循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性與煤種關(guān)系的研究

付 超

遼河油田公司電力集團，遼寧盤錦 124022

循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性與煤種關(guān)系的研究

付 超

遼河油田公司電力集團，遼寧盤錦 124022

由于煤炭資源供應(yīng)緊張，循環(huán)流化床鍋爐很難長期穩(wěn)定的使用設(shè)計煤種，因此，煤種的多樣性給循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定、高效運行帶來了很多問題。針對我國煤種多樣的實際情況，研究循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性與煤種關(guān)系，對鍋爐的穩(wěn)定運行和提升電廠的經(jīng)濟效益都有重要的現(xiàn)實意義。本文首先介紹了無煙煤和褐煤兩種煤種的燃燒特點，然后又分析了循環(huán)流化床爐內(nèi)燃煤燃燒的數(shù)學(xué)模型，最后對褐煤進行了數(shù)值模擬和結(jié)果分析。

.循環(huán)流化床；鍋爐燃燒特性；煤種

1 概述

隨著人們對電力的需求逐漸增長，循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)量在我國呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢。但是由于我們煤炭資源供應(yīng)緊張，循環(huán)流化床鍋爐很難長期穩(wěn)定的使用設(shè)計煤種，因此，煤種的多樣性給循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定、高效運行帶來了很多問題，例如：鍋爐出力不足、燃燒穩(wěn)定性差等。針對我國煤種多樣的實際情況，研究循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性與煤種關(guān)系，對鍋爐的穩(wěn)定運行和提升電廠的經(jīng)濟效益都有重要的現(xiàn)實意義。本文以一臺300mW循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，使用FLUENT軟件，對流化床鍋爐燃燒特性與煤種的關(guān)系進行模擬分析，模擬分析的結(jié)果是，該鍋爐適合燃用褐煤。

2 煤種變化和循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性

循環(huán)流化床鍋爐雖然具有負荷調(diào)節(jié)性能好、煤種適應(yīng)性廣的優(yōu)點，但是不同性質(zhì)的燃料對其鍋爐的燃燒效率、爐內(nèi)溫度分布有著重要的影響。

2.1 不同煤種的燃燒特點

1）無煙煤煤種的燃燒特點。無煙煤由于煤齡長，碳化程度較高，因此無煙煤燃燒時間長、著火溫度高、發(fā)熱量高、析出溫度高，鍋爐的飛灰含碳量大。當(dāng)無煙煤顆粒進入循環(huán)流化床后，燃燒時爆裂形成的粉末較多；

2）褐煤煤種的燃燒特點。我國的褐煤資源多為老年褐煤，具有固定碳含量低、發(fā)熱量低、高水分、高灰分、高揮發(fā)分的特點，當(dāng)褐煤顆粒進入循環(huán)流化床后，容易著火燃燒、容易結(jié)渣。

2.2 煤種變化與鍋爐燃燒特性的關(guān)系

煤種變化對循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性造成的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）對鍋爐燃燒效率的影響。燃煤的揮發(fā)分含量、結(jié)構(gòu)特性、含碳量、灰熔點等都會對循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率帶來影響。例如揮發(fā)分含量較少的燃煤，由于內(nèi)部揮發(fā)分不容易析出，所以燃燒效率降低。對于揮發(fā)分含量較高的褐煤燃料，由于結(jié)構(gòu)松軟，因此燃燒速率高，循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率也得到提高；

2）對爐內(nèi)溫度分布的影響。由于燃燒煤種的變化，燃燒的發(fā)熱量改變，床溫變化，爐內(nèi)燃燒份額改變，從而影響鍋爐內(nèi)的溫度分布。

3 循環(huán)流化床爐內(nèi)燃燒的數(shù)學(xué)模型

煤顆粒進入循環(huán)流化床鍋爐以后，要經(jīng)歷以下過程：

圖1 煤顆粒燃燒過程

為了方便模擬煤顆粒在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒，本文不考慮污染物的排放，只考慮揮發(fā)份和焦炭的燃燒。

3.1 揮發(fā)份的析出和燃燒

揮發(fā)份的析出量和析出速率和溫度有密切的關(guān)系，揮發(fā)份的燃燒影響氧氣濃度在循環(huán)流化床鍋爐截面的分布等。通常我們認為揮發(fā)份的析出時間是燃燒條件的函數(shù)，具體可表達為：

式中tv是揮發(fā)份析出時間，a是常數(shù)，n是指數(shù)常數(shù)，dp是顆粒給料時的直徑。

揮發(fā)份的析出量可以用活化能分布模型表示，其含義是單位質(zhì)量煤的揮發(fā)份析出量通過不同反應(yīng)活化能的單獨反應(yīng)的積分來表述，其表達式如下：

其中f（E）是活化能分布函數(shù)，E是活化能，E0是平均活化能，σ是平均活化能E0的標(biāo)準(zhǔn)方差。

揮發(fā)份的析出過程作為煤燃燒的重要組成部分，大家對其燃燒區(qū)域的研究卻不多。對揮發(fā)份析出的燃燒區(qū)域一般假設(shè)為揮發(fā)份在給煤點附近迅速析出并燃燒。

3.2 焦碳燃燒

焦碳顆粒通過整個循環(huán)流化床爐膛的時間大概在10秒之內(nèi)，為了焦炭的完全燃燒，顆粒在床內(nèi)總的停留時間必須大于焦碳的燃燒時間。焦炭燃燒的最簡單的就是碳在氧氣的作用下轉(zhuǎn)化成二氧化碳，其基本表達式如下：

但是焦炭在實際的燃燒過程中，并不像上述表達式那么簡單。第一種情況是氧氣擴散到焦碳表面，焦碳被氧化為一氧化碳，一氧化碳繼續(xù)燃燒又生成二氧化碳；第二種情況是焦碳燃燒同時生成一氧化碳和二氧化碳，一氧化碳繼續(xù)燃燒又生成二氧化碳。上述兩種情況用一個式子綜合表示焦炭的燃燒過程：

其中?是機理因子，它決定了CO和CO2之間的比例。

通常情況下，焦炭的燃燒速度和化學(xué)反應(yīng)速率、焦炭內(nèi)部擴散速率和顆粒外部氣體的擴散速率這三個因素有關(guān)。在循環(huán)流化床鍋爐的實際燃燒過程中，由于同時進爐的燃煤性質(zhì)不均勻，我們一般認為細顆粒的燃燒在內(nèi)部進行，大顆粒的燃燒發(fā)生在顆粒表面。

4 數(shù)值模擬和結(jié)果分析

本文以一臺300mW循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，對褐煤燃料情況下鍋爐燃燒的數(shù)值模擬使用FLUENT軟件進行求解，得出爐膛溫度分布云圖和焦炭燃盡圖等模擬結(jié)果。

燃用褐煤時的模擬結(jié)果和分析：

1）溫度場分布情況。溫度場分布情況是模擬分析的首要問題，通過模擬分析看到，在爐膛高度約4m的地方，由于煤粉顆粒濃度高和爐膛的內(nèi)外二次風(fēng)流速較高，使得煤粉顆粒的燃燒充分，該高度出現(xiàn)1 450K的高溫區(qū)域。爐膛墻壁兩側(cè)和中心位置，由于沒有足夠的氧氣，使得煤粉不能很快燃燒，呈現(xiàn)出溫度較低；

2）焦炭燃盡情況。本文在進行分析時跟蹤一組10顆煤粉顆粒的焦炭燃盡情況，通過分析得到，這組顆粒在爐膛高度10m的地方出現(xiàn)焦炭的燃燒過程，在爐膛高度17m的高度燃燒結(jié)束。該過程正好印證燃煤的燃燒原理，在燃煤顆粒進入到爐膛后，先加熱、干燥，然后揮發(fā)分的析出、燃燒，當(dāng)揮發(fā)分燃燒完全后，開始焦炭的燃燒過程；

3）混合分數(shù)分布情況?；旌戏謹?shù)的分布情況直觀的反映出燃燒過程中連續(xù)和離散的混合情況，通過分析觀察到，在爐膛高度約4m的地方，由于煤粉顆粒濃度增高和內(nèi)外二次風(fēng)同時送入爐中，造成密相區(qū)的氣體和煤粉顆粒混合相當(dāng)充分，混合分數(shù)從0.01劇增到0.17。

通過DCS控制系統(tǒng)檢測到的該循環(huán)流化床鍋爐溫度場分布情況和壓力分布情況可以看出，和上述模擬結(jié)果基本相同，模擬結(jié)果符合設(shè)計的燃燒溫度。

5 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐的雖然具有煤種適應(yīng)性強的優(yōu)點，但是由于燃煤特性很大程度上決定著鍋爐的燃燒特性。因此，對于一臺給定的循環(huán)流化床鍋爐，要想保證其燃燒效率高、飛灰含碳量低等優(yōu)點，就要選擇合適的燃燒煤種。

[1]于龍.循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究展望[J].熱能動力工程，2004(4).

[2]張麗華，支元珍，等.燃用無煙煤的循環(huán)流化床鍋爐的運行體會[J].電力設(shè)備，2003(3).

TK229.5..

A

.1674-6708（2011）52-0090-02

付超，助理工程師，研究方向：電廠鍋爐運行