循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真設計

孫曉晴

（山西省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原030032）

循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真設計

孫曉晴

（山西省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原030032）

我國在一定時期內仍將會以煤炭為主要能源，煤炭資源在燒燒時會產生大量二氧化碳、硫化氣體等，這些污染氣體將會嚴重阻礙我國社會環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，在保障煤炭能源和社會環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本要求下，煤炭能源的清潔成為當前社會的主要潮流，而循環(huán)流化床鍋爐成為當前煤炭能源清潔的主要設備。以新鄉(xiāng)HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為例進行模擬仿真設計，構建一個循環(huán)流化床鍋爐燃燒仿真系統(tǒng)，并對最后的模擬仿真系統(tǒng)進行分析。

循環(huán)流化床鍋爐；燃燒系統(tǒng)；模擬仿真

0　引言

我國作為全世界的能源大國，我國經濟的高速增長離不開能源的支持，能源是我國經濟增長的基礎。然而，近些年來，由于我國過度消耗煤炭等能源，使得我國環(huán)境日益惡劣，我國環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重挑釁。為了有效保障環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和能源生產的協(xié)調發(fā)展，煤炭清潔技術應運而生，這種技術不僅可以提高能源的效率，還能有效降低能源燃燒過程中產生的污染氣體。循環(huán)流化床鍋爐技術作為煤炭清潔的主要方式，成為當前世界各國主要研究的熱點問題，但是，該技術的實體實驗常常造價昂貴，不適合在實際中進行，因此循環(huán)流化床的模擬仿真就表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

1　模擬仿真對象

本文就對新鄉(xiāng)HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為模擬仿真對象。這種型號的鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠結合德國ALSTOM公司的EVT技術生產的，它可以滿足在高溫高壓的環(huán)境下進一步對煤炭能源優(yōu)化。這種型號的鍋爐廣泛應用在日常生活中，并派生出多種不同類型的循環(huán)流化床鍋爐，以HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為對象具有一定的代表性。

2　循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型及仿真

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過程中，其內部能源的質量及能源產生的能量均遵守質量守恒定律，因此，建立起的循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型包括了以各種形式（固體、氣體）存在的能源守恒，能源的質量守恒成為鍋爐模型構建的基礎。在循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型是由多種不同的子模型組成的，以下就對循環(huán)流化床鍋爐的子模型進行分析。

2.1鍋爐部件模型

循環(huán)流化床鍋爐設計中最為關鍵的部件就是對分離裝置的設計，在實際工作中旋風分離器是最為普遍的分離部件。在旋風分離器處于工作狀態(tài)時，其內部氣態(tài)、固態(tài)的能源流動是一個極其復雜、放大的過程，本文為便于說明對其進行假設：以氣態(tài)形式存在的能源在分離器中運動時，將其運動軌跡看作是柱塞流且氣態(tài)能源的橫截面積與分離器入口的橫截面相同；忽略煤炭顆粒在隨氣體旋轉的縱向分離，只將縱向分離的過程發(fā)生于氣流的底部；忽略其他切應力因素對氣態(tài)、固態(tài)中的滑移速度，只考慮分離器進口的橫截面積等［1］。

通過簡化實際情況，可以得到煤炭顆粒i在分離器中的物料平衡：

其中，Ci是煤炭顆粒i的滲透量；Vpi是煤炭顆粒i的流速；Dspi是煤炭顆粒i的縱向分離模量；Gspi是煤炭顆粒i的產生速率；l是氣體沿離器螺旋上升的高度。

2.2煤炭顆粒的燃燒模型

煤炭顆粒的燃燒是一個不斷發(fā)生化學變化、能量變化的復雜過程。而煤炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒時，其變化的過程更加復雜，為了方便研究，將煤炭顆粒進入循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程總結為：煤炭顆粒進入循環(huán)流化床鍋爐爐膛內，煤炭顆粒的去濕，煤炭顆粒中各種揮發(fā)份的排放，煤炭顆粒的燃燒，剩余煤炭顆粒的二次燃燒等。

在煤炭顆粒的燃燒過程中，為便于說明對煤炭顆粒進行假設：煤炭顆粒在燃燒過程中產生的CO、CO2均屬于一次燃燒產物；在煤炭顆粒一次燃燒過程中產生的CO將繼續(xù)留在爐膛燃燒；對于灰分不同的煤炭顆粒，將其籠統(tǒng)分為三類：高灰分煤炭顆粒、低灰分煤炭顆粒、小顆粒煤炭顆粒，這三種不同灰分的煤炭顆粒在燃燒過程中分別以雙收縮核、單收縮核、核不發(fā)生變化的形式燃燒。

在煤炭顆粒的燃燒過程中，為便于說明對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中的氣體進行假設：對于煤炭顆粒燃燒產生的多種揮發(fā)份，僅以一種揮發(fā)份進行表示；對于產生的多種氣體不對脫硫進行考慮；多種氣體之間的化學反應僅有爐膛內的應動力控制。

此時，可以得出煤炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒的計算公式：

其中，F(xiàn)s是煤炭顆粒中碳含量和氧含量總反應量的比值；CO2，是在相當遠的區(qū)域內氧的含量濃度；Ks是煤炭顆粒中碳的燃燒速率；R是煤炭顆粒的半徑；Rl是煤炭顆粒二次燃燒后的半徑；δ是煤炭顆粒的灰分厚度；Kc是煤炭顆粒在燃燒過程中發(fā)生化學變化的速率；β0是煤炭顆粒在燃燒過程中發(fā)生流體和爐膛的質量運動模數(shù)；Dk是氧氣擴散系數(shù)。

2.3循環(huán)流化床鍋爐傳熱模型

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過程中，受到爐膛著熱面、導熱模數(shù)、爐膛著熱面的材質、爐膛設計形狀等的影響，同時也和爐膛內部煤炭顆粒的流動速度、煤炭顆粒的密度、煤炭顆粒的大小有關。通過對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中著熱面模數(shù)計算所得數(shù)據(jù)，和實際生產中的數(shù)據(jù)比較相符，誤差范圍在±5%內，作為實際生產制造相對合理，這種爐膛內傳熱模型已成功應用在實際生產中。

在循環(huán)流化床鍋爐燃燒傳熱過程中，流化床和爐膛內壁的換熱是通過流化床內部中心盤旋上升的氣體及其中夾雜的煤炭顆粒雜質和爐膛內壁進行的能量交換，在爐膛內部氣體和物料夾雜混合后與爐膛內壁的能量交換分為對流和散射兩種形式［2］，因此，可以得出循環(huán)流化床鍋爐傳熱的總能量，及對流和散射的線性和，其可以表示成：

其中，γr是煤炭顆粒散射換熱模數(shù)；γc是煤炭顆粒對流換熱模數(shù)；ε是流化床和爐膛內壁的系統(tǒng)輻射率；σ是玻爾茲曼常數(shù)；γgc是煤炭顆粒燃燒后出現(xiàn)的煙氣對流交換能量的模數(shù)；γpc是煤炭顆粒燃燒對流交換能量的模數(shù)。

3　循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)模型的分析

3.1氣固態(tài)能源質量平衡

在循環(huán)流化床鍋爐內部燃燒系統(tǒng)中，在任何區(qū)域中，氣固態(tài)能源質量守恒，可以從下式看出：

其中，F(xiàn)in，i是煤炭顆粒i到達某一區(qū)域量的總數(shù)；Fout，i是煤炭顆粒i離去某一區(qū)域量的總數(shù)；是煤炭顆粒i經過物理、化學反應損失的量；則表示了煤炭顆粒i的變化數(shù)，將零值作為其穩(wěn)態(tài)。

3.2氣固態(tài)能源能量平衡

對于循環(huán)流化床鍋爐內部燃燒系統(tǒng)中，將其內部任意區(qū)域的非穩(wěn)態(tài)能量守恒表示成：

對于循環(huán)流化床鍋爐內部燃燒系統(tǒng)中，假定其內部密封完好，氣態(tài)無散失，將其內部任意區(qū)域的穩(wěn)態(tài)能量守恒表示成：

在穩(wěn)態(tài)循環(huán)流化床鍋爐內部燃燒系統(tǒng)中，能量轉換的值是對流和散射能量的總和，即Q換= Q對流+Q散射。在該式中，Q對流、Q散射分別是對流、散射在內部某一區(qū)域內的能量變化量；Q進是煤炭顆粒i進入該區(qū)域所攜帶的總能量；Q放是煤炭顆粒i在該區(qū)域內所釋放的總能量；Q出是煤炭顆粒i在離出該區(qū)域所攜帶的總能量。

4　循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的仿真

通過上文對HG-440型循環(huán)流化床鍋爐模型的設計，本文就對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中的不同空氣濃度對循環(huán)流化床鍋爐燃燒的影響、循環(huán)流化床鍋爐爐膛燃燒區(qū)域、循環(huán)流化床鍋爐爐膛分離裝置等進行了仿真，這樣可以清晰、直接地觀察到循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程，對于促進循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真研究起到推動作用［3］，如圖1，圖2。

圖1　循環(huán)流化床鍋爐仿真系統(tǒng)界面

圖2　不同氧濃度下在循環(huán)鍋爐爐膛高度的分布

5　結束語

循環(huán)流化床鍋爐作為我國近些年來迅速崛起的一項低能耗、低污染的燃煤技術。由于其特有的優(yōu)勢，在當代電力行業(yè)、熱力行業(yè)等重工業(yè)中廣泛應用，并取得了巨大的進步。本文通過對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中的模型進行分析設計，并對循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程進行仿真，以期給循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真設計起到拋磚引玉的效果。

［1］劉小娜.循環(huán)流化床鍋爐整體特性建模與仿真［D］.北京：中國石油大學，2008.

［2］郭祥華.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)建模與仿真［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2011.

［3］周韌峰.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程的動態(tài)特性及控制仿真［D］.武漢：華中科技大學，2011.

Simulation Design of Circulating Fluidized Bed Boiler

SUN Xiao-qing
（Institute of Animal Science and Veterinary Medicine，Shanxi Academy of Agricultural Science，Taiyuan030032，China）

Coal resources in burning will produce a lot of carbon dioxide，sulfur dioxide，etc.，which will seriously impede the sustainable development of China's social environment.Therefore，in the protection of coal energy and social environment for the sustainable development of the basic requirements，the clean coal energy becomes the main trend of the current society，and the circulating fluidized bed boiler become the main equipment of coal energy clean.In this paper，takes the Xinxiang HG-440 type circulating fluidized bed boiler as an example to simulate the design，constructs a circulating fluidized bed boiler combustion simulation system，and analyzes the simulation system.

circulating fluidized bed boiler；combustion system；simulation

TP391.72

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0093-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.026

孫曉晴，女，1962年生，山西太原人，大學本科。研究領域：鍋爐設計。

（編輯：向飛）

2015-10-13