循環(huán)流化床鍋爐數(shù)值模擬研究進展*

李東雄 韓豪杰 王 菁 楊鳳玲

(1.山西大學(xué)動力工程系，030013 太原；2.山西大學(xué)國家環(huán)境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點實驗室，低附加煤基資源高值利用協(xié)同創(chuàng)新中心，030006 太原)

0 引 言

距1979年第一臺由Ahlstrom公司設(shè)計的循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐在芬蘭投產(chǎn)已經(jīng)過去了40多年[1-3]。在這40年里，CFB鍋爐依托其良好的燃燒效率、較強的燃料適應(yīng)能力以及較低的污染物排放性能在工程應(yīng)用中不斷發(fā)展改進，現(xiàn)在已經(jīng)成為清潔燃燒的核心技術(shù)之一[4-7]。CFB鍋爐的正確設(shè)計和改進一般要經(jīng)歷實驗室試驗、中試試驗、商業(yè)運行三個階段，試驗方法通常費時費錢，特別是對于大規(guī)模的設(shè)備系統(tǒng)，而且有些研究對象例如爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)、爐內(nèi)燃燒過程等很難通過試驗的方式進行研究[8]。數(shù)值模擬研究方法誕生不到20年，彌補了CFB鍋爐研究中傳統(tǒng)試驗方法的不足，為CFB鍋爐的升級改造、燃燒優(yōu)化做出了巨大貢獻。隨著現(xiàn)代模擬工具能力的提高和建模方法的改進，數(shù)值模擬研究方法有效彌補了試驗的不足而且節(jié)省了大量科研成本，正在成為一種流行的工具[9]。本文就CFB鍋爐的氣固流動特性、爐內(nèi)燃燒及污染物排放特性以及鍋爐運行條件對鍋爐流動及燃燒的影響等冷態(tài)和熱態(tài)數(shù)值模擬研究進行了總結(jié)和分析，重點介紹了熱態(tài)數(shù)值模擬應(yīng)用于大型循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)燃燒部分的研究進展。

1 CFB鍋爐數(shù)值模擬研究方法介紹

針對CFB鍋爐的數(shù)值模擬研究方法主要有計算流體力學(xué)(CFD)和計算顆粒流體力學(xué)(CPFD)兩種，主流計算軟件分別為Fluent和Barracuda。CFB鍋爐爐內(nèi)流動是典型性的氣固兩相流動，F(xiàn)luent軟件中主要有歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法兩種主要的氣固兩相流模擬方法。歐拉-拉格朗日方法將氣體看作連續(xù)相，將顆粒相看作離散相，需要耦合計算才能求解連續(xù)相問題，歐拉-歐拉方法則把氣體和顆粒相均視為流體，是對兩相流問題的簡化，在循環(huán)流化床數(shù)值模擬中又叫雙流體(two fluid model，TFM)方法。國內(nèi)外研究者利用Fluent軟件研究了CFB鍋爐氣固流動、傳熱、燃燒和污染物生成，為CFB鍋爐的流動和燃燒機理奠定了基礎(chǔ)，為鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和燃燒調(diào)整優(yōu)化提供指導(dǎo)[10]。Barracuda軟件基于CPFD方法，其本質(zhì)上是基于MP-PIC(multiphase particle-in-cell)方式的一種數(shù)值計算方法，該方法以歐拉-拉格朗日體系模擬顆粒兩相流，對大量顆粒和流體在三維空間內(nèi)的耦合問題是一種比較好的解決方式[4]。該數(shù)值模擬方法能夠模擬工程上存在的大量顆粒背景，在研究循環(huán)流化床這種大量寬篩分顆粒方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

2 CFB鍋爐冷態(tài)數(shù)值模擬

CFB鍋爐冷態(tài)數(shù)值模擬是指在進行數(shù)值模擬時不考慮傳熱與燃燒，只考慮氣固間相互作用的一種數(shù)值模擬方式，可以考察氣固流動特性，包括軸向與徑向顆粒密度分布與顆粒速度。該研究方法往往與鍋爐冷態(tài)試驗相結(jié)合，對鍋爐的結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化具有重要意義。

CFB鍋爐爐內(nèi)氣相輸運過程中會攜帶著固相顆粒整體向上流動，部分離開爐膛出口處的顆粒通過旋風(fēng)分離器和回料閥后返回爐膛實現(xiàn)燃料的循環(huán)流化燃燒。在CFB鍋爐爐內(nèi)氣固兩相流中，氣相和固相存在著相互作用，造成爐內(nèi)不同部位氣相和固相的密度分布不同。在爐膛內(nèi)，氣體包含部分分散顆粒組成氣相連續(xù)向上流動形成連續(xù)相，固體顆粒由于“成團”和“返混”現(xiàn)象形成顆粒濃度較大的分散相，兩相之間的固體顆粒不斷發(fā)生著交換。CFB鍋爐中顆粒較稠密，屬于稠密氣固兩相流動，顆粒與顆粒的碰撞幾率較大，碰撞對顆粒的脈動和混合作用不能忽略，因此推動了兩相流湍流模型的研究與發(fā)展[11]。表1列出了Fluent中顆粒兩相流常用的一些模擬方法[12-14]，以及這些方法的原理及適用范圍，研究中需要根據(jù)顆粒流的類型選擇合適的顆粒兩相流模型。煤粉爐中氣固兩相流為稀疏顆粒流，使用歐拉-拉格朗日方法追蹤單顆粒的方式可以對煤粉爐內(nèi)的氣固兩相流進行較為準(zhǔn)確的求解計算，以氣體流為連續(xù)相，以煤粉顆粒流為離散相，在拉格朗日坐標(biāo)系內(nèi)對顆粒采用隨機軌道模型預(yù)測離散相的分散，并對氣相與固相之間的耦合進行計算。DPM模型對顆粒體積分?jǐn)?shù)小于10%的氣固兩相流有效，在顆粒相充分稀疏時，顆粒與顆粒的相互作用以及顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響可以忽略，但是CFB鍋爐中的固相為稠密顆粒相，顆粒間的相互作用不能忽略，因此需要采用歐拉-歐拉方法對CFB爐中的稠密顆粒流計算進行簡化，把顆粒流看作擬流體，以連續(xù)相的方式進行求解計算。而CPFD本身就是基于歐拉-拉格朗日方法對顆粒多相流進行模擬，同時利用MP-PIC方法對顆粒流進行了雙重處理，顆粒既被看作離散體，也被看作連續(xù)介質(zhì)[15]。這種計算方式消除了對高計算量隱式解的依賴，減小了計算量還能得到優(yōu)良的數(shù)值解，因此近幾年CPFD模擬方法也廣泛應(yīng)用于CFB鍋爐氣固兩相流動研究。

表1 Fluent中的顆粒兩相流模擬方法

在進行氣固兩相流數(shù)值模擬時，對氣固兩相的準(zhǔn)確描述主要是對氣-固和固-固間相互作用力(重力、曳力、浮力、Saffman力、Magnus力等)模型的選擇，其中的氣固曳力是除重力外最重要的外部作用力，在CFB鍋爐數(shù)值模擬中代表著兩相間的動量交換關(guān)系和相互作用。對氣固曳力模型的選用決定著氣固兩相流模擬的準(zhǔn)確度，甚至還能彌補固相黏度系數(shù)、湍流效應(yīng)等的不足[16]。氣固曳力的基礎(chǔ)研究很多，整體可分為均勻型曳力模型、關(guān)聯(lián)型曳力模型和極值型曳力模型，常用的氣固曳力模型如表2所示。其中一些如WEN-YU曳力模型、Gidaspow曳力模型等已經(jīng)收錄在Fluent中，還有一些曳力模型研究者需通過編寫UDF導(dǎo)入后使用。

針對CFB鍋爐冷態(tài)氣固流動特性的數(shù)值模擬研究主要集中于對流態(tài)的優(yōu)化和對CFB鍋爐主要結(jié)構(gòu)部件的改進。影響CFB鍋爐流態(tài)化的因素主要有兩個方面：一是操作條件，如一二次風(fēng)風(fēng)量的配比、初始床層高度、固體顆粒粒徑等，通過改變這些條件可以改變流化風(fēng)速，控制固體混合及停留時間，提高燃燒效率[29]。二是鍋爐結(jié)構(gòu)及部件，CFB鍋爐主要包括布風(fēng)板及風(fēng)室、流化床、分離器、立管、回料閥等部件。氣固流動及循環(huán)就發(fā)生在這些結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成的區(qū)域中，因此這些結(jié)構(gòu)部件對氣固流動影響的模型基礎(chǔ)研究和模型驗證研究是CFB鍋爐冷態(tài)數(shù)值模擬研究的主要方向。

王超等[30]利用Fluent軟件對褲衩腿六分離器結(jié)構(gòu)的600 MW超臨界CFB鍋爐爐膛的氣固流場進行了數(shù)值模擬研究，對流場的模擬采用歐拉-歐拉雙流體模型，通過模擬結(jié)果對顆粒濃度的分布規(guī)律、顆粒速度分布規(guī)律以及各個分離器氣固流率的分布特性進行分析，結(jié)果表明，顆粒濃度軸向呈稀密兩相區(qū)分布，稀相區(qū)顆粒呈雙核分布，分離器固相流率分布中間位置高于兩邊。許霖杰等[31]用歐拉-歐拉雙流體模型模擬了1 000 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐環(huán)形爐膛中的氣固流場，模擬結(jié)果顯示爐膛軸向固相密度呈近S型分布，總結(jié)了錐形區(qū)和懸吊屏區(qū)顆粒濃度分布和分離器入口固相質(zhì)量流率特點。GIL et al[32]利用歐拉-歐拉模型和歐拉-拉格朗日模型分別對CFB鍋爐燃燒室進行了三維數(shù)值模擬，給出了顆粒物質(zhì)濃度和速度的分布圖，總結(jié)了顆粒濃度在床層高度上的變化規(guī)律。WANG et al[33]采用計算顆粒流體動力學(xué)(CPFD)數(shù)值模型方法模擬了CFB鍋爐立管中的氣固兩相流動，評估了顆粒尺寸分布(PSD)對固體分布和流動的影響，并與已經(jīng)發(fā)表的歐拉-歐拉模擬進行了比較，如圖1[3]所示，證明了CPFD模擬方法的精度和優(yōu)勢。ZHANG et al[34]采用EMMS矯正阻力系數(shù)，預(yù)測兩相流運動行為，模擬結(jié)果得到整個固體循環(huán)回路周圍的壓力分布、固體體積分?jǐn)?shù)分布和固體垂直速度分布。關(guān)于CFB鍋爐的氣固流動性研究起步較早，從爐膛內(nèi)的氣固流動性到旋風(fēng)分離器再到提升管的氣固流動都有研究者開展了研究，這里不再一一贅述，將部分研究現(xiàn)狀匯總于表3中。

圖1 平均固體體積分?jǐn)?shù)分布與高度的函數(shù)關(guān)系

3 CFB鍋爐熱態(tài)數(shù)值模擬

CFB鍋爐熱態(tài)數(shù)值模擬是在冷態(tài)基礎(chǔ)上考慮了煤燃燒過程，增加了傳熱模型和燃燒模型，比較接近CFB鍋爐實際運行工況，熱態(tài)模擬得到的數(shù)據(jù)也較多，除了氣固流動性參數(shù)，還能考察爐內(nèi)傳熱、爐內(nèi)溫度分布、組分分布、反應(yīng)速率分布等詳細數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以預(yù)測不同鍋爐運行參數(shù)對鍋爐氣固燃燒特性、傳熱特性及污染物排放特性的影響。

3.1 CFB鍋爐爐內(nèi)傳熱數(shù)值模擬

CFB鍋爐爐內(nèi)傳熱受到很多復(fù)雜因素的影響，爐內(nèi)傳熱主要方式有顆粒對流傳熱、氣體對流傳熱和輻射傳熱[10]。爐內(nèi)傳熱特性的研究中主要是針對爐墻換熱面(水冷壁)的，關(guān)于爐內(nèi)懸吊屏的換熱研究較少，目前沒有成熟的傳熱模型[42]。與顆粒對流傳熱相比氣體對流傳熱研究較少，研究也比較困難，一般針對不同實際情況氣體對流傳熱系數(shù)采用氣體對流傳熱公式[43](式(1)所示)或稀相輸送傳熱公式[44](式(2)所示)計算。煤粉爐中顆粒稀疏，水冷壁墻面換熱以輻射換熱為主。但是不同于煤粉爐，CFB鍋爐氣固流動中存在環(huán)-核結(jié)構(gòu)，床中的固體顆粒流型分為核心區(qū)和環(huán)形邊壁區(qū)，核心區(qū)部分為稀相區(qū)，顆粒在其中由下向上運動，外圍為密相環(huán)形邊壁區(qū)，顆粒在其中由上向下運動，在環(huán)形邊壁區(qū)固體顆粒匯集成顆粒團沿傳熱壁面下滑，在下滑過程中與受熱面完成換熱[45]。因此CFB爐邊壁區(qū)的固體顆粒團份額較大，絕大部分壁面被固體顆粒覆蓋，氣體對流換熱較小，主要考慮顆粒對流傳熱。

(1)

式中：C0為環(huán)形對流傳熱相關(guān)系數(shù)-威爾遜圖；a為環(huán)形直徑比(D2/D1)。

α=(1/αf+1/αs)-1+αr

(2)

式中：α為稀相傳熱系數(shù)；αf為氣相傳熱系數(shù)；αs為顆粒相傳熱系數(shù)；αr為輻射傳熱系數(shù)。

在進行CFB鍋爐傳熱數(shù)值模擬時，對流傳熱部分主要考慮顆粒對流傳熱的設(shè)置，報道的文獻中顆粒傳熱計算關(guān)聯(lián)式多來自于固定床和鼓泡床中，快速床幾乎沒有成熟的顆粒傳熱公式[46]。大多數(shù)顆粒對流傳熱系數(shù)的計算依賴于經(jīng)驗關(guān)系式，流化床中常見的顆粒對流傳熱關(guān)系式如表4所示，在涉及燃燒模型的CFB鍋爐中，一般用GUNN[47]經(jīng)驗關(guān)系式來計算顆粒傳熱系數(shù)。在傳熱機理的相關(guān)研究中，國內(nèi)外研究者開展了大量的工作，形成了以單顆粒傳熱模型、連續(xù)邊界層模型和顆粒團更新傳熱模型為代表的氣固傳熱機理模型[48-51]。

表4 常見的床內(nèi)顆粒對流傳熱關(guān)系式

在爐內(nèi)高溫條件下，所有被濃相固體顆粒和稀相氣固混合物覆蓋的壁面都存在輻射傳熱，輻射傳熱的增加也會增強對流換熱。水冷壁和爐內(nèi)火焰的傳熱方式主要為輻射傳熱，固相顆粒輻射強度大，選擇適當(dāng)?shù)妮椛淠Ｐ湍苣M出較好的溫度場。Fluent軟件中有五種輻射模型：離散傳播輻射(DTRM)模型、P-1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射模型和離散坐標(biāo)輻射(DO)模型[14]。在這五種模型中，只有P-1模型和DO模型考慮氣體與顆粒之間的輻射傳熱，其中P-1模型適用于光學(xué)深度(αl)大于1的模型，DO模型對于任何光學(xué)深度(αl)的模型都適用，但是它的計算量更大，因此在CFB鍋爐數(shù)值模擬中一般選擇P-1輻射模型。

在爐內(nèi)傳熱的熱態(tài)數(shù)值模擬研究中，國內(nèi)外研究者針對爐內(nèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整對換熱的影響、不同材料對熱損失的影響及傳熱模型優(yōu)化展開了計算。XU et al[57]利用顆粒團更新模型獲得傳熱特性，對安裝的多級耐磨梁對CFB鍋爐壁面?zhèn)鳠岬挠绊戇M行了研究，把壁面?zhèn)鳠岱譃閳F簇和分散相的對流和輻射傳熱，將耐磨梁視為熱阻，壁面?zhèn)鳠岱绞饺鐖D2[57]所示，研究結(jié)果表明防磨梁導(dǎo)致壁面?zhèn)鳠崦娣e和傳熱系數(shù)減小，使壁面平均溫度上升30 ℃。LIU et al[58]通過數(shù)值模擬方法模擬鍋爐實體保溫材料的傳熱過程，將數(shù)值模擬時的傳熱系數(shù)分為CFB鍋爐的爐體、旋風(fēng)分離器和尾部煙道三大部分，分析計算這三部分的傳熱系數(shù)，模擬得到鍋爐表面溫度，再結(jié)合熱損失計算公式和相應(yīng)的比表面積計算公式，計算了CFB鍋爐的熱損失。周星龍等[59]采用顆粒團更新模型對600 MW循環(huán)流化床鍋爐水冷壁及中隔墻受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進行計算，顆粒團更新模型如圖3[59]所示，分散相和離散顆粒相的傳熱方式分別為對流傳熱和輻射傳熱，通過數(shù)值模擬得到水冷壁和中隔墻的傳熱系數(shù)和熱流密度的三維分布，分析了氣固流動參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。

3.2 CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒特性數(shù)值模擬

CFB鍋爐燃燒過程是一個低溫穩(wěn)定燃燒過程，燃燒時爐內(nèi)保持著一個穩(wěn)定的由大量高溫床料組成的床體，新加入的燃料顆粒很快被周圍的高溫物料迅速加熱，對整個流化床床層的溫度影響很小，這樣可以保持燃燒過程的穩(wěn)定，使CFB鍋爐對燃料的適應(yīng)性很強，可以使用各種劣質(zhì)燃料[54]。通過數(shù)值模擬研究可以考察CFB鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、不同特性燃料對燃燒效率的影響、給煤口布置及二次風(fēng)分配對燃燒效率的影響以及分離器分離效率對爐內(nèi)溫度分布及燃燒效率的影響等[2，60]。

與煤粉爐內(nèi)煤顆粒燃燒過程相同，煤顆粒加入高溫CFB鍋爐后同樣經(jīng)歷如下幾個過程：干燥和加熱、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭燃燒，期間伴隨著顆粒的膨脹、一次破碎、二次破碎及顆粒磨損等過程[61]。煤的燃燒過程是帶有許多復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的氣-固兩相流動過程，伴隨著相互耦合的質(zhì)變、相變、燃燒和能量傳遞等變化。在數(shù)值模擬中通常對煤燃燒的復(fù)雜過程進行簡化，只考慮幾個重要的燃燒子模型，簡化后的煤燃燒過程如圖4所示。數(shù)值模擬中對煤燃燒過程進行描述，通常是建立質(zhì)量、動量和能量守恒的顆粒和氣相輸運方程。對煤顆粒燃燒的化學(xué)反應(yīng)采用相間異構(gòu)反應(yīng)進行模擬，重點是對煤的熱解、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭燃燒等幾個子模型的描述。關(guān)于煤燃燒各個子模型的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過研究者們的發(fā)展，已經(jīng)由最開始的經(jīng)驗、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶l(fā)展成機理模型，但仍有很多不足，如表5所示，燃燒模型的發(fā)展來自于煤粉燃燒過程，原則上適用于CFB鍋爐的稀相區(qū)，對濃相區(qū)的適用性還需要進一步研究。近些年對爐膛內(nèi)燃燒展開的數(shù)值模擬主要是為了用于對鍋爐的燃燒進行調(diào)整和優(yōu)化，對促進鍋爐燃燒效率的提高有重要意義。

圖4 簡化的煤顆粒燃燒過程

表5 煤燃燒模型總結(jié)

粱凱潔[68]用Fluent數(shù)值模擬方法研究了改變混煤配比對1 076 t/h CFB鍋爐燃燒的影響，模擬了六種混煤方案的爐膛內(nèi)燃燒情況并與實際工況進行了對比驗證，最終找到了兩種燃燒情況較良好且經(jīng)濟的混煤配比方案，提高了電廠經(jīng)濟性。沈志恒等[69]用歐拉-歐拉雙流體模型和氣固相間的化學(xué)反應(yīng)模型研究了1 025 t/h的CFB鍋爐爐內(nèi)氣固流動及反應(yīng)特性，模擬獲得了爐膛內(nèi)氣體溫度的分布特性和爐膛內(nèi)O2，CO2及CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律。閆軍政[70]利用Fluent軟件建立了循環(huán)流化床爐膛模型，對不同給煤方式下爐膛內(nèi)的燃燒情況進行模擬，通過模擬結(jié)果分析了爐膛內(nèi)的燃燒特性及燃燒成分，結(jié)果表明前墻給煤方式下爐內(nèi)燃燒充分且較為穩(wěn)定。WU et al[71]基于稠密離散相模型(DDPM)用Fluent流體計算軟件模擬了不同O2濃度下CFB鍋爐的燃燒過程，從顆粒流結(jié)構(gòu)、溫度、碳轉(zhuǎn)化率和氣體組成等方面對模擬結(jié)果進行了定性和定量分析，結(jié)果表明，隨O2濃度的增加，煤顆粒呈現(xiàn)出不同的流動結(jié)構(gòu)和燃燒特性分布。ZHOU et al[72]采用CFD模擬方法對CFB提升管在冷態(tài)模型基礎(chǔ)上建立了考慮燃燒傳熱的綜合模型，對氣體成分和溫度分布進行了預(yù)測，利用試驗數(shù)據(jù)的氣體組分進行了驗證，通過驗證后的模型預(yù)測了O2/CO2燃燒條件下的氣體組分和溫度分布。YAN et al[73]采用計算粒子流體力學(xué)(CPFD)方法對600 MW超臨界CFB鍋爐進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，該模型提出的入口邊界條件比常用的均勻邊界條件更能準(zhǔn)確地預(yù)測爐膛內(nèi)的燃燒。YAN在該基礎(chǔ)上還研究了不同負(fù)荷下氣體/固體循環(huán)流量對爐膛燃燒的影響，結(jié)果如圖5[73]所示。

圖5 不同負(fù)荷下爐膛高度的溫度分布

3.3 CFB鍋爐污染物生成與控制數(shù)值模擬

NOx和SO2是CFB鍋爐燃煤過程中產(chǎn)生的兩種主要氣相污染物，近幾年隨著我國超低排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，研究者更加重視如何提高CFB鍋爐的污染物控制性能，數(shù)值模擬作為一種研究方法在其中扮演著不可或缺的角色。通常，煤中存在的氮和硫在脫揮發(fā)分和焦炭燃燒過程中會部分釋放[74]。許多研究已經(jīng)探討了煤中氮和硫轉(zhuǎn)化的機理，一般認(rèn)為，煤中硫分經(jīng)歷下列途徑形成SO2，即：

(3)

在數(shù)值模擬中一般認(rèn)為煤中有機硫隨揮發(fā)分以H2S的形式析出，無機硫隨焦炭燃燒過程以SO2的形式析出。煤粉爐中由于煤粉粒度細停留時間短，不在爐內(nèi)對SO2進行控制，而CFB爐由于循環(huán)回路的存在，顆粒停留時間適宜，生成的SO2可通過在爐膛中添加石灰石脫硫劑來加以控制。石灰石進入爐膛會在高溫下分解并與燃燒生成的SO2反應(yīng)，反應(yīng)式如下[75]：

(4)

(5)

(6)

燃料燃燒排放到大氣中的NOx主要由NO組成，約占總NOx的90%以上，相比之下NO2和N2O的貢獻要小得多，分別約占5%～10%，1%左右[2，76]。但在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中，N2O的體積分?jǐn)?shù)可以達到20×10-6～250×10-6，約占總NOx排放量的5%左右，在CFB鍋爐中較高濃度的O2環(huán)境中N2O易被氧化為NO，N2O的形成主要發(fā)生在燃燒室的下部[77，78]。有研究表明，N2O排放主要來自燃燒過程中低揮發(fā)性燃料中的氮，煙氣中N2O的濃度主要由氫自由基的均相還原反應(yīng)和焦炭表面NO非均相還原反應(yīng)決定，且較高的氧氣濃度和較低的床層溫度會使N2O的排放增加[79-83]。在CFB鍋爐中煤顆粒燃燒生成NOx有三種途徑：燃料型、快速型和熱力型。循環(huán)流化床的運行溫度較低導(dǎo)致熱力型NOx生成速率很低，一般不予考慮?？焖傩蚇Ox一般是針對碳氫燃料燃燒時考慮，因此燃料型NOx形成的NO占循環(huán)流化床燃燒方式NO總排放的95%以上。NOx的生成和轉(zhuǎn)化是非常復(fù)雜的，燃料N在煤燃燒時揮發(fā)分N隨揮發(fā)分析出燃燒轉(zhuǎn)化為N2O和NO，以HCN和NH3為中間產(chǎn)物，還有一部分殘留在焦炭上的N通過復(fù)雜的非均相反應(yīng)同樣生成NO和N2O，同時還存在著NO和N2O的還原與分解，相關(guān)NOx的轉(zhuǎn)化如圖6所示[54，60]。煤燃燒時NOx生成轉(zhuǎn)化的相關(guān)基元反應(yīng)可達數(shù)百個，所以在進行CFB鍋爐燃燒污染物數(shù)值模擬時一般采用一系列簡化的NOx生成反應(yīng)機理，重點關(guān)注對主要NOx污染物的預(yù)測，如GUNGOR[84]將燃燒過程中的氮的轉(zhuǎn)化簡化為焦炭中的氮在燃燒時被釋放NO2，而且焦炭將揮發(fā)釋放的NO還原為N2，許霖杰[85]在進行數(shù)值模擬時將NOx的生成轉(zhuǎn)化簡化為O2氧化NH3到NO的反應(yīng)、O2氧化NH3到N2的反應(yīng)、CO對NO的還原反應(yīng)、NH3對NO的還原反應(yīng)和焦炭對NO的還原反應(yīng)五個化學(xué)反應(yīng)過程，如式(7)～式(11)所示。其中在CFB爐中焦炭對NO的還原作用明顯高于在煤粉爐中對NO的還原作用，這是由于CFB爐密相區(qū)焦炭顆粒積累，可以對氣氛中NO起到還原作用，而在煤粉爐中這部分作用經(jīng)常被忽略。研究者大多結(jié)合自身研究對象和研究需要對鍋爐燃燒過程中氮轉(zhuǎn)化的機理進行合理簡化，表6[74，86]列出了這些污染物生成及轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速率方程式，數(shù)值模擬中結(jié)合氣固異相反應(yīng)和用戶自定義函數(shù)(UDF)來實現(xiàn)。

圖6 燃料氮平衡示意圖

表6 NOx及SO2脫除化學(xué)反應(yīng)速率

(7)

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(11)

近幾年隨著污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，關(guān)于CFB鍋爐污染物預(yù)測的數(shù)值模擬研究逐漸成為熱點。NIKOLOPOULOS et al[87]基于簡化的三維計算流體動力學(xué)燃燒模型，通過解耦方法開發(fā)了一個三維計算流體力學(xué)模型，用于研究燃燒褐煤的1.2 MW CFB中試裝置中NOx和N2O的形成，所建立的模型在預(yù)測NOx和N2O方面具有較好的精度，而且很大程度減小了計算量。JI et al[88]在課題組建立的超臨界CFB鍋爐的三維模型基礎(chǔ)上發(fā)展形成了一種二維綜合計算流體力學(xué)燃燒模型預(yù)測了超超臨界循環(huán)流化床(CFB)鍋爐的NOx和N2O排放，并將其應(yīng)用于660 MW超超臨界CFB鍋爐，如圖7[88]所示，模擬結(jié)果表明較高的過量空氣量會增加NOx和N2O的排放量，而增加氮氧比會降低NOx和N2O的質(zhì)量濃度。MY?HNEN[3]對大型CFB鍋爐進行了三維建模，建立了CFB燃燒和氣化模型的三維半經(jīng)驗穩(wěn)態(tài)模型，其中的子模型就包括了燃料燃燒和石灰石反應(yīng)、均相反應(yīng)、以及氮氧化物生成化學(xué)模型等，如圖8[3]所示，在燃燒模型中通過近似分析將燃料分為焦炭、揮發(fā)物、水分和灰分分別建立相關(guān)模型，將脫硫過程通過吸附劑模型實現(xiàn)并建立了簡化的NOx生成模型，通過模擬結(jié)果證明了半經(jīng)驗建模方法的必要性。XU et al[74]建立了一種大型超臨界CFB鍋爐的綜合CFD燃燒模型，該模型中考慮了氣固流體力學(xué)、煤的燃燒、爐內(nèi)熱交換表面的傳熱、爐膛與傳熱管中的工作介質(zhì)之間的傳熱，煤燃燒模型中蒸發(fā)、揮發(fā)、焦炭燃燒、氣體均相反應(yīng)和污染物排放都在建模時考慮在內(nèi)，再現(xiàn)了煤燃燒過程的細節(jié)，用該模型成功實現(xiàn)了對350 MW超臨界CFB鍋爐的仿真，模擬出鍋爐爐膛內(nèi)固體濃度、氧氣、熱流和工質(zhì)溫度的詳細分布，驗證了模型的可行性。帥志昂[89]對600 MW循環(huán)流化床鍋爐展開了流動性和燃燒特性的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬研究了不同過量空氣系數(shù)、一次風(fēng)率對出口污染物SO2和NO及N2O的影響以及不同鈣硫比對爐膛出口SO2質(zhì)量濃度的影響。

圖7 CFB鍋爐爐內(nèi)NO和N2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8 模型框架

4 結(jié)束語

1)由于氣固流動性基礎(chǔ)研究開展較早，針對CFB鍋爐爐內(nèi)氣固流動性的模擬相對成熟，數(shù)值模擬研究也是最多，研究者們采用CFD或CPFD手段開展的氣固流動特性研究為鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流態(tài)優(yōu)化以及流動機理模型的驗證提供了幫助，但關(guān)于氣固曳力模型、相間作用力模型等的研究還有進步的空間。

2)爐內(nèi)傳熱方面的數(shù)值模擬研究主要針對材料和結(jié)構(gòu)對鍋爐熱損失的影響和傳熱模型的驗證，在傳熱機理研究方面還不夠完善，大部分采用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ突騼?yōu)化了的傳熱模型。

3)在CFB鍋爐爐膛內(nèi)燃燒與污染物生成方面的數(shù)值模型研究相對復(fù)雜，需要對燃燒機理和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理進一步研究完善。

4)與煤粉爐相比，CFB爐具有顆粒流稠密的特點，因此，其氣固兩相流和傳熱模型區(qū)別于傳統(tǒng)煤粉爐的氣固兩相流和傳熱模型；而煤顆粒燃燒過程與煤粉爐類似，可以借鑒煤粉爐燃燒模型，但是在污染物預(yù)測方面，CFB爐較煤粉爐多了爐內(nèi)固硫的過程，且在NO還原機理方面，由于CFB爐內(nèi)焦炭顆粒濃度高，因此計算過程中必須關(guān)注焦炭對NO的還原作用。

數(shù)值模擬研究方法應(yīng)用于CFB鍋爐研究的時間不到二十年，盡管取得了豐碩的研究成果，但仍然還需要研究人員不斷探索改進，隨著基礎(chǔ)機理性研究的深入以及計算機性能的發(fā)展，數(shù)值模擬研究在未來必將會得到更大的發(fā)展。