CFB锅炉大型化气固流动非均匀性研究进展

胡 南，徐 梦，张 缦，杨海瑞，张守玉，赵 冰，巩太义，王家林

(1.长春工程学院 吉林省水利电力工程物理级仿真与安全科技创新中心，吉林 长春 130012；2.清华大学 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084；3.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；4.华电国际电力股份有限公司天津开发区分公司，天津 300270)

0 引 言

循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉具有燃料适用范围广、低成本燃烧中脱硫、低氮氧化物排放等优点，是大规模清洁利用高硫及高灰煤、矸石、中煤、煤泥和生物质等燃料的最佳选择[1]。CFB燃烧技术始终向大型化、高参数方向发展。近年来，我国在超临界循环流化床锅炉发电技术方面取得了突破，引领世界在该领域的发展[2-5]。目前我国正在运行的超临界CFB锅炉已达40台。同时，在超超临界CFB锅炉的研发、设计方面已开展大量工作[6-10]。2019年初，2项660 MW超超临界CFB燃煤发电项目被正式列为国家电力示范项目，标志着我国CFB发电开始迈向超超临界阶段。

在CFB锅炉大型化发展历程中，随着锅炉参数提高、蒸发量增大，锅炉结构也在不断发展变化。首先，为了保证足够的反应容积和更多受热面的布置，炉膛截面积和高度均相应增加。600 MW超临界CFB锅炉炉膛高度已经超过52 m，宽度超过25 m。清华大学[11-14]通过对超高炉膛纵向气固流动特性的试验和理论研究，实现了炉膛内床压的优化，有效降低了水冷壁的磨损，提高了机组的经济性和可用性。其次，由于二次风穿透能力限制，随着炉膛截面积的增加，二次风无法射入到炉膛中心区域，导致炉膛中心形成贫氧区，严重影响燃烧效率。为了解决该问题，可采用大宽深比的单布风板炉膛，减少二次风穿透所需要的射程，对于300 MW以上等级的CFB锅炉，布风板的宽深比通常在5以上；也可在炉膛底部从中间分开，形成双布风板的“裤衩腿”式炉膛结构，二次风从支腿内侧和外侧同时注入炉膛[15]。对于更高参数的CFB锅炉，也可考虑双炉膛并联和环形布风的结构形式[16-19]。第三，旋风分离器的数量和布置方式不断更新。为了保证分离器效率，分离器设计必须满足特定准则，不能简单按比例放大，因此大型CFB锅炉均采用多分离器并联布置方案。对于300～350 MW的CFB锅炉通常为3个分离器在一侧并联布置，白马电厂600 MW超临界CFB锅炉为6个分离器；Foster Wheeler公司紧凑型布置的CFB锅炉，采用较小直径的分离器，分离器个数多于其他炉型；波兰460 MW超临界CFB锅炉，在炉膛两侧共布置8个旋风分离器。

由于锅炉结构上的变化，具有超大截面和多分离器并联结构的大型CFB锅炉，在运行过程中发现的横向参数非均匀性问题，逐渐成为关注的焦点[20-25]，主要包括热力学横向非均匀性、气固组分的横向非均匀性以及气固流动的横向非均匀性。热力学横向非均匀性主要是指温度和传热系数在水平方向的偏差。张攀等[24]对国内2台300 MW CFB锅炉进行了测试，在不同运行工况下炉膛内均存在明显的横向温度偏差和热流密度偏差，同时也发现，在锅炉热负荷下降时，温度和热流密度横向非均匀性更加严重。气固组分横向非均匀性主要是由于给煤进入炉膛密相区后，颗粒横向扩散能力有限，使煤燃烧和放热横向分布不均。李金晶等[25]在300 MW CFB锅炉上发现，沿横向炉膛中间床温明显高于两侧，通过调节给煤点分配，可改变温度分布。胡南等[26]通过总结已有横向扩散系数研究成果，给出了大型CFB锅炉密相区固体横向扩散系数的取值范围。

气固流动不均匀性主要是由于炉膛结构、气固流动特性等原因导致，由于气固流动对气固组分分布和局部传热影响显著，因此本文重点针对CFB锅炉大型化过程中产生的新的气固流动非均匀性问题，主要包括超大布风截面的布风非均匀性问题、多分离器并联的气固分配非均匀性问题以及特殊工况下产生的横向波动和翻床问题。其中前二者在稳定运行条件下，不随时间变化，属于静态非均匀性问题；床压波动和翻床问题属于动态气固流动横向非均匀性问题。

1 静态气固流动非均匀性

1.1 多分离器并联结构

分离器是CFB系统重要的组成部分。分离器阻力特性是分离器设计的重要参数，对于多回路并联的大型CFB锅炉，分离器阻力特性决定各并联回路的气固流量分配。气相流量一定的前提下，携带固相颗粒的质量浓度将影响分离器压降。早期试验已发现，分离器压降随颗粒浓度增大呈先减后增的非单调特性[27-29]。当颗粒浓度小于拐点处颗粒浓度时，固相浓度升高增加了颗粒与壁面撞击的几率，导致两相流的动量损失增加，分离器内湍流强度减小，导致分离器压降减小。当颗粒浓度进一步增加，大于拐点处颗粒浓度时，在分离器内颗粒/颗粒团与气体的相互作用增加，导致分离器压降随颗粒浓度的增加而增加[27]。

分离器的压降ΔPc一般表述为

(1)

其中，fg、fp分别为气相和颗粒相修正系数；Vi为分离器入口气体速度，m/s；ρg为气相密度，kg/m3。气体修正系数fg主要取决于分离器入口和气体出口的横截面积之比。Baskakov等[27]提出了一个简便的关联式表征颗粒浓度对分离器压降的影响，即

(2)

式中，Cp为分离器入口处颗粒浓度；a1、a2、a3为与分离器结构有关的系数。

基于分离器压降随入口颗粒浓度增加先降后升的关系，在稳定运行时，即使各分离器的压降相等且气体流量相同的情况下，入口颗粒浓度仍有可能不同，如图1所示[30]。在理论研究方面，Grace等[31-32]提出并联分离器系统内气固流动的多解方程，认为系统稳定运行的2个约束条件是各并联分离器的压降相等及气体和固体的质量守恒。Mo等[33]建立了并联多分离器内气固流动的控制方程组。对于双分离器并联系统，气固两相流的控制方程组存在一个自由度，因而具有多值性，从理论上论证了分离器固体循环流率偏差的原因。

图1 分离器压降随循环流率变化[30]Fig.1 Pressure drop of cyclone changing with solid circulating rate[30]

许多科研人员在多分离器的模化试验方面开展了相关工作，对于单侧3分离器、4分离器，双侧布置的6分离器以及环形布置的6分离器结构进行试验研究，见表1。研究的核心问题是在不同风速、不同床料量的运行条件下，各个回路的循环流率、分离器压降以及提升管内的压力分布。中科院、浙江大学和重庆大学分别针对不同形式的多回路CFB锅炉进行了数值模拟[6,39-40]。

表1 大型CFB锅炉冷态模化试验

研究结果表明[35]，忽略并联分离器及入口段间的微小加工差异，理论上对于纯气相的流动，各分离器的气体流量相近，且分离器阻力越大，流量一致性越高，炉膛出口结构偏差所引起的气相流量偏差很小。在两相流条件下，一侧并联3个分离器中，中间分离器循环流率和压降均较小，且随着风速增加，循环流率偏差会进一步加大[6,35,38]。循环流率的偏差原因是内墙边壁处的颗粒浓度高，而两侧分离器附近的炉墙面积更大。王法军等[37]对单侧4分离器进行研究得到了相反的规律，即中间2个分离器的循环流率较高，循环流率偏差同样随风速增加而增加，其主要原因是两侧分离器与中间2个分离器的入口角度不同。

炉内屏式过热器和尾部烟道对气固流量分配的影响不可忽略。许霖杰等[7]、王超[39]等通过带有悬吊屏的CFB锅炉炉膛内数值模拟发现，悬吊屏附近颗粒浓度较高，合理布置悬吊屏，可影响内部流场，提高中间分离器的循环流率。郭强等[41]通过数值模拟研究了分离器出口烟道形式对分离器内流量分配的反作用，研究发现，分离器出口烟道结构对并联三分离器内的烟气流动特性有较大影响。

1.2 超大截面的布风均匀性

CFB锅炉的布风系统是CFB锅炉的重要组成部分之一，包括风室、布风板以及风帽。布风系统的主要作用是使流化气体沿截面均匀流出，同时防止颗粒落入风室。CFB锅炉风室进风方式主要包括两侧进风和后墙进风。相关测试和模拟研究均发现[42-47]，目前大型CFB锅炉的布风均匀性均有待提高，而进风方式对于布风均匀性的影响十分明显。对于两侧进风形式，风量呈两侧风帽流量高、中间风帽流量略低的分布[44]；对于梯形风室后进风形式，表现为远离进风口一侧风帽流量偏大[45]。布风非均匀程度主要受布风系统压降与炉膛压降之比(压降比)影响。随布风面积的增加，布风非均匀性进一步加剧，甚至出现局部床层压力波动变大、流化死区、漏渣等现象，严重影响锅炉的稳定运行和燃烧效率。在布风不均匀条件下，气固流动横向分布也存在偏差，同时反作用于供风系统，床面气固系统与布风系统的耦合作用研究还较匮乏。

2 动态气固流动非均匀性

2.1 锅炉匀性动态非均匀现象

对于多分离器并联的大型CFB锅炉，分离器间气固流动偏差是由于炉膛结构、分离器特性产生，而布风均匀性是由于风室结构和风帽阻力等原因产生，在运行过程中偏差客观存在并保持相对稳定，属于静态横向偏差。动态气固流动的非均匀性，主要是指在不做干预的情况下，气固流动的非均匀性不断变化。对于裤衩腿型锅炉，曾发生物料不断在一侧布风板堆积的“翻床”现象，严重阻碍锅炉的正常运行，随着研究人员对该问题的深入认识以及在运行过程中增加了优化控制，“翻床”问题逐渐得到解决[25,48]，近期已鲜有相关研究报道。工程运行经验表明，大型CFB锅炉在低负荷条件下会产生两侧压力大幅度、长周期交替波动的动态横向偏差现象(图2)，并引起炉膛温度偏差(图3)，对锅炉的安全运行产生更加严重的危害[49-50]。

图2 CFB锅炉床压横向波动[41]Fig.2 Lateral fluctuation of bed pressure in CFB boiler[41]

图3 分离器出口烟气温度[41]Fig.3 Flue gas temperature of cyclone outlet[41]

李金晶等[21]认为，形成床压横向波动的条件包括大尺度的炉膛截面、多条主循环回路并联的结构设计、母管制的流化风供给系统和炉膛内特定的流态。运行数据发现，只有当一次风量下降到一定值后，才会发生横向波动现象。由于一次风量的降低，布风系统阻力下降，因此布风稳定性被破坏。另一方面，返料量等于分离器捕捉下来的相对大颗粒流量，但返料阀内存有物料，因此返料阀对返料流量具有迟滞作用，而返料风为母管制供风系统，不同返料阀也会产生相互影响，这也是产生周期扰动的原因之一[20]。

2.2 床压横向波动理论

在理论方面，姜华伟等[49]建立了CFB锅炉床压横向波动的非线性浅床长波驻波模型以及密相区气固流态化数学模型，床面椭圆余弦波的波速C为

(3)

(4)

式中，Ug为流化风速，m/s；Ug0为满负荷运行条件下的密相床平均流化风速，m/s；Kgs为气固流动修正系数，无量纲；He为密相区膨胀床高，m；H为静床高，m；X为波动幅度，m；k为椭圆积分或椭圆函数的模数K(k)和E(k)分别为第1类和第2类完全椭圆积分。

对于宽度为L的矩形截面流化床，床压横向波动周期T为

(5)

模型分析了静床高对床压横向波动时炉内床压分布、床压波动幅度和周期、活性区和非活性区床高、非活性区空隙率分布的影响。认为随着静床高增加，床压横向波动幅度随静床高的增加呈正比增大趋势，从而床面波速增加，床压横向波动往返周期随之减小[49]。

文献[50]建立了基于气固系统固有频率的压力波动简化模型，预测了平均床压和波动周期的关系。但目前对于横向波动仅停留在大型CFB锅炉运行过程中实测数据和理论模型分析上，缺少系统的试验数据支撑。文献[45]中基于横向波动固有频率的假设给出了微分方程，在扰动条件下方程为

(6)

式中，β为阻尼系数，s-1；F0为横向扰动强度，其物理意义为扰动使密相区所有颗粒产生的最大加速度，m/s2；ω0为气固系统横向波动的固有角频率，s-1；Ω为扰动角频率，s-1。

综合考虑床尺寸、颗粒性质、床压以及流化风速等因素，波动固有频率的计算关联式为

(7)

式中，ρs为颗粒密度，kg/m3；cs为颗粒体积浓度，无量纲；a为无量纲系数；L′为横向波动发生方向几何尺寸，m；Pb为平均床层压降，Pa。

式(6)的近似解析式为

(8)

由式(8)可以看出，扰动F0越强，波动幅度越大；阻尼β越小、扰动频率和固有频率越接近，波动幅度越大。模型关键是选择合理选择阻尼系数β，理论上阻尼系数与流化风速和颗粒性质有关。由式(8)可以获得波动幅度随扰动频率变化的趋势，如图4所示，扰动频率与固有频率相等时，波动幅度达到最大值。

图4 波动幅度与扰动频率的关系Fig.4 Relationship between pressure fluctuation and disturbance frequency

3 结语与展望

气固流态化，从小截面的化工气固反应装置，发展到具有超大截面的大型CFB锅炉，众多科研和工程技术人员通过理论、试验和实炉测试开展了相关工作。目前中国在CFB燃烧大型化、高参数方面取得了世界领先。但CFB锅炉大型化过程中，气固流动的横向非均匀性问题仍有部分工作需要进一步开展。

1)多分离器并联的大型CFB锅炉，气固流量分配的均匀性主要取决于分离阻力特性、分离器布置、分离器入口烟道结构、炉膛出口附近的悬吊屏布置以及分离器出口的烟道布置，在锅炉设计过程中需综合考虑，根据气固流动横向分布特性更合理安排受热面的布置。

2)超大截面的流化布风系统的进风方式对于布风均匀性具有显著影响，大型CFB锅炉由于布置和成本原因，侧进风和后墙进风的方式均无法达到均匀性。非均匀布风条件下气固流动特性以及床层与布风系统的耦合作用，还有待进一步研究。

3)大型CFB锅炉低负荷条件下的横向波动问题对锅炉的安全运行威胁极大。大截面的布风系统、一次风降低导致的布风失稳以及多回路并联的不均匀性是导致床压横向波动的主要原因，但目前在实验室尺度还缺少系统研究。波动产生机理以及由此引申的横向波动基础理论仍需进一步深入分析。