循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程仿真研究

殷術(shù)貴，吳智恒，張華偉，黃棟

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510651)

?

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程仿真研究

殷術(shù)貴，吳智恒，張華偉，黃棟

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510651)

摘要：建立循環(huán)流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler，CFBB)的二維幾何模型，采用歐拉雙流體模型與離散相模型相結(jié)合的方法對CFBB燃燒過程進(jìn)行仿真分析。根據(jù)仿真所得鍋爐內(nèi)部床料顆粒、煤粉顆粒分布情況以及氣相溫度場、濃度場等多物理場分布特點(diǎn)，得出結(jié)論：同時(shí)使用歐拉雙流體模型與離散相模型具有可行性；在CFBB燃燒過程中，內(nèi)部煤粉的火焰位置是變化的。下一步的研究重點(diǎn)是CFBB三維幾何模型的仿真分析。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；燃燒；氣固兩相流；雙流體模型；離散相模型

循環(huán)流化床鍋爐(circulating fluidized bed boiler，CFBB)因其燃料適應(yīng)性廣、低NOx排放、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大、燃料制備系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，正向大型化、超臨界方向發(fā)展。在CFBB內(nèi)部流動(dòng)和燃燒特性的理論研究中，因其爐內(nèi)流體動(dòng)力特性十分復(fù)雜，至今仍沒有被完全了解，但爐膛內(nèi)存在下部密相區(qū)和上部稀相區(qū)已被普遍接受。根據(jù)對氣固兩相流離散相的不同處理方式，CFBB氣固兩相流數(shù)值模擬可分為雙流體模型和顆粒軌道模型，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的小室模型和能量最小尺度模型[1-2]。吳斌、白志剛等[3-4]采用基于顆粒動(dòng)力學(xué)理論的歐拉雙流體模型對CFBB爐膛內(nèi)氣、固流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，蔡杰等[5-6]利用顆粒軌道模型對噴動(dòng)床內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，李德波等[7]對拉格朗日下顆粒相數(shù)值計(jì)算與直接數(shù)值模擬進(jìn)行了對比。

在上述研究工作中，對CFBB爐膛內(nèi)部氣固兩相流的模擬多側(cè)重于將雙流體模型與顆粒軌道模型分開，罕有同時(shí)采用雙流體模型與離散相模型。本文通過對某電廠CFBB建立幾何模型，借助ANSYS Fluent軟件，將雙流體模型與離散相模型同時(shí)運(yùn)用于鍋爐燃燒過程的仿真計(jì)算中，得出爐內(nèi)溫度場、濃度場以及固體顆粒分布情況。

1CFBB燃燒過程的數(shù)學(xué)模型

1.1幾何模型

圖1　CFBB二維　幾何模型

CFBB包括一次風(fēng)系統(tǒng)、二次風(fēng)系統(tǒng)、布風(fēng)板和爐膛等，本文主要著眼于考察雙流體模型與離散相模型聯(lián)合使用的仿真效果。為了加快計(jì)算速度，采用二維CFBB幾何模型，如圖1所示。

1.2數(shù)學(xué)模型

CFBB燃燒過程是典型的連續(xù)生產(chǎn)過程，煤粉顆粒進(jìn)入爐膛后在高溫環(huán)境下發(fā)生劇烈燃燒，并與周圍的氣流發(fā)生動(dòng)量、質(zhì)量與能量的交換。本文將下部密相區(qū)床料顆粒相視為連續(xù)相，進(jìn)入爐膛的煤粉顆粒相采用顆粒軌道模型(即離散相)描述。

殷術(shù)貴，等：循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程仿真研究

1.3化學(xué)反應(yīng)模型

煤粉顆粒進(jìn)入鍋爐爐膛后被周圍高溫氣流加熱而迅速發(fā)生反應(yīng)，本次模擬對燃燒過程進(jìn)行了簡化處理，燃燒過程主要包括揮發(fā)分熱解反應(yīng)、焦炭燃燒反應(yīng)等。

揮發(fā)分熱解反應(yīng)式為

volatile→0.24tar+0.24CO+0.24CO2+0.12CH4+

0.2H2O+0.04H2.

焦炭燃燒反應(yīng)式為：

3C+2O2→2CO+CO2，

C+CO2→2CO，

CO+0.5O2→CO2，

CH4+2O2→CO2+2H2O，

H2+0.5O2→H2O.

1.4操作參數(shù)

計(jì)算模型中只考慮氣、固拽力作用，不考慮升力及虛擬質(zhì)量力。仿真模擬操作參數(shù)：初始床高500 mm，最大堆積體積分?jǐn)?shù)0.55，床料直徑2 mm，一次風(fēng)量263 180 m3/h，二次風(fēng)量126 524 m3/h，氣相體積質(zhì)量1.225 kg/m3，固相體積質(zhì)量2 700 kg/m3，返料口給煤量84 t/h。給煤口煤粉各成分所占比例：揮發(fā)分20%，焦炭45%，灰分25%，水分10%。

2CFBB燃燒過程仿真結(jié)果

2.1床料顆粒相分布

圖2為CFBB床料顆粒分布云圖。

圖2　CFBB床料顆粒分布

由圖2可看出：初始時(shí)刻，床料平鋪在爐膛底部，隨著一次風(fēng)的進(jìn)入，床料在風(fēng)的帶動(dòng)下開始往上涌動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一段距離后，由于爐膛截面變大，風(fēng)速減小，對床料的帶動(dòng)減弱，風(fēng)的拽力小于床料顆粒自身的重力，床料又向下運(yùn)動(dòng)，使床料在密相區(qū)上下波動(dòng)；同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，床料顆粒在爐膛兩側(cè)壁面位置的體積分?jǐn)?shù)增大，說明填料顆粒由中部位置朝著爐膛兩邊壁面運(yùn)動(dòng)。

2.2離散相顆粒分布

圖3為CFBB爐膛內(nèi)煤粉顆粒分布云圖。

圖3　CFBB爐膛內(nèi)煤粉顆粒分布

從圖3可看出，5 s后，從返料口進(jìn)入爐膛的煤粉顆粒受布風(fēng)板一次風(fēng)帶動(dòng)而向上運(yùn)動(dòng)。

2.3溫度分布

圖4為CFBB爐膛氣相溫度分布云圖。

圖4　CFBB爐膛氣相溫度分布

由圖4可看出：在5 s以前，由于沒有加入煤粉顆粒，整個(gè)爐膛溫度分布均勻；5 s以后，加入了煤粉顆粒，煤粉著火燃燒使周圍氣溫迅速升高，氣體向四周擴(kuò)散，隨著時(shí)間的推移，高溫氣體向整個(gè)爐膛擴(kuò)散，最后從爐膛出口流出；爐膛內(nèi)部著火位置隨時(shí)間變化，即火焰位置是飄動(dòng)的，8 s時(shí)火焰位于爐膛底部中心位置，10 s和15 s時(shí)火焰靠近爐膛左邊。

2.4摩爾分?jǐn)?shù)分布

圖5為8 s時(shí)爐膛內(nèi)部O2、CO、CO2的摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖5　CFBB爐膛內(nèi)部各氣體分布

由圖5(a)可以看出：煤粉進(jìn)入爐膛后與周圍的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致返料口部位O2急劇消耗；在煤粉顆粒聚集地方，O2嚴(yán)重不足，其摩爾分?jǐn)?shù)幾乎為零；在遠(yuǎn)離煤粉顆粒的地方，由于沒有化學(xué)反應(yīng)，O2的摩爾分?jǐn)?shù)較高。由圖5(b)和(c)可看出：在返料入口段附近，煤粉燃燒產(chǎn)物為CO；當(dāng)外圍摩爾分?jǐn)?shù)較高的O2接觸到CO時(shí)，燃燒反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，生成CO2，隨后CO2隨煙氣從出口流出。

3結(jié)論

本文采用歐拉雙流體模型與離散相模型相結(jié)合的方法對CFBB進(jìn)行仿真模擬，研究鍋爐爐膛內(nèi)部第二相和離散相的顆粒分布，以及氣相濃度場、溫度場等多物理場分布的特點(diǎn)。得出如下結(jié)論：

a)在氣固兩相流仿真模擬中，將歐拉雙流體模型和離散相模型聯(lián)合使用可以模擬稀相區(qū)和密相區(qū)的顆粒分布。本文中，床料顆粒為第二相，送入爐膛的煤粉顆粒為離散相。

b)CFBB內(nèi)部煤粉的火焰位置是變化的，有向前墻飄動(dòng)的趨勢，這對前墻危害較大，影響鍋爐運(yùn)行壽命。由于煤粉燃燒受O2的影響較大，建議從配風(fēng)方面入手對鍋爐進(jìn)行改善。

本文采用二維模型進(jìn)行仿真模擬，為了更準(zhǔn)確地反映CFBB內(nèi)部燃燒過程，下一步將進(jìn)行三維模型的仿真研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王勤輝，駱仲泱，李絢天，等. 循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)和燃燒特性的理論模型[J].動(dòng)力工程，1999,19(4):269-328.

WANG Qinhui,LUO Zhongyang,LI Xuantian,et al. Characteristics of Fluid Dynamics and Combustion in aCirculating Fluidized Bed Boiler Furnace Theory and Model[J].Power Engineering,1999,19(4):269-328.

[2] 劉洪鵬，肖劍波，王敬斌，等.循環(huán)流化床氣固兩相流動(dòng)數(shù)值模擬的研究進(jìn)展[J]. 化工機(jī)械，2014，41(1):6-8.

LIU Hongpeng，XIAO Jianbo，WANG Jingbin，et al. Research Progress in Numerical Simulation of Gas-Solid Flow on CFB[J].Chemical Engineering & Machninery,2014，41(1):6-8.

[3] 吳斌，吳凱. 75 t/h循環(huán)流化床鍋爐爐膛氣固流場的數(shù)值模擬[J].節(jié)能，2014(6):18-22.

WU Bin，WU Kai. Numerical Simulation of Gas-Solid Hydrodynamicsin the 75 t/h CFB Boiler[J].Enercy Conservation,2014(6):18-22.

[4] 白志剛，楊晨. 循環(huán)流化床氣固兩相流動(dòng)模擬[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009,26(3):272-275.

BAI Zhigang, YANG Chen. Numerical Simulation of Gas-Solid Flow in CFB[J]. Computer Simulation,2009,26(3):272-275.

[5] 蔡杰，凡鳳仙，袁竹林. 循環(huán)流化床氣固兩相流顆粒分布的數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(20):71-75.

CAI Jie,FAN Fengxian,YUAN Zhulin.Numerical Simulationon Solids Fraction Distribution in Straw Burned Circulating Fluidized Beds[J]. Proceedings of the CSEE,2007，27(20):71-75.

[6] HE Y R，WANG T Y，DEEN N，et al. Discrete Particle Modeling of Granular Temperature Distribution in a Bubbling Fluidized Bed[J]. Particuology，2012，10(4):428-437.

[7] 李德波，徐齊勝，樊建人，等. 拉格朗日下顆粒相數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵問題研究[J]，廣東電力，2013,26(10):19-23.

LI Debo, XU Qisheng, FAN Jianren, et al. Study on Key Points of Particle Phase Value Calculation Based on Lagrange Method [J]. Guangdong Electric Power,2013,26(10):19-23.

殷術(shù)貴(1986)，男，重慶忠縣人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事循環(huán)流化床鍋爐仿真工作。

吳智恒(1970)，男，廣西南寧人。教授級高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事機(jī)電一體化、智能制造方面的工作。

張華偉(1979)，男，山東威海人。高級工程師，工學(xué)博士，主要從事機(jī)電產(chǎn)品可靠性數(shù)值模擬仿真方面的工作。

(編輯李麗娟)

Simulation Research on Combustion Process of Circulating Fluidized Bed Boiler

YIN Shugui, WU Zhiheng, ZHANG Huawei, HUANG Dong

(Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou, Guangdong 510651, China)

Abstract：Two-dimension geometric model for circulating fluidized bed boiler (CFBB)is established and combination method of Euler-Euler two fluid model and discrete phase model is used for simulating analysis on combustion process of CFBB. According to characteristics of multi-physics field distribution including bed material particles, distribution of pulverized coal particles, gas phase temperature field, concentration field, and so on inside the boiler, it is concluded that it is feasible to use Euler-Euler two fluid model and discrete phase model at the same time, and in process of CFBB combustion, flame position of internal pulverized coal is changing. Next research key point is simulating analysis on three-dimension geometric model of CFBB.

Key words：circulating fluidized bed boiler; combustion; gas-solid two-phase flow; Euler-Euler two fluid model; discrete phase model

作者簡介：

中圖分類號：TK224

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)01-0008-03

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.002

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B070706025，2015A030401072，2015B010111001)

收稿日期：2015-08-06