1、75 th 电站循环流化床锅炉燃烧和污染物排放的数值模拟 王康健，张丹娅，金 军，樊建人，岑可法（浙江大学热能工程研究所，浙江杭州 310027） 摘 要：以 FLUENT 软件为工具，运用数值模拟方法对 75 th 电站循环流化床锅炉的炉内过程进行研究。计算和分析了炉内的温度分布，氧气、二氧化碳和一氧化碳的浓度分布，燃料颗粒的轨迹，氮氧化物（NO x）的排放。数值模拟的结果对循环流化床锅炉的设计和实际运行有一定的指导意义和参考价值。关键词：数值模拟；燃烧模型；循环流化床锅炉；NO x；排放 Numericalsimulation ofthecombustion and pollution e
2、missions froma 75th circulationfluidized bed boilerof power plantWANGKangjian，ZHANGDanya，JINJun，FANJianren，Cen Kefa（Institutefor Thermal Power Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China） Abstract：Numericalsimulation has been usedto study a 75 th circulation fluidized bed boilerin combusti
3、on characteristicinthis paperAchievement ofthe paperis based upon a kind of commercial software（FULENT60）The paper presents theresults of numericalsimulation and analysesitThe results pay special attention to the following points：the boilerfurnacetemperature distributions，oxygen species concentratio
4、ns，carbon monoxide concentrations，carbon dioxide species concentrations；particle track；NO x（NO）emissionSimulationresults can be usedto guidethe design and operation ofcirculationfluidized bed boilerKey words：numerical simulation；combustion model；circulationfluidized bed boiler；NO x；emission0 前 言本文针对
5、 75 th 循环流化床热电气三联供装置进行数值模拟。该循环流化床热电气三联供装置本体是联合运行的双流化床，一床为气化室，另一床为燃烧室，高温物料在两个流化床之间循环，气化室为鼓泡流化床，燃烧室为循环流化床，其运行温度为 900950，气化室运行温度为 800850，用热煤气或部分蒸汽为流化介质，以提高煤气热值和增加焦油分解率。锅炉本体结构见图 1，锅炉系单锅筒，自然循环水管锅炉，半露天布置。风室、炉膛采用膜式水冷壁结构。整台锅炉采用全悬吊结构，消除由于启停时热胀冷缩的影响。 炉膛分为两部分：下部密相区，上部稀相区，炉膛四周为膜式水冷壁，在密相区内形成缩口和垂直段，布风板以上 3 m 内涂耐火
6、材料防止磨损，在 15 m，20 m 和 25 m 处设三排二次风口。在稀相区上侧经烟道进入两只 3 蜗壳旋风分离器，烟气携带的颗粒经旋风分离器分离后，由下料口进入返料系统。炉顶烟道高度为 29 m，烟道内布置高温过热器。本锅炉设置外置式换热器。当回送灰经过外置式换热器时，利用 60左右的二次风对 15左右的回送灰进行冷却，冷却到 450左右，送回到炉膛内。采用分段送风，一次风率为 60，二次风率为 40，二次风口设在密相区上部 15 m 处以上，共分三排喷口。2 计算网格和数值方法所模拟的循环流化床锅炉的本体在 z 方向上长 5450 mm，x 方向上深 2450 mm，在 y 方向上高 2
7、1700mm。炉膛的尾部烟道截面为 5450 mm2050 mm。计算所采用的煤粉颗粒的直径最小为 100m，最大 2 mm，平均直径为 600m，颗粒直径分布符合 RosinRammlar 分布。对于计算的炉膛，旋风分离器和返料器的网格划分先采用分块的方法，即把炉膛下部较不规则的密相区分为一个区，其余炉膛为一个区，出口烟窗到旋风分离器的接口部分为一个区，两个旋风分离器为一个区，外置式换热器为一个区，返料器为一个区。对于每个区采用不同的网格划分方法，以便提高网格的质量。对于外形较不规则的密相区采用四面体网格；对于稀相区由于形状比较规则，划分成六面体网格；对于炉膛和分离器的连接部分采用四面体网格
8、；两个旋风筒按形状的规则度分别划分为四面体和六面体网格；两个上排气的出气筒划分为六面体网格；外置式换热器和返料器则全部为四面体网格。整个模拟对象共划分网格约 135 万。本文采用 FLUENT 软件为工具，数值模拟三维稳态工况，采用 SIMPLE 方法求解NS 方程，气固两相间的湍流计算采用 RNGk 湍流模型，煤粉颗粒的轨迹场采用基于拉格朗日的随机颗粒轨道方法，对于炉内燃烧时的辐射和对流换热采用 P1辐射模型，对煤粉挥发分的释放采用了双匹配速率模型（Two Competing Rates Model），对于气相的湍流燃烧采用了混合分率概率密度函数（mixturefractionPDF）模型，
9、对于焦炭的燃烧采用了运动扩散控制燃烧模型，对于氮氧化物的生成主要考虑了燃料氮和热力氮的生成以及氮氧化物的再燃效应。在对守恒方程选用离散格式时，对于动量方程采用一阶上风格式，用 Simple方法来处理压力速度的耦合，为了方程离散时的便利，同时在不影响数值精度的前提下，我们对能量方程、湍动能方程、湍能耗散率方程和平均混合分率方程都采用了一阶上风格式。由于计算机容量有限的原因，本文对锅炉整体无法同时进行计算，而是采用了先分块计算，然后将上游的出口边界条件设置成下游的入口条件来进行衔接，达到模拟整体的效果。3 结果和分析取如下工况进行模拟：一次风入口速度为 5ms，方向为 Y 向，温度为 433 K；
10、二次风入口速度为 25 ms，从两侧墙对称喷入，速度方向分别为正 Z 方向和负Z 方向，温度为 573K；给煤点给入煤粉颗粒的速度为 3 ms，温度为 433 K。投煤量为 27 kgs，循环物料量为 48 kgs。31 流 场对整个区域进行了流场计算。其中图 2 是炉膛垂直横截面 x0 m 处的速度值等势图，此时给料的平均直径是 600m。从图中可以明显的看到从锅炉两侧墙喷出的二次风喷入炉膛后折而向上，在炉膛的中心区域形成一股较强的上升气流，而在炉膛的两侧则有明显的回流区。图 3 是炉膛垂直纵截面 z2m 时的速度值等势图，从图中可以看到气流以一种很稳定的速度均匀上升，在出口烟窗处折向旋风分
11、离器，由于截面骤缩，所以有一段高速区。图 4 是 y20m 处的水平截面的速度矢量图。这个截面切到了旋风分离器，从图中可以看出，烟气流经旋风分离器后，绝大部分折而向上，流向尾部烟道。速度矢量图更直观的显现了旋风分离器内气流绕壁面盘旋向下的流动情况。图 5 是旋风分离器的速度矢量图，从图中可以明显的看出烟气流从切向冲入分离器内，然后又夹带粒子沿旋风分离器螺旋向下运动的过程，在靠近底部的地方，大部分气流折而向上，流向尾部烟道，小部分流向返料机构。32 温度场温度场是本文模拟计算的关键问题之一。其中图 6 是炉膛横截面 x0 m 处的温度等势图，从图中可以看到在炉膛高度约为 3 m 处，出现了温度为
12、 1400 K 的高温区域，这是由于在这个区域煤粉颗粒浓度很高，属于富燃料区，由于炉膛中心二 次风流速较高，使中心区域的传热和氧气浓度也较高，故中心区的煤粉能得到充足的氧气而燃烧，温度较高；而炉膛两侧由于气流速度较低，没有带来足够的氧气，导致燃料不能很快地着火燃烧，因此相比而言温度较低。炉膛其余部分温度水平较为均匀，总体随着炉膛高度的增加而有所下降，这是由于炉膛内布置了水冷壁，沿途不断吸收烟气热量的缘故。与之相对比，图 7 是同一截面上当给煤的平均粒径在1 mm 工况时的温度等势图，此时燃烧明显推迟，在到达炉膛高度约 15 m 处燃烧才发展开来，这与给煤粒径太大，挥发分析出相对较慢，煤粒内不易
13、传热等因素有关。图 8 另一张温度等势图，它是 y18 m 处横截面的剖面图，在出口烟窗内存在着燃烧，烟气直至旋风分离器 内才冷却下来，流向尾部烟道。 33 组分场CO 2和 O2的质量份额是反应炉膛内燃烧情况的重要参考依据，本文对这两种组分的质量份额做了计算，并对典型截面的情况做了剖面图。图 9 和图 10 分别是炉膛中心纵截面 x0 m 处的 CO2和 O2的质量份额图，从图中可以看出在炉膛的中心处的 CO2质量百分比较高；相应的 O2质量百分比较低，这是因为在炉膛中心处的燃烧反应要比其它区域迅速得多，从而导致中心处较高的 CO2的浓度和较低的 O2浓度。在接近出口烟窗处，CO 2质量份额
14、达到最大，这是由于出口烟窗流道渐窄，而燃烧已经很充分，积累了大量 CO2所致，相应此处 O2浓度就很低。炉膛较低的地方，周边靠近水冷壁的区域 O2浓度很高，这是由于靠近边壁处流动性很差，气流湍混的不好，另外，着火初期也没有消耗大量的 O2所致，相应地，这个区域的 CO2浓度很低。图 11 和图 12 是炉膛高度 y18 m 处横切面的 CO2和 O2的质量份额图，在这个截面上可以看出瞬时燃烧产物的不均性，为了对比说明，作者在这个截面上做了一张 CO的质量份额图，如图 13 所示。在炉内 O2的浓度高处，大体上是 CO2浓度低的地方，但在出口烟窗所对的贴壁处，却有一处二者浓度都很低的情况，这是因
15、为在这里碳的一部分转化为了 CO，对比这三张图可以很清晰地看出来。污染物的排放问题一直是能源工业中普遍关注的问题，也是最受关注的问题。流化床燃烧过程中生成 NO，NO 2和 N2O。通常把 NO 和 NO2两种氮氧化物称为 NOx，其中 NO 占 90左右。图 14 和图 15 分别是炉膛垂直横切面 x0 m 处和垂直纵切面z2725 m 处的 NO 的百分比浓度图。从图中 可以看出，NO 的生成浓度分别低于165106VV 和 155106VV，这个结果是令人满意的。在进料点燃烧比较迅速，温度比较高，所以在这个区域，NO 生成最多，这是因为在床底部给煤集中，空气与燃料分配的比例不均和底部燃烧
16、还不够强烈，底部的气流具有较高的氧浓度，致使 NO 大量生成。随着床层增高，流化床迅速处于强烈的流化燃烧状态，需要大量氧气，而气泡的分割使床层密相区处于空气不足状态，NO 生成量减少。在炉膛高度约 68m 处，NO 有一定的沉积现象，这是因为大颗粒的燃料在此处回流，停留时间较长，挥发分得以充分析出燃烧，而且此处流动性又差，所以 NO 的含量较高。从这典型截面的 NO 浓度分布来看，NO 的体积浓度一般都在 200106 VV 以下，相比于煤粉炉，这个总体水平是较低的。这主要是由于生成的 NOx主要来源于燃料氮，而且在未燃尽焦碳和 CO 的参与下很快被还原，使 NO 的浓度能降低到一个稳定的低值
17、，这也说明添加还原性材料是减少 NO 排放的有效途径。34 颗粒轨迹为了能对煤粉颗粒在炉内的运动情况有进一步的了解，本文从进料点开始，对煤粒子进行了跟踪。图 16 是从三个进料点同时跟踪的颗粒轨迹图。共随机跟踪了300 颗。同样能看到小颗粒很快飞出炉膛，而大部分大颗粒都有一个明显的回落过程，在炉内停留时间较长，及至燃烧一段时间才流向旋风分离器，轨迹不甚规则，有些颗粒甚至会回旋两次，除了重力因素外，还因为燃烧本身是个非常复杂的剧烈化学反应，燃烧中气流湍混会更加强烈；一次风、二次风的风量也会有很大影响。从颗粒轨迹图中可以看出经由旋风分离器而流向尾部烟道的颗粒数额非常小，绝大部分是小颗粒，只有极小部分中档颗粒随气流飞出，这说明旋风分离器的效率是相当高的。这正是所希望看到的，因为这说明不完全燃烧损失相对不大，也大大减轻了颗粒对尾部受热面的冲刷。4 结 论本文采用数值模拟的方法对 75 th 电站循环流化床锅炉的燃烧进行模拟研究。文中主要研究了炉内的流场、温度场、组份场和煤粉颗粒的轨迹。流化床对配风的要求比较高，本文就一次风速为 5 ms，二次风速 25 ms，给煤速度 3 ms，在分散给煤，采用喷散的方式给煤进行了燃烧的模拟，所得结果是有参考价值的。
