循环流化床锅炉模拟仿真设计

孙晓晴

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所，山西太原030032）

循环流化床锅炉模拟仿真设计

孙晓晴

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所，山西太原030032）

我国在一定时期内仍将会以煤炭为主要能源，煤炭资源在烧烧时会产生大量二氧化碳、硫化气体等，这些污染气体将会严重阻碍我国社会环境的可持续发展。因此，在保障煤炭能源和社会环境可持续发展的基本要求下，煤炭能源的清洁成为当前社会的主要潮流，而循环流化床锅炉成为当前煤炭能源清洁的主要设备。以新乡HG-440型循环流化床锅炉为例进行模拟仿真设计，构建一个循环流化床锅炉燃烧仿真系统，并对最后的模拟仿真系统进行分析。

循环流化床锅炉；燃烧系统；模拟仿真

0　引言

我国作为全世界的能源大国，我国经济的高速增长离不开能源的支持，能源是我国经济增长的基础。然而，近些年来，由于我国过度消耗煤炭等能源，使得我国环境日益恶劣，我国环境的可持续发展受到严重挑衅。为了有效保障环境的可持续发展和能源生产的协调发展，煤炭清洁技术应运而生，这种技术不仅可以提高能源的效率，还能有效降低能源燃烧过程中产生的污染气体。循环流化床锅炉技术作为煤炭清洁的主要方式，成为当前世界各国主要研究的热点问题，但是，该技术的实体实验常常造价昂贵，不适合在实际中进行，因此循环流化床的模拟仿真就表现出巨大的优势。

1　模拟仿真对象

本文就对新乡HG-440型循环流化床锅炉为模拟仿真对象。这种型号的锅炉是由哈尔滨锅炉厂结合德国ALSTOM公司的EVT技术生产的，它可以满足在高温高压的环境下进一步对煤炭能源优化。这种型号的锅炉广泛应用在日常生活中，并派生出多种不同类型的循环流化床锅炉，以HG-440型循环流化床锅炉为对象具有一定的代表性。

2　循环流化床锅炉的数学模型及仿真

循环流化床锅炉在燃烧过程中，其内部能源的质量及能源产生的能量均遵守质量守恒定律，因此，建立起的循环流化床锅炉的数学模型包括了以各种形式（固体、气体）存在的能源守恒，能源的质量守恒成为锅炉模型构建的基础。在循环流化床锅炉的数学模型是由多种不同的子模型组成的，以下就对循环流化床锅炉的子模型进行分析。

2.1锅炉部件模型

循环流化床锅炉设计中最为关键的部件就是对分离装置的设计，在实际工作中旋风分离器是最为普遍的分离部件。在旋风分离器处于工作状态时，其内部气态、固态的能源流动是一个极其复杂、放大的过程，本文为便于说明对其进行假设：以气态形式存在的能源在分离器中运动时，将其运动轨迹看作是柱塞流且气态能源的横截面积与分离器入口的横截面相同；忽略煤炭颗粒在随气体旋转的纵向分离，只将纵向分离的过程发生于气流的底部；忽略其他切应力因素对气态、固态中的滑移速度，只考虑分离器进口的横截面积等［1］。

通过简化实际情况，可以得到煤炭颗粒i在分离器中的物料平衡：

其中，Ci是煤炭颗粒i的渗透量；Vpi是煤炭颗粒i的流速；Dspi是煤炭颗粒i的纵向分离模量；Gspi是煤炭颗粒i的产生速率；l是气体沿离器螺旋上升的高度。

2.2煤炭颗粒的燃烧模型

煤炭颗粒的燃烧是一个不断发生化学变化、能量变化的复杂过程。而煤炭颗粒在循环流化床锅炉中燃烧时，其变化的过程更加复杂，为了方便研究，将煤炭颗粒进入循环流化床锅炉燃烧过程总结为：煤炭颗粒进入循环流化床锅炉炉膛内，煤炭颗粒的去湿，煤炭颗粒中各种挥发份的排放，煤炭颗粒的燃烧，剩余煤炭颗粒的二次燃烧等。

在煤炭颗粒的燃烧过程中，为便于说明对煤炭颗粒进行假设：煤炭颗粒在燃烧过程中产生的CO、CO2均属于一次燃烧产物；在煤炭颗粒一次燃烧过程中产生的CO将继续留在炉膛燃烧；对于灰分不同的煤炭颗粒，将其笼统分为三类：高灰分煤炭颗粒、低灰分煤炭颗粒、小颗粒煤炭颗粒，这三种不同灰分的煤炭颗粒在燃烧过程中分别以双收缩核、单收缩核、核不发生变化的形式燃烧。

在煤炭颗粒的燃烧过程中，为便于说明对循环流化床锅炉燃烧过程中的气体进行假设：对于煤炭颗粒燃烧产生的多种挥发份，仅以一种挥发份进行表示；对于产生的多种气体不对脱硫进行考虑；多种气体之间的化学反应仅有炉膛内的应动力控制。

此时，可以得出煤炭颗粒在循环流化床锅炉中燃烧的计算公式：

其中，Fs是煤炭颗粒中碳含量和氧含量总反应量的比值；CO2，是在相当远的区域内氧的含量浓度；Ks是煤炭颗粒中碳的燃烧速率；R是煤炭颗粒的半径；Rl是煤炭颗粒二次燃烧后的半径；δ是煤炭颗粒的灰分厚度；Kc是煤炭颗粒在燃烧过程中发生化学变化的速率；β0是煤炭颗粒在燃烧过程中发生流体和炉膛的质量运动模数；Dk是氧气扩散系数。

2.3循环流化床锅炉传热模型

循环流化床锅炉在燃烧过程中，受到炉膛着热面、导热模数、炉膛着热面的材质、炉膛设计形状等的影响，同时也和炉膛内部煤炭颗粒的流动速度、煤炭颗粒的密度、煤炭颗粒的大小有关。通过对循环流化床锅炉燃烧过程中着热面模数计算所得数据，和实际生产中的数据比较相符，误差范围在±5%内，作为实际生产制造相对合理，这种炉膛内传热模型已成功应用在实际生产中。

在循环流化床锅炉燃烧传热过程中，流化床和炉膛内壁的换热是通过流化床内部中心盘旋上升的气体及其中夹杂的煤炭颗粒杂质和炉膛内壁进行的能量交换，在炉膛内部气体和物料夹杂混合后与炉膛内壁的能量交换分为对流和散射两种形式［2］，因此，可以得出循环流化床锅炉传热的总能量，及对流和散射的线性和，其可以表示成：

其中，γr是煤炭颗粒散射换热模数；γc是煤炭颗粒对流换热模数；ε是流化床和炉膛内壁的系统辐射率；σ是玻尔兹曼常数；γgc是煤炭颗粒燃烧后出现的烟气对流交换能量的模数；γpc是煤炭颗粒燃烧对流交换能量的模数。

3　循环流化床锅炉燃烧系统模型的分析

3.1气固态能源质量平衡

在循环流化床锅炉内部燃烧系统中，在任何区域中，气固态能源质量守恒，可以从下式看出：

其中，Fin，i是煤炭颗粒i到达某一区域量的总数；Fout，i是煤炭颗粒i离去某一区域量的总数；是煤炭颗粒i经过物理、化学反应损失的量；则表示了煤炭颗粒i的变化数，将零值作为其稳态。

3.2气固态能源能量平衡

对于循环流化床锅炉内部燃烧系统中，将其内部任意区域的非稳态能量守恒表示成：

对于循环流化床锅炉内部燃烧系统中，假定其内部密封完好，气态无散失，将其内部任意区域的稳态能量守恒表示成：

在稳态循环流化床锅炉内部燃烧系统中，能量转换的值是对流和散射能量的总和，即Q换= Q对流+Q散射。在该式中，Q对流、Q散射分别是对流、散射在内部某一区域内的能量变化量；Q进是煤炭颗粒i进入该区域所携带的总能量；Q放是煤炭颗粒i在该区域内所释放的总能量；Q出是煤炭颗粒i在离出该区域所携带的总能量。

4　循环流化床锅炉燃烧系统的仿真

通过上文对HG-440型循环流化床锅炉模型的设计，本文就对循环流化床锅炉燃烧过程中的不同空气浓度对循环流化床锅炉燃烧的影响、循环流化床锅炉炉膛燃烧区域、循环流化床锅炉炉膛分离装置等进行了仿真，这样可以清晰、直接地观察到循环流化床锅炉的燃烧过程，对于促进循环流化床锅炉模拟仿真研究起到推动作用［3］，如图1，图2。

图1　循环流化床锅炉仿真系统界面

图2　不同氧浓度下在循环锅炉炉膛高度的分布

5　结束语

循环流化床锅炉作为我国近些年来迅速崛起的一项低能耗、低污染的燃煤技术。由于其特有的优势，在当代电力行业、热力行业等重工业中广泛应用，并取得了巨大的进步。本文通过对循环流化床锅炉燃烧过程中的模型进行分析设计，并对循环流化床锅炉燃烧过程进行仿真，以期给循环流化床锅炉模拟仿真设计起到抛砖引玉的效果。

［1］刘小娜.循环流化床锅炉整体特性建模与仿真［D］.北京：中国石油大学，2008.

［2］郭祥华.循环流化床锅炉燃烧系统建模与仿真［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2011.

［3］周韧峰.循环流化床锅炉燃烧过程的动态特性及控制仿真［D］.武汉：华中科技大学，2011.

Simulation Design of Circulating Fluidized Bed Boiler

SUN Xiao-qing
（Institute of Animal Science and Veterinary Medicine，Shanxi Academy of Agricultural Science，Taiyuan030032，China）

Coal resources in burning will produce a lot of carbon dioxide，sulfur dioxide，etc.，which will seriously impede the sustainable development of China's social environment.Therefore，in the protection of coal energy and social environment for the sustainable development of the basic requirements，the clean coal energy becomes the main trend of the current society，and the circulating fluidized bed boiler become the main equipment of coal energy clean.In this paper，takes the Xinxiang HG-440 type circulating fluidized bed boiler as an example to simulate the design，constructs a circulating fluidized bed boiler combustion simulation system，and analyzes the simulation system.

circulating fluidized bed boiler；combustion system；simulation

TP391.72

A文献标识码：1009-9492（2015）12-0093-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.026

孙晓晴，女，1962年生，山西太原人，大学本科。研究领域：锅炉设计。

（编辑：向飞）

2015-10-13