660 MW 超超臨界CFB鍋爐物料平衡模擬

陳陸劍，陶 欣，張 縵，高新宇，趙孔友，張守玉，楊海瑞，呂俊復

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093; 2.清華大學 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084; 3.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046; 4.陜西彬長新民塬發電有限公司，陜西 咸陽 713500)

循環流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐有著燃料適應性廣、負荷調節能力強、燃燒效率高、污染物排放低等特點，是當今世界上商業化程度最好的潔凈煤利用技術之一[1]，中國作為世界上循環流化床機組數量最多，裝機容量最大的國家，中國的CFB鍋爐正朝著大容量、高參數、高效率、低污染排放的方向發展[2]。CFB鍋爐是一個“一進二出”的開口體系物料平衡系統，其最基本特征是有一定數量的煤成灰、脫硫劑或者其他惰性床料在系統內不斷循環，其中灰在床料中的比例在九成以上[3]。定態設計是CFB鍋爐的設計基礎，沿爐膛高度的物料密度分布是其關鍵[4]，而給煤的成灰特性會影響CFB鍋爐的物料平衡。床壓降對CFB鍋爐爐膛內的物料密度分布，顆粒停留時間，燃燒效率等有著較大的影響，是影響CFB鍋爐整體性能的一個重要參數。傳統的CFB鍋爐一般采用高床壓運行，需要維持較高的一、二次風壓頭來保證爐內的氣固流動狀態，風機的耗能也較高，CFB鍋爐的廠用電率比同容量加FGD的煤粉爐高了1%～2%[5]，較高密度的顆粒密度也會沖刷水冷壁管束導致水冷壁磨損甚至爆管[6-7]。因此研究CFB鍋爐床壓降對爐內物料平衡的影響對于電廠節能和指導CFB鍋爐實際安全運行有著重要的意義。

李國勝等[8]根據CFB鍋爐爐內氣固流動特性，構建了密相區上部區域的物料密度數學模型，但是該模型未考慮顆粒分層、粒徑分檔對物料密度的影響以及顆粒在爐內的停留時間情況。劉曉蕊[9]在一臺480 t/h的CFB鍋爐中進行燃煤粒徑優化研究，分析了低床壓下風室壓力和飛灰、底渣含碳量之間的關系，未綜合其他影響因素分析床壓與物料平衡之間的關系。有學者[10-11]研究了135 MW CFB鍋爐床壓降對鍋爐運行性能的影響，發現降低床壓降會使爐膛內的床存量下降，顆粒停留時間變短，過渡區和稀相區的顆粒密度也會出現下降。劉名碩等[12]在白馬600 MW超臨界CFB鍋爐上進行了試驗和模擬研究，研究了負荷和二次風分布對爐膛顆粒密度的影響。目前針對660 MW超超臨界CFB鍋爐的物料平衡研究，報道的文獻很少，而CFB鍋爐的物料平衡和鍋爐尺寸大小、布風板設計、煤種成灰特性等因素密切相關，所以不能直接通過之前的研究規律直接外推660 MW超超臨界CFB鍋爐的物料平衡特性。

研究CFB鍋爐的數值模擬手段有很多種，其中CFD模擬方法使用廣泛，但是模擬實際鍋爐需要劃分大量的網格，計算周期長;CPFD模擬通過將相同性質的顆粒打包計算，可以獲得顆粒的詳細信息，但是受限于顆粒計算量;小室模型可以較好地模擬爐膛內的物料平衡，這已經在實際鍋爐中進行了模型驗證[13-14]，且計算周期較短。筆者采用小室模型進行模擬，研究對象是一臺正處于設計開發的660 MW超超臨界CFB鍋爐。

根據清華大學提出的定態設計理論[15]，降低床壓降對CFB鍋爐性能的影響是雙重性的，因此理論上存在一個最佳床壓降。采用清華大學提出的靜態燃燒加冷態振篩的方法[16]來獲得設計煤種的成灰磨耗特性，并且結合鍋爐有關幾何參數與運行參數，將這些參數作為一維小室模型的輸入參數，計算得到CFB鍋爐中的床壓降分布、物料密度分布、顆粒粒徑分布、顆粒停留時間等結果，根據計算結果綜合求取該CFB鍋爐的優化床壓降和給煤粒度分布。

1 一維小室模型計算

1.1 研究對象

研究對象為一臺660 MW 超超臨界CFB鍋爐，該鍋爐爐膛高度約為55 m，寬度約39.9 m，深度約12.6 m，出口蒸汽參數分別為605 ℃和623 ℃。鍋爐采用簡約M型布置，爐膛采用單爐膛單布風板結構，避免雙布風板設計存在的翻床風險，爐后布置4個高效汽冷旋風分離器，同時采用了4個具有靈活調節特性的中溫受熱面外置床換熱器，尾部則采用成熟的雙煙道擋板調節。

對于660 MW級別CFB鍋爐，由于爐膛截面增大，爐膛寬度接近40 m，為了保證爐內燃燒均勻與流場均勻，該鍋爐采用布風板均勻設計，從風室后墻6點均勻布風方式;煙風系統、給煤、排渣、回料等都采用均勻布置的方式，煤泥通過煤泥槍從爐膛中部密相區給入;4個中溫受熱面外置床可實現沿爐膛寬度方向調節并減小床溫偏差。該爐型具有結構簡潔、運行調節靈活、技術成熟可靠、污染物排放低、高效低能耗等優點。

給煤的工業分析與元素分析見表1，該鍋爐的設計煤種為矸石、粉煤與煤泥3種的混煤，各種煤樣的設計比例分別為20∶25∶55。設計煤種中矸石的灰分含量很高，熱值又很低，煤種的爆裂性能也較差，因此需要配合熱值較高的粉煤與煤泥，保證爐內的細顆粒灰的存量，同時使燃料可以在爐內進行充分地燃燒。表2列出的是3種設計煤種的原始粒徑分布。本模擬主要采用了2種不同的混煤給煤粒徑，具體粒度分布如圖1所示，其中粒徑分布1較粗，經過粒徑優化之后的粒徑分布2相對較細。

表1 3種煤樣的工業分析及元素分析Table 1 Proximate analysis,ultimate analysis and heat value of three coal samples

表2 3種煤樣的原始粒徑分布Table 2 Original particle size distribution of three coal samples %

圖1 混煤粒徑分布Fig.1 Blended coal size distribution

1.2 一維小室灰平衡

以660 MW超超臨界CFB鍋爐為計算對象，通過對實際鍋爐進行簡化，只保留爐膛、旋風分離器以及返料閥等主要結構，沿著爐膛高度方向將爐膛劃分為若干個小室，詳細方法可以參考文獻[17]。筆者采用Fortran語言編寫的小室模型，使用的是微軟公司的Visual Studio 2012軟件，圖2是模型程序流程圖，圖3是小室內的灰平衡示意圖。

式(1)列出了小室內的平衡方程[13]，對于(i,j,k)檔的灰和石灰顆粒需滿足的平衡方程為

Wdrain,i,j,k+Wup,i+1,j,k+Wdown,i-1,j,k-Wup,i,j,k-

(1)

圖2 程序流程Fig.2 Program flow chart

圖3 小室內的灰平衡Fig.3 Coal ash balance in a small cell

1.3 分層模型

在流化床中，顆粒主要受到自身重力和氣體曳力的共同作用，因此顆粒存在上行和下行兩種運動模式，不同粒徑的顆粒在運動的過程中會不斷混合。由于不同粒徑、形狀和密度的顆粒所受到的重力和曳力大小不完全相同，所以顆粒的運動行為也存在差異，而這種宏觀上的差異就會導致顆粒分層現象的發生。在一定的流化風速下，顆粒的混合與分層最終會達到動力學平衡。已經有眾多學者對CFB鍋爐內的顆粒分層現象進行了研究[19-23]，實驗結果一致認為，在CFB鍋爐中存在明顯的分層現象，分層的程度和循環流率以及流化風速有關。關于CFB內分層現象的模型研究，已經有很多學者[24-28]做了大量的工作，本文采用姚宣[29]優化后的模型，即在一維小室模型的基礎上，采用顆粒終端沉降速度為特征參數，引入分層系數ξ來描述分層強度，而且通過和實驗數據進行對比，得出該模型具有較好的適用性。

假設小室內平均顆粒粒徑對應的終端沉降速度為Ut，此時對應的分層系數ξ=1.0;小于平均粒徑的顆粒對應的ξ1.0，代表該粒徑顆粒具有較強的向上運動的趨勢;而大于平均粒徑的顆粒對應的ξ1.0，代表該種顆粒具有更強的向下運動的趨勢。

式(2)是表示考慮顆粒分層以后，小室內的上升流率:

(2)

1.4 磨耗與退檔

顆粒在流化床內運動的同時不僅僅有顆粒與顆粒之間的摩擦碰撞，還有顆粒與壁面之間的碰撞摩擦，灰顆粒的尖角邊緣會在這個過程中掉落，這個現象被稱為顆粒的磨耗[30]。通常認為灰顆粒在經歷磨耗之后會變成一個較大的母體灰顆粒以及一些微小的灰顆粒，由于原始灰顆粒自身的粒徑出現減少，一部分母體灰顆粒會掉落到下一粒徑檔，這個過程被稱為退檔[18]。如圖4所示，橫向表示顆粒經歷了磨耗過程，并且完成了退檔，磨耗生成的超細顆粒直接歸入最小檔位?？v向表示隨著停留時間的增加，顆粒逐漸衰變到下一年齡檔。

圖4 灰顆粒磨耗退檔示意Fig.4 Diagram of ash particle attrition and size reduction

1.5 計算條件

本模型的計算條件見表3，4。

表3 鍋爐參數Table 3 Boiler parameters

表4 計算工況Table 4 Calculation conditions

2 結果與討論

2.1 成灰磨耗結果

煤種的本征成灰特性是一維小室模型的重要輸入參數之一，矸石、粉煤與煤泥的本征成灰特性結果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，不同粒徑檔位的矸石生成的不同粒徑灰樣的比例各不相同，0～0.3 mm 粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細顆粒(<0.03 mm)最多，大約有18%，其他粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細顆粒相對較少。經過計算可知，原始矸石煤樣燃燒后顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較大的比例，大約為14%，而這部分粒徑的灰樣有利于構成外部物料循環。

由圖5(b)可以發現，各粒徑檔粉煤生成的細顆粒(<0.03 mm)都比較多，其中0～0.3 mm 粒徑檔位的煤顆粒燃燒后得到的細顆粒最多，大約有61%。經過計算可知，顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較大的比例大約為16%，而這部分粒徑的灰樣有利于構成外部物料循環。

由圖5(c)可以看出，原始煤泥的粒徑比較細，顆粒粒徑都在0.3 mm以下，煤泥燃燒后生成的細顆粒(<0.03 mm)比例很高，達71%。經過計算可知，顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的灰樣占有較低，只有7%，而這部分粒徑的灰樣有利于構成外部物料循環。

2.2 模型計算結果與討論

設計摻混比矸石∶粉煤∶煤泥為20∶25∶55，折算灰分為30.86%，灰渣量為0.098 kg/(m2·s)。當過量空氣系數取1.21，爐膛平均溫度選取880 ℃。此時爐內平均流化風速為5.2 m/s。

取爐膛床壓降為7 000 Pa時，經計算飛灰份額大約為33.7%，循環流率為8.52 kg/(m2·s)，此時成灰特性可以滿足CFB鍋爐的物料平衡要求[15]，沿爐膛高度顆粒密度如圖6所示。爐膛內平均顆粒粒度為232 μm，排渣粒度為277 μm，飛灰平均粒度為29.8 μm，如圖7所示。

圖6 床壓降和顆粒密度沿爐膛高度分布Fig.6 Distributions of bed pressure and solid density along the height of the furnace

圖7 飛灰、循環灰、底渣、爐內床料、煤成灰與給煤顆粒粒徑分布Fig.7 Particle size distributions of fly ash,circulating ash,bottom slag,coal ash and feeding coal

2.3 不同床壓降下對物料平衡的影響

不同床壓降對物料平衡顆粒停留時間和循環流率的影響分別如圖8，9所示。由圖8中可以看出，增大床壓降對于灰顆粒在爐內停留時間的延長是有利的，當床壓降為7 000 Pa，各個粒徑的灰顆粒在爐內的停留時間都要高于床壓降為6 000 Pa和5 000 Pa時的情況，而且還發現，床壓降對于粒徑在0.125～3.200 mm的灰顆粒停留時間的影響比較大，對于<0.125 mm和>6 mm灰顆粒的停留時間影響較小。

圖8 不同床壓降下顆粒粒徑與停留時間的關系Fig.8 Effect of particle sizes on residence time at different bed pressures

不同床壓降下顆粒密度沿爐膛高度分布的結果如圖9所示。通過模型計算可知，當床壓降為7 000 Pa時，爐膛上部的顆粒密度在2.75 kg/m3左右，而當床壓降在5 000 Pa時，這一數值大概在2.68 kg/m3，雖然前者的顆粒密度高于后者，但是只高了2.6%，可見此時床壓降對于爐膛上部的顆粒密度的影響較小。

圖9 不同床壓降下顆粒密度的分布Fig.9 Particle concentration distribution at different bed pressures

通過計算可以得到在床壓降為7 000，6 000，5 000 Pa情況下的循環流率分別為8.52，8.35，8.17 kg/(m2·s)，均滿足CFB爐內物料平衡的需要。

2.4 不同給煤粒徑分布對物料平衡的影響

圖10給出了在床壓降同為5 000 Pa時，不同粒徑分布對應的顆粒停留時間分布情況，可以看出粒徑分布1和粒徑分布2兩個情況下顆粒的停留時間相差不大。在粒徑分布2下，大顆粒的停留時間仍有4 000 s左右，可以確保大顆粒在爐內的充分燃盡。

圖10 不同給煤粒徑分布下顆粒的停留時間分布Fig.10 Particle residence time distributions at different feeding coal sizes

圖11 優化粒徑前后顆粒密度的分布Fig.11 Particle concentration distributions at different particle size distributions

觀察圖11中局部放大區域，可以看出處于粒徑分布2，床壓降為5 000 Pa時爐膛上部的顆粒密度高于粒徑分布1，床壓降為7 000 Pa時候的顆粒密度。而且由模型計算可知，前者的顆粒密度為3.01 kg/m3，比后者的2.74 kg/m3高了9.9%。也就是說，在經過粒徑優化以后，即使在較低的5 000 Pa床壓降下，爐膛的上部顆粒密度反而增加，優于床壓降7 000 Pa且未優化粒徑時的結果。通過計算也可以得到粒徑分布2，床壓降5 000 Pa情況下的循環流率大小是9.30 kg/(m2·s)，也高于未優化粒徑床壓降7 000 Pa時的8.52 kg/(m2·s)。而降低CFB鍋爐運行時候的床壓降，意味著可以降低風機的電耗，實現電廠節能的目的。

綜合上述分析，優化燃料顆粒粒徑以后，可以在5 000 Pa床壓降下滿足CFB鍋爐物料平衡的需要，且循環流率和爐膛上部顆粒密度的表現優于未優化燃料粒徑的其他床壓降下的情況，綜合考慮已經投運的白馬600 MW 超臨界機組及眾多的350 MW超臨界機組的床壓運行情況，本文預測的5 000 Pa應該是該660 MW 超超臨界CFB鍋爐的較優化及安全的床壓降選擇。

3 結 論

(1)矸石、粉煤和煤泥有著不同的成灰特性，原始煤泥燃燒后生成的灰中小于0.03 mm的比例是3者中最高的，高達71%;原始粉煤燃燒后生成的灰中循環灰粒徑檔的灰的比例是3者中最高的。3種煤混合可以達到較好的燃燒效果，同時滿足物料循環的要求。

(2)不同的床壓降對中間粒徑檔顆粒(0.125～3.200 mm)的停留時間影響較大，對小粒徑檔和大粒徑檔顆粒停留時間的影響較小;不同的床壓降對爐膛上部的顆粒密度的影響也很有限，3種床壓降情況下的循環流率值都滿足CFB鍋爐內的物料平衡要求。

(3)在5 000 Pa床壓降下，不同的給煤粒徑分布對顆粒在爐內的停留時間影響較小，且大粒徑顆粒都可以滿足燃盡的需要。優化粒徑以后在5 000 Pa的床壓降下就可以使爐膛上部的顆粒密度達到較高的3.01 kg/m3，循環流率達到9.30 kg/(m2·s)，這兩項都要好于未優化粒徑，7 000 Pa床壓降下的表現。所以本文得出5 000 Pa是該660 MW 超超臨界CFB鍋爐在設計摻燒比例條件下的優化床壓降。