一二次风比例、y - _ 次风位置、石 灰石成分和粒径的预测计算。配合工程热物理研究所6 7 0 讹c f b 锅炉的设计， 对6 7 0 t hc f b 锅炉进行了分离器后燃率、外置换热器( e h e ) 入料率和流化床 冷渣器冷渣返回率变化的预测计算，对6 7 0 t h 带e h e 与不带e h e 超高压c f b 锅炉两种方案进行了预测计算。根据三个容量c f b 锅炉的计算结果，归纳出随 着容量放大，c f b 锅炉尺寸、流动、传热特性变化规律。 本文在理论上建立一个能够初步反映局部变化的准三维模型，该模型既可以 继承已建一维半模型的结构和数学模型，又可以反映三维特性当三维数学模型 发展成熟后，加密同一高度小室划分就可向全三维模型发展。 关键词：循环流化床，模型，大型化，煤种，燃烧 a b s t r a c t y o n g ，y u m e i ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl u ，q i n g g a n g s c a l e u pi s as y m b o lt h a tc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) i sc o m m e r c i a l i z e da n d c f b st e c h n o l o g yi se s t a b l i s h e ds ot h e r ei si m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c ew o r t ht o r e s e a r c hs c a l e u pc f bb o i l e r s t h et h e s i sa d o p t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yw h a t t h ei n f l u e n c eo fc o a lo nt h ep e r f o r m a n c eo fc f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e m si sa n d h o w p a r a m e t e r si nc f b f u r n a c e sc h a n g ew i t ht h es c a l e - u po f c f b c a p a c i t y , a n dh o w t ob u i l dat h r e e d i m e n s i o n a im o d e l f i r s t ，a s e to fm a t h e m a t i c a lm o d e l so fac f bb o i l e ri sb u i l ta n dt h em o d e l s s y s t e m a t i c a l l yi n t e g r a t e dw i t ht h eu p d a t et h e o r i e sa n d r e s u l t so f e x i s t i n gs t u d i e so n t h e p a r t i a la s p e c t so rc o m p o n e n tb e h a v i o ro fc f b b o i l e r s ，t h em a i np r o c e s s e s ，s u c ha s h y d r o d y n a m i c so fg a sa n ds o l i d ，d e v o l a t i l i z a t i o no f c o a l ，c h a ra n dv o l a t i l ec o m b u s t i o n ， f o n n a t i o na n dr e d u c t i o no fh a r m f u ls u b s t a n c e so fs 0 2a n dn o x ，a t t r i t i o na n db u r s to f s o l i dp a r t i c l e s ，s e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o s t c o m b u s t i o ni nac y c l o n e ，m o d e l so f e x t e r n a lh e a te x c h a n g e r ( e h e ) a n dc o o l i n gd r e g ，a r ea l lc o n s i d e r e di nd e t a i ls ot h e m o d e lc a l ls i m u l a t ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc f bb o i l e rc a p a c i t i e sw i t h d i f f e r e n tc o a l s h io r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc o a lt y p e so n p e r f o r m a n c eo fc f b b o i l e r s ，ab u r s tm o d e lo fc o a li sa d d e di n t ot h ei n t e g r a t e dm o d e l ，a n dt h ec o m b u s t i o n m o d e li sc o m b i n e dc o n s t a n t d e n s i t y s h r i n k i n gc o r em o d e lw i t hc o n s t a n t d i a m e t e r s h r i n k i n gc o r em o d e ls oad i f f u s i o nr e a c t i o nr a t eo fa s hl a y e rr e s i s t a n c ei sa d d e d a g e n e r a lt h e o r yo f c o a lt y p ef o rc o a lc o m b u s t i o n i sa d d e di n t ok i n e t i cr e a c t i o nr a t et h e i n t e g r a t e d m o d e lc a nb ef o rc o m b u s t i o no fd i f f e r e n tc o a lt y p e si nc f bb o i l e r s m o d i f i e di n t e g r a t e dm o d e li sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t ao ff i v et y p i c a lc o a lt y p e s a n dn u m e r i c a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h e s e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ，c h a r a c t e r i s t i c so fb u r n i n gr a t e s ，c o m m i n u t i o nc h a r a c t e r i z a t i o n o fc o a lp a r t i c l e s ，h e a tr e l e a s ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o ： a n dn o xi nt h es a m ec f bb o i l e rf o rd i f f e r e n tc o a lt y p e sa r ea n a l y z e d c f bb o i l e r sw i t hc a p a c i t i e s1 3 0 t h ，4 4 0 t ha n d6 7 0 9 hw e r es i m u l a t e dt o g e t c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o d y n a m i c s ，m i x i n gp r o c e s so fg a sa n ds o l i d sa n dp a t t e r n so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so f1 3 0 t ha n d4 4 0 t hc f bb o i l e r s a g r e e w e l lw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h et h e s i s p r e d i c t s c h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o m b u s t i o ns y s t e mo fa4 4 0 t hc f bb o i l e rf o rd i f f e r e n td i s t r i b u t i o no fc o a lp a r t i c l e s ， f r a c t i o no ft h ep r i m a r ya i r ，l o c a t i o no ft h es e c o n d a r ya i ra n dd i f f e r e n te l e m e n t sa n d l i a b s t r a c t p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o no f1 i m e s t o n e b a s e do nt h ed e s i g no f a6 7 0 t hc f bb o i l e rm a d e b yi n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ，t h ei n f l u e n c eo ft h r e ec o m p o n e n t s ：t h e c y c l o n e ，t h ee h e a n dt h ec o o l i n gd r e go nc f b sc o m b u s t i o ns y s t e mw i t ha n dw i t h o u t e h ea r ep r e d i c t e d s o m er u l e sa r eg o ta b o u tc h a n g e so fc o n f i g u r a t i o n ，f l o w a n dh e a t l r a n s f e rw i t ht h ee n l a r g e m e n to fc f b sc a p a b i l i t i e s 开o mt h e s ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ， l o c a li n f l u e n c eo ff e e dp o r t s ，o u t l e ta n dc o m e r o nac f bi sm e r e i m p o r t a n t t oa l a r g c rc f b s oi ti sn e c e s s a r yt ob u i l dat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，at h r e e d i m e n s i o n a l m o d e ti sb u i l tn o to n l yt of o l l o wt h es t r u c t u r ea n d t h ec o d eo ft h ep r o g r a ma n d m a l h e m a t i c a lm o d e lo fe s t a b l i s h e da n n u l a r c o r em o d e l ，b u t a l s ot or e f l e c t t h l e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h et h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l c a nb e f u l l yd e v e l o p e d w i t hr e f i n e dc e l l s k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dm o d e l i n gl a r g e 。s e a l i n g c o a l c o m b u s t i o n i i 符寸蜕l 邺 单位 1 m m “ k j ( k g k 、 k j m o i m s 2 m w ( m z - k ) m w ( m z - k 、 w ( m 。k ) w ( m k ) w ，( m 2 k ) m w ( m 2 k ) w ( m 2 心 m s 符号说明 说明 衰减指数 截面积 国体颗粒档的质疑份额 比热 阻力系数 炉膛当量直径 总排渣量 切割直径 氧气扩散系数 颗粒直径 吸收率 活化能 尾迹系数 重力加速度 炉膛高度 传热系数 炉膛总高度 颗粒蠲的对流传热系数 对流传热系数 颗粒团的辐射传热系数 固体颗粒分散相的对流传热系数 密相区的高度 固体颗粒分散相的辐射传热系数 辐射传热系数 反应速率常数 速度分布指数 布风板上风帽个数 m 啪m 积 m 绷 。“ 胱cd d如豫办。f p g 。h kbm。 。 帆 符号说哪 o 。 b p a m m m s m ，s n v s m s n v s k g s k g s k g ( m s ) k g m 3 w ( m 2 , k 4 ) w ( m 。k ) m o l s 焦炭燃烧反应中c o 和c 0 2 生成比例 压力 炉膛当量半径 环形区厚度 温度 颗粒表舰速度 气泡l y t 速度 颗粒在环形区的下滑速度 最小流化风速 颗粒终端速度 下行固体颗粒质量流量 上行固体颗粒质量流量 吲体颗粒分散相中固体颗粒的百分比 c o 的质量分数 气泡份额 气泡中晕份额 空隙率 动力粘度 密度 s t e f a n b o i t z i t t a l r l 常数为5 6 7 2 x 1 0 。8 焦炭颗粒周围气体的导热系数 焦炭燃烧的机械因子 被颗粒团覆盖的壁面面积的平均百分率 c o 的反应速率 下标 初始状态、参考状态 t d h 高度阻上 泡相 v 。 p r 嘶 刚 腑 y 。 口 p 盯 庐露 肌 符咎说删 c e g i k s 碳颗粒 乳化相 气体 i 档颗粒 k 小室 次颗粒 准则数 4 ，阿基米德数 n u努谢尔特数 p r普朗特数 r e雷诺数 史密特数 鳓谢伍德数 注：其它变量均在文中第一次出现时说明 v 第一章前占 第一章前言 1 】循环流化床锅炉的发展优势 l1 1 清洁煤燃烧技术 经济发展促进了社会对能源的需求。为了避免走发达图家曾经走过的“先污 染后治理”的老路，我国制定了可持续发展的战略，该战略中很重要的一部分是 控制污染物的排放量在环境背景值所能容忍的范同之内，以减轻环境变化而造成 对人类本身的负面效应。 对1 二中国未来能源环境问题总结为以下几点： i ) 中国一次能源以煤为主的格局相当时期内难以改变； 2 ) 解决能源环境问题重点放在改善能源的终端消费结构； 3 ) 提高能源利用效率是解决能源和环境问题的首选方案： 4 ) 发展洁净煤技术，全过程控制煤炭丌发利用的污染是解决能源环境问题 的现实选择。 在我国一次能源消费中，煤炭占7 3 5 以上。虽然包括核能和水能在内的其 它能源比例在逐渐增加，但煤炭占主导地位的局面在今后相当长的时期内不会发 生根本性变化。我国煤炭资源分布不均匀，优质煤比例较少且集中于山西、内蒙 等少数地区。据统计，全国含硫煤占1 以上的煤炭资源占总量的5 0 左右，直 接燃烧带米严重的环境污染。因此发展具有广泛燃料适应性的清洁燃烧技术是我 幽实施可持续发展战略的重要手段之一。积极发展洁净煤技术，已成为世界能源 发展的人趋势，在以煤炭为主要能源的中国，大力发展洁净煤技术更有现实意义 f 2 j 。 洁净煤技术涵盖了从煤炭开采到利用的全过程，是煤炭开发和利用宗旨存减 少污染和提高效率的煤炭, b n _ k 、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。我幽煤 炭丌采和利用的特点决定了我国洁净煤技术领域与国外洁净煤技术领域有所不 同，中洁净煤技术是以煤炭洗选为源头、以煤炭气化为先导，以煤炭洁净燃烧 用i 发电为核心的技术体系。煤炭液化、煤炭气化联产、烟气脱硫技术和低n o x 燃烧技术列为国家洁净煤技术发展的重点【2 。 i 1 2 循环流化床燃烧技术的特点 循环流化床燃煤技术具有其它煤直接燃烧技术无法比拟的优点，由于燃烧 过程中实现对污染的生成进行高效严格控制，使煤的直接燃烧完全满足日益严格 的环境保j ! 、l 的要求。因此通过循环流化床锅炉产业化研发，可以在传统的锅炉 循环流化寐锅炉大型化的数值模拟 行业中，采用高效低污染燃煤新技术提升传统行业的产品更新换代和促进产业的 技术改造，并积极带动相关行业的发展。 由十循环流化床锅炉不但具有鼓泡流化床锅炉的全部优点，而且几乎, t r 以 解决鼓泡流化床具有的全部缺点，所以循环流化床锅炉出现以后，立刻受到f 【】= 界 备固的高度重视，并得到迅速发展，成为新一代高效率、低污染燃煤锅炉墩备p 】。 媳型的循环流化床锅炉系统如图卜1 所示。 卿些耋墨。矍煦熊篓墨 。 - 。 v 图1 ，l 典型的循环流化床锅炉系统 循环流化床燃烧技术由于其固有的燃烧特点和配风方式使其具有以下主要 优点： 1 ) 燃料适应性相对较广，能燃用高灰分低热值的燃料； 2 ) 采用分级送风和低温燃烧，有效地控制n o x 的产生和排放： 3 ) 采用向炉内直接添石灰石的方法在燃烧过程中实现高效低成本脱硫： 4 ) 燃烧温度低，灰渣有利于综合利用； 5 ) 燃烧温度易于操作； 6 ) 负荷调节比大，可达到4 ：1 ； 7 ) 媒制备及输送系统简单。 113 国内外循环流化床燃烧技术的发展 目6 u ，循环流化床锅炉已是国外洁净煤技术巾一项比较成熟的技术，正在向 犬型化方向发展。循环流化床锅炉大型化一直是技术成熟和商业使用的标志。 同前幽际著名的锅炉制造公司都无一例外地加入到了循环流化床燃烧技术产品 塑二里盟复 一 j ：发和生产的行列。国外从八十年代初丌始循环流化床燃烧技术的研究丌发工 作，以环保为基本目标，面向燃烧和电力市场开发循环流化床燃烧技术。到目前 为止，已经形成了一些主要技术流派 6 】。 以德国鲁奇( l u 唱i ) 公司为首丌发的以热狄循环、绝热旋风筒、外置换热 床位为特色的技术在大容量的开发道路卜：走得较快，而且该技术刁i 断地向其它锅 炉制造商转让。该技术特点是调温、排放特性好，主要缺陷是系统复杂、成水高 剌运行水平要求高。 美国福斯特惠勒( f w ) 从8 0 年代丌始循环流化床锅炉的研制工作。他们丌 发的带i n t r e x 外部流化床换热器的循环流化床锅炉是其特色，也是当今循环流化 昧锅炉的重要流派之一。近年来，福斯特惠勒公司在循环流化床锅炉紧凑柿胃方 案应用和大型化方面作出了很大贡献。 芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司开发的p y r o f l o w 型循环流化床技术采用热灰循 环、绝热旋风筒、炉内布箭受热面、q 管等技术。其优点是过程简单( 没有外部 流化床换热器) ，缺陷是旋风筒笨重，易发生应力破裂。美国福斯特惠勒公司于 1 9 9 5 年买下了奥斯龙公司锅炉部分的全部股份，接管了奥斯龙在【堕界各地的业 务。 德国的巴威( b a b c o c k w i l c o x ) 公司采用被称为c i r c u f l u i d 的技术，其标 ，基是采用巾温旋风筒，炉膛上部布置受热面利半塔式布置。优点是旋风筒稳定性 好，体积缩小，可靠性增强，缺点是排放指标较高，大型化困难。 另外还有美国b a t t l e 实验室开发的多固体循环流化床和瑞典s t u d s v i k 公司丌 发的使用惯性分离器的循环流化床等。 国内循环流化床锅炉的丌发工作与国外几乎同时起步_ j 。从“七血”到“寸 均为国家重点攻关项目。国内已先后完成了2 2 0 “h 及以。f 容量c f b 锅炉的 研发和产业化工作。目前已成为批量生产的环保产品，其中有2 0 多台2 2 0 t h 等 级的c f b 锅炉运行。“十五”期i 已完成了1 0 0 1 3 5 m w e 等级c f b 锅炉的自主 丌发，并开始产业化生产，目前国内研发机构正在开展2 0 0 m w e 丌发工作。 1 2 循环流化床燃烧系统数值模拟的发展 121 计算机模拟在循环流化床锅炉研究中的应用 近年来，随着计算机技术的飞速发展，以动量、质量、能量和组分守恒基本 方程和数值计算方法为基础的计算机模拟在流态化过程研究中得到了广泛的应 用。由于计算机模拟能够对试验研究难以测量的一些过程和细节进行研究并且节 省费用，因此计算机模拟作为与理论分析和试验研究互补的- , c o 重要方法对于深 化了解流态化过程的原理将会起到重要的作用弹j 。 模型研究对于深入理解循环流化床锅炉特性和内在过程、探索循环流化床再 运行参数的匹配规律，额定工况及变工况运行时锅炉主要参数的预测，设计参数 堡兰：堂! 些鉴塑塑查型! 兰塑鍪垫堡型 的选择及优化和锅炉的大型化设计等育很大的帮助“j 。 l ，2 , 2 循环流化床燃烧系统整体模型的分类 在近二十年，不少研究者在循环流化床燃烧系统数学模型上做了许多工作 使模型得到了定的发展旧l 。按照流动模型的不| 司可以将循环流化床燃烧系统 数学模型分为鼓泡床模型、拟流体模型、区段模型、颗粒轨道模型和三维模型等。 按照建模机理的不同可分为基于经验的半关联性质的模型和基于微观守恒方程 的机理模型。按照简化程度可分为零维、一维、二维和三维模型。 1 22 1 零维集中参数模型 d im a g g i o 【1 4 】等采用集中参数的零维稳态模型对采用l u r g i 技术的g e l a l s t r o ms t e i n 公司建造的位于e m i l eh u c h e t 的1 2 5 m w 锅炉及位于p r o v e n c e 的 2 5 0 m w 锅炉进行了仿真、预测。模型中将锅炉分成一系列模块，并通过。个l 割 肜化界面将不同的模块按需要组合，组合后的整体用牛顿一拉普森算法联立求 m 犁。模型中不考虑各变量的空问分布，而是用平均值代替，这会带求一定偏劳， 但模型形式简单，计算量相对较小。 热力训算方法基本上都是从辐射换热出发，用模型试验测得的试验数据进行 归纳和修正，以此得到综合传热系数【15 , t 6 1 。但是由于模型试验和实际运行之问的 内在变化规律并没有真正掌握，所以这些计算的方法经验性极强，只能应用于验 证过的范幽内。 12 ，2 2 一维小室模型 浚模型的关键是利用经验公式或实际测量值求取沿床高方向的固体浓度分 和以及小室的划分方法。r a j a n m 等以鼓泡床为研究对象，将整个锅炉的燃烧反 、v 侧分成一系列小室，对炉内的流动利反应进行了详尽地考虑。该模型后来成为 很多研究工作的基础。w e i 日【i8 】等较早对循环流化床整个循环系统建立反应模 型，限于计算能力及对循环床中微观结构建模的困难，模型未采用连续的描述方 法，而是采用了与r a j a n 等相似的处理方法，将整个反应器划分为一系列的小室， 小室数目凭主观给定。模型中对气固相采用相同的小室划分，忽略小室间气体返 混，考虑了固体物料的返混。李政1 4 3 l 的锅炉模型建立在w e i 0 等工作的基础之上， 并且强调了炉膛内考虑粒径分布宽的特点。整个炉体被分成3 5 个小室，每个小 室内都由多档颗粒组成，各档颗粒的流动、反应和传热分别计算，然后进行线性 替加。主床的轴向流动结构采用了鼓泡床模型来解释：即将炉膛沿高度分成底部 密相区和顶部浓度逐渐减小的稀相区两个区域，这两个区域内的空隙率和固体循 环量按鼓泡床关联式和扬析模型计算。m u i r 婚 的小室模型对气相和固相采用了不 i 刊的划分方法：气相划分与w c i0 等类似，但是不考虑气体的循环；固相小窄征 l 升管内只要两个，下降管分成1 0 个小室。这样的划分方法能够反映出锅炉内 墅二! 盟妻 气相和固十h 混合程度不同的特征。另外，其空隙率分布采用快速床轴向分柿模型， 克服了鼓泡床模型在循环床建模中的不足，但是浚模型忽略了炉膛底部的浓相 l 基。 总体而言，一维小室模型比零维集中参数模型更为细致，目前发展得比较成 熟，应用较多。但它忽略了炉内的径向分布，存在一定程度的失真。另外，小室 如何划分并没有一个明确的依据，经验性很强。考虑到实际气相和同相的返混程 度大不相同，两相采用不同的划分方法可以更好地兼顾两相的流动。 1 2 2 3 准二维的环一核流动模型 环一核流动模型假设炉膛任一高度处有一明显的环核分界面，即中间是稀疏 的核，心区，靠壁面处是浓密的环形区，核心区内颗粒向上流动，而环形区内颗粒 向f 流动，气体向上流动。不仅从熬体上考虑颗粒的轴向分布、颗粒粒径的变化， 而且考虑径向颗粒浓度分布，环形区内颗粒的向下运动及环与核、上下区段、固 体与气体的物质和能量交换。 张永哲【“】j 在李政的工作基础上，在径向引入了环、核两种小室，利用经验公 式计算环核空隙率及气固交换，更加细致地给出了锅炉中流动、传热和反应的分 布情况。王勤辉( 4 8 】等将锅炉炉膛轴向分为密相区和稀相区，两个区域以二次风高 为界：密相区被假设成一个鼓泡床，两相混合均匀，没有浓度梯度；稀相区沿径 向分成核心区和环形区两个通道，各区内不存在浓度梯度，固相速度及通量由经 验式直接给定。两个通道分别进行流动、传热和反应计算。 这类模型由于考虑了径向的分布，使其发展成为准二维的模型，比一维模型 更加细致。 1 2 2 4 三维模型 该类模型是将床层分成若干多维小块，分别计算每个小块中的流体流动、热 量、物质交换及反应。但由于缺少适当的动量及能量平衡模型公式，尚处于起步 阶段。 h a p p e n e n 2 1 等提出了一个三维模型用于模拟截面为长方形的工业循环流化 床锅炉。在该模型中三维平衡方程基于有限容积方法求解，应用长方形直角坐标 系统将几何空间分为不同的控制容积。由于计算量有限，通常设定的网格尺寸较 人，偏差较大。k n o c b i g l 2 2 3 等建立了基于大量试验结果的半经验性三维模型，其 流动结构为：上部分为浓淡相，底部视为鼓泡床。总体模型出气固流动予模型、 局部反应动力学子模型及带反应的扩散子模型组成。对气体、固体列出各自的质 鞋平衡微分方程组，限于计算能力，没有考虑能量平衡方程。其中，在底部，气 体只考虑轴向扩散，碳颗粒视为水平二维扩散；在上部气固均为三维扩散。反府 动力学子模型以一种简单的方式考虑煤热解和焦炭燃烧过程。模型应用了大量的 塑望：塑些鉴堡生叁型些堕塑堕堡型 试验研究结果及经验公式，同时作出了相应假设以简化计算，是二维模型的种 较好尝试。 二维模型虽然能很好地拙述整个反应器的流动及反应状态，但对各点的流体 流动的模型公式还不完善，需要引入大量经验公式和试验数据。 从单纯的流动模型研究来看，国内外研究者已经逐步从一一维、二维，发展到 了= ：维的流动模拟【2 ”，但能够将燃烧机制引入了该模型的研究还并不多见。目前 还不能完全实现基于微观守恒原理的流动、反应、传热等过程的全面耦合计算， 王维 2 4 】实现了在锅炉特定条件下的流动计t 算，并引入燃烧行为，建立了一维连续 分布的燃烧模型，此类模型形式统一，便于应用计算流体力学的成功解法。 零维和一维模型只满足简单的质量能量平衡，主要是面对锅炉控制工程师和 系统工程师，用于锅炉的控制和电厂系统集成：一维半( 准二维) 环核模型考虑 燃烧和其它相关过程，面对锅炉没计者和运行者，用于锅炉性能预测，操作优化 和项目设计：三维模型详细考虑化学动力学过程和个别物理过程，面对研究人员、 发展人员和l 顾问，用于具体问题地研究和新设计的发展。本文的模型是准二维模 型，专门针对锅炉的设计者和运行者。 必须以实际循环流化床锅炉的给煤、给石灰石、给风和锅炉几何尺寸等参数 作为输入量，以产生蒸汽的参数、排渣量等数值为输出量，爿能全面、i i 确地模 拟锅炉的实际运行，而某个部件、某种物质或某个反应的模型并不能全面反映出 循环流化床锅炉的实际运行，应当是循环流化床锅炉整体数学模型爿具有这种用 途。 i 2 | 3 循环流化床燃烧系统整体模型的进展 所有的整体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j 瞬自物理模型的过程则直接使用一些经验公式，建立系统内气同两棚各组分 晌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口。“ 。国内外 对循环流化床数学模型的研究已有大量文献发表，取得了丰富的成果口7 ”j 。由于 循环流化床内燃烧及流动过程非常复杂，对其进行数值分析仍然是目前吲内外都 非常重视的课题 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 】。 总结循环流化床锅炉燃烧系统典型的总体数学模型有以下几种盼3 4 3 5 3 6 1 3 7 】： 1 2 3 ，1 国际能源署( i e a ) 的循环流化床锅炉的总体模型 为了有效地进行流化床领域方面的研究，i e a 组织了约】5 个国家的研究人员 绢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 第一誊前言 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， 三要特 点是吣3 9 j ： ( 1 ) 炉膛分为密相区和稀相区，密相区作为鼓泡床来处理，而稀相区则分为颗 粒上升流动的核心区和考虑沿边壁下滑的边壁区： 核心区的颗粒浓度分布依据w e n 和c h e n 4 0 l 给出的指数递减经验公式米计 算，而径向浓度分布及边壁区则依据经验数据确定； 稀相区气相流动也分为核心区与边壁区，两区之问存在气体交换； 煤燃烧模型考虑挥发分析出、一次爆裂、磨损和焦炭燃烧： 气相组分考虑c 0 2 、0 2 、c o 、n 2 、n h 3 、n o 。、s 0 2 、c h 4 、h 2 等多种气 体组分： 炉内传热系数计算采用m a r t i n 【4 i l 所提出的方法； 求解时沿炉膛高度分为多个小区，每个小区包含核心区和边壁区： 一维稳态模型。 1 2 32 德国济根大学的循环流化床锅炉总体数学模型 德困济根大学动力工程研究所在f e t t 教授领导下，以r a j a n 7 】所建立的鼓泡 流化床的数学模型为基础，h a r t l r b c n 在1 9 8 3 年建立了一个鼓泡流化床锅炉的数 学模型，并开发了牛顿一拉普森数值模拟解法来求解该模型。w e id 在此基础卜 建立一个循环流化床锅炉的动态数学模型，而b u e r k l d 增加了自然循环蒸发器系 统的数学模型。s c h o e l e r 在w e i0 基础上建立了循环流化床直流锅炉的动态数学模 型。h e i n b o c k e l l 4 2 1 则在此基础上建立了增压循环流化床锅炉静态数学模型。清华 大学李政【4 = i 】等则在、v e id 模型的基础上参考t b u e r k e l 、s c h o e l e r 、e d e l m a n 等人的 i 作，考虑宽筛分给煤，发展了该流派的循环流化床锅炉数学模型，其主要特点 为： ( 1 ) 炉膛分为密相区和稀相区，炉膛沿截面颗粒浓度分布均匀一致，沿高度颗 粒浓度由扬析率计算； ( 2 ) 早期模型没有考虑颗粒粒径分布，后期才引进粗、细及颗粒磨损或宽筛 分给煤； ( 3 ) 考虑了煤爆裂、磨损、扬析、挥发分析出和焦炭燃烧； ( 4 ) 气相成分考虑0 2 、c i - 1 4 、c o 、c 0 2 、s 0 2 、n h 3 、n o 、n 2 、h 2 ： ( 5 ) 炉内传热系数计算采用m a r t i n ( “1 所提出的传热模型； ( 6 ) 建立了蒸汽发生器系统的数学模型； ( 7 ) 同刊建立静态和动态过程的数学模型； ( 8 ) 沿锅炉系统分为多个小区并采用牛顿一拉普森方法求解数学模型。 i i) 2 3 4 5 6 7 8(c； 伯外槐化j 术锚蜘1 人型化的数值顸拟 l2 33 法固电力公司( e d f ) 丌发的大型循环流化床锅炉数学模型 为了预测年分析电站循环流化床锅1 ) 1 的运行及设计放大，e d f h k 立了丌发一 纯：、二维及三维循环流化床锅炉数学模型的研究小组，其中较典型的是维两竹i 恢型( i dt w o p h a s e ) ，其主要特点有 4 4 , 4 5 】： ( 1 ) 以e ，h u c h e t ( 1 2 5 m w ) 矛 1 p r o v e n c e ( 2 5 0 m w e ) 两电站的循环流化床锅炉为 基础，根据实际运行条件f 的在线测量结果来确定模型关系式及参数，如 床内压力降、颗粒浓度分布、局部传热系数等； ( 2 ) 沿炉膛高度由下到上分为浓相床、飞溅区、扬析区和出口区。在扬析区， 炉截面分为两相：核心的浓相和边壁的稀相； ( 3 ) 每个区内分为许多小区，分别考虑其流动结构和质量平衡； ( 4 ) 大量采用由实测得来的经验关联式。 1 234 加拿大新斯科舍：f 业大学开发的循环流化床锅炉数学模型 加拿大新斯科舍大学rb a s u 教授曾建立了一个简单的循环流化床锅炉数学 模型，后受法国电力t y n ( e d f ) 委托丌发适用于其2 5 0 m w e 在大型循环流化床锅 炉的数学模型，其主要特点： ( 1 ) 炉膛分二次风口以下的湍流床和上部稀相床； ( 2 ) 稀相床是核心一边壁区结构，两个区域之间存在颗粒的气体交换，边壁区 厚度经验公式计算； ( 3 ) 稀相床轴向固体颗粒浓度分布采用k u n i i 和l e v e r s p i e l 4 6 1 提出的指数递减规律 计算： ( 4 ) 考虑高温旋风分离器内焦炭及气相的混合再燃烧； ( 5 ) 煤的挥发分析出及燃烧在湍流床已完全进行； ( 6 )气相成分仅考虑氧气和s 0 2 的平衡。 1235 浙江大学开发的循环流化床锅炉总体数学模型 浙江大学在循环流化床锅炉热力计算及设计的基础上发展了一个总体数学 模型，其主要特点是 4 7 , 4 8 1 ： ( 1 ) 炉膛在高度上分为底部密相床和上部稀相床，密相床高度由二次j x l 口高度 确定： ( 2 ) 密相床按鼓泡床来处理，稀相床内沿床截面分为边壁区和核心区，两区内 颗粒和气流流动由扩散模型确定： ( 3 ) 考虑给煤的宽筛分和不同煤种颗粒的特性差异，如煤颗粒的狄含量引起的 流动和燃烧时的粒径变化： ( 4 )密相床传热采用鼓泡床的计算方法，稀相床采用颗粒团更新壁面模型； ( 5 ) 建立了一个简单的以化学反应动力学为基础的炉内n 0 和n 2 0 的生成和分 塑二主塑童 解模型： ( 6 ) 给出了分离器、返料机构及尾部对流换热器的数学模型。 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 和侧重点m 50 1 。在已发表的文献中 s 1 s 2 , 5 3 ，循环流化床燃烧系统的数学模型各有 特点，其研究重点通常侧熏于对某一具体的试验装置的流动特性进行描述，并红 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利燃烧过程。同时，对流动结构的研究大多是 针对化：l 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，山于技 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、环一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 3 论文背景及工作任务 通过对循环流化床燃烧系统整体数学模型发展的叙述，可以得知，迄今为止， 还没有一个整体数学模型系统地研究煤种对循环流化床燃烧系统整体性能的影 响，【乜没有从数值模拟的角度来探索循环流化床容量放大的规律，所以本文的剀 入点就是建立一个能够反映出煤种对循环流化床锅炉燃烧系统影响的整体数学 模型，且通过此模型模拟不同容量循环流化床锅炉的性能。即该模型可以适用二f 不同煤种燃料的模拟计算，也适用于不同容量的循环流化床锅炉性能模拟利预 测，所以该模型可以计算出针对某一特定煤种下，在设计循环流化床锅炉时最侍 改计方案和在操作循环流化床锅炉时存在的最佳操作方案，从而为不同煤种的循 环流化床锅炉设计和循环流化床锅炉的操作进行指导。该模型可以对设计完成的 桀一特定容量的循环流化床锅炉进行校核和优化计算，也可以对即要设计的循环 流化床锅炉进行性能的预测，从而实现大容量循环流化床锅炉设计的指导作用。 中国科学院工程热物理研究所在循环流化床锅炉技术开发方面具有自己独 特的技术和积累了丰富的经验，木沦文作为其承担的国家“十血”科技攻关“循 环流化床锅炉产业化技术示范”项日中的数值模拟部分，充分利用了中国科学院 工程热物理研究所自身的系统丌发循环流化床锅炉技术和丰富的试验与运行数 掘的优势，确定了本论文的技术路线和工作内容。 1 3 i 煤种对循环流化床燃烧系统的影响 循环流化床锅炉具有很强的燃烧适应性，可广泛应用于燃用劣质燃料及常舰 原煤( 无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤) 、煤矿洗选下来的煤矸石、洗中煤和煤泥等 劣质煤及燃用石油焦和造气炉渣等劣质燃料的发电厂或热电厂5 4 1 5 ”。特别适于常 堡型：垫些鉴堡堡查型垡塑墼堕堡塑 规锅炉不能燃用的燃料，如高硫煤、低灰熔点煤、高水分褐煤、极低挥发分无烟 煤、高扶分劣质煤和高硫分石油焦等。还可以烧石油焦、生物质、市政垃圾和废 纸液等，欧洲一些国家甚至考虑用c f b 锅炉燃烧动物废弃物 5 6 , 5 7 1 。但在强喇c f b 锅炉的燃料适应性时，往往忽视这个特点是针对c f b 燃烧方式而言，列于一台 具体的c f b 锅炉，不同燃料在锅炉设计上有较大的差异，锅炉的运行特性和对 锅炉辅助设备的要求会发生相应的变化1 5 8 ；针对某一煤种而言，在设计循环流化 床锅炉时，应该有一最佳的设计方案存在。所以研究不同煤种对c f b 锅炉燃烧 特性的