116 MW循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)物料流動特性的數(shù)值模擬

循環(huán)流化床是一種商業(yè)化運行較為成熟的煤清潔燃燒枝術(shù)，具有燃料適應(yīng)性強、負荷調(diào)節(jié)范圍大、運營費用低、燃燒效率高、可實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫脫硝等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)中，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中有望發(fā)揮更大作用。

目前，許多學者采用多種手段對循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)流動特性進行研究，如冷態(tài)試驗、數(shù)值計算等。沈志恒等采用歐拉－歐拉雙流體模型模擬1025t/h循環(huán)流化床爐內(nèi)氣固流動行為，耦合了化學反應(yīng)模型，給出了爐內(nèi)氣固流動及其反應(yīng)特性。王坤等基于CPFD方法模擬研究了循環(huán)流化床床內(nèi)燃燒煤與生物質(zhì)顆粒時顆粒的流動特性。

煤在爐內(nèi)燃燒是一個復雜的傳熱傳質(zhì)過程，尤其是循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)固體燃料受底部上行流化風的作用，相比層燃鍋爐和煤粉鍋爐其運動軌跡隨機性較大，這就對循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)顆粒運動和燃燒過程的研究造成了極大的挑戰(zhàn)。循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)顆粒的運動和燃燒過程不但影響著鍋爐的運行效率，同時還關(guān)系到鍋爐的安全運行。為此有必要將理論與實際相結(jié)合去分析流化床鍋爐爐內(nèi)顆粒的流動狀態(tài)。

1 數(shù)學模型

送入循環(huán)流化床鍋爐的燃料需提前經(jīng)中速或高速磨煤機進行預處理后達到設(shè)計所要求的粒徑后送入爐膛，燃料顆粒在爐內(nèi)床層處流化燃燒，當其自身重力小于流化風給予的浮力時，燃料顆粒將向爐膛上方邊燃燒邊運動。上行的流化風作用于顆粒形成的浮力隨著高度的增加而減小，當燃燒受到阻斷使得其重力大于浮力時顆粒將落回床層受熱并重新被點燃，而隨著燃燒進程的推進，顆粒中的可燃物與氧氣反應(yīng)使得其質(zhì)量變輕，顆粒本身所受浮力大于重力時將隨高溫煙氣從爐膛出口逃逸進入旋風分離器，質(zhì)量相對較輕的顆粒將隨煙氣從分離器出口逃逸，而顆粒質(zhì)量相對較重的將在分離器底部的返料口回到爐膛，重新參與爐膛內(nèi)的燃燒過程，直到可燃物燃盡，質(zhì)量變輕。這與循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計的循環(huán)倍率有關(guān)。顆粒燃燒過程是一個縮核反應(yīng)，其外徑將隨著燃燒進程的加劇而縮小，同時送入流化床內(nèi)的燃料粒徑是經(jīng)篩網(wǎng)進行初選，其粒徑必定大小不一，對于煤顆粒燃燒過程需考慮送入爐膛的煤以及燃燒過程中煤顆粒粒徑的變化。為此，對于爐膛內(nèi)氣固兩相流動采用歐拉－歐拉雙流體模型，在此基礎(chǔ)上建立顆粒動理學－多組分反應(yīng)模型。

1.1 基本控制方程

本文是對于氣固兩相的動量方程、質(zhì)量方程和能量方程進行求解，在求解過程中將氣固兩相以混合物的方式進行處理，在氣固兩相輸運過程中以質(zhì)量分數(shù)的方式考慮氣固兩相間的摩擦，以能量耗散的方式計算其曳力，得到氣固兩相整體的流動狀態(tài)。具體計算公式如下:

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

式中:下標g表示氣相;s表示固相;i表示顆粒相，i=1，2;v為速度;S為質(zhì)量源項;ε為空隙率;ρ為密度。

1.1.2 氣相動量守恒方程

式中:βgsi為氣相–顆粒相i間曳力系數(shù);g為當?shù)刂亓铀俣?pg為壓力;τg為氣相應(yīng)力張量。

1.1.3 氣相動量守恒方程

式中，τsi為不同顆粒相的應(yīng)力張量。

1.1.4 能量方程

氣固兩相能量守恒方程分別為:

式中，λ為氣相或固相的導熱系數(shù);H為焓;hgsi和hsgi為相間換熱系數(shù);SH為非均相化學反應(yīng)熱源;T為溫度

2 計算模型及主要參數(shù)

本文以SHX116－1．6/150/90－AⅡ循環(huán)流化床熱水鍋爐為研究對象建立三維幾何模型。由于爐內(nèi)燃燒過程的復雜性，基于現(xiàn)有計算資源做適當簡化，為多方面地反映爐膛內(nèi)氣固兩相流的具體形態(tài)，在計算過程中將旋風分離器予以剔除，只保留爐膛主體部分，但為貼近循環(huán)流化床的正常運行，按照設(shè)計說明書中給出的循環(huán)倍率計算旋風分離器的返料量并采用UDF的方式設(shè)置回料。模擬對象116MW循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖與爐膛模型如圖1所示。

鍋爐設(shè)計容量為116MW，設(shè)計煤種AⅡ，出口介質(zhì)溫度130℃，進口介質(zhì)溫度70℃，設(shè)計額定壓力1．6MPa，設(shè)計介質(zhì)循環(huán)量1652000kg/h，燃料消耗量23377．3kg/h，爐膛高25．7m(Z向)，寬4．43m(X向)，深8．83m(Y向)。一次風入口位于爐膛底部布風板處，布風板面積為2．2×8．64m2，考慮到風帽結(jié)構(gòu)較為復雜，將布風板上的進風口設(shè)置為小孔，孔徑為100mm，爐膛腿部布置了二次風和給料口以及回料口，為得到爐膛底部氣固兩相流流動過程更多的細節(jié)，將該區(qū)域網(wǎng)格進行了加密處理，采用Gambit軟件對該爐型進行了網(wǎng)格劃分，總共劃分網(wǎng)格數(shù)為801554。

循環(huán)流化床在運行過程中很難保證其燃燒的顆粒粒徑一致，結(jié)合設(shè)計煤種粒度的要求，采用雙組分的形式進行模擬，其中大顆粒粒徑設(shè)置為1mm，細顆粒粒徑為0．1mm。相對于設(shè)計數(shù)據(jù)中粒徑的*大值和*小值。具體模擬的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

計算的初始和邊界條件設(shè)置如下:

(1)進出口邊界條件:送風和給煤均采用速度入口，出口處設(shè)置為壓力出口。

(2)壁面邊界條件:氣相采用無滑移壁面，顆粒相與壁面之間考慮碰撞和摩擦，選用Johnson和Jackson模型。

3  結(jié)果與討論

3.1 顆粒濃度

圖2為循環(huán)流化床爐內(nèi)細顆粒濃度分布云圖，圖3展示的是循環(huán)流化床爐內(nèi)細顆粒沿高度方向顆粒濃度分布圖。從圖中可以明顯地發(fā)現(xiàn)細顆粒較多地分布于爐膛底部，受上行的流化風影響，顆粒隨流化風上行，隨高度的增加顆粒濃度不斷降低。由于給料口以及返料口持續(xù)地向爐內(nèi)送入小顆粒，致使在該水平截面上顆粒濃度有個較大的突變，但隨高度的增加小顆粒的濃度基本趨于穩(wěn)定。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)小顆粒分布的細節(jié)，即受一次風影響，貼壁處風壓較小，顆粒多聚集于壁面附近，而在爐膛上部，由于壁面附近顆粒的環(huán)—核流動，受貼壁處下行風的影響，爐膛中心顆粒濃度較高而近壁處顆粒濃度較低。從圖3可以明確地看出二次風對顆粒濃度沿高度影響不明顯，但在顆粒濃度云圖中可以發(fā)現(xiàn)二次風對細顆粒起到了攪拌作用，對其顆粒濃度的影響主要表征在其水平截面上顆粒的濃度分布狀況。

圖4為循環(huán)流化床爐內(nèi)粗顆粒濃度分布云圖，圖5展示的是循環(huán)流化床爐內(nèi)粗顆粒沿高度方向顆粒濃度分布圖。其分布形態(tài)與小顆?；疽恢?，主要區(qū)別為大顆粒為爐膛內(nèi)預設(shè)的，無其它進料口，為此其隨爐膛高度的增加濃度降低。與小顆粒相比大顆粒質(zhì)量較大，與小顆粒濃度分布圖相比可以發(fā)現(xiàn)更多的大顆粒聚集于爐膛底部，同時爐膛上方大顆粒濃度明顯小于小顆粒。與小顆粒相似，二次風的射入既起到了對爐內(nèi)物料的摻混，同時其橫向風也間接地阻斷了顆粒上行的動力，從圖3和圖5可以明顯地發(fā)現(xiàn)該處顆粒濃度的曲線斜率梯度較大。

3.2  速度分布

圖6為爐內(nèi)氣相速度云圖和矢量圖，從圖中可以明顯地看到在一次風、二次風以及播煤風的聯(lián)合作用下爐膛底部氣相運動較為激烈，其運動狀態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則狀，而在Z=10m以上爐膛內(nèi)氣相速度方向相對一致均為向上運動，受近壁風壓作用，貼壁處下行的氣相速度較大，而爐膛中心氣相速度相對較小。在爐膛出口處由于爐膛形狀發(fā)生了突變，氣相運動軌跡亦發(fā)生變化，在該處爐膛中心區(qū)域氣相速度相對紊亂，氣相將在設(shè)置在爐膛兩側(cè)的出口逃逸，從而導致其在出口處中心部分氣相速度較大。

圖7為小顆粒相速度云圖和矢量圖。從圖中可以看出小顆粒速度矢量圖和云圖與氣相的基本一致。其值略小于氣相速度，這是由于小顆粒是在氣相夾帶下運動。從圖中可以明顯地發(fā)現(xiàn)二次風對顆粒運行速度影響較大，在二次風區(qū)域顆粒運動速度略有減低。

圖8為不同高度上顆粒速度沿爐膛寬度以及深度分布圖。由于爐膛沿寬度方向?qū)ΨQ，深度方向上除爐膛出口其他基本相同，因此從原則上來說顆粒速度應(yīng)當為對稱型。但由于統(tǒng)計時間較短，不同高度上顆粒速度基本呈現(xiàn)對稱形態(tài)。本文分別截取了Z=6m(流化床段)，Z=10m和18m(提升管段)以及Z=25m(爐膛出口段)4個水平截面上顆粒速度分布情況圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在流化床段顆粒速度波動較大，尤其是爐膛中心區(qū)域顆粒運動速度較大，這是由于貼壁處氣壓較低致使大量的顆粒在此處聚集，從而導致更多的流化風從爐膛中心區(qū)域穿過流化床，氣流速度和剛度較大，從而帶動顆粒速度變大。

提升管段Z=10m處沿爐膛深度方向上明顯呈現(xiàn)中間顆粒速度高而兩邊速度低的形態(tài)，而沿爐膛寬度方向，此處爐膛呈現(xiàn)漸擴形態(tài)，爐膛橫截面積逐漸變大從而導致氣相中心氣壓變高，貼壁處氣壓低，從而使得此處氣相下行的流速大，亦帶動顆粒速度變快，而中心區(qū)域速度較低。當進入直管段Z=18m時，氣流已經(jīng)過了較長時間的重整，氣流上行的形態(tài)相對平穩(wěn)，中心氣流流速較大，從而帶動顆粒速度形成中心高、兩邊低的形態(tài)。

在爐膛出口處，受出口形態(tài)的影響，以及顆粒運行狀態(tài)已趨于穩(wěn)定，使得顆粒速度沿深度方向上除貼壁處受貼壁風影響外，其他區(qū)域顆粒速度基本相同。在寬度方向上，由于其長度為寬度的一半，其形態(tài)亦呈現(xiàn)中間高四周低，這與提升管處基本一致。

4 結(jié)論

(1)粗細顆粒在垂直方向上均呈現(xiàn)隨著高度的提升濃度降低的形態(tài)，無論是粗顆粒還是細顆粒在爐膛高度為5m以下時濃度較高，而在流化床上部爐膛濃度較低，尤其是粗顆粒，顆粒濃度低于細顆粒1～2個數(shù)量級，這與其設(shè)計初衷基本一致，即粗顆粒起流化作用而小顆粒參與上部爐膛燃燒過程。

(2)爐內(nèi)氣相速度受爐膛結(jié)構(gòu)的影響較大，爐膛底部區(qū)域橫截面積小但受顆粒阻力的作用，需要一定的風室風壓，在上升過程中隨著截面積的增大，風速降低，受顆粒流動的影響，將在爐墻附近形成下行的貼壁風，使得顆粒在爐膛內(nèi)部呈現(xiàn)環(huán)－核流動。

(3)為了進一步分析爐內(nèi)氣固兩相的流動特性，考察了沿高度方向上不同截面氣固兩相的速度分布，發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，氣固兩相的速度分布更趨于一致。