循环流化床锅炉燃烧过程仿真研究

殷术贵，吴智恒，张华伟，黄栋

(广州有色金属研究院，广东 广州 510651)



循环流化床锅炉燃烧过程仿真研究

殷术贵，吴智恒，张华伟，黄栋

(广州有色金属研究院，广东 广州 510651)

摘要：建立循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler，CFBB)的二维几何模型，采用欧拉双流体模型与离散相模型相结合的方法对CFBB燃烧过程进行仿真分析。根据仿真所得锅炉内部床料颗粒、煤粉颗粒分布情况以及气相温度场、浓度场等多物理场分布特点，得出结论：同时使用欧拉双流体模型与离散相模型具有可行性；在CFBB燃烧过程中，内部煤粉的火焰位置是变化的。下一步的研究重点是CFBB三维几何模型的仿真分析。

关键词：循环流化床锅炉；燃烧；气固两相流；双流体模型；离散相模型

循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler，CFBB)因其燃料适应性广、低NOx排放、负荷调节比大、燃料制备系统简单等优点而得到广泛应用，正向大型化、超临界方向发展。在CFBB内部流动和燃烧特性的理论研究中，因其炉内流体动力特性十分复杂，至今仍没有被完全了解，但炉膛内存在下部密相区和上部稀相区已被普遍接受。根据对气固两相流离散相的不同处理方式，CFBB气固两相流数值模拟可分为双流体模型和颗粒轨道模型，以及在此基础上发展的小室模型和能量最小尺度模型[1-2]。吴斌、白志刚等[3-4]采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型对CFBB炉膛内气、固流动特性进行了数值模拟，蔡杰等[5-6]利用颗粒轨道模型对喷动床内颗粒的运动进行了数值模拟，李德波等[7]对拉格朗日下颗粒相数值计算与直接数值模拟进行了对比。

在上述研究工作中，对CFBB炉膛内部气固两相流的模拟多侧重于将双流体模型与颗粒轨道模型分开，罕有同时采用双流体模型与离散相模型。本文通过对某电厂CFBB建立几何模型，借助ANSYS Fluent软件，将双流体模型与离散相模型同时运用于锅炉燃烧过程的仿真计算中，得出炉内温度场、浓度场以及固体颗粒分布情况。

1CFBB燃烧过程的数学模型

1.1几何模型

图1　CFBB二维　几何模型

CFBB包括一次风系统、二次风系统、布风板和炉膛等，本文主要着眼于考察双流体模型与离散相模型联合使用的仿真效果。为了加快计算速度，采用二维CFBB几何模型，如图1所示。

1.2数学模型

CFBB燃烧过程是典型的连续生产过程，煤粉颗粒进入炉膛后在高温环境下发生剧烈燃烧，并与周围的气流发生动量、质量与能量的交换。本文将下部密相区床料颗粒相视为连续相，进入炉膛的煤粉颗粒相采用颗粒轨道模型(即离散相)描述。

殷术贵，等：循环流化床锅炉燃烧过程仿真研究

1.3化学反应模型

煤粉颗粒进入锅炉炉膛后被周围高温气流加热而迅速发生反应，本次模拟对燃烧过程进行了简化处理，燃烧过程主要包括挥发分热解反应、焦炭燃烧反应等。

挥发分热解反应式为

volatile→0.24tar+0.24CO+0.24CO2+0.12CH4+

0.2H2O+0.04H2.

焦炭燃烧反应式为：

3C+2O2→2CO+CO2，

C+CO2→2CO，

CO+0.5O2→CO2，

CH4+2O2→CO2+2H2O，

H2+0.5O2→H2O.

1.4操作参数

计算模型中只考虑气、固拽力作用，不考虑升力及虚拟质量力。仿真模拟操作参数：初始床高500 mm，最大堆积体积分数0.55，床料直径2 mm，一次风量263 180 m3/h，二次风量126 524 m3/h，气相体积质量1.225 kg/m3，固相体积质量2 700 kg/m3，返料口给煤量84 t/h。给煤口煤粉各成分所占比例：挥发分20%，焦炭45%，灰分25%，水分10%。

2CFBB燃烧过程仿真结果

2.1床料颗粒相分布

图2为CFBB床料颗粒分布云图。

图2　CFBB床料颗粒分布

由图2可看出：初始时刻，床料平铺在炉膛底部，随着一次风的进入，床料在风的带动下开始往上涌动，当运动到一段距离后，由于炉膛截面变大，风速减小，对床料的带动减弱，风的拽力小于床料颗粒自身的重力，床料又向下运动，使床料在密相区上下波动；同时，随着时间的推移，床料颗粒在炉膛两侧壁面位置的体积分数增大，说明填料颗粒由中部位置朝着炉膛两边壁面运动。

2.2离散相颗粒分布

图3为CFBB炉膛内煤粉颗粒分布云图。

图3　CFBB炉膛内煤粉颗粒分布

从图3可看出，5 s后，从返料口进入炉膛的煤粉颗粒受布风板一次风带动而向上运动。

2.3温度分布

图4为CFBB炉膛气相温度分布云图。

图4　CFBB炉膛气相温度分布

由图4可看出：在5 s以前，由于没有加入煤粉颗粒，整个炉膛温度分布均匀；5 s以后，加入了煤粉颗粒，煤粉着火燃烧使周围气温迅速升高，气体向四周扩散，随着时间的推移，高温气体向整个炉膛扩散，最后从炉膛出口流出；炉膛内部着火位置随时间变化，即火焰位置是飘动的，8 s时火焰位于炉膛底部中心位置，10 s和15 s时火焰靠近炉膛左边。

2.4摩尔分数分布

图5为8 s时炉膛内部O2、CO、CO2的摩尔分数分布云图。

图5　CFBB炉膛内部各气体分布

由图5(a)可以看出：煤粉进入炉膛后与周围的O2发生化学反应，导致返料口部位O2急剧消耗；在煤粉颗粒聚集地方，O2严重不足，其摩尔分数几乎为零；在远离煤粉颗粒的地方，由于没有化学反应，O2的摩尔分数较高。由图5(b)和(c)可看出：在返料入口段附近，煤粉燃烧产物为CO；当外围摩尔分数较高的O2接触到CO时，燃烧反应继续进行，生成CO2，随后CO2随烟气从出口流出。

3结论

本文采用欧拉双流体模型与离散相模型相结合的方法对CFBB进行仿真模拟，研究锅炉炉膛内部第二相和离散相的颗粒分布，以及气相浓度场、温度场等多物理场分布的特点。得出如下结论：

a)在气固两相流仿真模拟中，将欧拉双流体模型和离散相模型联合使用可以模拟稀相区和密相区的颗粒分布。本文中，床料颗粒为第二相，送入炉膛的煤粉颗粒为离散相。

b)CFBB内部煤粉的火焰位置是变化的，有向前墙飘动的趋势，这对前墙危害较大，影响锅炉运行寿命。由于煤粉燃烧受O2的影响较大，建议从配风方面入手对锅炉进行改善。

本文采用二维模型进行仿真模拟，为了更准确地反映CFBB内部燃烧过程，下一步将进行三维模型的仿真研究。

参考文献：

[1] 王勤辉，骆仲泱，李绚天，等. 循环流化床锅炉炉内流动和燃烧特性的理论模型[J].动力工程，1999,19(4):269-328.

WANG Qinhui,LUO Zhongyang,LI Xuantian,et al. Characteristics of Fluid Dynamics and Combustion in aCirculating Fluidized Bed Boiler Furnace Theory and Model[J].Power Engineering,1999,19(4):269-328.

[2] 刘洪鹏，肖剑波，王敬斌，等.循环流化床气固两相流动数值模拟的研究进展[J]. 化工机械，2014，41(1):6-8.

LIU Hongpeng，XIAO Jianbo，WANG Jingbin，et al. Research Progress in Numerical Simulation of Gas-Solid Flow on CFB[J].Chemical Engineering & Machninery,2014，41(1):6-8.

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WU Bin，WU Kai. Numerical Simulation of Gas-Solid Hydrodynamicsin the 75 t/h CFB Boiler[J].Enercy Conservation,2014(6):18-22.

[4] 白志刚，杨晨. 循环流化床气固两相流动模拟[J].计算机仿真，2009,26(3):272-275.

BAI Zhigang, YANG Chen. Numerical Simulation of Gas-Solid Flow in CFB[J]. Computer Simulation,2009,26(3):272-275.

[5] 蔡杰，凡凤仙，袁竹林. 循环流化床气固两相流颗粒分布的数值模拟[J].中国电机工程学报，2007，27(20):71-75.

CAI Jie,FAN Fengxian,YUAN Zhulin.Numerical Simulationon Solids Fraction Distribution in Straw Burned Circulating Fluidized Beds[J]. Proceedings of the CSEE,2007，27(20):71-75.

[6] HE Y R，WANG T Y，DEEN N，et al. Discrete Particle Modeling of Granular Temperature Distribution in a Bubbling Fluidized Bed[J]. Particuology，2012，10(4):428-437.

[7] 李德波，徐齐胜，樊建人，等. 拉格朗日下颗粒相数值计算关键问题研究[J]，广东电力，2013,26(10):19-23.

LI Debo, XU Qisheng, FAN Jianren, et al. Study on Key Points of Particle Phase Value Calculation Based on Lagrange Method [J]. Guangdong Electric Power,2013,26(10):19-23.

殷术贵(1986)，男，重庆忠县人。工程师，工学硕士，主要从事循环流化床锅炉仿真工作。

吴智恒(1970)，男，广西南宁人。教授级高级工程师，工学硕士，主要从事机电一体化、智能制造方面的工作。

张华伟(1979)，男，山东威海人。高级工程师，工学博士，主要从事机电产品可靠性数值模拟仿真方面的工作。

(编辑李丽娟)

Simulation Research on Combustion Process of Circulating Fluidized Bed Boiler

YIN Shugui, WU Zhiheng, ZHANG Huawei, HUANG Dong

(Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou, Guangdong 510651, China)

Abstract：Two-dimension geometric model for circulating fluidized bed boiler (CFBB)is established and combination method of Euler-Euler two fluid model and discrete phase model is used for simulating analysis on combustion process of CFBB. According to characteristics of multi-physics field distribution including bed material particles, distribution of pulverized coal particles, gas phase temperature field, concentration field, and so on inside the boiler, it is concluded that it is feasible to use Euler-Euler two fluid model and discrete phase model at the same time, and in process of CFBB combustion, flame position of internal pulverized coal is changing. Next research key point is simulating analysis on three-dimension geometric model of CFBB.

Key words：circulating fluidized bed boiler; combustion; gas-solid two-phase flow; Euler-Euler two fluid model; discrete phase model

作者简介：

中图分类号：TK224

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0008-03

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.002

基金项目：广东省科技计划项目(2014B070706025，2015A030401072，2015B010111001)

收稿日期：2015-08-06