基于CPFD模型的循環(huán)流化床二次風(fēng)穿透特性研究

楊雪芬 魯佳易 薛大勇 韋立校

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643001）

0 引言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，因可實(shí)現(xiàn)低品位燃料的高效清潔利用，在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]。二次風(fēng)是影響循環(huán)流化床運(yùn)行的關(guān)鍵，其穿透性研究一直是該領(lǐng)域的熱門研究問題。

在NOx排放方面，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的燃燒特性決定其無論是密相區(qū)還是稀相區(qū)，對(duì)于燃料顆粒而言都處于特殊的還原性氣氛下[2]，從而在抑制燃料型NOx生成方面有一定優(yōu)勢(shì)，但隨著近年環(huán)保要求的不斷提高，循環(huán)流化床鍋爐面臨的環(huán)保壓力也不斷加大。針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐NOx整體排放規(guī)律，李競(jìng)岌[3]總結(jié)了前人的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其排放主要與燃料特性、氣氛、溫度、是否爐內(nèi)脫硫等因素有關(guān)。這5個(gè)因素對(duì)循環(huán)流化床鍋爐NOx的排放水平產(chǎn)生影響，此外，煤的粒度、爐內(nèi)顆粒濃度與氣氛、補(bǔ)燃?xì)怏w等[4-5]，也都可以對(duì)NOx的生成有影響。

東方鍋爐廠提出通過延遲二次風(fēng)進(jìn)入爐膛而利于形成較大的下部還原區(qū)的方法抑制NOx的生成[6]，通過控制爐膛的二次風(fēng)入射位置來實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域的還原性氣氛，從而抑制NOx的生成，同時(shí)在更高的位置噴入二次風(fēng)也更容易實(shí)現(xiàn)二次風(fēng)的穿透性，使得煙氣中未完全燃燒的CO和焦炭顆粒進(jìn)一步燃燒，以保證鍋爐的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐的低NOx排放。從試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)行效果來看，該項(xiàng)技術(shù)可以起到抑制NOx生成的效果。本文主要基于對(duì)不同容量CFB鍋爐的氣固流動(dòng)特性，開展了數(shù)值計(jì)算研究。

1 模型

目前，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)二次風(fēng)噴射下顆粒流場(chǎng)的研究及定量描述還處在初步階段，由于爐內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量手段和精度方面的局限性，對(duì)二次風(fēng)噴口所在爐膛截面噴射特性的研究非常有限。近年來，隨著計(jì)算顆粒流體力學(xué)（CPFD）的極大發(fā)展與商用軟件的開發(fā)應(yīng)用，通過數(shù)值計(jì)算的方法來預(yù)測(cè)爐內(nèi)的氣固流動(dòng)，成為研究二次風(fēng)布置情況的有力手段。

1.1 物理模型

本文計(jì)算選取某350 MW超臨界CFB鍋爐和某580 t/h CFB鍋爐為物理模型。計(jì)算中，為考察單個(gè)高效二次風(fēng)噴口的穿透性，同時(shí)為減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，將350 MW超臨界CFB鍋爐簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的循環(huán)流化床。而對(duì)于580 t/h CFB鍋爐，則進(jìn)行實(shí)際鍋爐尺度的計(jì)算。圖1給出了350 MW超臨界CFB鍋爐和580 t/h CFB鍋爐的計(jì)算模型，表1給出了上述兩個(gè)鍋爐的主要參數(shù)。

圖1 350 MW超臨界CFB鍋爐（左）和580 t/h CFB鍋爐（右）的計(jì)算模型

表1 建模對(duì)象主要參數(shù)

對(duì)于350 MW超臨界CFB鍋爐，將爐膛高度壓縮至25 m，保持爐膛深度不變。在爐膛寬度方面，僅能容納單個(gè)高效二次風(fēng)噴口。計(jì)算模型中高效二次風(fēng)和下層二次風(fēng)分別左右僅各設(shè)一個(gè)噴口，網(wǎng)格數(shù)量約為3.4萬個(gè)。

580 t/h CFB鍋爐采用實(shí)際鍋爐尺度計(jì)算，二次風(fēng)分兩層布置，高效二次風(fēng)前后墻各6個(gè)噴口，下層二次風(fēng)前墻6個(gè)噴口，后墻4個(gè)噴口。此外，前墻與下層二次風(fēng)等高處還布置6個(gè)播煤口。經(jīng)初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雖然網(wǎng)格數(shù)量較多（約35萬個(gè)），但存在局部網(wǎng)格過細(xì)而影響計(jì)算結(jié)果的情況，經(jīng)優(yōu)化，將網(wǎng)格數(shù)量減少至約28萬個(gè)。計(jì)算30 s的氣固流動(dòng)過程約需3天時(shí)間。

1.2 數(shù)學(xué)模型

Barracuda是專門針對(duì)工業(yè)尺度氣固流動(dòng)模擬的商業(yè)軟件，已逐漸在電站鍋爐爐內(nèi)氣固流動(dòng)特性模擬中進(jìn)行了嘗試，并得到了預(yù)測(cè)結(jié)果。不同于常規(guī)CFD計(jì)算，Barracuda是一種CPFD概念的數(shù)值計(jì)算軟件，其對(duì)流體相仍采用Eulerian方法處理，動(dòng)量方程用Navier-Stokes方程表示，而對(duì)于顆粒相，Barracuda采用Lagrangian方法描述并與流體相方程耦合，能夠考慮顆粒間的相互作用，這與CFD計(jì)算中將固體顆粒作為流體的處理方法不同。

在曳力模型的選擇上，Hartge E采用李靜海提出的EMMS曳力模型對(duì)10 m高的冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行氣固流動(dòng)模擬，并認(rèn)為還需要更多的試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。王超[7]采用結(jié)合Ergun和Wen-yu模型的Gidaspow曳力模型描述氣固間的動(dòng)量傳遞，對(duì)600 MW CFB鍋爐爐膛進(jìn)行了氣固兩相數(shù)值模擬。張彥軍[8]采用Syamlal-O′Brien模型描述氣固相間作用，并對(duì)其600 MW CFB鍋爐模型進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)時(shí)尚無建模對(duì)象的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，因此上述針對(duì)600 MW CFB鍋爐的模擬均無試驗(yàn)驗(yàn)證，且考慮計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間的因素，僅選擇單一粒徑計(jì)算。李東耀[9]詳細(xì)對(duì)比了Gidaspow、Koch-Hill和Di-Felice三種基于不同機(jī)理氣固曳力模型，認(rèn)為Di-Felice曳力模型所模擬的情況與實(shí)際情況差距較大，且計(jì)算結(jié)果中Gidaspow模型的誤差小于Koch-Hill模型的誤差。

考慮到Barracuda軟件中目前尚沒有直接引入Syamlal-O′Brien模型，而相比于Gidaspow模型中的7個(gè)系數(shù)，EMMS模型則包含16個(gè)系數(shù)，更為復(fù)雜。因此，本文計(jì)算時(shí)選擇Gidaspow曳力模型進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

在350 MW超臨界CFB鍋爐和580 t/h CFB鍋爐的計(jì)算模型爐膛上均布置了14個(gè)沿爐膛高度方向的壓力測(cè)點(diǎn)，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2為580 t/h CFB鍋爐和350 MW超臨界CFB鍋爐沿爐膛高度的壓力分布情況，其在趨勢(shì)上與大型CFB鍋爐的壓力分布非常接近。

圖2 580 t/h CFB鍋爐（上）和350 MW超臨界CFB鍋爐（下）沿爐膛高度的壓力分布

2.2 不同位置入射特性比較分析

圖3為350 MW等級(jí)CFB鍋爐不同時(shí)刻（10 s、15 s和20 s）的二次風(fēng)入射深度示意圖。

從圖3可以看出，抬高二次風(fēng)高度后，二次風(fēng)在不同時(shí)刻，無論是射入深度還是覆蓋范圍均優(yōu)于常規(guī)的二次風(fēng)高度，且到達(dá)爐膛中心區(qū)域后風(fēng)速仍很高。相比之下，由于距離密相區(qū)很近，常規(guī)的二次風(fēng)口氣流很容易受自下而上的氣固兩相流體干擾而改變流向，使得常規(guī)高度的二次風(fēng)很難達(dá)到爐膛中心區(qū)域。

圖3 350 MW等級(jí)CFB二次風(fēng)入射情況對(duì)比

圖4為580 t/h CFB鍋爐不同時(shí)刻（30 s、35 s和40 s）的二次風(fēng)入射深度示意圖。

圖4 580 t/h CFB鍋爐二次風(fēng)的入射情況對(duì)比

從圖4可以看出，與350 MW CFB鍋爐的2D計(jì)算結(jié)果相比，580 t/h CFB鍋爐的3D計(jì)算結(jié)果中二次風(fēng)的入射深度并沒有全部貫穿爐膛，但仍能基本涵蓋大部分的爐膛深度。而較低的二次風(fēng)，雖然其位于爐膛深度的距離更近，但此處顆粒濃度更高，使得二次風(fēng)很難到達(dá)爐膛中心，二次風(fēng)入射深度很短。

圖5為580 t/h CFB鍋爐采用提高二次風(fēng)位置和普通二次風(fēng)布置時(shí)沿爐膛高度的壓力分布情況。

圖5 580 t/h CFB鍋爐提高二次風(fēng)位置（上）與常規(guī)二次風(fēng)（下）沿爐膛高度的壓力分布情況

從圖5可以看出，二者的壓力分布趨勢(shì)非常接近，雖然二次風(fēng)口位置提高后二次風(fēng)噴入?yún)^(qū)域壓力有小幅抬升，但對(duì)整個(gè)的壓力分布影響不大，即不會(huì)造成爐膛上部區(qū)域顆粒濃度極低而難于維持物料循環(huán)的情況（這也可以從布置二次風(fēng)前后爐膛出口顆粒質(zhì)量流量幾乎沒有變化得出）。

另一方面，由于高效二次風(fēng)入射深度更深，容易噴至爐膛中心區(qū)域，可使燃料燃燒更為充分，分級(jí)燃燒的效果更為明顯。分級(jí)燃燒效果越明顯，越利于抑制NOx生成，即提高二次風(fēng)位置后，NOx排放水平會(huì)進(jìn)一步降低。通過本節(jié)的分析，可知提高二次風(fēng)位置會(huì)比常規(guī)的二次風(fēng)穿透性更好，有助于爐膛中心補(bǔ)氧，使燃燒更充分。同時(shí)，提高二次風(fēng)位置的噴入不會(huì)造成爐膛上部區(qū)域顆粒濃度極低而難于維持物料循環(huán)。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)CFB鍋爐二次風(fēng)位置的冷態(tài)數(shù)值計(jì)算，研究了二次風(fēng)位置對(duì)流場(chǎng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）采用Barracuda軟件對(duì)實(shí)際鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，可以模擬出寬篩分顆粒在循環(huán)流化床內(nèi)的氣固流動(dòng)特性，且沿爐膛高度的壓力分布與其他大型CFB鍋爐的壓力分布趨勢(shì)非常接近。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，提高二次風(fēng)的位置比常規(guī)的上二次風(fēng)穿透性更好，可以覆蓋大部分爐膛深度，且不會(huì)影響正常的物料循環(huán)。