循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性與煤種關系的研究

劉運乾

摘要：在如今世界煤炭資源相對供應緊張以及經(jīng)濟快速發(fā)展的情況下，循環(huán)流化床長期燃用設計煤種是很難實現(xiàn)的，對于煤種適應性廣的流化床來說也是一種性能浪費。多樣性的煤種會對循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定和高效運行過程帶來很多值得商榷的問題。文章以我國煤種的實際多樣情況為依據(jù)，對煤種與循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性進行了相關的研究。這不僅可以提高電廠的經(jīng)濟效益，也可以保證鍋爐的穩(wěn)定運行。文章給選取煤種中典型的兩種煤，無煙煤和褐煤；首先對其煤種特點進行了介紹，然后對燃煤在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒建立數(shù)學模型進行分析，最后通過數(shù)值模擬和結果分析對循環(huán)流化床不同煤種對燃燒的影響進行了分析與研究。

關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；燃燒特性；煤種關系

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電力的需求在持續(xù)不斷的增長，甚至出現(xiàn)井噴式增長?？紤]到我國的實際情況，煤炭資源消耗量巨大，資源相對緊張，一般的煤粉鍋爐很難長期穩(wěn)定的使用設計煤種。因此，煤種適應性強的循環(huán)流化床鍋爐被越來越多的應用，目前循環(huán)流化床的應用呈逐年遞增的趨勢，循環(huán)流化床的應用朝著大型化、高參數(shù)發(fā)展。因此，聯(lián)系到我國實際煤種的多樣性運行情況，想要提升電廠的經(jīng)濟效益和保證鍋爐的穩(wěn)定運行，就要對煤種與循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性的關系進行研究。本文的研究對象是一臺300MW的循環(huán)流化床鍋爐，通過FLUENT軟件對煤種與循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性進行模擬，然后對結果進行分析研究。

1 循環(huán)流化床鍋爐的國內(nèi)外發(fā)展情況

循環(huán)流化床鍋爐是將燃料流化后進行循環(huán)燃燒的鍋爐。其主要是在20世紀發(fā)展起來的一種潔凈煤的燃燒技術其具有高效率、低污染的綜合性能特點。由于其在技術上具有的獨特性，在世界范圍內(nèi)此領域的發(fā)展越來越迅速。循環(huán)流化床鍋爐的主要特點就是具有較高的脫硫效率、床溫均勻、燃料適應性廣和操作靈活的等優(yōu)勢性能。

世界上第一臺商用循環(huán)流化床鍋爐于1979年在芬蘭誕生。發(fā)展到現(xiàn)今，循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展已經(jīng)列入了美國的ASME標準，并逐漸向著高參數(shù)和大型化的發(fā)展邁進。而在我國，從20世紀90年代開始發(fā)展到今天，中國已經(jīng)成為了世界上循環(huán)流化床鍋爐臺數(shù)最多和總蒸發(fā)量最大的國家，總運行臺數(shù)也已經(jīng)超過了其他國家的運行臺數(shù)的總和，其發(fā)展的速度和成果都是顯而易見的。最值得肯定的是，我國在此領域已經(jīng)逐漸擺脫了國外技術條件的限制，已經(jīng)有了自主知識產(chǎn)權和自主研發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐，在國內(nèi)的應用非常廣泛。

2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性與煤種變化的關系

負荷調(diào)節(jié)性能好、煤種適應性能廣是循環(huán)流化床鍋爐所具有的特點，但煤種變化會對其燃燒效率、爐內(nèi)溫度及系統(tǒng)運行狀態(tài)等造成影響，偏離設計狀態(tài)。現(xiàn)選取無煙煤和褐煤作為兩種代表性煤種進行分析，研究不同煤種對循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性的影響。

2.1 燃燒特點在不同煤種之間的體現(xiàn)

2.1.1 無煙煤燃燒的主要特點

無煙煤所具備的優(yōu)點是煤齡長、碳化程度較高，因此其最后在應用過程中就具備著火溫度高、發(fā)熱量高、析出溫度高、燃燒時間長以及鍋爐的飛灰含碳量大等特點。當然，還有一個不足之處，當無煙煤在燃燒的過程中，由于其燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒進行循環(huán)流化床以后，會由于爆裂而形成很多的粉末。受到化學動力學和擴散阻力的雙重控制下，無煙煤焦炭在其中的燃燒速率就會受到影響。越想要燃盡，就要加快燃燒的溫度。

2.1.2 褐煤燃燒的主要特點

褐煤資源在我國分布看來，一般都是老年褐煤，其主要具備的特點是固定碳含量低、發(fā)熱量低、高水分和高揮發(fā)分的特點。進入循環(huán)流化床內(nèi)的褐煤顆粒，不僅容易著火燃燒，也容易結渣。水分首先被蒸發(fā)出來，然后繼續(xù)加熱到一定的溫度范圍內(nèi)，這就會導致析出大量的揮發(fā)分， 繼而大量的熱量通過燃燒來釋放出來。但是依照前面所說的褐煤的特點，固定碳含量低，因此大顆的焦炭顆粒會在存有熱量的氛圍內(nèi)發(fā)生化學反應，這就是擴散控制燃燒類型。

2.2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性與煤種變化的關系

循環(huán)流化床鍋爐燃燒特性由于煤種變化造成的影響，可以從以下兩個方面來看：

2.2.1 影響了鍋爐的燃燒效率

對循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率產(chǎn)生影響的因素包括燃煤的揮發(fā)分含量、結構特性、含碳量以及灰熔點等。比如一些燃煤存在揮發(fā)分含量較少的情況，本身析出內(nèi)部的揮發(fā)分也很困難，所以就降低了其燃燒效率。至于那些褐煤燃料，由于其揮發(fā)分含量較高和松軟的結構，使得燃燒的效率得到了提高，繼而也就提高了循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率。

2.2.2 影響了鍋爐內(nèi)的溫度分布

對于鍋爐內(nèi)的溫度分布的影響因素，主要包含以下幾種：燃燒煤種的變化、燃燒中發(fā)熱量的變化、床溫的變化以及鍋爐內(nèi)燃燒份額的變化。流化床的床溫一般控制在850～950℃，床溫太高達到灰熔點溫度會使得爐膛內(nèi)產(chǎn)生結焦的風險。煤種的改變造成了燃燒過程整個不同，對于燃燒的配風、燃燒產(chǎn)生的灰渣量都不同，同時對于汽水系統(tǒng)的運行狀態(tài)也不同。

3 數(shù)學模型在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒具體應用

當循環(huán)流化床鍋爐吸收進煤顆粒后，主要要經(jīng)歷一個燃燒過程，即：加熱煤顆?！鷵]發(fā)水分→析出揮發(fā)分→燃燒揮發(fā)分→燃燒焦炭等。

為了使得在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒可以得到更加方便的模擬，文章的針對點只考慮焦炭和揮發(fā)份的燃燒，而不對污染物排放對其的影響進行考慮。

3.1 析出和燃燒揮發(fā)份

溫度與析出揮發(fā)份的數(shù)量與速率有著緊密的關系。在循環(huán)流化床鍋爐中，影響其氧氣濃度的截面分布的因素就是揮發(fā)份的燃燒。其中，燃燒條件的函數(shù)就是揮發(fā)份析出的時間，下列公式可以將其表明：

其中，揮發(fā)份析出的時間用tv表示，常數(shù)用a表示，指數(shù)常數(shù)用n表示，顆粒給料時的直徑用dp表示。然后，用活化能分布模型來表示揮發(fā)份的析出量，通過不同反應活化能的單獨反應的積分可以將單位質量煤的揮發(fā)份析出量進行表述，主要的表達如式（2）所示：

其中，活化能分布的函數(shù)用f（E）表示，活化能用E表示，平均活化能用E0表示，而平均活化能E0的標準方差則是σ。

在煤燃燒的過程中，其重要的組成部分就是揮發(fā)份的析出過程，但是燃燒區(qū)域的研究就沒有想象中那么具體。一般來說，將揮發(fā)份在給煤點附近迅速析出并燃燒作為假設的揮發(fā)份析出燃燒區(qū)域。

3.2 焦炭燃燒

焦炭的完全燃燒需要一定的燃燒時間，然而焦炭顆粒通過循環(huán)流化床爐膛的總時間約為10秒，所以保證焦炭完全燃燒的時間在10秒以內(nèi)，才能確保焦炭能夠完全燃燒。焦炭燃燒就是碳在氧氣的催化作用下轉化為二氧化碳，表達式如下：

但實際燃燒的過程并不像表達式這么簡單，焦炭在最初與氧氣的接觸過程中會燃燒產(chǎn)生一氧化碳，而一氧化碳與氧氣再繼續(xù)燃燒生成二氧化碳；第二種就是生成一樣化碳的同時又伴隨著二氧化碳的產(chǎn)生，而一氧化碳又繼續(xù)和氧氣發(fā)生反應，生產(chǎn)二氧化碳，但是全過程可以用一個綜合表達式表達燃燒的過程：

其中φ是機理因子，它決定了CO和CO2之間的比例。

通常，焦炭燃燒的速度與化學反應的速率，內(nèi)部擴散率，和外部擴散率三個因素有關。所以在實際的循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程中，因為碳的性質不勻，對于碳所處的實際燃燒部位，我們通常認為細顆粒的在內(nèi)部進行，大顆粒的在外部進行。

4 數(shù)值模擬與結果分析

以一臺300MW的循環(huán)流化床鍋爐為例，對褐煤燃料進行數(shù)值模擬，在運用FLUENT求解，來進行模擬研究與分析。

燃用褐煤時的模擬結果與分析：

溫度場的分布情況是我們首先要分析的問題，通過模擬分析可知，由于煤的顆粒濃度較高，內(nèi)外的風速過快，入爐煤顆粒會充分燃燒，會出現(xiàn)較高溫度的高溫區(qū)域。而對于爐膛兩側，由于氧氣不充分，該區(qū)域會出現(xiàn)溫度較低的情況。

焦炭沒燃盡的情況也是一種我們研究中出現(xiàn)單位情況，分析追蹤一組煤顆粒的燃盡情況，發(fā)現(xiàn)這組顆粒在爐內(nèi)10米處出現(xiàn)燃燒過程，在17米處燃燒結束，充分印證了燃燒的基本原理。該顆粒進入爐膛后充分展現(xiàn)出加熱干燥，燃燒，燃盡的情況，完美的展現(xiàn)了焦炭的燃燒過程。

混合分布的情況也是我們研究的一種情況，該混合分數(shù)的分布情況能最直觀的表現(xiàn)出燃燒過程中的連續(xù)和離散混合情況，通過分析觀察，在煤粉與進入密相區(qū)的氣體充分混合之后，混合分數(shù)明顯增大。

通過控制系統(tǒng)檢測到的分布情況與上述結果基本相同，模擬結果符合對燃燒溫度的設計。

5 結語

綜上所述，各種研究結果表明循環(huán)流化床鍋爐具有適應各種煤種的優(yōu)點，但由于設計煤種的燃燒特性決定了鍋爐的運行特性，想要充分的發(fā)揮循環(huán)流化床的適應性強的特點，充分保證其燃燒效率，大幅度降低飛灰的含碳量，還是要針對燃用煤種進行燃燒分析，通過調(diào)節(jié)運行狀態(tài)的手段，保證燃燒達到高效穩(wěn)定燃燒，以達到經(jīng)濟運行。

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