基于CFB的供热循环流化床锅炉结构优化研究

创新者：赵永臣

基于CFB的供热循环流化床锅炉结构优化研究

创新者：赵永臣

本文以锅炉燃烧特点为基础，分析燃料的燃烧过程，总结影响燃料颗粒的问题，如点火方面等等，同时对旋风分离器进行模拟优化，以Gambit软件构建相应的物理模型，并对网络进行分划、模拟分器速度场等，导入Fluent软件对数值进行计算。根据模拟分析的结论提出供热循环流化床锅炉结构优化设计方法，以达到保证锅炉运行效率和燃烧污染物排放最优的目的。

CFB为循环流化床锅炉技术，它是在最近十年发展的新能源和低污染的清洁燃烧技术，在国外，CFB锅炉已在电厂得到广泛应用，并逐渐向几十万千瓦级别大型CFB锅炉发展；国内开发和应用也是方兴未艾。与原来的煤粉、层燃锅炉比较，CFB燃烧率可高达百分之九十五以上，且负荷适应力也非常强，就算在百分三十左右下的负荷环境中也可正常、稳定燃烧，同时，CFB还具有节省换热面积、成本低等特点，当前很多的制造商、科研机构，都将眼光放在了CFB的开发、研究中，也取得了一定的成绩。

但是，因为技术方面的原因，当前无论是在国外还是国内，都没公开可真正用在工程运用的CFB设计的方法。目前的设计思想、方法等是以鼓泡床概念为基础，在流化床锅炉设计中经验所占的位置非常重要。因为对流化床锅炉燃烧机理的认识不，设计人员一般是依照已有的循环流化床锅炉运行情况，一步一步积累各种参数，为运行、设计提供相应参考。只是当前正在运行的CFB在实际工作仍存在很多问题，例如燃烧率不足、过快的磨损、锅炉出力不足等等。因此在机理研究上许多问题还处在摸索的阶段，一直到现在为止，CFB仍未完善热力的计算方法，当前试验性研究、理论等都仍无法满足工程设计的需求。本文以实际供热工程项目为依据，通过CFB仿真实验，提出供热循环流化床锅炉结构优化方案。

燃料颗粒度的分析

CFB燃烧特点是筛选粒子在适当的气流的作用下，燃烧在床上滚动，与煤粉、层燃锅炉燃烧方法不同，属于沸腾燃烧。通过实践分析，沸腾流化床运行控制煤粒度、点火启动和运行的水墙可以造成很大的影响。

点火启动的影响

CFB的点火过程是锅炉进行加热的前提条件，从开始加热起，一直到煤体完全燃烧是一个动态的过程，这个过程是否会成功和粒度的流化床基础结构、空气分布等许多因素有关。点火操作是非常重要的，不仅在床基和热投煤的温度，而且还把煤焦化和爆燃过程中进行相应的控制，在控制的基础上一步一步进入到正常的燃烧值范围内。

表1　颗粒的尺寸及煤粒加热到着火温度所用时间分析

计算包括如下内容：煤粒比重、床内温度、黑度、导热系数、煤粒比热，其条件为γ=2 000 kg/m3、床内温度900 ℃、α=1、λ=0.67 kJ/（mh℃）、c= 1.306 kJ/（kg ℃）。

通过粒度分析，在燃烧的过程中，低温阶段启动前一定要保证有足够的点火煤粉，同时煤粉在燃烧时要注意风量的控制，并确保点火时床料的流化情况，更要注意在一定程度上避免煤粉自身所产生的热量不会被更多的风所带去。此外，在细煤粉受热之后，温度快速上升，对于着火是非常有利的，可以火温度缩短加热时间，同时，减少热空气的损失，那么好控制炉的煤颗粒大小，可以在一定程度上降低燃料的使用，同时还可减少能源耗损。

点火的时候如果底料太少，会导致非均匀床层物料流化，并导致点火时的床面温度不均匀，造成点火困难，甚至可能炼焦和超温条件；床层物料如果过高，可以让基地慢慢加热，增加床阻力，供给和增加引风机能耗影响经济的运行。因此，在点火时静态的高度非常重要，一般保持在350～400 mm即可，只有这样才可让锅炉的点火顺利进行。

在初次点火时，其风湿、底料温度均不同，一样尺寸的颗粒如果要达到沸腾的状态时，其所需要的风量要比热态的运动要大得多且风量要求比较小，这样操作的目的在于减少热风损失，只有解决此问题后才可更好掌握设备的基本运行。

对锅炉运行、燃烧效率的影响

CFB在运行睦其基本要求就要让床料所沸腾的时常正常，其床温也能保持在稳定的范围内。因此在进入到锅炉内，煤的颗粒度要有保证，如果在运动中有大火煤块进入流化床则会沉积，并在沉积处理形成一定的滞留区，从而对正常的液化状态造成破坏，也会让炉内的温度声不均匀，导致床温过低、过高最后形成结焦而被迫让锅炉停止工作。

因此，CFB安全运行要有非常优秀的筛选、破碎系统，这样是为了可以保证煤颗粒在进入至流化床时其颗粒大小的合格度（合格标准在0～13 mm之间），如果煤颗粒无法保证在这一合格度间则会产生颗粒逃逸的情况，从而让风量大大减少，这样则会极大影响大煤粒沸腾。为了能处理好大型煤粒子，流化风量需要增加，也会增加小煤粒的失控，使锅炉损失更大；同时，风量调整构成比例保持床温度和煤。从好煤颗粒破碎，粒子的不平等程度来看，风煤是相对容易掌握的，也更容易转移到床温度、和效率高。过度的颗粒太大、太小会导致困难的操作，但也会使损失的炉循环流化床粉煤灰火山灰热损失增加，锅炉热效率降低。除了大粒度增加颗粒流化风量，导致小颗粒未能燃烧煤和飞出炉膛，旋风分离器在床上更低的回报二次燃烧，造成高温返回温度太高和炼焦，很大程度上影响锅炉的正常运行。

对设备的磨损

设备的磨损原因在于沸腾床空部分的气流速度加快等。此值是和煤颗粒大小、填料密度等元素有着密切的联系。

表2　不同粒径在不同温度下最小流化速度（单位：m/s）

从表2可以看出在床温在一定恒定的温度情况下，床料平均直径、流化最小流化风量会不断增加，并在一定压力下其料的阻力也会增加，造成流化状态朝着不良方向发展从而增加了布风板风貌磨损，且飞灰损失和最小流化风量呈正向的关系，水冷受热面磨损且风速增加是呈现加倍正比关系，这些都会造成锅炉使用寿命的减少。

综上，直接影响CFB的因素是燃料颗粒度大小。

实例分析

内蒙古根河集中供热工程一共有三台10 t/h的CFB，属于低倍率循环液化床的锅炉，此锅炉对于煤粒度的要求如下：

平均粒径=1～4 mm、最大粒径=13 mm（由于粒径小于0.5 mm，其效率至少会减少15％，因此要保证其最佳粒径）。

在开始投运前的三个月内，最长的运行时间不能超过半个月，在最开始运行的时候，床温的最高与高低点的温度不能超过10 ℃，为保证其运行的稳定性，平均床温一定要保证在880 ℃左右。

但在后期，出现了床温温差大的问题，无法保证设备正常运行，最后检查发现，是因为在床体上存在大量大于13 mm的煤块，最大的甚至达到了40 mm，在静态高度不均区域有结焦死区存在。

通过分析发现，初始点炉基础通过筛选，确保合格的床层物料不到8mm和静态平均高度，所以在运行稳定和床温度是正常的。但在经过多次不合格的煤颗粒流入室炉膛的情况，更糟的是煤不能及时排出，这些大颗粒在床上的身体形成了保留区域，破坏了正常的沸腾燃烧，最后造成炉出现异常。

所以优化煤炭系统一定要及时，主要是为了优化煤炭颗粒破碎和筛选系统，以确保符合要求的流态化燃烧炉煤粒度。通过优化锅炉运行更加顺畅，且运行时长也由半个月提升到了两个月以上。

总结

CFB虽在煤种上适应性比较广，对燃料颗粒度严格，但也是有一定制约性。所以增加破碎、筛选系统是非常必要的。这在一定程度上虽会增加一次性投资，却也能产生比较大的综合效益，并为CFB的稳定、安全运行打下良好的基础。

旋风分离器数值模拟x

旋风分离器模型建立

对于旋风分离器来说，一般是由四个部分构成主体结构，包括圆柱形主筒体、矩形流体进口、小圆筒形出气口、锥形灰斗。因为此设备只要朝气口的速度一样，那么不管尺寸的大小如何，其压力损失都是一样的，而且所分离的灰尘颗粒临界粒径以及进气口矩形截面宽度、筒体主体直径是呈正相关关系的。

在此选用化工原理中的基础旋风分离器操作参数进行相应的设计、计算，当温度保持在20℃左右时，压力=0.10MPa，流量=2.5m3/s，尘粒密度=2500kg/m3；

当最大允许压力损失在2.0kPa时，m1、m2、m3、m4分别为1/5、3/5、2、1/2，其解如下：L=1.12m，H=2.24m，b=0.224m，h=0.67m，d=0.56m。

旋风分离器网格划分

为了不让整体所分划的网格数过大，需要将旋风分离器的整体分成为几部分，并且对此进行依次性的划分。在划分后，所得到的网络化图形如图2所示。

旋风分离器数值仿真结果分析

（1）旋风分离器的压力场分析

在Fluent软件中导入Gambit所划分好的网格，并且设定好边界条件的模型，对基本参数进行设定、迭代，确认达到收敛后得出旋风分离器内部的压力场分布图如图3所示。

从图中可以看出，在同一高度的情况下，其压力大小是由“面-中心”一步一步减少的，但都是沿着轴对称进行分布、静压沿着筒壁变化不会太大，但是在进气口、筒壁的连接处其压力是有一定的波动，与进气口位于同一个平面的旋风分离器的筒体中心，因为有漩涡在，还会出现一定的负压。

图1　旋风分离器模型

图2　旋风分离器网格划分

图3　旋风分离器的压力场

图4　旋风分离器速度场

（2）旋风分离器的速度场分析

经调制计算之后，速度分布图如图4所示。

从图4可看出，由进气口进入到旋风分离器时，有一个速度递增过程，通过一定的旋转之后其速度往中心一步一步减少，在出灰口中心、出气口中心、靠近出气口壁面的地方，速度=0，与进气口轴对称处其速度并不是呈现轴对称分布的，在进气口下方处，两边速度分布基本是一样的，但呈不完全轴对称分布。

（3）尘粒运动轨迹分析

尘粒进入旋风分离器后其轨迹变化曲线如图5所示。

由尘粒进入旋风分离器之后，通过轨迹变化曲线可知，在靠近外壁处，其尘粒会沿着容器壁，以螺旋运动沉降。从进气口进入同时与出气口接近的粒子很容易被沿着出气口流出的气体所带走。

图5　旋风分离器尘粒运动轨迹

总结

（1）从仿真的结果可以看出，一般来说压力场、速度场的分布与分离器规律可分成两个流动区域，即内部、外部，分界而一般分成了排气管壁面向下延长线、内部区域中静压沿着轴中线的方向进行变化。变化梯度要远远大于外部的区域，而内部区域中切向速度沿径向的变化梯度比外部区域中的要大得多，其Rankine涡结构中受迫涡和自由涡的分界面也大致为内、外区域的分界面；径向速度方向在外部区向下、内部区向上；径向速度在不同区域分成向心与背心流动。

排气管、排尘口居中布置并非最好解决方式压力场、速度场的方式。

（2）从粒子轨迹仿真可以看到其粒子导入部分，因为进入分离器的位置不同，其分离的效率也有极大区别。设备内颗粒运动是非常复杂的同时也会受到一定程度的影响，构建起标准、精致的运动模型是不易的。

（3）当颗粒进入到分离器之后，在进口的截面处其位置对于分离效果来说，会造成一定的影响，而这样也为分离器的优化提供了参考。

结语

本文分析了燃料颗粒度大小对循环流化床锅炉运行、点火、磨损方面的影响，因此增加煤的破碎和筛选系统是必要的；适当的分离器入口位置及排尘口位置对分离效果有很大影响，可以达到保证锅炉运行效率和燃烧污染物排放最优的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.033