基于設(shè)計的循環(huán)流化床床內(nèi)磨損特性研究

摘" " " 要：循環(huán)流化床是一種潔凈煤燃燒技術(shù)，對于加快實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有重大的意義。以某鍋爐廠設(shè)計的450 t·h-1循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，利用顆粒動力學(xué)原理在設(shè)計條件下分析了爐內(nèi)氣固兩相流動的狀態(tài)，分析了煤料顆粒對水冷壁的碰撞、摩擦等過程對水冷壁侵蝕狀況，并對水冷壁面磨損程度、成因等進(jìn)行了推演。

關(guān)" 鍵" 詞：循環(huán)流化床；沖蝕磨損；顆粒碰撞

中圖分類號：TK229.6" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1004-0935（2025）01-0019-04

循環(huán)流化床鍋爐是一種比較成熟的清潔燃燒技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單、對煤的適應(yīng)性強(qiáng)、灰渣利用率高等優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)流化床鍋爐在國內(nèi)外發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用于工業(yè)中[1]。目前，我國已成為世界上循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量最多、總裝機(jī)容量最大、發(fā)展速度最快的國家。流化床磨損是指在流化床反應(yīng)器中，顆粒材料之間或顆粒與固體表面之間發(fā)生的磨損現(xiàn)象。循環(huán)流化床鍋爐水冷壁的磨損問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了循環(huán)流化床鍋爐的安全運(yùn)行[2]。鍋爐水冷壁受到鍋爐內(nèi)顆粒磨損，是流化床鍋爐強(qiáng)制停爐的主要原因之一[3]。流化床磨損是影響流化床運(yùn)行和壽命的重要因素之一。目前，已有大量科研人員使用不同方法對流化床相關(guān)問題做了大量研究。孫佰仲等[4]通過對300 MW循環(huán)流化床進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在床高7 m處具有較大磨損，通過加裝優(yōu)化排布?xì)饪讎娮旌艽蟪潭葴p少了磨損情況。任立波等[5]對沉浸管采用離散元法（DEM）模擬，發(fā)現(xiàn)沉浸管發(fā)生磨損的主要原因是顆粒撞擊管道的頻率和速度。馬繼偉等[6]使用CPFD方法對六旋風(fēng)分離器循環(huán)流化床進(jìn)行了全尺度數(shù)值模擬并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)顆粒在爐膛內(nèi)壁面處呈現(xiàn) “環(huán)-核”結(jié)構(gòu)，并且顆粒出現(xiàn)返混現(xiàn)象，爐膛的左右兩側(cè)出口位置顆粒的水平速度和體積分?jǐn)?shù)為對稱分布。李靜等[7]使用CPFD方法對350 MW循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)顆粒流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)降低一次風(fēng)速可以使?fàn)t膛內(nèi)顆粒團(tuán)聚物的體積分?jǐn)?shù)增加。趙俊楠等[8]使用歐拉-歐拉雙流體模型對噴動床內(nèi)氣固兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬，調(diào)節(jié)不同的流化風(fēng)速及噴動風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)顆粒在噴射區(qū)域向上運(yùn)動，顆粒運(yùn)動的速度與噴射風(fēng)速成正比，在噴泉區(qū)域顆粒向壁面方向水平移動。張曉光[9]使用雙流體模型對脈動流化床內(nèi)顆粒分離行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)脈動頻率對顆粒的分離具有很大影響，較高的脈動頻率會妨礙顆粒分離，粒徑的增大也會使分離效果下降?？讏A等[10]使用雙流體模型對流化床爐膛部分進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)密相區(qū)與稀相區(qū)之間的過渡區(qū)域所存在的大擺動是爐膛內(nèi)過渡區(qū)域產(chǎn)生磨損的主要原因。WANG等[11]采用LES-DEM方法對全回路再進(jìn)料循環(huán)流化床進(jìn)行研究，對雙側(cè)再進(jìn)料結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)進(jìn)料比傳統(tǒng)進(jìn)料具有更好的氣固流動均勻性，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的流動穩(wěn)定性。MASSOUDI等[12]使用DDPM稠密模型對流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動和煤的燃燒過程進(jìn)行了研究，通過設(shè)置不同的給煤機(jī)位置和給煤速率并進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)改變給煤機(jī)位置后燃燒室內(nèi)爐膛壁處固體濃度顯著減少，可以有效防止這些位置侵蝕狀況。與歐拉-拉格朗日方法相比，歐拉-歐拉方法是一種在研究氣固兩相流動中廣泛使用的方法，并且通常對計算資源的需求量較小，然而這種方法在對顆粒的研究上具有很大局限性，對于不同顆粒粒徑、密度、形狀等方面很難考慮[13]。目前，雙流體模型、DEM模型、CPFD等模型[14-15]已廣泛用于流化床相關(guān)模擬之中，使用傳統(tǒng)DPM模型對氣固循環(huán)流化床進(jìn)行顆粒氣固流動數(shù)值模擬，對模擬中流化床產(chǎn)生磨損的現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析。在循環(huán)流化床內(nèi)部具有十分復(fù)雜的磨損機(jī)理，其中碰撞磨損、切割磨損、磨粒磨損及顆粒的沖刷磨損為流化床磨損中的主要情況[16]。當(dāng)顆粒與顆粒發(fā)生碰撞時，發(fā)生的磨損為碰撞磨；由于顆粒及物體表面在剪切力的作用下發(fā)生的磨損為切割磨損；顆粒對物體表面不斷侵蝕產(chǎn)生的磨損為侵蝕磨損；顆粒沖刷磨損是由于床層內(nèi)氣體對顆粒的沖刷作用而引起的磨損。

1" 數(shù)學(xué)模型與幾何條件

DPM模型是基于歐拉-拉格朗日方法下的一個離散模型，歐拉-拉格朗日方法把流體視為連續(xù)相，把顆粒視為離散相，通過牛頓第二定律跟蹤顆粒相的運(yùn)動軌跡，并在拉格朗日坐標(biāo)系下對其進(jìn)行求解[17]。歐拉-拉格朗日方法可以通過追蹤單一顆粒的運(yùn)動軌跡從而對整體流化床磨損情況進(jìn)行分析。歐拉-拉格朗日模型的計算方法為使用Navier-Stokes方程對氣相進(jìn)行計算求解[18]，下式為連續(xù)性方程和動量方程。

（1）

（2）

式中：εg—?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù)；

μg—?dú)庀嗨俣龋?/p>

ρg—?dú)庀嗝芏龋?/p>

p—壓力；

g—重力加速度；

τg—?dú)怏w張量。

τg由式（3）計算得到。

（3）

式中：μ—?dú)怏w相的運(yùn)動黏度。

顆粒相在拉格朗日坐標(biāo)系下求解，顆粒相的連續(xù)性方程和動量方程分別為：

（4）

（5）

式中：τg—顆粒相應(yīng)力張量；

Fgs—顆粒相受到氣體相的總曳力。

（6）

式中：ds—顆粒直徑；

CD—曳力系數(shù)。

流化床內(nèi)顆粒相的運(yùn)動滿足牛頓第二定律：

（7）

式中：ms—固體顆粒的質(zhì)量；

us—固體顆粒的矢量速度；

Vs—顆粒體積。

模擬的研究對象為450 t·h-1大型氣固循環(huán)流化床鍋爐，爐膛高度38.702 m，爐膛深度13.72 m，爐膛寬度7.22 m。由于鍋爐尺寸較大，為了節(jié)約有限的計算資源，在不影響計算結(jié)果的情況下有必要對模型進(jìn)行合理簡化，流化床爐膛原理圖如圖1所示。一次風(fēng)口位于爐膛底部，二次風(fēng)口被均勻地布置在爐膛四面墻的下部，二次風(fēng)口直徑均為260 mm。

流化床內(nèi)顆粒分為0.1 mm的大顆粒和0.01 mm的小顆粒，顆粒密度為2 000 kg·m-3，大小顆粒以30°為入射角度通過給煤口進(jìn)入爐膛內(nèi)部。對于氣固循環(huán)流化床爐膛的模擬需要給予正確的邊界條件，分別把給煤口、回料口、一二次風(fēng)入口設(shè)置為速度入口，離散相邊界條件均設(shè)置為逃逸，爐膛出口設(shè)置為-200 Pa的壓力出口，離散相邊界條件也設(shè)置為逃逸，爐膛的壁面邊界條件為反射。使用erison/accretion沖蝕模型模擬煤料顆粒對流化床爐膛壁面的沖蝕磨損。一次風(fēng)速為4.082 9 m·s-1，二次風(fēng)速為44.473 8 m·s-1，質(zhì)量流率為18.26 kg·s-1。

2" 結(jié)果分析

流化床內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)如圖2所示。由圖2可以看出，顆粒以30°為入射角度通過給煤口進(jìn)入流化床鍋爐爐膛內(nèi)后，在流化風(fēng)的吹動下小顆粒向爐膛上部移動，當(dāng)小顆粒移動至一定程度后發(fā)生“環(huán)-核”反應(yīng)，顆粒沿著爐膛壁面向下移動，移動至一定程度后再向爐膛中心上部移動，如此反復(fù)作用下導(dǎo)致顆粒對爐膛壁面產(chǎn)生大量沖擊并發(fā)生沖蝕磨損，爐膛內(nèi)大顆粒由于自身重力原因大部分沉積在爐膛底部。

循環(huán)流化床四面墻磨損狀態(tài)如圖3所示。由圖3可以看出，顆粒以30°為入射角度進(jìn)入爐膛時，沖蝕磨損主要集中在爐膛底部及爐膛壁面的四周區(qū)域，這與顆粒以法線入射爐膛的磨損位置有較大區(qū)別，圖3中前墻的顆粒法線入射的沖蝕磨損較為劇烈的位置主要集中在流化床給煤口下部及墻體之間的連接過渡處。

以30°為入射角情況下的磨損情況要比法線入射減輕很多。不同爐膛高度下顆粒法線入射和以30°入射磨損率如圖4所示。法線入射和30°入射發(fā)生最劇烈磨損情況的位置具有少量位置偏移，除爐膛最底部外，法線入射的最劇烈磨損位置發(fā)生在爐膛高度4.5 m附近，最大磨損率1.1×10- 5 kg·m-2·s-1，而以30°為入射角度磨損最劇烈的位置發(fā)生在爐膛高度3.5 m附近，最大磨損率1.19×10-6 kg·m-2·s-1。當(dāng)爐膛高度達(dá)到12 m后，隨爐膛高度的增加二者的磨損情況均減緩很多，從而可以推斷出流化床水冷壁的磨損主要集中于爐膛底部區(qū)域。

與顆粒法線入射相比，以30°為入射角下的顆粒堆積程度也要小很多，但是二者之間均在爐膛底部堆積較為嚴(yán)重，在爐膛高度達(dá)到6 m之后，二者的顆粒堆積情況均減小很多。圖4中流化床水冷壁的磨損程度很好地對應(yīng)了圖5中顆粒堆積情況，即爐膛高度為3～6 m具有較為嚴(yán)重的顆粒堆積，同時該位置的爐膛水冷壁磨損情況也較為嚴(yán)重。這也可以看出，以30°為顆粒入射角度可以減少顆粒堆積程度，從而減緩流化床水冷壁磨損的發(fā)生。

爐膛內(nèi)單一粒子運(yùn)動軌跡如圖6所示。由圖6可以看出，顆粒進(jìn)入給煤口后的運(yùn)動復(fù)雜且運(yùn)動路線方向改變頻繁，這也是圖4中最大磨損發(fā)生在爐膛高度4.5 m附近的原因，顆粒運(yùn)動方向的無規(guī)則頻繁變動造成圖中所示的單一顆粒與其他許多類似顆粒發(fā)生碰撞從而導(dǎo)致磨損的發(fā)生。當(dāng)該單一顆粒上升至一定爐膛高度后，顆粒運(yùn)動軌跡趨于平穩(wěn)向上運(yùn)動，大幅度減少了顆粒間的碰撞運(yùn)動，因此流化床爐膛下部的磨損情況要遠(yuǎn)高于爐膛上部。

3" 結(jié) 論

通過對比顆粒法線入射及以30°入射的流化床爐膛磨損情況和顆粒堆積情況，顆粒以30°為入射角度的磨損程度要遠(yuǎn)小于顆粒沿法線入射的情況；2種入射方法的顆粒堆積趨勢總體保持一致，大部分顆粒都堆積在爐膛底部0～6 m處。而對于總體磨損情況而言，以30°為顆粒入射角度要遠(yuǎn)小于顆粒法線入射情況下的磨損量，因此選擇合適的入射角度可以減小流化床鍋爐爐膛的磨損量，減緩鍋爐停機(jī)的發(fā)生，可以很好地延長鍋爐使用壽命。

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Research on Wear Characteristics in Circulating Fluidized Bed Based on Design

CUI Xutong 1， ZHU Jian 2， ZHAO Bo 3， WANG Lin 1，3，4

（1. School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China;

2. Fushun Special Equipment Supervision and Inspection Institute， Fushun Liaoning 113000， China;

3. Dalian Boiler Pressure Vessel Inspection and Testing Institute Co.， Ltd.， Dalian Liaoning 116000， China;

4. Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116033， China）

Abstract： Circulating fluidized bed is a clean coal combustion technology that is of great significance for accelerating the achievement of the goal of \"carbon peaking and carbon neutrality\". Taking a 450 t·h-1 circulating fluidized bed boiler designed by a boiler plant as the research object， the gas-solid two-phase flow state in the boiler was analyzed under the design conditions by using the particle dynamics principle， and the water-cooled wall erosion caused by the collision and friction of coal particles was analyzed， and the wear degree and causes of the water-cooled wall surface were deduced.

Key words： Circulating fluidized bed; Erosion and wear; Particle collision