隨著燃煤循環(huán)流化床( CFB)鍋爐的廣泛應(yīng)用，如何有效地進(jìn)行CFB鍋爐設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)成為一個(gè)迫切需要解決的課題。由于計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬相對(duì)試驗(yàn)而言，其通用性、靈活性及快速性使得鍋爐設(shè)計(jì)可以建立在多方案比較和選擇的基礎(chǔ)上，從而使鍋爐設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。從電力發(fā)展規(guī)模和要求來(lái)說(shuō)，今后燃煤電站發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)容量為( 300~600) MW，因此，CFB鍋爐要能在電力工業(yè)中起較大作用，必須解決大型化問題，才能在容量上與煤粉爐競(jìng)爭(zhēng)。目前，燃煤流化床燃燒技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到商業(yè)化階段，在對(duì)商用CFB鍋爐進(jìn)行大型化設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行控制方案、控制策略、運(yùn)行特性的研究時(shí)，迫切需要開發(fā)出能夠同時(shí)反映流化床內(nèi)部和外部的主要物理化學(xué)過程，并能夠預(yù)測(cè)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的整體模型，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
    中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所( IET)結(jié)合近年來(lái)的研究成果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了75 t/h、130 t/h、220 t/h、410 t/h和650 t/h CFB鍋爐數(shù)值�；�工作，本文介紹模擬IET設(shè)計(jì)的某75 t/h CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)的情況，將計(jì)算參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析模型計(jì)算結(jié)果并從機(jī)理上分析結(jié)果的合理性。
1、75 t/h CFB鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)
    IET 75 t/h CFB鍋爐爐膛高度為20. 32 m，下二次風(fēng)離布風(fēng)板的高度為2. 22 m，上二次風(fēng)高度為4.52m。爐膛下部?jī)?nèi)襯耐磨材料，分離器采用高溫旋風(fēng)分離器。一次風(fēng)經(jīng)布風(fēng)板送入爐內(nèi)，二次風(fēng)又分為上下兩級(jí)，上二次風(fēng)的位置被用來(lái)確定密相區(qū)的高度。爐膛過量空氣系數(shù)為0.2，其中一次風(fēng)份額為0.55，空氣預(yù)熱溫度為180℃。計(jì)算中取密相區(qū)（也就是上二次風(fēng)以下區(qū)域）小室數(shù)目10個(gè)，稀相區(qū)小室數(shù)目20個(gè)。煤的元素工業(yè)分析結(jié)果見表1，給煤的粒徑分布見表2。
2、計(jì)算結(jié)果及分析
    假設(shè)揮發(fā)分在密相區(qū)內(nèi)完全、均勻釋放，額定負(fù)荷下的一些計(jì)算結(jié)果見表3。
    由表3可見，飛灰含碳量、灰渣含碳量、碳燃燒效率等均在合理范圍之內(nèi)，另外，爐膛頂部煙氣出口溫度為875℃，而設(shè)計(jì)溫度為900℃，二者相差不多。總的來(lái)說(shuō)，上述結(jié)果從定性的角度來(lái)看是合理的。CFB鍋爐模型對(duì)象的一個(gè)重要特性就是計(jì)算溫度、傳熱系數(shù)、物料濃度、氣體濃度等參數(shù)的分布特性。圖1給出了爐內(nèi)溫度沿爐膛高度的變化情況。
    從定性角度來(lái)看，CFB內(nèi)溫度分布比較均勻。大量試驗(yàn)表明，二次風(fēng)的加入往往會(huì)引起局部煙氣溫度的升高。本文雖然沒有預(yù)測(cè)出這種趨勢(shì)，但從圖1可以看到，在爐膛高度(2.5~5.0)m之間溫度下降速度要比(5.0~7.5)m之間快。這說(shuō)明二次風(fēng)的加入確實(shí)延緩了附近區(qū)域溫度下降趨勢(shì)。
    圖2給出了爐內(nèi)反應(yīng)釋熱速率沿爐膛高度變化情況。從該圖可以看出放熱速率存在2個(gè)極大值。1個(gè)位于給煤點(diǎn)附近，可以理解為給煤入爐后揮發(fā)分迅速釋放并燃燒從而放出大量熱量。而后，由于得不到足夠的氧氣，反應(yīng)速率變緩。隨著上二次風(fēng)的加入，補(bǔ)充了足夠的氧氣，因此反應(yīng)加速，形成反應(yīng)釋熱的另1個(gè)峰值，這也減緩了溫度的下降。
    圖3、圖4分別給出了爐內(nèi)顆粒流量及上下顆粒流量差沿爐膛高度的變化情況。從圖3可以看出，密相區(qū)內(nèi)單向的顆粒流量非常高，進(jìn)入稀相區(qū)之后顆粒流量急速下降。由于爐內(nèi)溫度非常高，在900℃左右，這些顆粒會(huì)帶著大量的顯焓進(jìn)入密相區(qū)中的某個(gè)小室。在這種情況下，該小室內(nèi)的反應(yīng)放熱僅占其總熱焓的很少一部分，因此燃燒放熱并不能明顯地改變此處的溫度。同樣道理，雖然二次風(fēng)的加入加快了反應(yīng)速度，但對(duì)溫度的影響較小。由于實(shí)際測(cè)量結(jié)果大多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下進(jìn)行的，床內(nèi)顆粒流量可能較小，因此二次風(fēng)能夠較大地改變此處的溫度。另外，從圖4還可以看到，密相區(qū)內(nèi)顆粒往上與向下流量之差為零，證明了密相區(qū)內(nèi)是充分混合的這個(gè)基本過程。在稀相段，顆粒上下流量之差為一個(gè)常數(shù)。從顆粒總體質(zhì)量平衡角度分析，這個(gè)差量約等于進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)的顆粒流量。從圖可以看出，在當(dāng)前工況下，進(jìn)入分離器的顆粒流量約為100kg/s。
    圖5給出了平均空隙率沿爐膛高度的變化情況�？梢钥闯觯�在布風(fēng)板附近區(qū)域，顆�？障堵适芤淮物L(fēng)的影響較大，顆粒較稀。但在密相區(qū)的大部分區(qū)域，空隙率比較一致，這也說(shuō)明密相床內(nèi)混合比較均勻。進(jìn)入稀相區(qū)之后，空隙率急速上升，而顆粒濃度急劇下降。這點(diǎn)同顆粒揚(yáng)析夾帶率的下降趨勢(shì)一致�？梢钥吹剑�在某個(gè)高度以上，空隙率或揚(yáng)析夾帶率基本上沒有變化。根據(jù)TDH（輸送高度）定義方法，可以據(jù)此確定這個(gè)特征高度。
    圖6給出了氧氣、二氧化碳和水蒸氣的濃度變化情況。該圖較明顯地顯示了煙氣濃度隨鍋爐進(jìn)風(fēng)的變化情況。從圖可以看出，二氧化碳的濃度在高度方向基本上是上升的，而水蒸氣的濃度在進(jìn)入稀相區(qū)之后基本上沒有變化。這可能同揮發(fā)分析出及燃燒模型有關(guān)，也可能同碳?xì)浠�合物的燃燒特性有關(guān)。因?yàn)�，一般情況下，碳?xì)浠�合物從煤中析出后能夠迅速燃燒并消耗干凈，其產(chǎn)物之一為H，O。由于模型中假定揮發(fā)分在密相區(qū)均勻釋放，因此水蒸汽濃度分布同揮發(fā)分析出模型一致。CO，濃度的不斷增加，一方面是因?yàn)镃O燃燒會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，另一方面焦炭在爐膛上部的燃燒也會(huì)增加CO，的排放。
    圖7給出了CO濃度變化情況。從圖可以看出，CO濃度隨著爐膛高度的增加，先是迅速上升，在某個(gè)位置達(dá)到第1個(gè)峰值（該處對(duì)應(yīng)著給煤點(diǎn)），說(shuō)明揮發(fā)分在此大量析出。而后CO與氧氣反應(yīng)被消耗。隨著高度的增加，CO由于得不到足夠的氧氣其濃度又會(huì)增加。直到上二次風(fēng)加入后，其濃度才逐漸減小。在爐膛出口處，CO的濃度約為20uL/L，
    圖8分別給出了氣泡相和乳化相中CO濃度的分布。從圖可以看出，二者之間區(qū)別較大。這說(shuō)明對(duì)氣泡相和乳化相分別考慮氣體質(zhì)量平衡是必要的。
    圖9給出了稀相區(qū)中環(huán)行區(qū)厚度變化情況�？梢钥吹�，隨著爐膛高度的增加，環(huán)區(qū)的厚度逐漸變薄，最大環(huán)區(qū)的厚度約為210mm。
    圖10給出了爐膛中傳熱系數(shù)的變化情況。由于床高2.0m以下區(qū)域布置有耐磨材料，該區(qū)域中的實(shí)際換熱系數(shù)應(yīng)為上圖中的數(shù)值乘以系數(shù)0.6。從圖可以看出，密相床中的換熱系數(shù)約為240 W/(m2K)。在密相床以上隨著高度的增加，由于固體濃度開始隨高度急劇減小，隨后趨于平緩，所以換熱系數(shù)也有一個(gè)先急劇下降，然后又趨于平緩的過程。在爐膛出口處，總的換熱系數(shù)約為118 W/(m2K)。同時(shí)還可以看到，總傳熱系數(shù)主要隨對(duì)流傳熱系數(shù)而變化。這是因?yàn)闋t內(nèi)溫度均勻，輻射傳熱系數(shù)相對(duì)變化不大的緣故。
3結(jié)論
    本文用所建模型預(yù)測(cè)了IET設(shè)計(jì)的某75 t/h CFB鍋爐的燃燒性能。從定性的角度來(lái)看，計(jì)算結(jié)果基本上是合理的。所預(yù)測(cè)的各參數(shù)變化趨勢(shì)基本上能夠從模型中得到解釋，驗(yàn)證了模型與計(jì)算結(jié)果的一致性，富通新能源不但銷售生物質(zhì)鍋爐，同時(shí)我們也銷售木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。