660 MW 超超臨界CFB鍋爐物料平衡模擬

陳陸劍，陶 欣，張 縵，高新宇，趙孔友，張守玉，楊海瑞，呂俊復(fù)

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093; 2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084; 3.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046; 4.陜西彬長新民塬發(fā)電有限公司，陜西 咸陽 713500)

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐有著燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、燃燒效率高、污染物排放低等特點(diǎn)，是當(dāng)今世界上商業(yè)化程度最好的潔凈煤利用技術(shù)之一[1]，中國作為世界上循環(huán)流化床機(jī)組數(shù)量最多，裝機(jī)容量最大的國家，中國的CFB鍋爐正朝著大容量、高參數(shù)、高效率、低污染排放的方向發(fā)展[2]。CFB鍋爐是一個(gè)“一進(jìn)二出”的開口體系物料平衡系統(tǒng)，其最基本特征是有一定數(shù)量的煤成灰、脫硫劑或者其他惰性床料在系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)，其中灰在床料中的比例在九成以上[3]。定態(tài)設(shè)計(jì)是CFB鍋爐的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，沿爐膛高度的物料密度分布是其關(guān)鍵[4]，而給煤的成灰特性會(huì)影響CFB鍋爐的物料平衡。床壓降對(duì)CFB鍋爐爐膛內(nèi)的物料密度分布，顆粒停留時(shí)間，燃燒效率等有著較大的影響，是影響CFB鍋爐整體性能的一個(gè)重要參數(shù)。傳統(tǒng)的CFB鍋爐一般采用高床壓運(yùn)行，需要維持較高的一、二次風(fēng)壓頭來保證爐內(nèi)的氣固流動(dòng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的耗能也較高，CFB鍋爐的廠用電率比同容量加FGD的煤粉爐高了1%～2%[5]，較高密度的顆粒密度也會(huì)沖刷水冷壁管束導(dǎo)致水冷壁磨損甚至爆管[6-7]。因此研究CFB鍋爐床壓降對(duì)爐內(nèi)物料平衡的影響對(duì)于電廠節(jié)能和指導(dǎo)CFB鍋爐實(shí)際安全運(yùn)行有著重要的意義。

李國勝等[8]根據(jù)CFB鍋爐爐內(nèi)氣固流動(dòng)特性，構(gòu)建了密相區(qū)上部區(qū)域的物料密度數(shù)學(xué)模型，但是該模型未考慮顆粒分層、粒徑分檔對(duì)物料密度的影響以及顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間情況。劉曉蕊[9]在一臺(tái)480 t/h的CFB鍋爐中進(jìn)行燃煤粒徑優(yōu)化研究，分析了低床壓下風(fēng)室壓力和飛灰、底渣含碳量之間的關(guān)系，未綜合其他影響因素分析床壓與物料平衡之間的關(guān)系。有學(xué)者[10-11]研究了135 MW CFB鍋爐床壓降對(duì)鍋爐運(yùn)行性能的影響，發(fā)現(xiàn)降低床壓降會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)的床存量下降，顆粒停留時(shí)間變短，過渡區(qū)和稀相區(qū)的顆粒密度也會(huì)出現(xiàn)下降。劉名碩等[12]在白馬600 MW超臨界CFB鍋爐上進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬研究，研究了負(fù)荷和二次風(fēng)分布對(duì)爐膛顆粒密度的影響。目前針對(duì)660 MW超超臨界CFB鍋爐的物料平衡研究，報(bào)道的文獻(xiàn)很少，而CFB鍋爐的物料平衡和鍋爐尺寸大小、布風(fēng)板設(shè)計(jì)、煤種成灰特性等因素密切相關(guān)，所以不能直接通過之前的研究規(guī)律直接外推660 MW超超臨界CFB鍋爐的物料平衡特性。

研究CFB鍋爐的數(shù)值模擬手段有很多種，其中CFD模擬方法使用廣泛，但是模擬實(shí)際鍋爐需要?jiǎng)澐执罅康木W(wǎng)格，計(jì)算周期長;CPFD模擬通過將相同性質(zhì)的顆粒打包計(jì)算，可以獲得顆粒的詳細(xì)信息，但是受限于顆粒計(jì)算量;小室模型可以較好地模擬爐膛內(nèi)的物料平衡，這已經(jīng)在實(shí)際鍋爐中進(jìn)行了模型驗(yàn)證[13-14]，且計(jì)算周期較短。筆者采用小室模型進(jìn)行模擬，研究對(duì)象是一臺(tái)正處于設(shè)計(jì)開發(fā)的660 MW超超臨界CFB鍋爐。

根據(jù)清華大學(xué)提出的定態(tài)設(shè)計(jì)理論[15]，降低床壓降對(duì)CFB鍋爐性能的影響是雙重性的，因此理論上存在一個(gè)最佳床壓降。采用清華大學(xué)提出的靜態(tài)燃燒加冷態(tài)振篩的方法[16]來獲得設(shè)計(jì)煤種的成灰磨耗特性，并且結(jié)合鍋爐有關(guān)幾何參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)，將這些參數(shù)作為一維小室模型的輸入?yún)?shù)，計(jì)算得到CFB鍋爐中的床壓降分布、物料密度分布、顆粒粒徑分布、顆粒停留時(shí)間等結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合求取該CFB鍋爐的優(yōu)化床壓降和給煤粒度分布。

1 一維小室模型計(jì)算

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為一臺(tái)660 MW 超超臨界CFB鍋爐，該鍋爐爐膛高度約為55 m，寬度約39.9 m，深度約12.6 m，出口蒸汽參數(shù)分別為605 ℃和623 ℃。鍋爐采用簡約M型布置，爐膛采用單爐膛單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，避免雙布風(fēng)板設(shè)計(jì)存在的翻床風(fēng)險(xiǎn)，爐后布置4個(gè)高效汽冷旋風(fēng)分離器，同時(shí)采用了4個(gè)具有靈活調(diào)節(jié)特性的中溫受熱面外置床換熱器，尾部則采用成熟的雙煙道擋板調(diào)節(jié)。

對(duì)于660 MW級(jí)別CFB鍋爐，由于爐膛截面增大，爐膛寬度接近40 m，為了保證爐內(nèi)燃燒均勻與流場(chǎng)均勻，該鍋爐采用布風(fēng)板均勻設(shè)計(jì)，從風(fēng)室后墻6點(diǎn)均勻布風(fēng)方式;煙風(fēng)系統(tǒng)、給煤、排渣、回料等都采用均勻布置的方式，煤泥通過煤泥槍從爐膛中部密相區(qū)給入;4個(gè)中溫受熱面外置床可實(shí)現(xiàn)沿爐膛寬度方向調(diào)節(jié)并減小床溫偏差。該爐型具有結(jié)構(gòu)簡潔、運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活、技術(shù)成熟可靠、污染物排放低、高效低能耗等優(yōu)點(diǎn)。

給煤的工業(yè)分析與元素分析見表1，該鍋爐的設(shè)計(jì)煤種為矸石、粉煤與煤泥3種的混煤，各種煤樣的設(shè)計(jì)比例分別為20∶25∶55。設(shè)計(jì)煤種中矸石的灰分含量很高，熱值又很低，煤種的爆裂性能也較差，因此需要配合熱值較高的粉煤與煤泥，保證爐內(nèi)的細(xì)顆?；业拇媪?，同時(shí)使燃料可以在爐內(nèi)進(jìn)行充分地燃燒。表2列出的是3種設(shè)計(jì)煤種的原始粒徑分布。本模擬主要采用了2種不同的混煤給煤粒徑，具體粒度分布如圖1所示，其中粒徑分布1較粗，經(jīng)過粒徑優(yōu)化之后的粒徑分布2相對(duì)較細(xì)。

表1 3種煤樣的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate analysis,ultimate analysis and heat value of three coal samples

表2 3種煤樣的原始粒徑分布Table 2 Original particle size distribution of three coal samples %

圖1 混煤粒徑分布Fig.1 Blended coal size distribution

1.2 一維小室灰平衡

以660 MW超超臨界CFB鍋爐為計(jì)算對(duì)象，通過對(duì)實(shí)際鍋爐進(jìn)行簡化，只保留爐膛、旋風(fēng)分離器以及返料閥等主要結(jié)構(gòu)，沿著爐膛高度方向?qū)t膛劃分為若干個(gè)小室，詳細(xì)方法可以參考文獻(xiàn)[17]。筆者采用Fortran語言編寫的小室模型，使用的是微軟公司的Visual Studio 2012軟件，圖2是模型程序流程圖，圖3是小室內(nèi)的灰平衡示意圖。

式(1)列出了小室內(nèi)的平衡方程[13]，對(duì)于(i,j,k)檔的灰和石灰顆粒需滿足的平衡方程為

Wdrain,i,j,k+Wup,i+1,j,k+Wdown,i-1,j,k-Wup,i,j,k-

(1)

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

圖3 小室內(nèi)的灰平衡Fig.3 Coal ash balance in a small cell

1.3 分層模型

在流化床中，顆粒主要受到自身重力和氣體曳力的共同作用，因此顆粒存在上行和下行兩種運(yùn)動(dòng)模式，不同粒徑的顆粒在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)不斷混合。由于不同粒徑、形狀和密度的顆粒所受到的重力和曳力大小不完全相同，所以顆粒的運(yùn)動(dòng)行為也存在差異，而這種宏觀上的差異就會(huì)導(dǎo)致顆粒分層現(xiàn)象的發(fā)生。在一定的流化風(fēng)速下，顆粒的混合與分層最終會(huì)達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡。已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)CFB鍋爐內(nèi)的顆粒分層現(xiàn)象進(jìn)行了研究[19-23]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致認(rèn)為，在CFB鍋爐中存在明顯的分層現(xiàn)象，分層的程度和循環(huán)流率以及流化風(fēng)速有關(guān)。關(guān)于CFB內(nèi)分層現(xiàn)象的模型研究，已經(jīng)有很多學(xué)者[24-28]做了大量的工作，本文采用姚宣[29]優(yōu)化后的模型，即在一維小室模型的基礎(chǔ)上，采用顆粒終端沉降速度為特征參數(shù)，引入分層系數(shù)ξ來描述分層強(qiáng)度，而且通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出該模型具有較好的適用性。

假設(shè)小室內(nèi)平均顆粒粒徑對(duì)應(yīng)的終端沉降速度為Ut，此時(shí)對(duì)應(yīng)的分層系數(shù)ξ=1.0;小于平均粒徑的顆粒對(duì)應(yīng)的ξ1.0，代表該粒徑顆粒具有較強(qiáng)的向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì);而大于平均粒徑的顆粒對(duì)應(yīng)的ξ1.0，代表該種顆粒具有更強(qiáng)的向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

式(2)是表示考慮顆粒分層以后，小室內(nèi)的上升流率:

(2)

1.4 磨耗與退檔

顆粒在流化床內(nèi)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不僅僅有顆粒與顆粒之間的摩擦碰撞，還有顆粒與壁面之間的碰撞摩擦，灰顆粒的尖角邊緣會(huì)在這個(gè)過程中掉落，這個(gè)現(xiàn)象被稱為顆粒的磨耗[30]。通常認(rèn)為灰顆粒在經(jīng)歷磨耗之后會(huì)變成一個(gè)較大的母體灰顆粒以及一些微小的灰顆粒，由于原始灰顆粒自身的粒徑出現(xiàn)減少，一部分母體灰顆粒會(huì)掉落到下一粒徑檔，這個(gè)過程被稱為退檔[18]。如圖4所示，橫向表示顆粒經(jīng)歷了磨耗過程，并且完成了退檔，磨耗生成的超細(xì)顆粒直接歸入最小檔位?？v向表示隨著停留時(shí)間的增加，顆粒逐漸衰變到下一年齡檔。

圖4 灰顆粒磨耗退檔示意Fig.4 Diagram of ash particle attrition and size reduction

1.5 計(jì)算條件

本模型的計(jì)算條件見表3，4。

表3 鍋爐參數(shù)Table 3 Boiler parameters

表4 計(jì)算工況Table 4 Calculation conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 成灰磨耗結(jié)果

煤種的本征成灰特性是一維小室模型的重要輸入?yún)?shù)之一，矸石、粉煤與煤泥的本征成灰特性結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，不同粒徑檔位的矸石生成的不同粒徑灰樣的比例各不相同，0～0.3 mm 粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細(xì)顆粒(<0.03 mm)最多，大約有18%，其他粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細(xì)顆粒相對(duì)較少。經(jīng)過計(jì)算可知，原始矸石煤樣燃燒后顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較大的比例，大約為14%，而這部分粒徑的灰樣有利于構(gòu)成外部物料循環(huán)。

由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，各粒徑檔粉煤生成的細(xì)顆粒(<0.03 mm)都比較多，其中0～0.3 mm 粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細(xì)顆粒最多，大約有61%。經(jīng)過計(jì)算可知，顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較大的比例大約為16%，而這部分粒徑的灰樣有利于構(gòu)成外部物料循環(huán)。

由圖5(c)可以看出，原始煤泥的粒徑比較細(xì)，顆粒粒徑都在0.3 mm以下，煤泥燃燒后生成的細(xì)顆粒(<0.03 mm)比例很高，達(dá)71%。經(jīng)過計(jì)算可知，顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較低，只有7%，而這部分粒徑的灰樣有利于構(gòu)成外部物料循環(huán)。

2.2 模型計(jì)算結(jié)果與討論

設(shè)計(jì)摻混比矸石∶粉煤∶煤泥為20∶25∶55，折算灰分為30.86%，灰渣量為0.098 kg/(m2·s)。當(dāng)過量空氣系數(shù)取1.21，爐膛平均溫度選取880 ℃。此時(shí)爐內(nèi)平均流化風(fēng)速為5.2 m/s。

取爐膛床壓降為7 000 Pa時(shí)，經(jīng)計(jì)算飛灰份額大約為33.7%，循環(huán)流率為8.52 kg/(m2·s)，此時(shí)成灰特性可以滿足CFB鍋爐的物料平衡要求[15]，沿爐膛高度顆粒密度如圖6所示。爐膛內(nèi)平均顆粒粒度為232 μm，排渣粒度為277 μm，飛灰平均粒度為29.8 μm，如圖7所示。

圖6 床壓降和顆粒密度沿爐膛高度分布Fig.6 Distributions of bed pressure and solid density along the height of the furnace

圖7 飛灰、循環(huán)灰、底渣、爐內(nèi)床料、煤成灰與給煤顆粒粒徑分布Fig.7 Particle size distributions of fly ash,circulating ash,bottom slag,coal ash and feeding coal

2.3 不同床壓降下對(duì)物料平衡的影響

不同床壓降對(duì)物料平衡顆粒停留時(shí)間和循環(huán)流率的影響分別如圖8，9所示。由圖8中可以看出，增大床壓降對(duì)于灰顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間的延長是有利的，當(dāng)床壓降為7 000 Pa，各個(gè)粒徑的灰顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間都要高于床壓降為6 000 Pa和5 000 Pa時(shí)的情況，而且還發(fā)現(xiàn)，床壓降對(duì)于粒徑在0.125～3.200 mm的灰顆粒停留時(shí)間的影響比較大，對(duì)于<0.125 mm和>6 mm灰顆粒的停留時(shí)間影響較小。

圖8 不同床壓降下顆粒粒徑與停留時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Effect of particle sizes on residence time at different bed pressures

不同床壓降下顆粒密度沿爐膛高度分布的結(jié)果如圖9所示。通過模型計(jì)算可知，當(dāng)床壓降為7 000 Pa時(shí)，爐膛上部的顆粒密度在2.75 kg/m3左右，而當(dāng)床壓降在5 000 Pa時(shí)，這一數(shù)值大概在2.68 kg/m3，雖然前者的顆粒密度高于后者，但是只高了2.6%，可見此時(shí)床壓降對(duì)于爐膛上部的顆粒密度的影響較小。

圖9 不同床壓降下顆粒密度的分布Fig.9 Particle concentration distribution at different bed pressures

通過計(jì)算可以得到在床壓降為7 000，6 000，5 000 Pa情況下的循環(huán)流率分別為8.52，8.35，8.17 kg/(m2·s)，均滿足CFB爐內(nèi)物料平衡的需要。

2.4 不同給煤粒徑分布對(duì)物料平衡的影響

圖10給出了在床壓降同為5 000 Pa時(shí)，不同粒徑分布對(duì)應(yīng)的顆粒停留時(shí)間分布情況，可以看出粒徑分布1和粒徑分布2兩個(gè)情況下顆粒的停留時(shí)間相差不大。在粒徑分布2下，大顆粒的停留時(shí)間仍有4 000 s左右，可以確保大顆粒在爐內(nèi)的充分燃盡。

圖10 不同給煤粒徑分布下顆粒的停留時(shí)間分布Fig.10 Particle residence time distributions at different feeding coal sizes

圖11 優(yōu)化粒徑前后顆粒密度的分布Fig.11 Particle concentration distributions at different particle size distributions

觀察圖11中局部放大區(qū)域，可以看出處于粒徑分布2，床壓降為5 000 Pa時(shí)爐膛上部的顆粒密度高于粒徑分布1，床壓降為7 000 Pa時(shí)候的顆粒密度。而且由模型計(jì)算可知，前者的顆粒密度為3.01 kg/m3，比后者的2.74 kg/m3高了9.9%。也就是說，在經(jīng)過粒徑優(yōu)化以后，即使在較低的5 000 Pa床壓降下，爐膛的上部顆粒密度反而增加，優(yōu)于床壓降7 000 Pa且未優(yōu)化粒徑時(shí)的結(jié)果。通過計(jì)算也可以得到粒徑分布2，床壓降5 000 Pa情況下的循環(huán)流率大小是9.30 kg/(m2·s)，也高于未優(yōu)化粒徑床壓降7 000 Pa時(shí)的8.52 kg/(m2·s)。而降低CFB鍋爐運(yùn)行時(shí)候的床壓降，意味著可以降低風(fēng)機(jī)的電耗，實(shí)現(xiàn)電廠節(jié)能的目的。

綜合上述分析，優(yōu)化燃料顆粒粒徑以后，可以在5 000 Pa床壓降下滿足CFB鍋爐物料平衡的需要，且循環(huán)流率和爐膛上部顆粒密度的表現(xiàn)優(yōu)于未優(yōu)化燃料粒徑的其他床壓降下的情況，綜合考慮已經(jīng)投運(yùn)的白馬600 MW 超臨界機(jī)組及眾多的350 MW超臨界機(jī)組的床壓運(yùn)行情況，本文預(yù)測(cè)的5 000 Pa應(yīng)該是該660 MW 超超臨界CFB鍋爐的較優(yōu)化及安全的床壓降選擇。

3 結(jié) 論

(1)矸石、粉煤和煤泥有著不同的成灰特性，原始煤泥燃燒后生成的灰中小于0.03 mm的比例是3者中最高的，高達(dá)71%;原始粉煤燃燒后生成的灰中循環(huán)灰粒徑檔的灰的比例是3者中最高的。3種煤混合可以達(dá)到較好的燃燒效果，同時(shí)滿足物料循環(huán)的要求。

(2)不同的床壓降對(duì)中間粒徑檔顆粒(0.125～3.200 mm)的停留時(shí)間影響較大，對(duì)小粒徑檔和大粒徑檔顆粒停留時(shí)間的影響較小;不同的床壓降對(duì)爐膛上部的顆粒密度的影響也很有限，3種床壓降情況下的循環(huán)流率值都滿足CFB鍋爐內(nèi)的物料平衡要求。

(3)在5 000 Pa床壓降下，不同的給煤粒徑分布對(duì)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間影響較小，且大粒徑顆粒都可以滿足燃盡的需要。優(yōu)化粒徑以后在5 000 Pa的床壓降下就可以使?fàn)t膛上部的顆粒密度達(dá)到較高的3.01 kg/m3，循環(huán)流率達(dá)到9.30 kg/(m2·s)，這兩項(xiàng)都要好于未優(yōu)化粒徑，7 000 Pa床壓降下的表現(xiàn)。所以本文得出5 000 Pa是該660 MW 超超臨界CFB鍋爐在設(shè)計(jì)摻燒比例條件下的優(yōu)化床壓降。