65t/h高低差速循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性模擬*

劉洪鵬 賈春霞 肖劍波 秦 宏 王 擎

(1. 東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心；2. 華能應(yīng)城熱電有限責(zé)任公司)

65t/h高低差速循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性模擬*

劉洪鵬**1賈春霞1肖劍波2秦 宏1王 擎1

(1. 東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心；2. 華能應(yīng)城熱電有限責(zé)任公司)

基于商業(yè)計算流體力學(xué)軟件Fluent，采用非預(yù)混燃燒模型對一臺65t/h高低差速循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)燃燒特性進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，并對高、低速床內(nèi)溫度和組分分布進(jìn)行分析。通過溫度場和差速循環(huán)流化床特有的內(nèi)循環(huán)特性驗證所選模型的有效性，根據(jù)爐內(nèi)溫度、CO2濃度和O2濃度的分布分析差速循環(huán)流化床的燃燒特性。結(jié)果表明：高低差速循環(huán)流化床實現(xiàn)了不同粒徑顆粒的分床燃燒，大粒徑顆粒在高速床燃燒，小粒徑顆粒進(jìn)入低速床燃燒。燃料燃燒放出的熱量一部分由煙氣帶走，大部分由顆粒的內(nèi)循環(huán)過程被帶入左右低速床，使燃料繼續(xù)燃燒并傳遞給埋管受熱面，換熱后的物料通過回流孔回到高速床。

高低差速循環(huán)流化床 燃燒特性模擬 非預(yù)混燃燒模型

高低差速循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有污染物排放量低、燃料燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣及磨損小等優(yōu)點，作為一項高效、低成本的潔凈煤技術(shù)，被公認(rèn)為具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用空間。因此，詳細(xì)了解其爐內(nèi)燃燒規(guī)律，對大力發(fā)展高低差速循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有重要意義。

運用實驗方法對鍋爐特性進(jìn)行研究存在很多困難，實驗可得到的信息也相對較少，所以數(shù)值模擬成為研究爐內(nèi)流動和燃燒特性的重要方法。劉洪鵬等對循環(huán)流化床氣固兩相數(shù)值模擬的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析[1]。王擎等采用基于顆粒動力學(xué)理論的歐拉雙流體模型，對35t/h內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐爐膛的氣、固流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬[2]。馮志力等利用湍流模型和顆粒軌道模型對多級循環(huán)流態(tài)化焙燒裝置預(yù)熱段內(nèi)部的流場、溫度場和顆粒停留時間參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬[3]。徐振東和楊峻用計算流體動力學(xué)方法對高爐煤氣在燃燒爐內(nèi)的燃燒狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬[4]。胡婭君等運用Fluent6.3中的歐拉-歐拉模型模擬傳統(tǒng)流化床與鋸齒形波脈動進(jìn)氣流化床的運動特性，并進(jìn)行對比，針對沿床高的氣泡高度、當(dāng)量直徑及內(nèi)壓等因素進(jìn)行分析[5]。高云忠等以某裂解爐用燃燒器為例，運用CFD技術(shù)對爐內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了爐膛內(nèi)的燃燒流動和溫度分布，為燃燒器的研發(fā)和設(shè)計提供了依據(jù)[6]。陳翠柳等采用Fluent數(shù)值模擬軟件對立式火管式廢熱鍋爐內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行了分析計算，利用k-ε湍流模型、對流傳熱模型和離散相模型分別研究了換熱管內(nèi)的流場、溫度場和氣固耦合過程中的顆粒運動軌跡的變化情況[7]。

國外有德國濟(jì)根大學(xué)及加拿大新斯科舍工業(yè)大學(xué)，國內(nèi)有浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)及清華大學(xué)等對流化床燃燒模型進(jìn)行了研究[8]。德國濟(jì)根大學(xué)以Rajan R和Wen C Y建立的鼓泡床鍋爐模型為基礎(chǔ)，運用牛頓-拉普森數(shù)值算法來求解，得到了一個新的流化床模型[9]。浙江大學(xué)在熱力計算的基礎(chǔ)上對鍋爐啟動過程進(jìn)行了模擬和建模，開發(fā)出了CFB的總體模型[10]。哈工大熱工教研室以計算流體力學(xué)運動方程和能量方程為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適用于燃燒煤矸石的流化床燃燒模型。李政等在德國濟(jì)根大學(xué)的CFB模型的基礎(chǔ)上考慮燃料的寬篩分特性，提出通用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，此模型燃燒系統(tǒng)內(nèi)的守恒方程是以小室模型為基礎(chǔ)的[11]。

為了詳細(xì)了解65t/h高低差速循環(huán)流化床的爐膛燃燒特性，基于商業(yè)計算流體力學(xué)軟件Fluent，采用數(shù)值模擬的方法對一臺65t/h高低差速循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性進(jìn)行模擬，并對結(jié)果進(jìn)行深入分析。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

65t/h高低差速循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[12～14]。65t/h高低差速循環(huán)流化床三維計算模型與網(wǎng)格劃分如圖1、2所示。圖中，x方向為爐膛長度方向，y方向為爐膛高度方向，z方向為爐膛寬度方向。

圖1 三維計算模型

采用分區(qū)方法模擬對象并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即把爐膛分為高速床區(qū)域、埋管區(qū)域(低速床)、給料返料區(qū)域、二次風(fēng)區(qū)域、爐膛上部區(qū)域和爐膛出口區(qū)域。對每個區(qū)采用不同類型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。對于外形比較規(guī)則的爐膛上部區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于其他較不規(guī)則的區(qū)域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。整個模擬對象共劃分網(wǎng)格總數(shù)約為140萬。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 流化床燃燒模型

2.1計算設(shè)置

所模擬的65t/h高低差速循環(huán)流化床鍋爐以油頁巖為燃料，其工業(yè)分析、元素分析見表1，燃料特性如下：

密度 2 100kg/m3

比容 1 100J/(kg·K)

熱導(dǎo)率 0.5mW/(m·K)

揮發(fā)分析出溫度 600K

顆粒散射率 0.9

膨脹系數(shù) 2

表1 油頁巖的工業(yè)分析與元素分析

二次風(fēng)從前后墻對稱噴入，燃料從兩側(cè)墻的給料口給入。密相區(qū)敷設(shè)有耐火材料，數(shù)值計算過程設(shè)置為絕熱墻；稀相區(qū)水冷壁和埋管壁面均設(shè)置為定溫條件，溫度比汽包工作壓力下對應(yīng)的飽和溫度高30℃，即為559K。

壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，動量、湍動能、湍動耗散率和平均混合分?jǐn)?shù)均采用一階迎風(fēng)離散格式[15]。

燃燒數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型采用非預(yù)混燃燒模型[16]；氣固兩相間的湍流模型采用RNGk-ε模型；固相顆粒的軌跡場采用隨機(jī)顆粒軌道方法(DPM)；采用P1輻射模型來描述床內(nèi)的輻射換熱[17]；采用雙匹配速率模型對燃料揮發(fā)份的釋放進(jìn)行描述[18, 19]；對氣相的湍流燃燒采用了混合分率概率密度函模型[20]；對于焦炭的燃燒采用了運動/擴(kuò)散控制燃燒模型[21, 22]。

2.2模型驗證

將數(shù)值模擬得到的高、低速床溫度和爐膛出口溫度與運行數(shù)據(jù)對比，來驗證非預(yù)混燃燒的模型的可靠性，對比結(jié)果見表2。

表2 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

由表2可知，非預(yù)混燃燒模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測高低差速床高、低速床的溫度分布，但爐膛出口溫度的誤差較大，還需做進(jìn)一步完善。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1溫度分布

溫度場是燃燒模擬研究的關(guān)鍵因素之一。通過對爐內(nèi)溫度場的分析可以詳細(xì)了解爐內(nèi)的燃燒特性。圖3為沿爐膛不同高度處的溫度分布云圖。其中，圖3a為回流孔截面處(y=500mm)的溫度分布，此處溫度973～996K；圖3b為高低床中部位置截面處(y=1000mm)的溫度分布，此處溫度為1 073K左右?；亓骺孜恢锰帨囟容^低，可能的原因是此處距布風(fēng)裝置較近，在溫度較低的流化風(fēng)的影響下，導(dǎo)致此處溫度較床中部溫度低。圖3c、d為隔板墻上部位置截面(y=2740mm)和二次風(fēng)截面(y=3400mm)處的溫度分布。由圖可知，這兩個區(qū)域溫度較高，這是由于這一區(qū)域燃料濃度較高，并且此處的二次風(fēng)風(fēng)速較高，使得這一區(qū)域的傳熱和著火初期氧氣濃度也較高，故燃料能夠得到較充足的氧氣而燃燒。

圖3 沿爐膛不同高度處的溫度分布云圖

圖4為沿爐膛不同長度和不同寬度處的溫度分布云圖。其中圖4b、e為高速床中部截面處(x=850mm、z=2000mm)的溫度分布，可以看出，在高速床底部溫度有兩個低溫區(qū)域，原因是此處燃料濃度很高，而且此處氧氣濃度較低，導(dǎo)致燃燒不激烈，從而溫度較低；在這兩個區(qū)域上部，溫度較高，達(dá)到1 063K，原因是此處燃料濃度較高，且與高溫床料接觸之后，開始燃燒，溫度較高。其余各圖為左右低速床的中部截面的溫度分布，可以看出，低速床埋管區(qū)上部溫度較高，結(jié)合文獻(xiàn)[12]流動特性模擬結(jié)果，可以推斷出導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是來自高速床且?guī)в袩崃康男×筋w粒進(jìn)入到低速床，并在此處發(fā)生燃燒反應(yīng)，溫度較高；而埋管區(qū)域溫度較低，原因是從高速床帶入的熱量和燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過埋管傳遞給內(nèi)部的工質(zhì)，從而溫度較低。從圖中還可以看出，爐膛內(nèi)其余部分區(qū)域溫度水平較為均勻，總體隨著爐膛高度的增加而有所下降，原因是爐膛內(nèi)部四周布置了水冷壁，沿高度方向不斷吸收煙氣的熱量造成的；并且從圖中得知爐膛的中心溫度高而壁面溫度較低。值得注意的是，從圖4可以看出模擬結(jié)果，溫度與實際情況比較誤差較大，這和計算區(qū)域模型的簡化，軟件計算模型的選取有很大關(guān)系，但所預(yù)測的趨勢和實際是一致的。

圖4 沿爐膛不同深度和不同寬度處的溫度分布云圖

3.2組分分布

CO2和O2的質(zhì)量份額是反應(yīng)爐膛內(nèi)燃燒情況的重要參考依據(jù)，對這兩種組分的質(zhì)量份額做了計算，并對典型截面進(jìn)行了分析。

圖5、6為密相區(qū)中部截面處(y=1000mm)和二次風(fēng)截面處(y=3400mm)的O2和CO2的分布云圖。密相區(qū)充滿了灼熱的物料，是一個穩(wěn)定的著火熱源，也是一個儲熱庫，燃料由給煤口送入該區(qū)域，由一次風(fēng)將床料和送入的燃料流化，二次風(fēng)吹入爐膛助燃。

圖5 截面y=1000mm處O2和CO2的分布云圖

圖6 截面y=3400mm處O2和CO2的分布云圖

由圖5、6可以看出，密相區(qū)處高速床給煤點附近區(qū)域出現(xiàn)了O2濃度降低，同時CO2濃度增大的現(xiàn)象，原因是在此區(qū)域高溫床料將送入的燃料加熱，并在一次風(fēng)流化作用下發(fā)生燃燒反應(yīng)，從而導(dǎo)致了此處較高的CO2濃度和較低的O2濃度；另外，在二次風(fēng)截面處，靠近二次風(fēng)口處的O2濃度降低，同時CO2濃度增大，原因是在此區(qū)域由于二次風(fēng)的擾動使得此處燃料顆粒與空氣充分混合，并發(fā)生燃燒反應(yīng)。

圖7、8為沿爐膛不同深度和寬度截面處的O2和CO2質(zhì)量份額分布云圖。與上述分析相似，密相區(qū)發(fā)生燃燒反應(yīng)，同樣有O2濃度降低，同時CO2濃度增大的現(xiàn)象。

圖7 截面z=2000mm處O2和CO2的分布云圖

圖8 截面x=850mm處O2和CO2的分布云圖

此外，左右低速床也有類似現(xiàn)象，這充分說明高低差速循環(huán)流化床實現(xiàn)了分床燃燒，小粒徑顆粒進(jìn)入到低速床燃燒。從圖中還可以看出，在爐膛稀相區(qū)CO2濃度較大，而O2較低，這是因為隨著燃燒的推進(jìn)，在一次風(fēng)和二次風(fēng)的共同作用下，被輸送到稀相區(qū)的焦炭和一部分揮發(fā)份以富氧狀態(tài)燃燒，其燃燒反應(yīng)較其他區(qū)域迅速。

4 結(jié)論

4.1非預(yù)混燃燒模型能夠較好地預(yù)測高低差速循環(huán)流化床爐內(nèi)的燃燒特性，爐膛內(nèi)各部分溫度為973～1 103K，與實際相符合。

4.2密相區(qū)處高速床給煤點附近區(qū)域O2濃度降低，而同時CO2濃度增大；在二次風(fēng)截面處，靠近二次口處的O2濃度降低，同時CO2濃度增大。密相區(qū)發(fā)生燃燒反應(yīng)，O2濃度降低同時CO2濃度增大的現(xiàn)象；爐膛稀相區(qū)CO2濃度較大，而O2較低。

4.3高低差速循環(huán)流化床實現(xiàn)了分床燃燒，大粒徑顆粒在高速床燃燒，小粒徑顆粒進(jìn)入低速床燃燒。大粒徑顆粒燃燒放出的熱量使得高速床床料溫度較高，熱量一部分由煙氣帶走，大部分由小粒徑顆粒的內(nèi)循環(huán)過程被帶入左右低速床使燃料繼續(xù)燃燒并傳遞給埋管受熱面。完成換熱后的物料經(jīng)回流孔回到高速床。

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CFDSimulationofCombustionCharacteristicofa65t/hHigh-LowBedCFBBoiler

LIU Hong-peng1, JIA Chun-xia1, XIAO Jian-bo2, QIN Hong1, WANG Qing1

(1.MOEEngineeringResearchCentreofOilShaleComprehensiveUtilizationinCollegeofEnergyandPowerEngineering，NortheastDianliUniversity,Jilin132012，China;2.HuanengYingchengThermalPowerGenerationCo.,Ltd.,Yingcheng432406，China)

Basing on Fluent software and making use of non-premixed combustion model, the three-dimensional (3D) steady simulation of the combustion characteristic of a 65t/h high-low bed CFB boiler was implemented, including analysis of both temperature and component distribution within the high and low beds. Having the temperature field and the differential velocity fluidized bed’s internal circulation performance based to verify effectiveness of this selected model and the temperature, CO2concentration and O2concentration distribution based to analyze differential velocity fluidized bed’s combustion characteristics show that, the high-low bed CFB can make differently-sized particles combust in different beds, i.e. the large-size particles burn in high bed and the small-size ones burn in the low bed. The flue gas can take away part of the heat released and the small-size particles in the internal circulation process can bring most of the heat into both right and left low beds. Simultaneously, the heat exchange between the particle and immersed tubes continues and the particle returns back to the high bed through orifices.

high-low bed CFB, combustion characteristic simulation, non-premixed combustion model

*吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130522067JH)(2015020412SF)，吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(2015236)，吉林市科技發(fā)展計劃項目(201467005)。

**劉洪鵬，男，1981年8月生，講師。吉林省吉林市，132012。

TQ051.1

A

0254-6094(2016)03-0334-07

2015-05-12，

2016-05-13)