CFB鍋爐大型化氣固流動(dòng)非均勻性研究進(jìn)展

胡 南，徐 夢(mèng)，張 縵，楊海瑞，張守玉，趙 冰，鞏太義，王家林

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林省水利電力工程物理級(jí)仿真與安全科技創(chuàng)新中心，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；4.華電國(guó)際電力股份有限公司天津開(kāi)發(fā)區(qū)分公司，天津 300270)

0 引 言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐具有燃料適用范圍廣、低成本燃燒中脫硫、低氮氧化物排放等優(yōu)點(diǎn)，是大規(guī)模清潔利用高硫及高灰煤、矸石、中煤、煤泥和生物質(zhì)等燃料的最佳選擇[1]。CFB燃燒技術(shù)始終向大型化、高參數(shù)方向發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)在超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)方面取得了突破，引領(lǐng)世界在該領(lǐng)域的發(fā)展[2-5]。目前我國(guó)正在運(yùn)行的超臨界CFB鍋爐已達(dá)40臺(tái)。同時(shí)，在超超臨界CFB鍋爐的研發(fā)、設(shè)計(jì)方面已開(kāi)展大量工作[6-10]。2019年初，2項(xiàng)660 MW超超臨界CFB燃煤發(fā)電項(xiàng)目被正式列為國(guó)家電力示范項(xiàng)目，標(biāo)志著我國(guó)CFB發(fā)電開(kāi)始邁向超超臨界階段。

在CFB鍋爐大型化發(fā)展歷程中，隨著鍋爐參數(shù)提高、蒸發(fā)量增大，鍋爐結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展變化。首先，為了保證足夠的反應(yīng)容積和更多受熱面的布置，爐膛截面積和高度均相應(yīng)增加。600 MW超臨界CFB鍋爐爐膛高度已經(jīng)超過(guò)52 m，寬度超過(guò)25 m。清華大學(xué)[11-14]通過(guò)對(duì)超高爐膛縱向氣固流動(dòng)特性的試驗(yàn)和理論研究，實(shí)現(xiàn)了爐膛內(nèi)床壓的優(yōu)化，有效降低了水冷壁的磨損，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可用性。其次，由于二次風(fēng)穿透能力限制，隨著爐膛截面積的增加，二次風(fēng)無(wú)法射入到爐膛中心區(qū)域，導(dǎo)致?tīng)t膛中心形成貧氧區(qū)，嚴(yán)重影響燃燒效率。為了解決該問(wèn)題，可采用大寬深比的單布風(fēng)板爐膛，減少二次風(fēng)穿透所需要的射程，對(duì)于300 MW以上等級(jí)的CFB鍋爐，布風(fēng)板的寬深比通常在5以上；也可在爐膛底部從中間分開(kāi)，形成雙布風(fēng)板的“褲衩腿”式爐膛結(jié)構(gòu)，二次風(fēng)從支腿內(nèi)側(cè)和外側(cè)同時(shí)注入爐膛[15]。對(duì)于更高參數(shù)的CFB鍋爐，也可考慮雙爐膛并聯(lián)和環(huán)形布風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式[16-19]。第三，旋風(fēng)分離器的數(shù)量和布置方式不斷更新。為了保證分離器效率，分離器設(shè)計(jì)必須滿足特定準(zhǔn)則，不能簡(jiǎn)單按比例放大，因此大型CFB鍋爐均采用多分離器并聯(lián)布置方案。對(duì)于300～350 MW的CFB鍋爐通常為3個(gè)分離器在一側(cè)并聯(lián)布置，白馬電廠600 MW超臨界CFB鍋爐為6個(gè)分離器；Foster Wheeler公司緊湊型布置的CFB鍋爐，采用較小直徑的分離器，分離器個(gè)數(shù)多于其他爐型；波蘭460 MW超臨界CFB鍋爐，在爐膛兩側(cè)共布置8個(gè)旋風(fēng)分離器。

由于鍋爐結(jié)構(gòu)上的變化，具有超大截面和多分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的大型CFB鍋爐，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的橫向參數(shù)非均勻性問(wèn)題，逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)[20-25]，主要包括熱力學(xué)橫向非均勻性、氣固組分的橫向非均勻性以及氣固流動(dòng)的橫向非均勻性。熱力學(xué)橫向非均勻性主要是指溫度和傳熱系數(shù)在水平方向的偏差。張攀等[24]對(duì)國(guó)內(nèi)2臺(tái)300 MW CFB鍋爐進(jìn)行了測(cè)試，在不同運(yùn)行工況下?tīng)t膛內(nèi)均存在明顯的橫向溫度偏差和熱流密度偏差，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在鍋爐熱負(fù)荷下降時(shí)，溫度和熱流密度橫向非均勻性更加嚴(yán)重。氣固組分橫向非均勻性主要是由于給煤進(jìn)入爐膛密相區(qū)后，顆粒橫向擴(kuò)散能力有限，使煤燃燒和放熱橫向分布不均。李金晶等[25]在300 MW CFB鍋爐上發(fā)現(xiàn)，沿橫向爐膛中間床溫明顯高于兩側(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)給煤點(diǎn)分配，可改變溫度分布。胡南等[26]通過(guò)總結(jié)已有橫向擴(kuò)散系數(shù)研究成果，給出了大型CFB鍋爐密相區(qū)固體橫向擴(kuò)散系數(shù)的取值范圍。

氣固流動(dòng)不均勻性主要是由于爐膛結(jié)構(gòu)、氣固流動(dòng)特性等原因?qū)е拢捎跉夤塘鲃?dòng)對(duì)氣固組分分布和局部傳熱影響顯著，因此本文重點(diǎn)針對(duì)CFB鍋爐大型化過(guò)程中產(chǎn)生的新的氣固流動(dòng)非均勻性問(wèn)題，主要包括超大布風(fēng)截面的布風(fēng)非均勻性問(wèn)題、多分離器并聯(lián)的氣固分配非均勻性問(wèn)題以及特殊工況下產(chǎn)生的橫向波動(dòng)和翻床問(wèn)題。其中前二者在穩(wěn)定運(yùn)行條件下，不隨時(shí)間變化，屬于靜態(tài)非均勻性問(wèn)題；床壓波動(dòng)和翻床問(wèn)題屬于動(dòng)態(tài)氣固流動(dòng)橫向非均勻性問(wèn)題。

1 靜態(tài)氣固流動(dòng)非均勻性

1.1 多分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)

分離器是CFB系統(tǒng)重要的組成部分。分離器阻力特性是分離器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)于多回路并聯(lián)的大型CFB鍋爐，分離器阻力特性決定各并聯(lián)回路的氣固流量分配。氣相流量一定的前提下，攜帶固相顆粒的質(zhì)量濃度將影響分離器壓降。早期試驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)，分離器壓降隨顆粒濃度增大呈先減后增的非單調(diào)特性[27-29]。當(dāng)顆粒濃度小于拐點(diǎn)處顆粒濃度時(shí)，固相濃度升高增加了顆粒與壁面撞擊的幾率，導(dǎo)致兩相流的動(dòng)量損失增加，分離器內(nèi)湍流強(qiáng)度減小，導(dǎo)致分離器壓降減小。當(dāng)顆粒濃度進(jìn)一步增加，大于拐點(diǎn)處顆粒濃度時(shí)，在分離器內(nèi)顆粒/顆粒團(tuán)與氣體的相互作用增加，導(dǎo)致分離器壓降隨顆粒濃度的增加而增加[27]。

分離器的壓降ΔPc一般表述為

(1)

其中，fg、fp分別為氣相和顆粒相修正系數(shù)；Vi為分離器入口氣體速度，m/s；ρg為氣相密度，kg/m3。氣體修正系數(shù)fg主要取決于分離器入口和氣體出口的橫截面積之比。Baskakov等[27]提出了一個(gè)簡(jiǎn)便的關(guān)聯(lián)式表征顆粒濃度對(duì)分離器壓降的影響，即

(2)

式中，Cp為分離器入口處顆粒濃度；a1、a2、a3為與分離器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。

基于分離器壓降隨入口顆粒濃度增加先降后升的關(guān)系，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，即使各分離器的壓降相等且氣體流量相同的情況下，入口顆粒濃度仍有可能不同，如圖1所示[30]。在理論研究方面，Grace等[31-32]提出并聯(lián)分離器系統(tǒng)內(nèi)氣固流動(dòng)的多解方程，認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的2個(gè)約束條件是各并聯(lián)分離器的壓降相等及氣體和固體的質(zhì)量守恒。Mo等[33]建立了并聯(lián)多分離器內(nèi)氣固流動(dòng)的控制方程組。對(duì)于雙分離器并聯(lián)系統(tǒng)，氣固兩相流的控制方程組存在一個(gè)自由度，因而具有多值性，從理論上論證了分離器固體循環(huán)流率偏差的原因。

圖1 分離器壓降隨循環(huán)流率變化[30]Fig.1 Pressure drop of cyclone changing with solid circulating rate[30]

許多科研人員在多分離器的模化試驗(yàn)方面開(kāi)展了相關(guān)工作，對(duì)于單側(cè)3分離器、4分離器，雙側(cè)布置的6分離器以及環(huán)形布置的6分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，見(jiàn)表1。研究的核心問(wèn)題是在不同風(fēng)速、不同床料量的運(yùn)行條件下，各個(gè)回路的循環(huán)流率、分離器壓降以及提升管內(nèi)的壓力分布。中科院、浙江大學(xué)和重慶大學(xué)分別針對(duì)不同形式的多回路CFB鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬[6,39-40]。

表1 大型CFB鍋爐冷態(tài)?；囼?yàn)

研究結(jié)果表明[35]，忽略并聯(lián)分離器及入口段間的微小加工差異，理論上對(duì)于純氣相的流動(dòng)，各分離器的氣體流量相近，且分離器阻力越大，流量一致性越高，爐膛出口結(jié)構(gòu)偏差所引起的氣相流量偏差很小。在兩相流條件下，一側(cè)并聯(lián)3個(gè)分離器中，中間分離器循環(huán)流率和壓降均較小，且隨著風(fēng)速增加，循環(huán)流率偏差會(huì)進(jìn)一步加大[6,35,38]。循環(huán)流率的偏差原因是內(nèi)墻邊壁處的顆粒濃度高，而兩側(cè)分離器附近的爐墻面積更大。王法軍等[37]對(duì)單側(cè)4分離器進(jìn)行研究得到了相反的規(guī)律，即中間2個(gè)分離器的循環(huán)流率較高，循環(huán)流率偏差同樣隨風(fēng)速增加而增加，其主要原因是兩側(cè)分離器與中間2個(gè)分離器的入口角度不同。

爐內(nèi)屏式過(guò)熱器和尾部煙道對(duì)氣固流量分配的影響不可忽略。許霖杰等[7]、王超[39]等通過(guò)帶有懸吊屏的CFB鍋爐爐膛內(nèi)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，懸吊屏附近顆粒濃度較高，合理布置懸吊屏，可影響內(nèi)部流場(chǎng)，提高中間分離器的循環(huán)流率。郭強(qiáng)等[41]通過(guò)數(shù)值模擬研究了分離器出口煙道形式對(duì)分離器內(nèi)流量分配的反作用，研究發(fā)現(xiàn)，分離器出口煙道結(jié)構(gòu)對(duì)并聯(lián)三分離器內(nèi)的煙氣流動(dòng)特性有較大影響。

1.2 超大截面的布風(fēng)均勻性

CFB鍋爐的布風(fēng)系統(tǒng)是CFB鍋爐的重要組成部分之一，包括風(fēng)室、布風(fēng)板以及風(fēng)帽。布風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是使流化氣體沿截面均勻流出，同時(shí)防止顆粒落入風(fēng)室。CFB鍋爐風(fēng)室進(jìn)風(fēng)方式主要包括兩側(cè)進(jìn)風(fēng)和后墻進(jìn)風(fēng)。相關(guān)測(cè)試和模擬研究均發(fā)現(xiàn)[42-47]，目前大型CFB鍋爐的布風(fēng)均勻性均有待提高，而進(jìn)風(fēng)方式對(duì)于布風(fēng)均勻性的影響十分明顯。對(duì)于兩側(cè)進(jìn)風(fēng)形式，風(fēng)量呈兩側(cè)風(fēng)帽流量高、中間風(fēng)帽流量略低的分布[44]；對(duì)于梯形風(fēng)室后進(jìn)風(fēng)形式，表現(xiàn)為遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口一側(cè)風(fēng)帽流量偏大[45]。布風(fēng)非均勻程度主要受布風(fēng)系統(tǒng)壓降與爐膛壓降之比(壓降比)影響。隨布風(fēng)面積的增加，布風(fēng)非均勻性進(jìn)一步加劇，甚至出現(xiàn)局部床層壓力波動(dòng)變大、流化死區(qū)、漏渣等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行和燃燒效率。在布風(fēng)不均勻條件下，氣固流動(dòng)橫向分布也存在偏差，同時(shí)反作用于供風(fēng)系統(tǒng)，床面氣固系統(tǒng)與布風(fēng)系統(tǒng)的耦合作用研究還較匱乏。

2 動(dòng)態(tài)氣固流動(dòng)非均勻性

2.1 鍋爐勻性動(dòng)態(tài)非均勻現(xiàn)象

對(duì)于多分離器并聯(lián)的大型CFB鍋爐，分離器間氣固流動(dòng)偏差是由于爐膛結(jié)構(gòu)、分離器特性產(chǎn)生，而布風(fēng)均勻性是由于風(fēng)室結(jié)構(gòu)和風(fēng)帽阻力等原因產(chǎn)生，在運(yùn)行過(guò)程中偏差客觀存在并保持相對(duì)穩(wěn)定，屬于靜態(tài)橫向偏差。動(dòng)態(tài)氣固流動(dòng)的非均勻性，主要是指在不做干預(yù)的情況下，氣固流動(dòng)的非均勻性不斷變化。對(duì)于褲衩腿型鍋爐，曾發(fā)生物料不斷在一側(cè)布風(fēng)板堆積的“翻床”現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙鍋爐的正常運(yùn)行，隨著研究人員對(duì)該問(wèn)題的深入認(rèn)識(shí)以及在運(yùn)行過(guò)程中增加了優(yōu)化控制，“翻床”問(wèn)題逐漸得到解決[25,48]，近期已鮮有相關(guān)研究報(bào)道。工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大型CFB鍋爐在低負(fù)荷條件下會(huì)產(chǎn)生兩側(cè)壓力大幅度、長(zhǎng)周期交替波動(dòng)的動(dòng)態(tài)橫向偏差現(xiàn)象(圖2)，并引起爐膛溫度偏差(圖3)，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生更加嚴(yán)重的危害[49-50]。

圖2 CFB鍋爐床壓橫向波動(dòng)[41]Fig.2 Lateral fluctuation of bed pressure in CFB boiler[41]

圖3 分離器出口煙氣溫度[41]Fig.3 Flue gas temperature of cyclone outlet[41]

李金晶等[21]認(rèn)為，形成床壓橫向波動(dòng)的條件包括大尺度的爐膛截面、多條主循環(huán)回路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、母管制的流化風(fēng)供給系統(tǒng)和爐膛內(nèi)特定的流態(tài)。運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)一次風(fēng)量下降到一定值后，才會(huì)發(fā)生橫向波動(dòng)現(xiàn)象。由于一次風(fēng)量的降低，布風(fēng)系統(tǒng)阻力下降，因此布風(fēng)穩(wěn)定性被破壞。另一方面，返料量等于分離器捕捉下來(lái)的相對(duì)大顆粒流量，但返料閥內(nèi)存有物料，因此返料閥對(duì)返料流量具有遲滯作用，而返料風(fēng)為母管制供風(fēng)系統(tǒng)，不同返料閥也會(huì)產(chǎn)生相互影響，這也是產(chǎn)生周期擾動(dòng)的原因之一[20]。

2.2 床壓橫向波動(dòng)理論

在理論方面，姜華偉等[49]建立了CFB鍋爐床壓橫向波動(dòng)的非線性淺床長(zhǎng)波駐波模型以及密相區(qū)氣固流態(tài)化數(shù)學(xué)模型，床面橢圓余弦波的波速C為

(3)

(4)

式中，Ug為流化風(fēng)速，m/s；Ug0為滿負(fù)荷運(yùn)行條件下的密相床平均流化風(fēng)速，m/s；Kgs為氣固流動(dòng)修正系數(shù)，無(wú)量綱；He為密相區(qū)膨脹床高，m；H為靜床高，m；X為波動(dòng)幅度，m；k為橢圓積分或橢圓函數(shù)的模數(shù)K(k)和E(k)分別為第1類和第2類完全橢圓積分。

對(duì)于寬度為L(zhǎng)的矩形截面流化床，床壓橫向波動(dòng)周期T為

(5)

模型分析了靜床高對(duì)床壓橫向波動(dòng)時(shí)爐內(nèi)床壓分布、床壓波動(dòng)幅度和周期、活性區(qū)和非活性區(qū)床高、非活性區(qū)空隙率分布的影響。認(rèn)為隨著靜床高增加，床壓橫向波動(dòng)幅度隨靜床高的增加呈正比增大趨勢(shì)，從而床面波速增加，床壓橫向波動(dòng)往返周期隨之減小[49]。

文獻(xiàn)[50]建立了基于氣固系統(tǒng)固有頻率的壓力波動(dòng)簡(jiǎn)化模型，預(yù)測(cè)了平均床壓和波動(dòng)周期的關(guān)系。但目前對(duì)于橫向波動(dòng)僅停留在大型CFB鍋爐運(yùn)行過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論模型分析上，缺少系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[45]中基于橫向波動(dòng)固有頻率的假設(shè)給出了微分方程，在擾動(dòng)條件下方程為

(6)

式中，β為阻尼系數(shù)，s-1；F0為橫向擾動(dòng)強(qiáng)度，其物理意義為擾動(dòng)使密相區(qū)所有顆粒產(chǎn)生的最大加速度，m/s2；ω0為氣固系統(tǒng)橫向波動(dòng)的固有角頻率，s-1；Ω為擾動(dòng)角頻率，s-1。

綜合考慮床尺寸、顆粒性質(zhì)、床壓以及流化風(fēng)速等因素，波動(dòng)固有頻率的計(jì)算關(guān)聯(lián)式為

(7)

式中，ρs為顆粒密度，kg/m3；cs為顆粒體積濃度，無(wú)量綱；a為無(wú)量綱系數(shù)；L′為橫向波動(dòng)發(fā)生方向幾何尺寸，m；Pb為平均床層壓降，Pa。

式(6)的近似解析式為

(8)

由式(8)可以看出，擾動(dòng)F0越強(qiáng)，波動(dòng)幅度越大；阻尼β越小、擾動(dòng)頻率和固有頻率越接近，波動(dòng)幅度越大。模型關(guān)鍵是選擇合理選擇阻尼系數(shù)β，理論上阻尼系數(shù)與流化風(fēng)速和顆粒性質(zhì)有關(guān)。由式(8)可以獲得波動(dòng)幅度隨擾動(dòng)頻率變化的趨勢(shì)，如圖4所示，擾動(dòng)頻率與固有頻率相等時(shí)，波動(dòng)幅度達(dá)到最大值。

圖4 波動(dòng)幅度與擾動(dòng)頻率的關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure fluctuation and disturbance frequency

3 結(jié)語(yǔ)與展望

氣固流態(tài)化，從小截面的化工氣固反應(yīng)裝置，發(fā)展到具有超大截面的大型CFB鍋爐，眾多科研和工程技術(shù)人員通過(guò)理論、試驗(yàn)和實(shí)爐測(cè)試開(kāi)展了相關(guān)工作。目前中國(guó)在CFB燃燒大型化、高參數(shù)方面取得了世界領(lǐng)先。但CFB鍋爐大型化過(guò)程中，氣固流動(dòng)的橫向非均勻性問(wèn)題仍有部分工作需要進(jìn)一步開(kāi)展。

1)多分離器并聯(lián)的大型CFB鍋爐，氣固流量分配的均勻性主要取決于分離阻力特性、分離器布置、分離器入口煙道結(jié)構(gòu)、爐膛出口附近的懸吊屏布置以及分離器出口的煙道布置，在鍋爐設(shè)計(jì)過(guò)程中需綜合考慮，根據(jù)氣固流動(dòng)橫向分布特性更合理安排受熱面的布置。

2)超大截面的流化布風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)方式對(duì)于布風(fēng)均勻性具有顯著影響，大型CFB鍋爐由于布置和成本原因，側(cè)進(jìn)風(fēng)和后墻進(jìn)風(fēng)的方式均無(wú)法達(dá)到均勻性。非均勻布風(fēng)條件下氣固流動(dòng)特性以及床層與布風(fēng)系統(tǒng)的耦合作用，還有待進(jìn)一步研究。

3)大型CFB鍋爐低負(fù)荷條件下的橫向波動(dòng)問(wèn)題對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行威脅極大。大截面的布風(fēng)系統(tǒng)、一次風(fēng)降低導(dǎo)致的布風(fēng)失穩(wěn)以及多回路并聯(lián)的不均勻性是導(dǎo)致床壓橫向波動(dòng)的主要原因，但目前在實(shí)驗(yàn)室尺度還缺少系統(tǒng)研究。波動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理以及由此引申的橫向波動(dòng)基礎(chǔ)理論仍需進(jìn)一步深入分析。