循環流化床鍋爐燃燒特性與煤種關系的研究

付 超

遼河油田公司電力集團，遼寧盤錦 124022

循環流化床鍋爐燃燒特性與煤種關系的研究

付 超

遼河油田公司電力集團，遼寧盤錦 124022

由于煤炭資源供應緊張，循環流化床鍋爐很難長期穩定的使用設計煤種，因此，煤種的多樣性給循環流化床鍋爐的穩定、高效運行帶來了很多問題。針對我國煤種多樣的實際情況，研究循環流化床鍋爐的燃燒特性與煤種關系，對鍋爐的穩定運行和提升電廠的經濟效益都有重要的現實意義。本文首先介紹了無煙煤和褐煤兩種煤種的燃燒特點，然后又分析了循環流化床爐內燃煤燃燒的數學模型，最后對褐煤進行了數值模擬和結果分析。

.循環流化床；鍋爐燃燒特性；煤種

1 概述

隨著人們對電力的需求逐漸增長，循環流化床鍋爐的數量在我國呈現逐年遞增的態勢。但是由于我們煤炭資源供應緊張，循環流化床鍋爐很難長期穩定的使用設計煤種，因此，煤種的多樣性給循環流化床鍋爐的穩定、高效運行帶來了很多問題，例如：鍋爐出力不足、燃燒穩定性差等。針對我國煤種多樣的實際情況，研究循環流化床鍋爐的燃燒特性與煤種關系，對鍋爐的穩定運行和提升電廠的經濟效益都有重要的現實意義。本文以一臺300mW循環流化床鍋爐為研究對象，使用FLUENT軟件，對流化床鍋爐燃燒特性與煤種的關系進行模擬分析，模擬分析的結果是，該鍋爐適合燃用褐煤。

2 煤種變化和循環流化床鍋爐燃燒特性

循環流化床鍋爐雖然具有負荷調節性能好、煤種適應性廣的優點，但是不同性質的燃料對其鍋爐的燃燒效率、爐內溫度分布有著重要的影響。

2.1 不同煤種的燃燒特點

1）無煙煤煤種的燃燒特點。無煙煤由于煤齡長，碳化程度較高，因此無煙煤燃燒時間長、著火溫度高、發熱量高、析出溫度高，鍋爐的飛灰含碳量大。當無煙煤顆粒進入循環流化床后，燃燒時爆裂形成的粉末較多；

2）褐煤煤種的燃燒特點。我國的褐煤資源多為老年褐煤，具有固定碳含量低、發熱量低、高水分、高灰分、高揮發分的特點，當褐煤顆粒進入循環流化床后，容易著火燃燒、容易結渣。

2.2 煤種變化與鍋爐燃燒特性的關系

煤種變化對循環流化床鍋爐的燃燒特性造成的影響主要體現在以下兩個方面：

1）對鍋爐燃燒效率的影響。燃煤的揮發分含量、結構特性、含碳量、灰熔點等都會對循環流化床鍋爐的燃燒效率帶來影響。例如揮發分含量較少的燃煤，由于內部揮發分不容易析出，所以燃燒效率降低。對于揮發分含量較高的褐煤燃料，由于結構松軟，因此燃燒速率高，循環流化床鍋爐的燃燒效率也得到提高；

2）對爐內溫度分布的影響。由于燃燒煤種的變化，燃燒的發熱量改變，床溫變化，爐內燃燒份額改變，從而影響鍋爐內的溫度分布。

3 循環流化床爐內燃燒的數學模型

煤顆粒進入循環流化床鍋爐以后，要經歷以下過程：

圖1 煤顆粒燃燒過程

為了方便模擬煤顆粒在循環流化床鍋爐中的燃燒，本文不考慮污染物的排放，只考慮揮發份和焦炭的燃燒。

3.1 揮發份的析出和燃燒

揮發份的析出量和析出速率和溫度有密切的關系，揮發份的燃燒影響氧氣濃度在循環流化床鍋爐截面的分布等。通常我們認為揮發份的析出時間是燃燒條件的函數，具體可表達為：

式中tv是揮發份析出時間，a是常數，n是指數常數，dp是顆粒給料時的直徑。

揮發份的析出量可以用活化能分布模型表示，其含義是單位質量煤的揮發份析出量通過不同反應活化能的單獨反應的積分來表述，其表達式如下：

其中f（E）是活化能分布函數，E是活化能，E0是平均活化能，σ是平均活化能E0的標準方差。

揮發份的析出過程作為煤燃燒的重要組成部分，大家對其燃燒區域的研究卻不多。對揮發份析出的燃燒區域一般假設為揮發份在給煤點附近迅速析出并燃燒。

3.2 焦碳燃燒

焦碳顆粒通過整個循環流化床爐膛的時間大概在10秒之內，為了焦炭的完全燃燒，顆粒在床內總的停留時間必須大于焦碳的燃燒時間。焦炭燃燒的最簡單的就是碳在氧氣的作用下轉化成二氧化碳，其基本表達式如下：

但是焦炭在實際的燃燒過程中，并不像上述表達式那么簡單。第一種情況是氧氣擴散到焦碳表面，焦碳被氧化為一氧化碳，一氧化碳繼續燃燒又生成二氧化碳；第二種情況是焦碳燃燒同時生成一氧化碳和二氧化碳，一氧化碳繼續燃燒又生成二氧化碳。上述兩種情況用一個式子綜合表示焦炭的燃燒過程：

其中?是機理因子，它決定了CO和CO2之間的比例。

通常情況下，焦炭的燃燒速度和化學反應速率、焦炭內部擴散速率和顆粒外部氣體的擴散速率這三個因素有關。在循環流化床鍋爐的實際燃燒過程中，由于同時進爐的燃煤性質不均勻，我們一般認為細顆粒的燃燒在內部進行，大顆粒的燃燒發生在顆粒表面。

4 數值模擬和結果分析

本文以一臺300mW循環流化床鍋爐為研究對象，對褐煤燃料情況下鍋爐燃燒的數值模擬使用FLUENT軟件進行求解，得出爐膛溫度分布云圖和焦炭燃盡圖等模擬結果。

燃用褐煤時的模擬結果和分析：

1）溫度場分布情況。溫度場分布情況是模擬分析的首要問題，通過模擬分析看到，在爐膛高度約4m的地方，由于煤粉顆粒濃度高和爐膛的內外二次風流速較高，使得煤粉顆粒的燃燒充分，該高度出現1 450K的高溫區域。爐膛墻壁兩側和中心位置，由于沒有足夠的氧氣，使得煤粉不能很快燃燒，呈現出溫度較低；

2）焦炭燃盡情況。本文在進行分析時跟蹤一組10顆煤粉顆粒的焦炭燃盡情況，通過分析得到，這組顆粒在爐膛高度10m的地方出現焦炭的燃燒過程，在爐膛高度17m的高度燃燒結束。該過程正好印證燃煤的燃燒原理，在燃煤顆粒進入到爐膛后，先加熱、干燥，然后揮發分的析出、燃燒，當揮發分燃燒完全后，開始焦炭的燃燒過程；

3）混合分數分布情況。混合分數的分布情況直觀的反映出燃燒過程中連續和離散的混合情況，通過分析觀察到，在爐膛高度約4m的地方，由于煤粉顆粒濃度增高和內外二次風同時送入爐中，造成密相區的氣體和煤粉顆粒混合相當充分，混合分數從0.01劇增到0.17。

通過DCS控制系統檢測到的該循環流化床鍋爐溫度場分布情況和壓力分布情況可以看出，和上述模擬結果基本相同，模擬結果符合設計的燃燒溫度。

5 結論

循環流化床鍋爐的雖然具有煤種適應性強的優點，但是由于燃煤特性很大程度上決定著鍋爐的燃燒特性。因此，對于一臺給定的循環流化床鍋爐，要想保證其燃燒效率高、飛灰含碳量低等優點，就要選擇合適的燃燒煤種。

[1]于龍.循環流化床燃燒技術的研究展望[J].熱能動力工程，2004(4).

[2]張麗華，支元珍，等.燃用無煙煤的循環流化床鍋爐的運行體會[J].電力設備，2003(3).

TK229.5..

A

.1674-6708（2011）52-0090-02

付超，助理工程師，研究方向：電廠鍋爐運行