（工程热物理专业论文）循环流化床炉膛给煤扩散及燃烧份额.pdf

摘要 大型循环流化床( a 礓) 锅炉的给煤方式，直接影响锅炉的安全经济运行。在 c f b 锅炉设计中，炉膛燃烧份额分布直接决定炉膛受热面的布置和性能参数的 满足。本文研究前墙集中给煤在炉膛下部的密相区的扩散和掺混特性，寻求满足 燃烧与脱硫要求的给煤合理布置方式；本文采用分区段能量守恒法初步建立起循 环流化床燃烧份额模型，正确体现循环流化床炉膛内燃烧份额的分布。 本文针对炉前给煤方式进行了试验研究与模型开发工作。首先进行了大型二 维e b b 锅炉给煤方式及扩散冷态试验；在冷态试验和总结了目前已有研究成果 基础上，建立一维扩散理论模型，并将一维理论扩散模型按照。对称原则”扩展 到二维扩散理论模型，采集实际1 3 0t h c f b 锅炉运行的宏观数据来修正二维扩 散理论模型，建立起具有应用意义的模型；然后利用该模型对6 7 0v h 和1 0 2 5t h 循环流化床机组的给煤方案进行了预测，为大型c f b 锅炉给煤方案选择提供理 论依据。 同时，本文采用分区段能量守恒法，将循环流化床沿炉膛高度分成若干区段， 建立热量守恒方程。根据4 4 0t h c f b 锅炉运行数据，在满足热量守恒的条件下， 获得循环流化床燃烧份额模型。利用该模型对6 7 0t h c f b 锅炉进行模拟计算， 对比炉膛温度模拟计算值和设计值，表明该模型正确体现循环流化床燃烧份额设 计计算结果，同时为大型诬b 锅炉设计提供理论支持 为了评价已经运行的循环流化床机组性能，在已有的性能试验规程及方法的 基础上，编制可用于分析现场运行数据的热力性能校核程序，并采用4 4 0 蛐。心b 锅炉实际调试数据来进行验证计算表明，该程序具有一定的工程应用价值。 关键词：循环流化床；大型化：给煤扩散；燃烧份额；热力计算 a b s t r a c t l ib i n g s h t m ( 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 i lo i n g g a n g f e e d - c o a lm e t h o do fl a r g e - s e a l ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e r d i r e c t l y i n f l u e n c e st h es a f ea n de c o n o m i c a lr u n n i n g d r i 呜o fd e s i g nt h ec f bb o i l e r t h e d i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o nf l l t c l j o ni nt h el i 脚c ed i r e c t l yd e c i d e st h ea n a n g c m e j a to f h e a t i n gs u r f a c ea n dt h ef e a s i b i l i t yo fc f bb o i l e rp e r f o r m a n c e f e e a - c o a ld i f f u s i o na n d m i x i n ge l u n a e t e i i s t i e si t , t h ed e n s ep h a s el l ：g i o ni nc f bb o i l e rw i e r cr e s e a r c h e d t o f i n dai 燃 t - f i tw a yt oc o m b u s t i o na n dd c s u l p h u z i z a u f i o n c o n v e r s a t i o no fe a e r g yi n s u b s e c t i o no ff u r n a c ea d o p t e dt ob u i l dt h em o d e lo fc o m b u s t i o nf r a c t i o n , w l a i e l ac a n e x a c t l yp r e d i c a t et h ed i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o nf l a c l i o l mi nt h ec f bb o i l e rf - u n l a c c o w ec a r r i e dj u tt h ef a o n t - w a l lf e e d - c o a la r r a n g e m e n tc o l de x p e r i m e n ta n d m o d e l i n gb l l i l d j n gr e a r e l aw o r k f i r s t l y , w ef i l l i s l a e dt h ec o l de x p e r i m e n ta n d f e e d - c o a ld i t 矗塔i o ni nal a r g e - s c a l et w o - d i m e n s i o n a lc f b b o i l e r , s e c o n d l y a c c o r d i n g t oc o l dc x p e r i m a a t sa n dc r a s t i ga e h i c v c l n c n t s , 眦h a v eb l t i l tao n r 州l i l n c l l s i o n t l t l t l a r e l i c1 n o o ka n de x t e n d e di tt oat w o - d i m c m i o n a lt l a e o r e t i em o d e lb y s i n g “s y m m e t r i c a lp r i n e i p i c 竹a n dr e v i s e di tb y 璐i n gf e e d - c o a lm a c a od a t ao f1 3 0t i , a n d 4 4 0t h c l 礓b o i l e ri nt h ep o w e r - p l a n t , t h c ng o tap r a c t i c a b l em o d e l ；f i n a l l y , w c e d i e a t e do n6 7 0t ha n d1 0 2 5t l a c f bb o i l e rb y s i n gt l a eb u i l tn m 舭a n dp r o v i d ea b a s ef o rl a r g e - s c a l ec f bb o i l e rd e s i g na n d s a f e 埘n i n 吕 m c a n w l a i l c , a e e o r d i n gt ot h ec o n v c l 翻t l j o no fc n e r g y , i 砒d i v i d e dt h ef u r n a c ei n t o s e v e r a ls c c l j o l i s a l o n gt h eh e i g h to fc f bb o i k - r a n db u i l tt h ee q u a t i o n so f c o a v c r s a t i o no fe n e r g y b a s i n go nt h ef i e l dd a t ao f4 4 0t ，h 饷b o i l e r i nt h ec o n d i t i o n t os a t i s f yt h ec o n v e r s a t i o no fe n e r g y , t h cc o m b u s t i o nf l l l 虻t i o l l lm o d e lw a sb u i l tw e s i m u l a t e d6 7 0t h c l mb o i l e rw l a i e h d e s i g n e db y i n s t i t u t eo f l ! n g i l l e c r i n g t h e r m o p h y s i c s ( 砸1 ) b y 璐i 丑gt h em o d e l c o m p a r 吨t h ei m m c r i c a lt e m p e r a t u r et o d e s i g n e dt e m p e r a t u r e t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ef i n i s h e dm o d e lc a ne x a c t l y s i m u l a t et h ec o m b u s t i o nf r a c t i o nr e s e a r e l ar e s u l t si nt h ec f bb o i l e rd e s i g n a n d p r o v i d et h et h e o r e t i cs u p p o r ti nt h ec f bb o i l e rd e s i g nm a d eb yl e v r o a c c o r d i n gt ot h el 地 r f o r m a c ct e s tc o d ef o ru t i l i t yb o i l e ra n dc f bb o i l e r , w e i n a d cat h e r m oc h e c k i n gp r o g r a mo fb o i l e rw l a i e h 啪b ea p p l i e dt of i e l dd a t aa n a l y s i s o fp o w e r - p l a n tu n i t s , a dv a l i d a t e dt h ep r o g r a mb yu s i l 咤t l a cf i e l dd a t ao f4 4 0t hu n i t s t h i sp r o g r a mc a l lb eu s e df o re n g i n e e r i n g p r o j e c t s k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ；l a r g e s c a l e ； f r a c t i o n ；t h e r m a lc a l c u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 能源既是必不可少的经济发展和社会生活的物质前提，又是环境污染的重要 来源。在我国，由于煤炭在能源消费中占很大比重，而大气中约8 7 的s 0 2 、6 0 的总悬浮颗粒物、6 7 的n o x 和7 1 的c 0 2 均来自煤炭的燃烧。燃煤排放的大 量s 0 2 和n o x 也是我国酸雨形成的主要原因继欧洲、北美之后，我国己成为 世界上第三大酸雨区。 面对新世纪，如何保持能源、经济和环境的可持续协调发展是我国面临的一 个重大战路闯题，也是对电力行业的重大挑战循环流化床是一种国际公认的洁 净煤燃烧技术，其优点是： ( 1 ) 燃料适应性相对较广，能燃用高灰分低热值的煤种，并且对于设计煤种 燃烧效率可与煤粉炉相当： ( 2 ) 采用分级送风和低温燃烧，有效地控制n 仉的产生和排放； ( 3 ) 采用炉内加石灰石的方法，在燃烧过程中脱硫，低成本降低s 0 2 的捧放； ( 4 ) 燃烧温度低，灰渣有利于综合利用； ( 5 ) 密相区内气固混合充分，可以减少给煤点，而且燃料供给系统比较简单 循环流化床成为实用化进程最为成功的洁净燃烧技术，目前在电力行业正向 产业化、大型化方向迅速发展。上世纪末世界上己投运最大的c f b 锅炉是普罗 旺斯电厂的2 5 0m w 锅炉，本世纪已投运的最大容量c f b 锅炉是安装于美国佛 ，罗里达州j a c k s o n v i l l e 的j e a 电厂两台3 0 0m w 锅炉。在c f b 锅炉大型化的进 程中，以超l 临界参数为标志的第二代c f b 锅炉以其优越的性能而引人注目：法 国a l s t o m 公司已完成6 0 0m w a m 锅炉的方案设计；美国f w 公司已于2 0 0 2 年 底和波兰p k e 电力公司签订了4 6 0m w 超临界参数的循环流化床直流锅炉合同， 2 0 0 3 年3 月开始工程设计，预计将于今年9 月底投入商业运行；我国“十一五” 科技发展规划中，也把自主开发6 0 0m w 等级的超临界参数c f b 锅炉列为战略 目标和开发重点 1 2 文献综述 1 2 1 给煤扩散文献综述 颗粒混合、流体流动和化学反应机理构成了设计工业流化床的基础，随着大 型流化床的广泛应用，研究表明流化床内温度和反应物浓度并不是均匀分布，尤 其是水平扩散存在明显的不均匀性对于流化床密相区颗粒扩散，国内外已经进 行了不同程度的研究具体研究方案有理论模型分析、实验加模型等。通过不同 的研究，确定了相应的流化床密相区扩散模型，这些模型对于今后循环流化床密 相区给煤扩散的研究方案都具有一定的指导意义。 循环流化床给煤扩散及燃烧份额 杨海瑞等1 1 】以热粒子作为示踪粒子，用热电偶测量示踪粒子沿流化床径向的 变化，在长9 0 0m m 、宽1 0 0m m 、高5 2 0 0m l n 的循环流化床密相区进行了颗粒的 横向扩散的研究。研究表明，循环流化床密相区内颗粒横向扩散可以用一维扩散 模型来描述，模型的计算结果与实验数据吻合很好。根据实验数据用最小二乘法 拟合得到的颗粒横向扩散系数，实验表明随着流化风速的增大和静止床高的增 加，横向扩散系数增大：最后给出了以流化风速、静止床高和颗粒粒径为影响因 素的横向扩散系数的经验式。该研究确定了流化床密相区扩散的基本影响因素模 型，对于扩散研究具有一定指导意义，但是该模型未经过实际的运行数据验证， 能否用于实际流化床给煤扩散未知 肖显斌等【2 】以循环流化床密相区内颗粒横向扩散系数的经验模型为基础，研 究了密相区碳颗粒扩散的分布规律，并建立相应的燃烧模型。该模型包括密相区 二维流动及燃烧子模型、稀相区一维流动及子模型。通过建立的模型定性模拟了 流化风速、给料点布置对流化床内燃烧的影响，并确认了将密相区颗粒横向扩散 规律引入现有循环流化床燃烧模型的重要意义。该模型是对一维扩散模型的发 展，对于密相区扩散规律具有一定指导性，但是还不能定量对于扩散规律进行验 证。 魏小林等1 3 j i 匿过建立流化床焚烧炉中粒子扩散方程，并进行求解，得到了鼓 泡床和内旋流床中颗粒扩散特性，并与实验结果对比。其研究表明鼓泡床横向扩 散能力差，而内旋床有很好的横向扩散特性，对于床内燃烧废弃物的扩散非常有 利。该研究方法采用的二维扩散模型，适用于内旋流床，丽且有于床内存在大尺 度的颗粒循环使得扩散示踪粒子能够很快的均匀扩散。该研究表明二维扩散模型 用于炉膛下部扩散具有一定的应用价值，但是由于内旋床和流化床流动的差别较 大，其研究方案适用于流化床密相区扩散研究 魏小林等1 4 】同时在实验的基础上，分析了非均匀布风流化床中废弃物的横向 扩敌系数，研究表明配风方式对于燃料颗粒的扩散有很大的影响，同时发现非均 匀布风对于流化床中沿宽度方向的扩散系数分布有较大影响：高速风流化区扩散 系数较大，低速流化风区的扩散系数较小而在高速风区和低速风区之间，存在 扩散系数急剧变化的过渡区，这正是非均匀布风流化床与均匀布风流化床( 即鼓 泡床1 扩散特性的不同之处。最后研究也给出了不同布风方式流化床中废弃物的 横向扩散系数公式。该研究仅仅对布风方式的影响做出了研究，所获扩散模型对 于实际流化床的密相区扩散规律有很多因素未考虑进去，但是该研究结果对于我 们在进行二维冷态实验的布风均匀性判断上有很大的利用价值，从而可以参考该 方法来对试验台布风板能否达到布风均匀进行改造。 徐旭等嘲也对内旋流流化床床内颗粒运动特性的试验研究，研究采用冷态流 化床装置，应用分层取样技术对微倾斜布风板实现流化床内不均匀布风，床内物 料混合与分层特性进行了系统的试验研究床内颗粒扩散的动态特性和流化风速、 颗粒密度以及颗粒粒度等因素对流化床内分层的影响，并通过求解扩散方程来分 2 第一章绪论 析布风不均匀性和布风倾角对风板附近物料扩散的影响。研究表明：增大流化风 速和布风板倾角能够强化颗粒的横向扩散和流化床的内旋流强度。该研究通过实 验分析了一些扩散影响因素但未对扩散进行进一步的模型分析，研究中的强化扩 散方案对于流化床冷态扩散实验具有一定的指导意义。 沈来宏等 6 j 通过对鼓泡流化床内颗粒混合机理的分析，综合了床内颗粒水平 方氲和垂直方向上的混合过程，建立了二维对流一扩散模型。采用指数差分方法 求解对流一扩散方程，并研究了给料点的布置和流化速度对床内物料浓度的影 响。通过研究表明，颗粒在鼓泡床内水平方向混合过程可以近似地用扩散模型描 述，而垂直方向则不能简单用扩散模型表示，示踪粒子从床层上部往下部的过程 中对流项起着主导作用。同时，该模型的一个显著特点是能直接研究给料点的布 置对床内物料浓度的影响。该研究中，仅作了流化风速对鼓泡床内颗粒混合的影 响，未对其他比如床高、粒径等作相关研究，但仍有参考价值。尤其是给煤料点 对颗粒扩散浓度影响的研究对于循环流化床给煤扩散以及给煤口布置对炉膛温 度分布影响的设计有很好的指导意义 王擎等l7 】基于c f b 锅炉炉内流动特性，结合颗粒动力学理论和气体分子运动 理论，给出了适用于模拟循环流化床炉内气固两相流动的k 一、o t 湍流模型， 即气相湍流流动采用标准的k f 模型，固相湍流采用k 。模型。该模型的优点是 引用了颗粒平均温度的同时不仅考虑了颗粒湍动能自身的对流、扩散、产生和因 流体作用而产生的耗散，而且考虑了颗粒相自身相互碰撞对流动脉动特性的影 响。在此基础上，用f o r t r a n 语言编写了循环流化床内二维湍流气固两相流动的 计算程序，并针对一台循环流化床装置进行了数值模拟和实验数据的对比，得到 了较为满意的结果。该文献细致考虑了气体对颗粒、颗粒与颗粒之间的相互作用 力，没有进步研究不同给煤点给煤的影响。 金保升等嘲在一个加压喷动流化床装置上进行了冷态实验，研究加压条件下 床中的气固流动状态和气体在各部分的扩散特性。结果表明：加压喷动流化床与 常压喷动流化床中气固流动状态差异较大，其喷动流化速度与p ”成正比。实验 还发现，气体由中心喷动区向周边环形区扩散速度与p 。成正比。在试验的基 础上提出了适合常压和加压喷动流化床最小喷动流化速度的实验关联式、气体扩 散速度关联式和喷动区发展段直径的实验关联式。该研究只针对加压和常压喷动 流化床中气体在各部分的扩散。 阎维平等1 9 】在前入对循环流化床炉内密相区各种单独过程及动态模型研究 的基础上，从物理与化学过程机理出发，分析了以往模型存在的不完善之处，提 出了一种基于稳态平衡的a m 锅炉密相区燃烧动态特性的算法。该算法考虑了 燃煤粒径分布、加热升温迟延、挥发分释放、着火和焦炭燃烧放热等内部主要过 程，试图进一步完善能够基本准确反映c f b 锅炉炉内动态特性的数学模型该 文从燃烧和传热的角度动态研究给煤量发生变化时密相区温度的变化，但没有考 虑给煤点之问的相互作用和影响 3 循环流化床给煤扩散及燃烧份额 姜秀民等1 1 0 l 在6 5t ，h 油页岩c f b 锅炉上进行了燃烧室密相区物料特性与燃 烧特性的工业试验。得到了极具片状结构特点的油页岩颗粒特性，经燃烧破碎磨 损后的密相区床料和循环物料的颗粒特性与燃烧特性及相应的锅炉运行参数。试 验结果对油页岩c f b 锅炉的放大设计与运行调节具有一定的参考价值该研究 说明密相区横向扩散在小容量c i 诹锅炉密相区混合很均匀 上述文献研究中，采用不同的研究方法对循环流化床密相区流动和混合进行 了探索，总结如下：( 1 ) 采用试验方法建立经验模型，研究流化床密相区气固流 动和混合扩散规律，都是一维模型，没有全面考虑不同给煤点数目和布置方式对 a m 锅炉密相区给煤颗粒混合和扩散的影响：c 2 ) 采用理论分析建立机理模型研 究流化床密相区气体、固体的运动，模型复杂，但对于循环流化床实际密相区给 煤设计的意义不大，不适用工程。本文在总结分析前人的研究工作基础上，建立 了一物理意义正确，表达简单、结果直观、施行有效的给煤扩散模型，能准确直 观地对循环流化床密相区给煤扩散程度进行模拟，为大型循环流化锅炉给煤设计 方案提供理论指导 1 2 2 燃烧份额文献综述 循环流化床燃烧室不同区域燃烧份额是循环流化床热力计算的一个重要参 数，它直接影响炉膛内受热面的配置和锅炉总体结果的设计。目前，一些c f b 锅炉在运行中存在流化床结焦、过热器超温或温度偏低、燃烧状态不佳和锅炉达 不到设计负荷等问题直接或间接与a m 锅炉设计时确定的燃烧份额数值和实际 运行工况不符有关。 刘辉等1 1 1 j 建立了基于热平衡法、烟气分析法和烟气量法的凹b 锅炉燃烧室 密相区燃烧份额计算数学模型，并通过实际分析了各种模型的特点，最后对一台 油页岩a m 锅炉测试数据，利用建立的模型对该炉子密相区燃烧份额进行了计 算，该研究中模型对于密相区燃烧份额具有一定的指导意义，但是未考虑到整个 炉膛内的燃烧份额分布。 栾颖等【1 2 l 在a 璩锅炉密相区热平衡的基础上，进行了循环倍率、循环灰温 度与燃烧份额之间所关联的计算。该研究中指出了，进入循环流化床的燃料只有 部分在密相区燃烧并放出热量，这部分放热称作燃烧份额6 。为了维持密相区在 一定的温度，应该使得进入密相区的热量和从密相区支出的热量相平衡。为此他 们假定燃料在密相区6 燃烧份额在该区燃烧放热并放出热量，其余1 一别然烧份额 的燃料在该区加热后到密相区温度进入稀相区，该研究比以往的研究更进一步， 明确提出了密相区和稀相区燃烧份额的不同，但是只把两个分区燃烧份额作为一 个定值来讨论。 赵广播等1 1 3 】通过分析树皮流化床一煤粉复合燃烧锅炉中流化床的热平衡。得 到了树皮在流化床中燃烧份额的计算公式。以某7 5t h 树皮流化床一煤粉复合燃 烧锅炉为例，分析了流化床温度、流化床出口名义过量空气系数、热空气温度、 4 第一章绪论 埋管吸热份额及流化床未燃尽树皮所含水分蒸发耗热对燃烧份额的影响。该研究 仍局限于鼓泡床密相区燃烧份额的分析，且只对树皮的燃烧做了具体研究。 宋文立等【1 4 】在流化床燃煤沸腾层的燃烧份额研究基础上对于煤泥浆的沸腾 层燃烧进行了研究，通过沸腾层的熟平衡分析，导出了煤泥浆沸腾层燃烧份额计 算公式，而且通过小型试验台对典型烟煤泥浆进行了燃烧实验，实验及计算表明， 沸腾层燃烧份额为0 8 5 - 0 8 5 ，比同种煤的沸腾层燃烧份额高o ，0 r 7 ，同时该文也 得出沸腾层燃烧强度对燃烧份额有一定的影响，尽管本文研究和循环流化床燃烧 份额研究差别很大，但是该研究也表明了，燃料及燃烧强度对燃烧份额的影响， 同时也表明了流化床沸腾层燃烧份额在整个炉膛燃烧份额的比例 金晓钟等1 1 5 i 在小型c f b 锅炉试验台上，研究了床温、过量空气系数、一二 次风比例和煤种等因素对燃烧份额分布的影响，证实了c f b 锅炉密相区处于欠 氧燃烧状态，并且密相区产生的一氧化碳和部分挥发分被带到了稀相区进行燃 烧。从流动和燃烧角度对实验结果进行了分析，并从密相区气固两相流行为出发， 解释了c f b 锅炉不同于鼓泡床的一些技术特点。c f b 锅炉炉膛底部存在一个类 似于鼓泡床的密相区，密相区之上是一个颗粒浓度按指数规律衰减的稀相区，由 于循环床床内的流动情况不l 司于鼓泡床，因此燃烧份额不像鼓泡床那样集中于密 相区。该研究分别从密相区的流动和燃烧两个方面解释了c f b 锅炉密相区的燃 烧份额比鼓泡床密相区燃烧份额睡的原因。明确提出了循环流化床炉膛燃烧份额 和鼓泡床密相区燃烧份额的矽，同时提出了通过测量烟气成分来计算燃烧份 额。但是由于实验水平和傍6 ，的限制，烟气成分测量不一定准确，采用这种数学 计算方法可能会对燃烧份额的分析产生一定的偏差。 吕俊复等【1 6 i 对实际运行的7 5t h c f b 锅炉燃烧份额进行是试验研究。首先定 义床高日处燃烧份额定义为从布风板位置开始到床高日处燃料燃烧释放的热量 占锅炉燃料燃烧释放的总热量的百分比。他们通过试验测定0 2 、c 0 2 、c o 沿炉 膛高浓度分布，根据烟气中0 2 、c o 和c 0 2 的浓度，假定消耗单位氧气量燃料释 放的热量相同，根据化学反应方程式计算得到沿炉膛高度的燃烧份额分布；该研 究是通过对c f b 锅炉沿床高的烟气浓度及燃烧份额的分布测试同时结合两相流 动对燃烧的影响来证明了循环流化床和鼓泡床在密相区的燃烧不同，同时也表明 了c f b 锅炉沿床高乃至分离器都有燃烧发生。循环流化床正是由于燃烧份额的 分布和大量物料的循环，使得沿床高温度分布趋于均匀。这一点概念的提出对于 沿炉膛高度方向燃烧份额的研究有着重要的指导意义，但是该研究并未进一步对 沿炉膛方向燃烧份额的分布规律做出研究，只是理论上对燃烧份额沿炉膛高度方 向的分布做出了一定的解释。 马明金等1 1 7 l 针对前苏联炉膛传热分区段计算方法仅计算各区段平均热负荷 而显得较为粗糙的问题，在原算法的基础上，提出一种改进计算方法。采用分区 段算法将各区段视为零维系统，无法表示各区段内烟气温度的变化，而该研究将 炉膛沿高度分成连续微元体，获得的烟气温度是炉膛高度的连续函数，因而能反 5 循环流化床给煤扩散及燃烧份额 映炉内烟气温度的变化规律，可以用该模型求出任意高度位置的烟气温度但改 研究没有提出燃烧份额的概念。 杨海瑞等f 1 8 瞻出c f b 锅炉分离器内存在后燃，引起的温升将导致尾部受热 面吸热量增加，再热器超温。在某电厂进行了测试，结果表明：影响后燃的主要 因素是给煤的粒度分布、煤挥发分含量及挥发分析出规律，同时与炉膛内总风量、 一二次风量的配比有关。 总结上述文献研究可知：( 1 ) c f b 锅炉燃烧份额的研究是必要的；( 2 ) 采用 区段分析的方法建立燃烧份额沿炉膛高度方向的零维模型；有的研究考虑分离器 后燃而将炉膛燃烧份额作为一个定值；( 3 ) 采用区段平衡计算炉膛各分区的燃烧 份额；( 4 ) 考虑循环流化床流动研究密相区燃烧份额分布。前人工作方法各异， 各有侧重。为此，我们采用沿炉膛高度分区段的方法，研究燃烧份额沿整个炉膛 高度的分布模型。 1 2 3 流化床性能校核计算 c f b 锅炉性能校核计算程序的开发，主要是利用现有的规程和标准来进行， 综合了燃煤基准转换、脱硫和非脱硫工况的校核、燃煤校核等几大功能，而且对 程序进行打包，生成安装文件，也方便应用。目前，已经有的性能校核计算程序 都是针对煤粉锅炉来编制的，因此我们编制c f b 锅炉性能校核程序也具有一定 的工程应用价值。在性能校核前，先通过采用给煤扩散程序对炉膛温度测试数据 的判断实际a m 锅炉运行中给煤是否合理，炉膛温度是否均匀等；这有助于对 现场运行工况的分析，同时我们根据已经获得的炉膛热力计算模型来判断实际运 行温度和设计温度的偏差及其影响 对于循环环流化性能校核计算，常规的方法都是通过e 】【c c l 编制表格进行计 算，其中对于诸如水蒸汽物性参数、烟气空气参数、灰渣物性参数等都是通过拟 合公式然后线性插值计算，参数变动范围小。本文在程序编制中，单独将水蒸汽 参数计算用函数模块来完成，其他的物性参数计算也是自动查取。因此，在计算 过程中，只需要将现场采集的数据输入然后就可以直接通过计算输出性能测试报 告，而且计算误差均在允许范围内计算准确性高、速度快是程序编制中已经考 虑到的。 c f b 锅炉的性能测试中，关在在于现场的调试方法以及数据采集的正确性， 同时需要正确的性能分析方法。这方面我们可以参照以往的研究中的方法【1 9 , 2 0 l 来对c f b 锅炉性能测试软件做具体的修正 1 3 课题背景和研究内容 实践中发现大型c f b 锅炉炉膛内温度和反应物浓度并非均匀分布，尤其在 水平方向存在明显的梯度，在实际运行中就会出现给煤口区域燃料堆积和局部燃 6 第一章绪论 烧恶化等问题。随着循环流化床大型化进程的加快，这些问题会越来越突出而迫 切。在循环流化床燃烧装置中，由于炉膛内颗粒处于高速流化状态，床料剧烈运 动，颗粒横向彼此之间的掺混非常强烈，这是循环流化床的主要优点之一。对于 小型c f b 锅炉，横向之间的距离相对较小，颗粒在炉膛横向之间的扩散时间与 其炉膛内的停留时闯相比较短，可以认为颗粒的横向扩散瞬时发生，可忽略颗粒 横向扩散对燃烧、排放及给煤的影响。随着c f b 锅炉容量增大，炉膛截面也相 应增大，横向掺混和扩散不容忽视。如果给煤过多而不能迅速扩散，在给煤口区 域形成燃料过分集中，造成炉膛内燃烧局部的严重缺氧，增加碳的不完全燃烧热 损失，并引起尾部受热面的积灰与复燃。解决此问题的本质在于如何使燃料及时 扩散刭相应的床面上去，以尽量保持可燃物浓度的均匀分布。床内燃料颗粒的扩 散、混合，特别是复杂的密相区内的混合特性在很大程度上影响了进料口的数目 和间距地设计。密相区颗粒横向扩散的规律，对于c f b 锅炉给煤设计具有重要 意义。 影响燃烧份额的因素很多，而且在设计和运行过程中，必须了解整个回路燃 烧份额的分布，才能正确布置受热面和设计性能参数。这需要建立模拟循环流化 床整个系统的数学模型，来模拟循环流化床的流动、燃烧及传热各个物理过程， 而后获得燃烧份额在循环回路各处的分布。在c f b 锅炉的运行中，虽然燃烧份 额分布的问题得到了广泛关注，但对燃烧份额分布仍然停留在经验上和炉膛密相 区及分离器后燃，对整个炉膛高度的燃烧份额分布还未提出有效模型。国外的锅 炉制造商对此也是进行了技术保密。而c f b 锅炉燃烧份额沿炉膛高度方向分布 直接影响受热面的布置，所以对锅炉受热面设计具有重要意义 本文中研究采取试验研究与模型计算研究相结合的方式进行，主要研究内容 如下： ( 1 ) 搭建大型二维循环流化床冷态试验台，进行给煤颖粒扩散冷态试验，建 立一维给煤扩散理论模型应用1 3 0t h 和4 4 0t h c f b 锅炉实际运行数据进行模型 的修正验证，利用给煤扩散修正模型对6 7 0t ，h 和1 0 2 5t h c f b 锅炉给煤扩散进行模 拟计算，从而为大型循环流化床给煤设计方案提供理论依据和支持； ( 2 ) 采用分区段能量守恒法将炉膛分成若干区段，建立各区段内热量守恒方 程。根据4 4 0t h 循环流化床运行数据，研究燃烧份额沿炉膛高度分布的规律，从 而建立起燃烧份额模型。利用该模型对设计的6 7 0t h a m 锅炉进行模拟计算，对 比计算值和设计值，分析该模型的有效性； ( 3 ) 建立可视化的循环流化床热力性能校核计算程序，对4 4 0t h 循环流化床 进行性麓校核计算，验证其实用性。 7 循环流化床炉膛给煤扩散及燃烧份额 第二章循环流化床给煤方式及扩散冷态试验 为了获得大型二维c f b 锅炉给煤扩散模型，我们先进行示踪颗粒扩散混合 试验，为建立扩散模型提供数据和基础。该试验是在中国科学院工程热物理研究 所已经建立的大型二维试验台上进行。 2 1 试验系统 2 1 1 试验装置 我们在经过一系列改造修正后的试验台1 2 l l 上进行了二维冷态扩教试验，改造 后的试验台修正了原来的布风流化和物料顶部转向堆积等问题。图2 - 1 是试验装 置，包括床体、旋风分离器、返料器和风室 f 1广_ 1 l _ 1 l i l iilii i _一一 f |lh u 冬 j 一早 j i 七劁 一 、ii j 图2 1 试验台系统图 床体截面积为2 5 4 0m m x l 5 0 咖，高4 7 9 7 衄，试验装置总体高度5 8 8 7m i l l 。 主床床体分为5 层，最底层为倒梯形，最小截面积为1 8 1 6m m x l 5 0m i l l ，即布风 板处，最上层为梯形，其它三层为矩形。下面两层前后壁面为有机玻璃窗，利于 观察床内流动现象，其余两层材料为铜板，可节省有机玻璃材料，又能加强床体 强度。层与层之问用法兰连结，便于拆换。 为了避免向上运动的携带固体颗粒的气流在炉膛上部水平转向然后再上行 右转，在该段加了5 块隔板，使得气流更加均匀，且固体颗粒的不均匀也约束在 局部。 系统风源由一台总风机，一台一次风机、一台引风机和两台流化风机提供。 8 第二章循环流化床给煤方式及扩散冷态试验 整个系统为一封闭系统，流化风由风室经布风板进入床内，使床层内的床料流化。 床料扬析夹带到床层出口，进入旋风分离器，分离下来的床料由u 型返料器送 回床内，含极少细颗粒的气流由旋风分离器出口经由引风机排入大气。 布风板上一共有7 4 个2 8 姗的小孔，1 4 个3 2 姗的小孔。在预试验中布 风板两边由于向外扩展造成的内循环使得物科很容易堆积，为了校正由于结构上 带来的局部流化不均，在布风板两边布置2 6 衄的较小直径的孔，从而得到了 很好的流化均匀性。 为了防止试验中的物料损失过多，采用高效蜗壳入口旋风分离器，并提高了 入口风速。 2 1 2 测量系统 试验中可以获得的参数有：试验台总风管道进风流量、系统的压力分布和租 颗粒的相对浓度分布。 总风管道进风流量可以通过风速仪测量获得，该风速仪的电压信号和风速成 一一对应的关系。在进行试验之前对该仪器进行了校正试验，以确保试验结果的 准确 压力测量目的是为了获得整个炉膛的物料分布以及主要部件的阻力损失。压 力测量点布置位置见图2 - 2 。 。卜r面 r i 【l 。i u l i l i 。一i 。阻 一i。一r u 卜_ l 1 _ _ _ 一 r iu 慨 ， ii _- e雕延 卅 u 协 i _ 1 u 蛀恻 k u ， i 。l l 。一忑 厶1 t1uuu 每紫 图2 - 2 试验台系统压力测量点 一共布置了1 4 个u 形管压力计，其中u 形管压力计( 1 ) 测量布风板的阻力损 失。u 形管压力计( 2 x 3 x 4 ) 是密相区不同高度问的压力差，可知密相区的物料浓 度分布。u 形管压力计( 5 ) ( 6 x 7 ) 是稀相区不同高度间的压力差，可知稀相区的物 料浓度分布。u 形管压力计( 8 ) 是旋风分离器的阻力。u 形管压力计( 9 ) 是返料器 9 循环漉化床炉膛给煤扩散及燃烧份额 的压力差。u 形管压力计( 1 0 ) 是风室同一高度的压力差，u 形管压力计( 1 1 ) 是炉 膛上部同一高度的压力差，u 形管压力计( 1 2 ) 是炉膛出口同一高度的压力差。u 形管压力计( 1 3 ) 是测量炉膛顶部的绝对压力，炉膛顶部保证微负压。u 形管压力 计( 1 4 ) 是测量布风板和密相区的压力差，如果物料堵塞布风板上的测量点而会使 布风板和密相区压差测量读数不准，因而对风室和密相区之间的压差进行测量。 2 2 试验过程 z 2 1 试验物料 进行试验的物料包括循环细颗粒和示踪粗颗粒。在实际运行中，循环流化床 给煤和床内循环颗粒的粒径都小于1 0m i l l ，在二维循环流化床冷态试验中为易于 筛分示踪粒子而将这两种颗粒进行粒径分档。循环细颗粒的粒径小于1 4 0 0 蜘a ， 示踪租颗粒的粒径在2 0 - 4 0 衄之间，两种试验物料的粒径分析分别见图2 - 3 和图“ 一 筮 彘 l 皿 蜘 = b 雎 p ， | ， j j 一一 湖1 咖l 姗 床科柱径( p 由 一 丑 求 l m - i z t 01 0 柚伽 示踪颗粒拉径( p - ) 图2 - 3 试验循环床料的粒径分析圈2 - 4 给煤示踪颗粒的粒径分析 租颗粒是作为给煤的示踪粒子，循环流化床给煤约占循环物料的1 9 ， 本试验设计的粗颗粒重量占细循环颗粒的3 左右 2 2 2 试验过程 总共进行了1 1 次试验，其中前5 次为试验准备和预备试验，后6 次是正式 试验，分别完成了6 个试验工况。 我们在试验进行之前，先调试试验系统，进行预试验方案，为下一步正式试 验方案的确定和进行做铺垫。 试验步骤如下： ( 1 ) 称量出相应静止床料高度下的细颗粒河砂重量加入炉膛，带负荷启动床 体： ( 2 ) 调节总风机和引风机的阀门开度及总风管道阀门开度将布风板风速调 整到设定工况，待稳定后抄录主要测点压力读数； 1 0 阻m田册m 0 m o 第二章循环流化床给煤方式及扩散冷态试验 ( 3 ) 四个取样者协调好后取0 时刻的样本，然后将0 时刻样本放入0 号样品 瓶： ( 4 ) 将给煤示踪粒子粗颗粒河砂加入给煤料斗； ( 5 ) 协调好取样者、给料者和计时者之间配合后，给料者加入示踪粗颗粒， 同时计时者和给料者掐表记录给料起始时刻； ( 6 ) 计时者根据设计好的取样时间通知取样者取样，同时给料者记录加料总 时间； f 7 ) 连续进行1 2 个即时取样； ( 8 ) 最后一个结束的同时关闭风机； ( 9 ) 取样者整理清点样本瓶无误后，进行5 个排渣1 2 1 同时取样； ( 1 0 ) 对1 3 个即时取样样本进行筛分和称量工作； ( 1 1 ) 对5 个捧渣口样本进行筛分和称量工作 试验时间和主要内容见表二1 表2 - 1 二维冷态循环流化床给煤扩散试验 2 3 试验结果分析 2 3 1 试验现象 迸料口处物料流化时，气泡有点偏大，所以在开孔率一定的情况下，尽可能 地布置尽可能多而均匀的小孔，物料流化会更均匀。 由于突然停风取样工作量过大，试验仍然延续了即时取样方法，在最后一个 时刻即时取样和突然停风取样同时进行。观察突然停风取样时的物料分布，5 个 捧渣口的同步性是很好的 1 1 循环流化床炉膛给煤扩数及燃烧份额 2 3 2 试验数据分析 通过预备性试验我们确定了试验方法和试验重要参数，对试验方法和首次试 验进行结果分析后，我们设计的试验工况参数见表2 2 。 表2 - 2 设计的6 个试验工况参数 参数工况1 工况2工况3工况4工况5工况6 料层高度( m 0 4 0 04 0 04 0 0 4 0 0 4 0 03 0 0 粗颗粒重量蝴6 5 25 25 25 25 23 9 共计细颗j 童o 【g ) 2 0 02 0 02 0 02 0 02 0 01 5 0 布风板风速( m s ) 3 54 05 05 56 05 0 试验中给风流量参数经常波动，因而实际的6 个工况实际运行参数稍微有别 于表2 - 2 ，且由于原设计工况4 数据波动太大，该工况数据不做分析，进行分析 的5 个工况的具体运行参数见表2 - 3 。 表2 - 3 实际的5 个工况运行参数表 参数工况1工况2工况3工况4工况5 料层高度( m m a ) 4 0 0 4 0 04 0 04 0 03 0 0 粗颗粒重量( k g ) z e 殇 5 a5 a5 45 44 0 共计细颗艟强g ) 2 0 02 0 82 1 11 5 11 5 1 布风板风速( m ，s ) 3 4 1 4 2 64 7 9 5 4 0 4 9 1 图2 5 一参9 是5 个工况4 个位置在不同取样时间粗颗粒的相对浓度分布，5 个图中的共同点是；在如入粗颗粒时，粗颗粒的相对浓度最大；然后粗颗粒在炉 膛内进行扩散和掺混，渐渐均匀稳定 憧置 一哑 弋达 + 姐 d 旺 | 部7 诣、 f j v 7 孙 爨 0m哪 柚 细蛳 卸 蛳 图2 - 5 工况1 的4 个取样点粗颗粒相对浓度 一幔 l + b 雠 5 一曲重 d 目量 胜，、八、 厅。斗号箴 j 厂、 ，o v j a ， o脚撕柚 种 锄柚面 圈2 - 6 工况2 的4 个取样点褪颗粒相对浓度 懈嘶呻懈懈。 电v篓莨霉馨曩 蛐懈旧地吣帆惜 。 -，i)|蕈簧霉鼍尊 第二章循环澎化床绘煤方式及扩教冷态试验 八 沧众、厂 ，w 鹾飞哆二、 j l 牲 。+ 幔 i * 0 a i x j 咂 、 | | 一 飘。夕q 哦二 蟛“弋：楚乓；一_ + 龃 一b 娃 一0 雌 衄 om4 0 r 1 0m ：8 0 0mmm 嗍_-删 图2 - 7 工况3 的4 个取样点粗颗粒相对浓度图2 - 8 工况4 的4 个取样点粗颗粒相对浓度 一 量 0 目置 + 衄 蛆 l ，、0 l 、 联孓夕 一即时取样 4 - 静止取样 0o f5l1 52 歪离进瓣口位置 o 0 3 5 芒n0 3 i o 0 2 g 璐n0 2 和0 1 5 棼0 0 l 氛0 0 g 0 一 l + 即时取样 i 一静止取样 00 5l 1 52 距高速辩口位置甜 图2 - 1 0 工况2 即时取样和静止取样对比 图2 - 1 1 工况3 即时取样和静止取样对比 懈 懈 姗 瞄 蛐 | 耋 咖 懈 i，iv囊簧霉蕾i_鼻 r妒卜。 西 婵 饵矾，i)塾餐6霉i蔷 循环流化床炉膛给煤扩散及燃烧份额 0 0 3 5 之0 0 3 嚣o 0 2 5 鬻0 薹o 0 1 5 勰0 0 i 孙0 0 5 o ，。一 。 、v + 即时取样 一静止取样 o仉5l1 52 距离进料口位置 n 0 3 5 芒n 0 3 云o0 2 s 璐n 舵 蒌0 0 1 5 勰n 0 1 - o 0 0 5