爐膛結構參數對CFB鍋爐顆粒相濃度分布的影響研究

(潞安礦業集團公司五陽熱電廠，山西長治046205)

0 引言

潞安集團五陽熱電廠(4×75 t/h CFB鍋爐)鍋爐設計煤種為劣質煤，2015年后，電廠鍋爐入爐煤質發生變化，鍋爐灰分降低，發熱量增加，鍋爐循環倍率降低，爐出口溫度降低(爐出口速度大約750℃)，鍋爐出力大約55 t/h。通過改造五陽熱電廠鍋爐密相區結構，使鍋爐密相區流化速度增加，密相區燃燒份額下降，稀相區燃燒份額增加，爐出口溫度增加(爐出口速度大約900℃)，鍋爐出力大約為70 t/h。

1 爐型介紹

圖1 五陽熱電廠鍋爐結構圖

潞安集團五陽熱電廠的4臺75 t/h CFB鍋爐(型號：YG-75/5.29-M5)由山東濟南鍋爐廠生產，鍋爐本體高22512 mm，爐深5290 mm，寬3170 mm，其結構如圖1。鍋爐采用雙高溫旋風分離，爐膛內部分布膜式水冷壁，尾部煙道設計有高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器、一二次風預熱器，鍋爐設計參數如表1。密相區溫度為1000℃～1050℃，分離器溫度為1000℃左右，爐出口及水平煙道溫度850℃～950℃，設計煤種如表1。

表1初始邊界條件的數值設計

2 模型的建立

2.1 模型參數

潞安集團五陽熱電廠4×75 t/h CFB鍋爐二次風噴口分兩層布置，具體的設計參數如圖2。

圖2 CFB鍋爐錐段結構尺寸(原方案)

圖3 兩種改進型CFB鍋爐錐段結構尺寸

2.2 網格劃分

圖4 鍋爐結構網格劃分圖

CFB鍋爐中部采用六面體網格，爐膛下部及上部采用四面體網格，二次風噴口及旋風分離器出口連接處采用加密處理，總網格數量為256431，具體如圖4。

2.3 模型計算

2.3.1 Syamlal et al與Gidaspow et al動力粘度表達式選擇

Syamlal et al表達式：

Gidaspow et al表達式：

Syamlal等研究學者所提出的動力粘度表達式對CFB鍋爐的模擬更符合實際，而且，應用Syamlal模型得出的結論與CFB鍋爐的氣-固流動特性與顆粒特性吻合更好[1-4]。

2.3.2 氣-固相間閉合關系

氣-固相間的主要的曳力模型有：Wen and Yu模型、Syamlal and O’Brien模型和Gidaspow模型。

Syamlal and O’Brien曳力模型對CFB鍋爐氣-固兩相流動更加準確，Gidaspow曳力模型更多的應用在稠密流化床模擬中，Wen and Yu曳力模型更多應用在稀相流動[5-12]。

2.3.3 數值模擬及邊界條件

CFB鍋爐數值模擬及邊界條件見表2。

表2CFB鍋爐模擬模型及參數

3 模型分析

根據圖5、6可以得出：方案二密相區的顆粒物濃度最低，原方案的密相區的顆粒物濃度最高；方案二稀相區的顆粒物濃度最高，原方案的稀相區的顆粒物濃度最低。原因：方案一和原方案相比，降低了二次風噴口距離布風板的距離，提高了密相區的流化速度，使更多的顆粒物析出二次風平面進入稀相區，導致稀相區的顆粒物濃度提高；方案二與原方案相比，不僅降低了二次風噴口距離布風板的距離，還縮小了二次風噴口所在面積，使密相區的流化速度進一步提高，最終導致原模型的稀相區顆粒物濃度最低，密相區的顆粒物濃度最高，方案二的稀相區顆粒物濃度最高，密相區的顆粒物濃度最低。

圖5 三種方案軸向不同高度顆粒物濃度分布

圖6 軸向不同高度截面顆粒物濃度分布

4 3#爐改造實踐及分析結果

4.1 3#爐改造分析情況

4.1.1 3#爐改造前后鍋爐出力情況

根據圖7可以得出：按照方案二改造情況，適當降低二次風距離布分板的距離同時縮小二次風所在面積，可以提高密相區的流化速度，使更多的顆粒物流入稀相區，鍋爐的循環倍率增加，鍋爐傳熱增強，爐出口溫度提高，鍋爐出力增強。

圖7 3#爐鍋爐改造前后鍋爐出力對比圖

4.1.2 3#爐改造前后爐膛差壓變化情況

3#爐改造前后爐膛差壓變化情況如圖8。

圖8 3#爐鍋爐改造前后爐膛差壓出力對比圖

根據圖8可以得出：按照方案二改造情況，適當降低二次風距離布分板的距離同時縮小二次風所在面積，可以提高密相區的流化速度，從而使更多的顆粒物流入稀相區(鍋爐密相區燃燒份額下降)，使稀相區的爐膛差壓增加。

4.1.3 3#爐改造前后爐出口溫度變化情況

根據圖9可以得出：按照方案二改造情況，適當降低二次風距離布分板的距離同時縮小二次風所在面積，可以提高密相區的流化速度，從而使更多的顆粒物流入稀相區(鍋爐密相區燃燒份額下降)，爐出口溫度增高，鍋爐傳熱增加，鍋爐出力增強。

圖9 3#爐改造前后爐出口溫度對比圖

4.2 3#爐改結果

五陽熱電廠3#爐改造前：

1)3#爐改造前鍋爐鍋爐出力56.2t/h；

2)3#爐改造前爐出口溫度為866.55℃；

3)3#爐改造前爐膛差壓為77.09Pa。

五陽熱電廠3#爐改造后：

1)3#爐改造后鍋爐鍋爐出力69.0/h；

2)3#爐改造后爐出口溫度為907.87℃；

4)3#爐改造后爐膛差壓為827.89Pa。

5 結論

1)適當降低二次風噴口與布風板的距離(相同爐膛下部結構)，可以提高稀相區顆粒物的濃度，降低密相區的顆粒物濃度；適當縮小二次風所在平面面積(二次風所在平面距離布風板的距離相等)，可以提高稀相區顆粒物的濃度，降低密相區的顆粒物濃度。

2)通過改造潞安集團五陽熱電廠鍋爐密相區結構可以提高爐出口溫度，爐膛差壓明顯提高，鍋爐出力增強。