基于CPFD模型的循環流化床二次風穿透特性研究

楊雪芬 魯佳易 薛大勇 韋立校

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川成都611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643001）

0 引言

循環流化床燃燒技術，因可實現低品位燃料的高效清潔利用，在世界范圍內得到迅速發展和廣泛應用[1]。二次風是影響循環流化床運行的關鍵，其穿透性研究一直是該領域的熱門研究問題。

在NOx排放方面，循環流化床燃燒技術的燃燒特性決定其無論是密相區還是稀相區，對于燃料顆粒而言都處于特殊的還原性氣氛下[2]，從而在抑制燃料型NOx生成方面有一定優勢，但隨著近年環保要求的不斷提高，循環流化床鍋爐面臨的環保壓力也不斷加大。針對循環流化床鍋爐NOx整體排放規律，李競岌[3]總結了前人的研究結果，發現其排放主要與燃料特性、氣氛、溫度、是否爐內脫硫等因素有關。這5個因素對循環流化床鍋爐NOx的排放水平產生影響，此外，煤的粒度、爐內顆粒濃度與氣氛、補燃氣體等[4-5]，也都可以對NOx的生成有影響。

東方鍋爐廠提出通過延遲二次風進入爐膛而利于形成較大的下部還原區的方法抑制NOx的生成[6]，通過控制爐膛的二次風入射位置來實現更大區域的還原性氣氛，從而抑制NOx的生成，同時在更高的位置噴入二次風也更容易實現二次風的穿透性，使得煙氣中未完全燃燒的CO和焦炭顆粒進一步燃燒，以保證鍋爐的燃燒效率，實現循環流化床鍋爐的低NOx排放。從試驗研究和實際運行效果來看，該項技術可以起到抑制NOx生成的效果。本文主要基于對不同容量CFB鍋爐的氣固流動特性，開展了數值計算研究。

1 模型

目前，對循環流化床鍋爐爐內二次風噴射下顆粒流場的研究及定量描述還處在初步階段，由于爐內流場的測量手段和精度方面的局限性，對二次風噴口所在爐膛截面噴射特性的研究非常有限。近年來，隨著計算顆粒流體力學（CPFD）的極大發展與商用軟件的開發應用，通過數值計算的方法來預測爐內的氣固流動，成為研究二次風布置情況的有力手段。

1.1 物理模型

本文計算選取某350 MW超臨界CFB鍋爐和某580 t/h CFB鍋爐為物理模型。計算中，為考察單個高效二次風噴口的穿透性，同時為減少網格數量和計算時間，將350 MW超臨界CFB鍋爐簡化為一個二維的循環流化床。而對于580 t/h CFB鍋爐，則進行實際鍋爐尺度的計算。圖1給出了350 MW超臨界CFB鍋爐和580 t/h CFB鍋爐的計算模型，表1給出了上述兩個鍋爐的主要參數。

圖1 350 MW超臨界CFB鍋爐（左）和580 t/h CFB鍋爐（右）的計算模型

表1 建模對象主要參數

對于350 MW超臨界CFB鍋爐，將爐膛高度壓縮至25 m，保持爐膛深度不變。在爐膛寬度方面，僅能容納單個高效二次風噴口。計算模型中高效二次風和下層二次風分別左右僅各設一個噴口，網格數量約為3.4萬個。

580 t/h CFB鍋爐采用實際鍋爐尺度計算，二次風分兩層布置，高效二次風前后墻各6個噴口，下層二次風前墻6個噴口，后墻4個噴口。此外，前墻與下層二次風等高處還布置6個播煤口。經初步計算發現，雖然網格數量較多（約35萬個），但存在局部網格過細而影響計算結果的情況，經優化，將網格數量減少至約28萬個。計算30 s的氣固流動過程約需3天時間。

1.2 數學模型

Barracuda是專門針對工業尺度氣固流動模擬的商業軟件，已逐漸在電站鍋爐爐內氣固流動特性模擬中進行了嘗試，并得到了預測結果。不同于常規CFD計算，Barracuda是一種CPFD概念的數值計算軟件，其對流體相仍采用Eulerian方法處理，動量方程用Navier-Stokes方程表示，而對于顆粒相，Barracuda采用Lagrangian方法描述并與流體相方程耦合，能夠考慮顆粒間的相互作用，這與CFD計算中將固體顆粒作為流體的處理方法不同。

在曳力模型的選擇上，Hartge E采用李靜海提出的EMMS曳力模型對10 m高的冷態試驗臺進行氣固流動模擬，并認為還需要更多的試驗結果來驗證其計算結果的準確性。王超[7]采用結合Ergun和Wen-yu模型的Gidaspow曳力模型描述氣固間的動量傳遞，對600 MW CFB鍋爐爐膛進行了氣固兩相數值模擬。張彥軍[8]采用Syamlal-O′Brien模型描述氣固相間作用，并對其600 MW CFB鍋爐模型進行數值模擬。當時尚無建模對象的實際運行參數，因此上述針對600 MW CFB鍋爐的模擬均無試驗驗證，且考慮計算量和計算時間的因素，僅選擇單一粒徑計算。李東耀[9]詳細對比了Gidaspow、Koch-Hill和Di-Felice三種基于不同機理氣固曳力模型，認為Di-Felice曳力模型所模擬的情況與實際情況差距較大，且計算結果中Gidaspow模型的誤差小于Koch-Hill模型的誤差。

考慮到Barracuda軟件中目前尚沒有直接引入Syamlal-O′Brien模型，而相比于Gidaspow模型中的7個系數，EMMS模型則包含16個系數，更為復雜。因此，本文計算時選擇Gidaspow曳力模型進行計算。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

在350 MW超臨界CFB鍋爐和580 t/h CFB鍋爐的計算模型爐膛上均布置了14個沿爐膛高度方向的壓力測點，以驗證計算結果的準確性。圖2為580 t/h CFB鍋爐和350 MW超臨界CFB鍋爐沿爐膛高度的壓力分布情況，其在趨勢上與大型CFB鍋爐的壓力分布非常接近。

圖2 580 t/h CFB鍋爐（上）和350 MW超臨界CFB鍋爐（下）沿爐膛高度的壓力分布

2.2 不同位置入射特性比較分析

圖3為350 MW等級CFB鍋爐不同時刻（10 s、15 s和20 s）的二次風入射深度示意圖。

從圖3可以看出，抬高二次風高度后，二次風在不同時刻，無論是射入深度還是覆蓋范圍均優于常規的二次風高度，且到達爐膛中心區域后風速仍很高。相比之下，由于距離密相區很近，常規的二次風口氣流很容易受自下而上的氣固兩相流體干擾而改變流向，使得常規高度的二次風很難達到爐膛中心區域。

圖3 350 MW等級CFB二次風入射情況對比

圖4為580 t/h CFB鍋爐不同時刻（30 s、35 s和40 s）的二次風入射深度示意圖。

圖4 580 t/h CFB鍋爐二次風的入射情況對比

從圖4可以看出，與350 MW CFB鍋爐的2D計算結果相比，580 t/h CFB鍋爐的3D計算結果中二次風的入射深度并沒有全部貫穿爐膛，但仍能基本涵蓋大部分的爐膛深度。而較低的二次風，雖然其位于爐膛深度的距離更近，但此處顆粒濃度更高，使得二次風很難到達爐膛中心，二次風入射深度很短。

圖5為580 t/h CFB鍋爐采用提高二次風位置和普通二次風布置時沿爐膛高度的壓力分布情況。

圖5 580 t/h CFB鍋爐提高二次風位置（上）與常規二次風（下）沿爐膛高度的壓力分布情況

從圖5可以看出，二者的壓力分布趨勢非常接近，雖然二次風口位置提高后二次風噴入區域壓力有小幅抬升，但對整個的壓力分布影響不大，即不會造成爐膛上部區域顆粒濃度極低而難于維持物料循環的情況（這也可以從布置二次風前后爐膛出口顆粒質量流量幾乎沒有變化得出）。

另一方面，由于高效二次風入射深度更深，容易噴至爐膛中心區域，可使燃料燃燒更為充分，分級燃燒的效果更為明顯。分級燃燒效果越明顯，越利于抑制NOx生成，即提高二次風位置后，NOx排放水平會進一步降低。通過本節的分析，可知提高二次風位置會比常規的二次風穿透性更好，有助于爐膛中心補氧，使燃燒更充分。同時，提高二次風位置的噴入不會造成爐膛上部區域顆粒濃度極低而難于維持物料循環。

3 結語

本文通過對CFB鍋爐二次風位置的冷態數值計算，研究了二次風位置對流場的影響，計算結果表明：

（1）采用Barracuda軟件對實際鍋爐進行數值模擬，可以模擬出寬篩分顆粒在循環流化床內的氣固流動特性，且沿爐膛高度的壓力分布與其他大型CFB鍋爐的壓力分布趨勢非常接近。

（2）計算結果表明，提高二次風的位置比常規的上二次風穿透性更好，可以覆蓋大部分爐膛深度，且不會影響正常的物料循環。