基于CFB的供熱循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

創(chuàng)新者：趙永臣

基于CFB的供熱循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

創(chuàng)新者：趙永臣

本文以鍋爐燃燒特點為基礎(chǔ)，分析燃料的燃燒過程，總結(jié)影響燃料顆粒的問題，如點火方面等等，同時對旋風(fēng)分離器進(jìn)行模擬優(yōu)化，以Gambit軟件構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分劃、模擬分器速度場等，導(dǎo)入Fluent軟件對數(shù)值進(jìn)行計算。根據(jù)模擬分析的結(jié)論提出供熱循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，以達(dá)到保證鍋爐運行效率和燃燒污染物排放最優(yōu)的目的。

CFB為循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，它是在最近十年發(fā)展的新能源和低污染的清潔燃燒技術(shù)，在國外，CFB鍋爐已在電廠得到廣泛應(yīng)用，并逐漸向幾十萬千瓦級別大型CFB鍋爐發(fā)展；國內(nèi)開發(fā)和應(yīng)用也是方興未艾。與原來的煤粉、層燃鍋爐比較，CFB燃燒率可高達(dá)百分之九十五以上，且負(fù)荷適應(yīng)力也非常強(qiáng)，就算在百分三十左右下的負(fù)荷環(huán)境中也可正常、穩(wěn)定燃燒，同時，CFB還具有節(jié)省換熱面積、成本低等特點，當(dāng)前很多的制造商、科研機(jī)構(gòu)，都將眼光放在了CFB的開發(fā)、研究中，也取得了一定的成績。

但是，因為技術(shù)方面的原因，當(dāng)前無論是在國外還是國內(nèi)，都沒公開可真正用在工程運用的CFB設(shè)計的方法。目前的設(shè)計思想、方法等是以鼓泡床概念為基礎(chǔ)，在流化床鍋爐設(shè)計中經(jīng)驗所占的位置非常重要。因為對流化床鍋爐燃燒機(jī)理的認(rèn)識不，設(shè)計人員一般是依照已有的循環(huán)流化床鍋爐運行情況，一步一步積累各種參數(shù)，為運行、設(shè)計提供相應(yīng)參考。只是當(dāng)前正在運行的CFB在實際工作仍存在很多問題，例如燃燒率不足、過快的磨損、鍋爐出力不足等等。因此在機(jī)理研究上許多問題還處在摸索的階段，一直到現(xiàn)在為止，CFB仍未完善熱力的計算方法，當(dāng)前試驗性研究、理論等都仍無法滿足工程設(shè)計的需求。本文以實際供熱工程項目為依據(jù)，通過CFB仿真實驗，提出供熱循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

燃料顆粒度的分析

CFB燃燒特點是篩選粒子在適當(dāng)?shù)臍饬鞯淖饔孟?，燃燒在床上滾動，與煤粉、層燃鍋爐燃燒方法不同，屬于沸騰燃燒。通過實踐分析，沸騰流化床運行控制煤粒度、點火啟動和運行的水墻可以造成很大的影響。

點火啟動的影響

CFB的點火過程是鍋爐進(jìn)行加熱的前提條件，從開始加熱起，一直到煤體完全燃燒是一個動態(tài)的過程，這個過程是否會成功和粒度的流化床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、空氣分布等許多因素有關(guān)。點火操作是非常重要的，不僅在床基和熱投煤的溫度，而且還把煤焦化和爆燃過程中進(jìn)行相應(yīng)的控制，在控制的基礎(chǔ)上一步一步進(jìn)入到正常的燃燒值范圍內(nèi)。

表1　顆粒的尺寸及煤粒加熱到著火溫度所用時間分析

計算包括如下內(nèi)容：煤粒比重、床內(nèi)溫度、黑度、導(dǎo)熱系數(shù)、煤粒比熱，其條件為γ=2 000 kg/m3、床內(nèi)溫度900 ℃、α=1、λ=0.67 kJ/（mh℃）、c= 1.306 kJ/（kg ℃）。

通過粒度分析，在燃燒的過程中，低溫階段啟動前一定要保證有足夠的點火煤粉，同時煤粉在燃燒時要注意風(fēng)量的控制，并確保點火時床料的流化情況，更要注意在一定程度上避免煤粉自身所產(chǎn)生的熱量不會被更多的風(fēng)所帶去。此外，在細(xì)煤粉受熱之后，溫度快速上升，對于著火是非常有利的，可以火溫度縮短加熱時間，同時，減少熱空氣的損失，那么好控制爐的煤顆粒大小，可以在一定程度上降低燃料的使用，同時還可減少能源耗損。

點火的時候如果底料太少，會導(dǎo)致非均勻床層物料流化，并導(dǎo)致點火時的床面溫度不均勻，造成點火困難，甚至可能煉焦和超溫條件；床層物料如果過高，可以讓基地慢慢加熱，增加床阻力，供給和增加引風(fēng)機(jī)能耗影響經(jīng)濟(jì)的運行。因此，在點火時靜態(tài)的高度非常重要，一般保持在350～400 mm即可，只有這樣才可讓鍋爐的點火順利進(jìn)行。

在初次點火時，其風(fēng)濕、底料溫度均不同，一樣尺寸的顆粒如果要達(dá)到沸騰的狀態(tài)時，其所需要的風(fēng)量要比熱態(tài)的運動要大得多且風(fēng)量要求比較小，這樣操作的目的在于減少熱風(fēng)損失，只有解決此問題后才可更好掌握設(shè)備的基本運行。

對鍋爐運行、燃燒效率的影響

CFB在運行睦其基本要求就要讓床料所沸騰的時常正常，其床溫也能保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。因此在進(jìn)入到鍋爐內(nèi)，煤的顆粒度要有保證，如果在運動中有大火煤塊進(jìn)入流化床則會沉積，并在沉積處理形成一定的滯留區(qū)，從而對正常的液化狀態(tài)造成破壞，也會讓爐內(nèi)的溫度聲不均勻，導(dǎo)致床溫過低、過高最后形成結(jié)焦而被迫讓鍋爐停止工作。

因此，CFB安全運行要有非常優(yōu)秀的篩選、破碎系統(tǒng)，這樣是為了可以保證煤顆粒在進(jìn)入至流化床時其顆粒大小的合格度（合格標(biāo)準(zhǔn)在0～13 mm之間），如果煤顆粒無法保證在這一合格度間則會產(chǎn)生顆粒逃逸的情況，從而讓風(fēng)量大大減少，這樣則會極大影響大煤粒沸騰。為了能處理好大型煤粒子，流化風(fēng)量需要增加，也會增加小煤粒的失控，使鍋爐損失更大；同時，風(fēng)量調(diào)整構(gòu)成比例保持床溫度和煤。從好煤顆粒破碎，粒子的不平等程度來看，風(fēng)煤是相對容易掌握的，也更容易轉(zhuǎn)移到床溫度、和效率高。過度的顆粒太大、太小會導(dǎo)致困難的操作，但也會使損失的爐循環(huán)流化床粉煤灰火山灰熱損失增加，鍋爐熱效率降低。除了大粒度增加顆粒流化風(fēng)量，導(dǎo)致小顆粒未能燃燒煤和飛出爐膛，旋風(fēng)分離器在床上更低的回報二次燃燒，造成高溫返回溫度太高和煉焦，很大程度上影響鍋爐的正常運行。

對設(shè)備的磨損

設(shè)備的磨損原因在于沸騰床空部分的氣流速度加快等。此值是和煤顆粒大小、填料密度等元素有著密切的聯(lián)系。

表2　不同粒徑在不同溫度下最小流化速度（單位：m/s）

從表2可以看出在床溫在一定恒定的溫度情況下，床料平均直徑、流化最小流化風(fēng)量會不斷增加，并在一定壓力下其料的阻力也會增加，造成流化狀態(tài)朝著不良方向發(fā)展從而增加了布風(fēng)板風(fēng)貌磨損，且飛灰損失和最小流化風(fēng)量呈正向的關(guān)系，水冷受熱面磨損且風(fēng)速增加是呈現(xiàn)加倍正比關(guān)系，這些都會造成鍋爐使用壽命的減少。

綜上，直接影響CFB的因素是燃料顆粒度大小。

實例分析

內(nèi)蒙古根河集中供熱工程一共有三臺10 t/h的CFB，屬于低倍率循環(huán)液化床的鍋爐，此鍋爐對于煤粒度的要求如下：

平均粒徑=1～4 mm、最大粒徑=13 mm（由于粒徑小于0.5 mm，其效率至少會減少15％，因此要保證其最佳粒徑）。

在開始投運前的三個月內(nèi)，最長的運行時間不能超過半個月，在最開始運行的時候，床溫的最高與高低點的溫度不能超過10 ℃，為保證其運行的穩(wěn)定性，平均床溫一定要保證在880 ℃左右。

但在后期，出現(xiàn)了床溫溫差大的問題，無法保證設(shè)備正常運行，最后檢查發(fā)現(xiàn)，是因為在床體上存在大量大于13 mm的煤塊，最大的甚至達(dá)到了40 mm，在靜態(tài)高度不均區(qū)域有結(jié)焦死區(qū)存在。

通過分析發(fā)現(xiàn)，初始點爐基礎(chǔ)通過篩選，確保合格的床層物料不到8mm和靜態(tài)平均高度，所以在運行穩(wěn)定和床溫度是正常的。但在經(jīng)過多次不合格的煤顆粒流入室爐膛的情況，更糟的是煤不能及時排出，這些大顆粒在床上的身體形成了保留區(qū)域，破壞了正常的沸騰燃燒，最后造成爐出現(xiàn)異常。

所以優(yōu)化煤炭系統(tǒng)一定要及時，主要是為了優(yōu)化煤炭顆粒破碎和篩選系統(tǒng)，以確保符合要求的流態(tài)化燃燒爐煤粒度。通過優(yōu)化鍋爐運行更加順暢，且運行時長也由半個月提升到了兩個月以上。

總結(jié)

CFB雖在煤種上適應(yīng)性比較廣，對燃料顆粒度嚴(yán)格，但也是有一定制約性。所以增加破碎、篩選系統(tǒng)是非常必要的。這在一定程度上雖會增加一次性投資，卻也能產(chǎn)生比較大的綜合效益，并為CFB的穩(wěn)定、安全運行打下良好的基礎(chǔ)。

旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬x

旋風(fēng)分離器模型建立

對于旋風(fēng)分離器來說，一般是由四個部分構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，包括圓柱形主筒體、矩形流體進(jìn)口、小圓筒形出氣口、錐形灰斗。因為此設(shè)備只要朝氣口的速度一樣，那么不管尺寸的大小如何，其壓力損失都是一樣的，而且所分離的灰塵顆粒臨界粒徑以及進(jìn)氣口矩形截面寬度、筒體主體直徑是呈正相關(guān)關(guān)系的。

在此選用化工原理中的基礎(chǔ)旋風(fēng)分離器操作參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計、計算，當(dāng)溫度保持在20℃左右時，壓力=0.10MPa，流量=2.5m3/s，塵粒密度=2500kg/m3；

當(dāng)最大允許壓力損失在2.0kPa時，m1、m2、m3、m4分別為1/5、3/5、2、1/2，其解如下：L=1.12m，H=2.24m，b=0.224m，h=0.67m，d=0.56m。

旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分

為了不讓整體所分劃的網(wǎng)格數(shù)過大，需要將旋風(fēng)分離器的整體分成為幾部分，并且對此進(jìn)行依次性的劃分。在劃分后，所得到的網(wǎng)絡(luò)化圖形如圖2所示。

旋風(fēng)分離器數(shù)值仿真結(jié)果分析

（1）旋風(fēng)分離器的壓力場分析

在Fluent軟件中導(dǎo)入Gambit所劃分好的網(wǎng)格，并且設(shè)定好邊界條件的模型，對基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、迭代，確認(rèn)達(dá)到收斂后得出旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓力場分布圖如圖3所示。

從圖中可以看出，在同一高度的情況下，其壓力大小是由“面-中心”一步一步減少的，但都是沿著軸對稱進(jìn)行分布、靜壓沿著筒壁變化不會太大，但是在進(jìn)氣口、筒壁的連接處其壓力是有一定的波動，與進(jìn)氣口位于同一個平面的旋風(fēng)分離器的筒體中心，因為有漩渦在，還會出現(xiàn)一定的負(fù)壓。

圖1　旋風(fēng)分離器模型

圖2　旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分

圖3　旋風(fēng)分離器的壓力場

圖4　旋風(fēng)分離器速度場

（2）旋風(fēng)分離器的速度場分析

經(jīng)調(diào)制計算之后，速度分布圖如圖4所示。

從圖4可看出，由進(jìn)氣口進(jìn)入到旋風(fēng)分離器時，有一個速度遞增過程，通過一定的旋轉(zhuǎn)之后其速度往中心一步一步減少，在出灰口中心、出氣口中心、靠近出氣口壁面的地方，速度=0，與進(jìn)氣口軸對稱處其速度并不是呈現(xiàn)軸對稱分布的，在進(jìn)氣口下方處，兩邊速度分布基本是一樣的，但呈不完全軸對稱分布。

（3）塵粒運動軌跡分析

塵粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器后其軌跡變化曲線如圖5所示。

由塵粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器之后，通過軌跡變化曲線可知，在靠近外壁處，其塵粒會沿著容器壁，以螺旋運動沉降。從進(jìn)氣口進(jìn)入同時與出氣口接近的粒子很容易被沿著出氣口流出的氣體所帶走。

圖5　旋風(fēng)分離器塵粒運動軌跡

總結(jié)

（1）從仿真的結(jié)果可以看出，一般來說壓力場、速度場的分布與分離器規(guī)律可分成兩個流動區(qū)域，即內(nèi)部、外部，分界而一般分成了排氣管壁面向下延長線、內(nèi)部區(qū)域中靜壓沿著軸中線的方向進(jìn)行變化。變化梯度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部的區(qū)域，而內(nèi)部區(qū)域中切向速度沿徑向的變化梯度比外部區(qū)域中的要大得多，其Rankine渦結(jié)構(gòu)中受迫渦和自由渦的分界面也大致為內(nèi)、外區(qū)域的分界面；徑向速度方向在外部區(qū)向下、內(nèi)部區(qū)向上；徑向速度在不同區(qū)域分成向心與背心流動。

排氣管、排塵口居中布置并非最好解決方式壓力場、速度場的方式。

（2）從粒子軌跡仿真可以看到其粒子導(dǎo)入部分，因為進(jìn)入分離器的位置不同，其分離的效率也有極大區(qū)別。設(shè)備內(nèi)顆粒運動是非常復(fù)雜的同時也會受到一定程度的影響，構(gòu)建起標(biāo)準(zhǔn)、精致的運動模型是不易的。

（3）當(dāng)顆粒進(jìn)入到分離器之后，在進(jìn)口的截面處其位置對于分離效果來說，會造成一定的影響，而這樣也為分離器的優(yōu)化提供了參考。

結(jié)語

本文分析了燃料顆粒度大小對循環(huán)流化床鍋爐運行、點火、磨損方面的影響，因此增加煤的破碎和篩選系統(tǒng)是必要的；適當(dāng)?shù)姆蛛x器入口位置及排塵口位置對分離效果有很大影響，可以達(dá)到保證鍋爐運行效率和燃燒污染物排放最優(yōu)的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.033