燃用宽筛分煤循环流化床锅炉燃烧模拟计算

1　前言
　　循环流化床锅炉具有燃用煤种广，燃烧效率高且又能满足环境排放标准，显示出明显的经济效益、环境效益和社会效益。在过去的十多年里，该技术取得了长足发展，但由于该过程涉及到流动、传热和燃烧等多因素非线性耦合的相互影响，依然存在着如何设计和放大循环流化床锅炉的挑战。数学模拟方法能够较全面地反映多种因素的相互影响，提供一个综合性的定量评估，甚至揭示出难以自觉而有价值的信息。这对提高设计和放大的可靠性有重大意义。因而循环流化床锅炉的燃烧数学模型被逐渐建立和发展。Weib et al.(1987)和Maggio et al.(1995)采用单元法建立了包括炉膛、分离器、回料系统和外置式热交换器等的数学模型。Hyppanen et al.(1990)建立的三维循环流化床锅炉炉膛模型能够预测烟气温度、气体成分分布等参数。然而几乎所有的上述数学模型都末能很好地考虑炉膛下部高颗粒浓度区的颗粒流动和燃烧。Johnsson & Leckner(1995)研究结果表明在炉膛下部的平均颗粒密度大约为800～1200　kg/m³，他们认为该区域具有鼓泡流化床的特征，而被称为密相区。Montat et al.(1995)在一台电功率250MW循环流化床锅炉试验表明密相区的颗粒浓度约700～1000 kg/m³，说明炉膛下部颗粒流动与湍动鼓泡流化床相似。密相区高度约1.0米。实际运行和设计经验也表明燃用宽筛分煤循环流化床锅炉炉膛下部密相区必须运行在鼓泡流化床操作范围内。从而沿炉膛高度形成不同的流动、传热和燃烧过程，建立的数学模型应该考虑该特征对其过程的影响。 

2　数学模型
　　假设循环流化床锅炉炉膛内的颗粒流动、传热和燃烧过程为稳态过程，沿炉膛高度分为下部密相区和上部稀相区。
2.1　密相区
　　假设：(1)密相区由气泡相和乳化相组成，乳化相空隙率取为临界流化空隙率，超过临界流化速度的气体通过气泡相。(2)沿径向各相参数均匀分布，沿轴向为逆流返混模型。(3)煤的燃烧分为三个过程：加热蒸发、挥发份析出和焦碳燃烧。当颗粒温度达到100℃时蒸发过程终止。挥发份析出过程同时受化学反应速率和质扩散速率控制，当颗粒温度达到密相区温度时该过程结束。碳粒燃烧服从缩核模型。(4)颗粒为宽筛分，粒子为球形。
　　煤燃烧主要生成C₂O，CO和H₂O等气体组分。沿轴向微元高度气泡相和乳化相内各气体组分的质量守恒方程如下。Lu等(1998)给出了上述方程的详细推导过程和各项的计算方法。

（1a）

　 字串5

（1b）

（2a）

（2b） 

（3a）

　 字串2

（3b） 

　　对单一颗粒，能量守恒方程是： 字串6

（4）

其中：

字串9

（4a） 

（4b） 

　　对惰性颗粒(石灰石颗粒和循环颗粒)，能量守恒方程简化为：

（5）

　　颗粒粒径d(i)的质量守恒方程可表示如下：
　　［来自稀相区的颗粒流量］－［流出密相区的颗粒流量］＋［来自颗粒d（i+1）燃烧的流量］－［来自颗粒d(i－1)燃烧的流量］＋［颗粒d(i)燃烧减少的颗粒流量］＝0，或者表示为

　　W_fall,i－E_i＋Wi+1－W_i－Wburn,i=0

(6)

2.2　稀相区
　　假设：(1)忽略径向的不均匀性，燃烧反应按一维轴向考虑。(2)不考虑煤粒的干燥加热过程。(3)忽略气相和颗粒的径向交换。
　　各气体组分的质量守恒方程如下：

　　 字串9

（7a） 字串9

（7b）

（7c）

　　能量守恒方程可表示如下：

（8） 字串3

　　轴向颗粒浓度分布按Kunii & Levenspiel(1991)关联式计算：

（9） 

　　其中系数a取为3.0/u，ε_sd为可调节参数。
2.3　石灰石脱硫反应
　　石灰石脱硫反应过程为： 字串5

　　反应速率按下式计算(Saraiva et al., 1993): 字串1

字串7

（10） 

　　 字串8

（11）

　　S_R＝5.6×10⁴－38.4T_p　　1253K 

（12a） 字串2

　　S_R＝－36.7×10⁴＋35.9T_p　　1253K

（12b） 字串5

　　其中λ是石灰石活性系数。
2.4　边界条件
　　在密相区入口，气体组分满足：

　　C_O2，b＝C_O2，e＝C_O2，inlet;　C_H2O＝C_CO2＝C_CO＝0 字串2

（13）

　　在密相区出口，各气体组分的平均值按下式计算：

　 字串5

（14）

3　数值模拟计算和分析
　　上述描述密相区和稀相区颗粒流动、传热和燃烧微分方程可采用龙格-库塔法求解，可确定在不同操作条件下的密相区和稀相区各气体组分、温度、热流密度、颗粒温度、颗粒粒度分布和颗粒含碳量等参数。
　　模拟计算是某台58　MW高温热水循环流化床祸炉。为简化计算，取平均炉膛横截面为2.5m×3.1m,高为8.4m。分离器分离效率为88.5%。表1给出燃用燃料特性。图1表示所用燃料颗粒的粒度分布。平均煤粒粒径为2.38mm。图中也给出密相区颗粒的颗粒粒度分布，平均颗粒粒径为1.86mm。计算结果表明随着颗粒直径增大，颗粒达到操作温度所需要的时间增大。图2表示燃料、密相区排出的溢流颗粒和炉膛出口扬析颗粒碳流量分布。密相区颗粒平均含碳量为2.45%。图3表示烟气温度沿炉膛高度分布。密相区平均烟气温度为946℃。计算结果表明沿炉膛高度烟气温度逐渐下降。图4表示热流密度沿炉膛高度的变化。由图可见沿炉膛高度热流密度逐渐下降，入口空气流速对热流密度影响很小，其变化趋势与烟气温度变化是相似的。

表1　燃用燃料特性

字串8

字串5