超臨界CFB鍋爐壓火特性現場試驗與數值模擬

申 欣，趙 強，喬曉磊，楊海瑞，張 縵，賈 里，金 燕

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030021；2.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084)

循環流化床CFB(Circulating Fluidized Bed)鍋爐燃燒技術已經成為我國低熱值燃料規模化利用的最佳方式，并適應目前超低排放和火電調峰的需求。目前中國有2臺660 MW，1臺600 MW和46臺350 MW超臨界CFB鍋爐投入商業運行，規模國際最大，其中350 MW超臨界CFB鍋爐應用最廣。隨著環保壓力日趨增大，我國政府已經明確提出超低排放的要求，CFB鍋爐機組的污染物排放面臨新的挑戰，各種燃燒中及燃燒后污染物控制技術相繼得以工程實施，從而保證CFB鍋爐在不同工況下均可滿足超低排放的環保要求。然而，在CFB機組運行過程中，由于各種原因會造成鍋爐啟停，不僅會影響電廠的經濟效益，也面臨著嚴重的安全問題。

當CFB機組的鍋爐系統或輔機系統出現故障時，可以在短時間完成修復，經常采用的方法是機組解列，然后鍋爐壓火處理，故障解除后，鍋爐可以迅速熱啟動，充分體現了CFB 鍋爐的優越性。呂俊復等分析了75 t/h中壓CFB鍋爐的啟動、壓火特性，表明壓火后可以直接進行熱態啟動。陶樹成等多次對220 t/h CFB鍋爐進行壓火和熱態啟動，總結了實踐操作的方法和經驗。袁登友等分析了300 MW CFB鍋爐的壓火和啟動過程，并且總結了安全可行的操作技術。當前，對CFB鍋爐壓火過程的研究，大多數學者僅僅關注實踐操作以及經驗總結，對壓火過程CFB鍋爐溫度、氧量、流場變化以及污染物排放的研究較少。

CFB鍋爐壓火過程中，可能會發生料層溫度下降快、蓄熱少及污染物排放超標等問題，對電廠的安全、環保以及運行構成威脅，因此有必要對CFB鍋爐壓火特性進行研究。筆者以350 MW超臨界CFB鍋爐為研究對象，對CFB鍋爐壓火過程進行現場試驗和數值模擬，從而對鍋爐壓火過程中的流場、溫度變化、氧量變化以及污染物排放進行分析。

1 鍋爐概況

350 MW超臨界CFB鍋爐為超臨界參數變壓運行直流爐，鍋爐型號為SG-1208/25.4-M4605，采用循環流化床燃燒方式、單爐膛、汽冷式旋風氣固分離器、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣。鍋爐主要由懸吊全膜式水冷壁爐膛、汽冷旋風分離器、回料系統以及后煙井對流受熱面等組成，鍋爐主要部件幾何尺寸見表1。在CFB鍋爐中，燃料破碎系統采用二級破碎方案，保證入爐煤粒度范圍0～12 mm，中值粒徑=1.5 mm，入爐煤粒徑分布如圖1(a)所示。粒度合格的燃料進入爐前大煤斗，由給煤機將煤粒送至鍋爐落煤管上方，入爐煤為洗中煤、煤矸石和煤泥的混煤，表2列出了燃料中水分()、灰分()、揮發分()、固定碳(FC) 和碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)質量分數以及低位發熱量()。啟動床料通常采用河沙或燃盡程度高的煤灰，顆粒范圍0～1 mm，=0.4 mm，啟動時床料粒徑分布如圖1(b)所示。

表1 鍋爐主要部件幾何尺寸Table 1 Geometric dimensions of main boiler components

圖1 入爐煤、啟動床料和石灰石粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of coal in furnace,starter bed material and limestone

石灰石入爐顆粒范圍0～1 mm，=0.3 mm，石灰石粒徑分布如圖1(c)所示。CFB鍋爐石灰石給料口設在回料腿上，石灰石噴管插入回料腿中，可使石灰石迅速與大量床料均勻混合，提高使用率和脫硫效率。石灰石粉一般采用氣力輸送，石灰石噴口規格為159 mm×5 mm，噴口處壓力不小于15 kPa，鈣硫摩爾比(Ca/S)為2.5，石灰石成分見表3。

2 現場試驗

CFB床鍋爐中布置了煙氣溫度、壓力、取樣測點，并設置了大量的爐膛壓差、床溫、流化風壓力以及風量測點，提供必需的監控手段和保護措施，以保證鍋爐安全、穩定、高效運行。爐膛溫度采用溫度傳感器，型號為WRNK2-2335N，量程0～1 100 ℃，壓力采用壓力傳感器，型號為EJA110E-JMS5J-917EA，量程0～16 Pa，溫度和壓力測管規格均為51 mm×3 mm，壓力測點分布見表4。

表3 石灰石成分Table 3 Limestone composition %

表4 爐膛壓力和溫度測點分布Table 4 Distribution of pressure and temperature measurement points in furnace

對于O，NO，SO等氣體組分的取樣點位于旋風分離器入口處，如圖2所示，A，B，C三個旋風分離器入口處各有1個測點，由套管和密封球閥組成。

圖2 爐膛出口煙氣取樣測點分布Fig.2 Distribution of flue gas sampling and measuring points at the outlet of furnace

煙氣中O，NO以及SO的質量濃度由實時測量獲得，由于旋風分離器進口處煙氣為高溫和高灰質量濃度，因此需要采用高溫煙氣取樣及分析裝置，試驗中采用的煙氣取樣系統如圖3所示，主要由采樣管(煙氣取樣)、過濾器(除灰)、干燥器(除水)、真空泵(提供抽取壓力)以及煙氣分析儀(型號：Ecom-J2KN Pro IN，對抽取煙氣進行實時在線監測)組成，試驗過程中，按次序依次測量A，B，C分離器入口處的O體積分數、NO質量濃度和SO質量濃度，不銹鋼采樣管插入爐墻的深度分別為0.5，1.0和1.5 m，每個測點選取3組試驗數據取平均值。爐膛壓力和溫度的試驗數據通過電廠DCS(Distributed Control System)系統采集。

圖3 高溫煙氣取樣系統Fig.3 High temperature flue gas sampling system diagram

當CFB鍋爐進行壓火操作時，鍋爐負荷首先降至最低穩燃負荷，即100 MW負荷，此時主蒸汽壓力為14.04 MPa，給水流量為438.22 t/h。當鍋爐達到最低負荷后，進行主燃料跳閘MFT(Main Fuel Trip)操作，切斷進入爐膛的燃料后，保持引風機、二次風機、一次風機和高壓流化風機運行，使殘存在爐膛內的揮發物和可燃物燃燼，主蒸汽壓力為12.36 MPa，給水流量為391.35 t/h。當爐膛出口氧量達到18%時，進行鍋爐跳閘BT(Boiler Trip)操作，主蒸汽壓力為8.92 MPa，給水流量為187.51 t/h，當爐膛溫度降至970 K時，停止一次風機和高壓流化風機，當爐膛溫度降至920 K時，停止二次風機、引風機以及關閉所有風道擋板，以減少爐內的熱量損失。

3 數值模型

Barracuda是基于計算顆粒流體力學CPFD(Computational Particle Fluid Dynamics)方法的商業軟件，CPFD方法基于歐拉-拉格朗日框架對顆粒體多相流進行模擬。

氣相和固相控制方程見表5，文獻[18-19]對相關方程有更詳細的描述。

表5 氣相和固相控制方程[18-21]Table 5 Governing equations for the gas and solid phases[18-21]

在MP-PIC體系中，非均相反應速率可以由每個離散粒子計算，也可以基于網格單元計算。考慮到計算粒子數量較多，筆者采用細胞平均化學模型，將離散粒子特性映射到歐拉網格，得到細胞平均粒子特性。多相反應的質量、動量和能量在氣相和固相之間傳遞，顆粒粒徑的變化也被考慮在內。

在所構建的模型中，選取了15個非均相反應和均相反應來代表循環流化床鍋爐的主要化學過程。化學反應模型主要包括碳顆粒的燃燒和氣化、揮發分(CO，CH，H，HCN，NH，HS和CHO)燃燒以及氣態污染物(SO和NO)的形成。相關的化學方程式和反應速率見表6，7，反應機理的詳細描述可參考文獻[20-25]。

表6 化學反應方程式[20-25]Table 6 Chemical reaction equation[20-25]

續表

表7 反應速率和反應速率系數[20-25]Table 7 Reaction rate and reaction rate coefficient[20-25]

對某350 MW超臨界循環流化床鍋爐進行全回路建模，如圖4所示，主要包括爐膛、旋風分離器、雙“U”型回料器等。鍋爐前墻設置6個給煤口，12個上二次風口；后墻設置7個上二次風口，7個下二次風口；左右墻各設置1個上二次風口；爐膛下部設置6個排渣口；每個回料腿設置1個石灰石進口，共計6個。

圖4 循環流化床鍋爐全回路模型Fig.4 Full loop model of CFB boiler

基于CFB鍋爐實際壓火操作，對CFB鍋爐進行壓火數值模擬，主要分為4個階段：1為負荷100 MW穩定工況階段；2為停止給煤機和石灰石輸送階段；3為爐膛溫度降至約970 K時，停止一次風機和高壓流化風機；4為爐膛溫度降至約920 K時，停止二次風機和引風機。本文對CFB鍋爐壓火過程進行分析，模擬工況的主要參數見表8。

表8 模擬工況的主要參數Table 8 Main parameters of simulated working conditions

4 結果與討論

4.1 模型驗證

數值模擬計算中最重要的一個環節是對數值模型進行準確性驗證。CFB鍋爐建模后，對壓火過程進行模擬計算，并對鍋爐壓火過程的相關測點進行實際測量，將鍋爐100 MW最低穩燃工況的模擬結果與實測數據進行對比驗證。

爐膛壓力和溫度測點分布見表4，根據鍋爐實際壓力和溫度測點的布置，在所構建的鍋爐模型中對爐膛相同位置的壓力和溫度進行監測，圖5為爐膛壓力和溫度實測與模擬對比，模擬結果與實測數據具有良好的一致性，模擬準確地預測了爐膛的壓力和溫度分布，爐膛壓力平均誤差為5.6%，壓力最大誤差為12.7%，爐膛溫度平均誤差為2.3%，溫度最大誤差為2.9%。對鍋爐100 MW工況，采用煙氣取樣系統進行現場試驗，對，，三個測點O體積分數、NO質量濃度和SO質量濃度的實測和模擬值進行對比，如圖6所示，其中O體積分數平均誤差為6.3%，NO質量濃度平均誤差為5.7%，SO質量濃度平均誤差為8.5%，驗證了數值模型的準確性。

圖5 爐膛壓力和溫度實測與模擬對比Fig.5 Comparison between measured and simulated pressure and temperature in furnace

4.2 床溫、氧量分析

圖6 氣體組分實測與模擬對比Fig.6 Comparison between measured and simulated gas components

CFB鍋爐的壓火操作以及壓火時間取決于床溫的變化，同時爐膛內燃煤的燃盡程度可以通過爐膛出口氧量變化進行監測，不同階段床溫和氧量的變化情況如圖7所示。鍋爐運行穩定階段，床溫和氧量呈現穩定波動，床溫約為1 050 K，O體積分數約為4.3%。停止給煤機和石灰石輸送后，由于爐膛內存在大量的活性殘碳以及燃煤揮發分，床溫和氧量剛開始變化不大，隨著活性殘碳和揮發分的消耗，床溫呈現下降趨勢，氧量急劇上升。當床溫降至970 K時，O體積分數約為18%，表明爐膛內的活性殘碳和揮發分已經基本燃盡。為避免旋風分離器和回料裝置內的低溫物料返回爐膛，此時應停止一次風機和高壓流化風機，爐膛內物料開始回落。隨著床溫降至約920 K時，爐膛出口O體積分數持續上升，停止二次風機和引風機，鍋爐進入密閉狀態，不再有空氣進入，由于可燃物進一步燃燒，O體積分數達到20%后開始下降，最終穩定在19.5%。床溫降至905 K后，降溫速率變小，降溫速率由15 K/min變為2 K/min，表明鍋爐的熱量損失減弱，從而延長壓火時間。

圖7 不同階段床溫和O2體積分數變化情況Fig.7 Changes of bed temperature and oxygenvolume fraction in different stages

4.3 顆粒流場分析

CFB鍋爐處于階段1時，由于工況穩定，爐膛內的顆粒流動呈現穩定狀態。顆粒體積分數隨著爐膛高度增大呈下降趨勢，由于二次風的擾動以及回料閥返料影響，密相區顆粒體積分數分布不均勻，稀相區受二次風和返料影響較小，床料比密相區分布均勻。鍋爐的循環倍率約為30，由于爐膛內存在大量的床料，停止給煤機后，爐膛內的顆粒流動沒有明顯的變化。當一次風機和高壓流化風機停止后，大顆粒物料開始回落，小顆粒物料受引風機作用進入旋風分離器，二次風擾動對物料回落速度產生影響。當停止二次風機和引風機后，鍋爐處于密閉狀態，爐膛內物料回落速度加快，返料腿內的物料受重力作用返回到爐膛，鍋爐不同階段的顆粒流場變化如圖8所示。

圖8 不同階段顆粒流場變化Fig.8 Variation of particle flow field in different stages

壓火時爐膛底部床料分布如圖9所示，床料靜止后出現了明顯的分層現象，根據顆粒體積分數分布主要分為3層，上層床料平均體積分數為0.02，中層床料平均體積分數為0.08，下層床料平均體積分數為0.45。壓火時底部床料分層情況見表9，底部床料85%為下層床料，下層床料堆積高度約為1 m，符合鍋爐啟動床料高度。

圖9 壓火時爐膛底部床料分布Fig.9 Bed material distribution at the bottom of the furnace during banked fire

底部床料分層影響最大的因素是顆粒粒徑，床料沿爐膛深度和寬度方向的粒徑分布如圖10所示。顆粒粒徑主要對顆粒的重力和慣性作用存在影響，顆粒粒徑越大，重力和慣性作用的影響越大。下層為大顆粒床料，平均顆粒粒徑為1.2 mm，由于顆粒較大，受重力和慣性作用影響大，下落速度快，所以大顆粒堆積在下層。中層為小顆粒床料，平均粒徑為0.5 mm，由于顆粒較小，受重力和慣性作用影響較小，并受熱浮力影響，下落速度低于大顆粒，因此小顆粒位于中層。上層床料所占質量分數僅為5%，摻雜了大顆粒和小顆粒，所受熱浮力和自身重力相當，顆粒處于懸浮狀態，在密閉爐膛內懸浮高度保持不變。

表9 壓火時底部床料分層情況Table 9 Lamination of bed material at the bottom during banked fire

圖10 底部床料沿爐膛深度和寬度方向的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of bottom bed material along the depth and width of furnace

4.4 NOx和SO2分析

不同階段NO質量濃度變化情況如圖11所示。在穩定工況時，爐膛高度(距布風板高度)受一次流化風影響，NO質量濃度最低，平均質量濃度為150 mg/m。從變化到，隨著爐膛高度增大，NO質量濃度呈下降趨勢，其中和處于密相區，和處于稀相區。密相區NO的平均質量濃度為280 mg/m，稀相區NO的平均質量濃度為172 mg/m。謝俊等研究表明揮發分析出和未完全燃燒主要發生在爐膛底部燃燒室區域，二次風的引入加速了CO的燃燒反應。隨著爐膛高度的增加，燃煤顆粒與O持續反應，NO生成受到O體積分數降低的限制，同時稀相區CO和殘碳顆粒(C)進一步促進了NO的還原，從而導致稀相區NO質量濃度降低。許超等研究同樣表明CFB鍋爐稀相區NO質量濃度降低，分布比較均勻。

圖11 不同階段NOx質量濃度變化情況Fig.11 Variation of NOx mass concentration in different stages

停止給煤機后，爐膛內不同高度的NO質量濃度均逐漸降低，其中的降低幅度最大。當停止一次風機和高壓流化風機后，伴隨爐膛床料回落，密相區NO質量濃度回升，稀相區NO質量濃度持續下降。停止二次風機和引風機后，爐膛NO質量濃度先下降，后穩定不變，稀相區NO的平均質量濃度為83 mg/m。壓火時底部床料分層影響NO質量濃度分布，對應下層，對應中層，對應上層，壓火時NO質量濃度與顆粒的體積分數呈負相關，下層床料NO平均質量濃度為31 mg/m，中層床料NO平均質量濃度為60 mg/m，上層床料NO平均質量濃度為121 mg/m。

不同階段SO質量濃度變化情況如圖12所示。在燃燒工況穩定階段，爐膛高度受一次流化風影響，SO質量濃度最低，平均質量濃度為2 433 mg/m。SO生成過程主要集中在CFB鍋爐密相區H3位置，該位置靠近給煤口，說明燃煤進入爐膛會迅速反應生成SO。爐膛稀相區和位置由于氣固混合，SO質量濃度逐漸降低，SO質量濃度密相區高于稀相區。燃煤進入爐膛后，熱解析出HS，并被迅速氧化生成SO，石灰石從回料腿噴入并與大量床料混合，進入爐膛密相區，發生脫硫反應，并隨著爐膛高度的增加，脫硫反應持續進行，從而導致SO濃度密相區高于稀相區。KEENER等研究表明，爐膛密相區中生成的CO會將部分SO還原成S，S進一步被CO還原生成COS，導致部分SO轉化為COS，COS和SO發生還原反應生成S，部分S進一步被氧化成硫酸鹽而固化于爐渣中。龔振和陳愛平等通過試驗發現，煤矸石中含有較多的 Al，K，Fe，Ca，Ti 等金屬元素，這些金屬元素氧化后可為COS還原SO創造催化條件，關于S元素在灰渣中固化的機理還需結合相關試驗進一步研究。

圖12 不同階段SO2質量濃度變化情況Fig.12 Variation of SO2 mass concentration in different stages

停止給煤和石灰石輸送后，爐膛仍存在大量活性殘碳，但石灰石量不足，爐膛內石灰石脫硫作用減弱，導致SO質量濃度先短暫上升后迅速下降，爐膛內SO質量濃度最高值達到了4 250 mg/m。停止一次風機和高壓流化風機后，爐膛內SO質量濃度持續下降，稀相區下降幅度高于密相區。停止二次風機和引風機后，爐膛進入密閉狀態，隨著床料回落完成，SO質量濃度保持不變，爐膛上部SO平均質量濃度為756 mg/m，爐膛下部SO質量濃度同樣受到床料分層影響，上層床料SO質量濃度最高，為1 680 mg/m。

CFB鍋爐壓火過程中，為減小床料散熱，保證爐膛床溫，需要及時關停送風機和引風機，而爐膛內NO和SO質量濃度可能會嚴重超標，其中NO平均質量濃度約為100 mg/m，SO平均質量濃度約為1 160 mg/m，因此CFB鍋爐壓火后再啟動過程，應該特別關注NO和SO質量濃度變化，從而保證NO和SO質量濃度達到排放標準。

5 結 論

(1)超臨界CFB鍋爐模擬結果與實測數據具有良好的一致性，模擬準確地預測了爐膛的壓力、溫度以及氣體組分分布，壓力平均誤差為5.6%，溫度平均誤差為2.3%，O體積分數的平均誤差為6.3%，NO質量濃度的平均誤差為5.7%，SO質量濃度的平均誤差為8.5%，驗證了數值模型的準確性。

(2)壓火過程，鍋爐進入密閉狀態，O體積分數達到20%后開始下降，最終穩定在19.5%。床溫降至905 K后，降溫速率變小，降溫速率由15 K/min變為2 K/min。

(3)壓火過程爐膛底部床料靜止后出現了分層現象，底部床料85%為下層床料，下層床料堆積高度約為1 m，符合鍋爐啟動床料高度。底部床料分層影響最大的因素是顆粒粒徑，下層為大顆粒床料，平均顆粒粒徑為1.2 mm，中層為小顆粒床料，平均粒徑為0.5 mm，上層床料所占質量分數僅為5%，摻雜了大顆粒和小顆粒，顆粒處于懸浮狀態，在密閉爐膛內懸浮高度保持不變。

(4)CFB鍋爐壓火過程中，爐膛內NO平均質量濃度約為100 mg/m，SO平均質量濃度約為1 160 mg/m，因此CFB鍋爐壓火后再啟動過程，應該特別關注NO和SO質量濃度變化，從而保證NO和SO質量濃度達到排放標準。