基于CFB的供熱循環流化床鍋爐結構優化研究

創新者：趙永臣

基于CFB的供熱循環流化床鍋爐結構優化研究

創新者：趙永臣

本文以鍋爐燃燒特點為基礎，分析燃料的燃燒過程，總結影響燃料顆粒的問題，如點火方面等等，同時對旋風分離器進行模擬優化，以Gambit軟件構建相應的物理模型，并對網絡進行分劃、模擬分器速度場等，導入Fluent軟件對數值進行計算。根據模擬分析的結論提出供熱循環流化床鍋爐結構優化設計方法，以達到保證鍋爐運行效率和燃燒污染物排放最優的目的。

CFB為循環流化床鍋爐技術，它是在最近十年發展的新能源和低污染的清潔燃燒技術，在國外，CFB鍋爐已在電廠得到廣泛應用，并逐漸向幾十萬千瓦級別大型CFB鍋爐發展；國內開發和應用也是方興未艾。與原來的煤粉、層燃鍋爐比較，CFB燃燒率可高達百分之九十五以上，且負荷適應力也非常強，就算在百分三十左右下的負荷環境中也可正常、穩定燃燒，同時，CFB還具有節省換熱面積、成本低等特點，當前很多的制造商、科研機構，都將眼光放在了CFB的開發、研究中，也取得了一定的成績。

但是，因為技術方面的原因，當前無論是在國外還是國內，都沒公開可真正用在工程運用的CFB設計的方法。目前的設計思想、方法等是以鼓泡床概念為基礎，在流化床鍋爐設計中經驗所占的位置非常重要。因為對流化床鍋爐燃燒機理的認識不，設計人員一般是依照已有的循環流化床鍋爐運行情況，一步一步積累各種參數，為運行、設計提供相應參考。只是當前正在運行的CFB在實際工作仍存在很多問題，例如燃燒率不足、過快的磨損、鍋爐出力不足等等。因此在機理研究上許多問題還處在摸索的階段，一直到現在為止，CFB仍未完善熱力的計算方法，當前試驗性研究、理論等都仍無法滿足工程設計的需求。本文以實際供熱工程項目為依據，通過CFB仿真實驗，提出供熱循環流化床鍋爐結構優化方案。

燃料顆粒度的分析

CFB燃燒特點是篩選粒子在適當的氣流的作用下，燃燒在床上滾動，與煤粉、層燃鍋爐燃燒方法不同，屬于沸騰燃燒。通過實踐分析，沸騰流化床運行控制煤粒度、點火啟動和運行的水墻可以造成很大的影響。

點火啟動的影響

CFB的點火過程是鍋爐進行加熱的前提條件，從開始加熱起，一直到煤體完全燃燒是一個動態的過程，這個過程是否會成功和粒度的流化床基礎結構、空氣分布等許多因素有關。點火操作是非常重要的，不僅在床基和熱投煤的溫度，而且還把煤焦化和爆燃過程中進行相應的控制，在控制的基礎上一步一步進入到正常的燃燒值范圍內。

表1　顆粒的尺寸及煤粒加熱到著火溫度所用時間分析

計算包括如下內容：煤粒比重、床內溫度、黑度、導熱系數、煤粒比熱，其條件為γ=2 000 kg/m3、床內溫度900 ℃、α=1、λ=0.67 kJ/（mh℃）、c= 1.306 kJ/（kg ℃）。

通過粒度分析，在燃燒的過程中，低溫階段啟動前一定要保證有足夠的點火煤粉，同時煤粉在燃燒時要注意風量的控制，并確保點火時床料的流化情況，更要注意在一定程度上避免煤粉自身所產生的熱量不會被更多的風所帶去。此外，在細煤粉受熱之后，溫度快速上升，對于著火是非常有利的，可以火溫度縮短加熱時間，同時，減少熱空氣的損失，那么好控制爐的煤顆粒大小，可以在一定程度上降低燃料的使用，同時還可減少能源耗損。

點火的時候如果底料太少，會導致非均勻床層物料流化，并導致點火時的床面溫度不均勻，造成點火困難，甚至可能煉焦和超溫條件；床層物料如果過高，可以讓基地慢慢加熱，增加床阻力，供給和增加引風機能耗影響經濟的運行。因此，在點火時靜態的高度非常重要，一般保持在350～400 mm即可，只有這樣才可讓鍋爐的點火順利進行。

在初次點火時，其風濕、底料溫度均不同，一樣尺寸的顆粒如果要達到沸騰的狀態時，其所需要的風量要比熱態的運動要大得多且風量要求比較小，這樣操作的目的在于減少熱風損失，只有解決此問題后才可更好掌握設備的基本運行。

對鍋爐運行、燃燒效率的影響

CFB在運行睦其基本要求就要讓床料所沸騰的時常正常，其床溫也能保持在穩定的范圍內。因此在進入到鍋爐內，煤的顆粒度要有保證，如果在運動中有大火煤塊進入流化床則會沉積，并在沉積處理形成一定的滯留區，從而對正常的液化狀態造成破壞，也會讓爐內的溫度聲不均勻，導致床溫過低、過高最后形成結焦而被迫讓鍋爐停止工作。

因此，CFB安全運行要有非常優秀的篩選、破碎系統，這樣是為了可以保證煤顆粒在進入至流化床時其顆粒大小的合格度（合格標準在0～13 mm之間），如果煤顆粒無法保證在這一合格度間則會產生顆粒逃逸的情況，從而讓風量大大減少，這樣則會極大影響大煤粒沸騰。為了能處理好大型煤粒子，流化風量需要增加，也會增加小煤粒的失控，使鍋爐損失更大；同時，風量調整構成比例保持床溫度和煤。從好煤顆粒破碎，粒子的不平等程度來看，風煤是相對容易掌握的，也更容易轉移到床溫度、和效率高。過度的顆粒太大、太小會導致困難的操作，但也會使損失的爐循環流化床粉煤灰火山灰熱損失增加，鍋爐熱效率降低。除了大粒度增加顆粒流化風量，導致小顆粒未能燃燒煤和飛出爐膛，旋風分離器在床上更低的回報二次燃燒，造成高溫返回溫度太高和煉焦，很大程度上影響鍋爐的正常運行。

對設備的磨損

設備的磨損原因在于沸騰床空部分的氣流速度加快等。此值是和煤顆粒大小、填料密度等元素有著密切的聯系。

表2　不同粒徑在不同溫度下最小流化速度（單位：m/s）

從表2可以看出在床溫在一定恒定的溫度情況下，床料平均直徑、流化最小流化風量會不斷增加，并在一定壓力下其料的阻力也會增加，造成流化狀態朝著不良方向發展從而增加了布風板風貌磨損，且飛灰損失和最小流化風量呈正向的關系，水冷受熱面磨損且風速增加是呈現加倍正比關系，這些都會造成鍋爐使用壽命的減少。

綜上，直接影響CFB的因素是燃料顆粒度大小。

實例分析

內蒙古根河集中供熱工程一共有三臺10 t/h的CFB，屬于低倍率循環液化床的鍋爐，此鍋爐對于煤粒度的要求如下：

平均粒徑=1～4 mm、最大粒徑=13 mm（由于粒徑小于0.5 mm，其效率至少會減少15％，因此要保證其最佳粒徑）。

在開始投運前的三個月內，最長的運行時間不能超過半個月，在最開始運行的時候，床溫的最高與高低點的溫度不能超過10 ℃，為保證其運行的穩定性，平均床溫一定要保證在880 ℃左右。

但在后期，出現了床溫溫差大的問題，無法保證設備正常運行，最后檢查發現，是因為在床體上存在大量大于13 mm的煤塊，最大的甚至達到了40 mm，在靜態高度不均區域有結焦死區存在。

通過分析發現，初始點爐基礎通過篩選，確保合格的床層物料不到8mm和靜態平均高度，所以在運行穩定和床溫度是正常的。但在經過多次不合格的煤顆粒流入室爐膛的情況，更糟的是煤不能及時排出，這些大顆粒在床上的身體形成了保留區域，破壞了正常的沸騰燃燒，最后造成爐出現異常。

所以優化煤炭系統一定要及時，主要是為了優化煤炭顆粒破碎和篩選系統，以確保符合要求的流態化燃燒爐煤粒度。通過優化鍋爐運行更加順暢，且運行時長也由半個月提升到了兩個月以上。

總結

CFB雖在煤種上適應性比較廣，對燃料顆粒度嚴格，但也是有一定制約性。所以增加破碎、篩選系統是非常必要的。這在一定程度上雖會增加一次性投資，卻也能產生比較大的綜合效益，并為CFB的穩定、安全運行打下良好的基礎。

旋風分離器數值模擬x

旋風分離器模型建立

對于旋風分離器來說，一般是由四個部分構成主體結構，包括圓柱形主筒體、矩形流體進口、小圓筒形出氣口、錐形灰斗。因為此設備只要朝氣口的速度一樣，那么不管尺寸的大小如何，其壓力損失都是一樣的，而且所分離的灰塵顆粒臨界粒徑以及進氣口矩形截面寬度、筒體主體直徑是呈正相關關系的。

在此選用化工原理中的基礎旋風分離器操作參數進行相應的設計、計算，當溫度保持在20℃左右時，壓力=0.10MPa，流量=2.5m3/s，塵粒密度=2500kg/m3；

當最大允許壓力損失在2.0kPa時，m1、m2、m3、m4分別為1/5、3/5、2、1/2，其解如下：L=1.12m，H=2.24m，b=0.224m，h=0.67m，d=0.56m。

旋風分離器網格劃分

為了不讓整體所分劃的網格數過大，需要將旋風分離器的整體分成為幾部分，并且對此進行依次性的劃分。在劃分后，所得到的網絡化圖形如圖2所示。

旋風分離器數值仿真結果分析

（1）旋風分離器的壓力場分析

在Fluent軟件中導入Gambit所劃分好的網格，并且設定好邊界條件的模型，對基本參數進行設定、迭代，確認達到收斂后得出旋風分離器內部的壓力場分布圖如圖3所示。

從圖中可以看出，在同一高度的情況下，其壓力大小是由“面-中心”一步一步減少的，但都是沿著軸對稱進行分布、靜壓沿著筒壁變化不會太大，但是在進氣口、筒壁的連接處其壓力是有一定的波動，與進氣口位于同一個平面的旋風分離器的筒體中心，因為有漩渦在，還會出現一定的負壓。

圖1　旋風分離器模型

圖2　旋風分離器網格劃分

圖3　旋風分離器的壓力場

圖4　旋風分離器速度場

（2）旋風分離器的速度場分析

經調制計算之后，速度分布圖如圖4所示。

從圖4可看出，由進氣口進入到旋風分離器時，有一個速度遞增過程，通過一定的旋轉之后其速度往中心一步一步減少，在出灰口中心、出氣口中心、靠近出氣口壁面的地方，速度=0，與進氣口軸對稱處其速度并不是呈現軸對稱分布的，在進氣口下方處，兩邊速度分布基本是一樣的，但呈不完全軸對稱分布。

（3）塵粒運動軌跡分析

塵粒進入旋風分離器后其軌跡變化曲線如圖5所示。

由塵粒進入旋風分離器之后，通過軌跡變化曲線可知，在靠近外壁處，其塵粒會沿著容器壁，以螺旋運動沉降。從進氣口進入同時與出氣口接近的粒子很容易被沿著出氣口流出的氣體所帶走。

圖5　旋風分離器塵粒運動軌跡

總結

（1）從仿真的結果可以看出，一般來說壓力場、速度場的分布與分離器規律可分成兩個流動區域，即內部、外部，分界而一般分成了排氣管壁面向下延長線、內部區域中靜壓沿著軸中線的方向進行變化。變化梯度要遠遠大于外部的區域，而內部區域中切向速度沿徑向的變化梯度比外部區域中的要大得多，其Rankine渦結構中受迫渦和自由渦的分界面也大致為內、外區域的分界面；徑向速度方向在外部區向下、內部區向上；徑向速度在不同區域分成向心與背心流動。

排氣管、排塵口居中布置并非最好解決方式壓力場、速度場的方式。

（2）從粒子軌跡仿真可以看到其粒子導入部分，因為進入分離器的位置不同，其分離的效率也有極大區別。設備內顆粒運動是非常復雜的同時也會受到一定程度的影響，構建起標準、精致的運動模型是不易的。

（3）當顆粒進入到分離器之后，在進口的截面處其位置對于分離效果來說，會造成一定的影響，而這樣也為分離器的優化提供了參考。

結語

本文分析了燃料顆粒度大小對循環流化床鍋爐運行、點火、磨損方面的影響，因此增加煤的破碎和篩選系統是必要的；適當的分離器入口位置及排塵口位置對分離效果有很大影響，可以達到保證鍋爐運行效率和燃燒污染物排放最優的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.033