循環流化床鍋爐動態模型與仿真

　清華大學學報（自然科學版）循環流化床鍋爐動態模型與仿真張永哲，徐向東（清華大學熱能工程系，北京100084）基金項目：國家攀登計劃B（ 8535）文摘：循環流化床（ CFB）燃燒是一項高效、低污染的技術。建立了CFB鍋爐的動態數學模型。模型沿氣體和固體的主要流動方向將流化床系統劃分成連續的一系列小室，在每一小室內對各物質建立質量和能量的非穩態方程。同時，模型考慮了氣固兩相流動、煤顆粒燃燒、SO的生成與還原反應及受熱面上的熱傳遞。對一臺35 t /h CFB鍋爐進行了動態仿真計算。計算結果表明：該模型可以準確反映所仿真鍋爐的動態特性。該模型可以預測鍋爐特性，為設計和運行提供指導可用于開發模擬培訓仿真器還可以為控制策略的選擇和控制系統的設計提供指導。

　　循環流化床（ CFB）燃燒技術的優勢在于：燃燒效率高、可燃用劣質燃料、燃料制備系統簡單、低溫燃燒降低NO的排放、爐內脫硫、負荷調節性能好等。在中國目前主要應用在中小型鍋爐上。

　　循環流化床（ CFB）鍋爐在運行中，不僅要根據生產的需求穩定主蒸汽的壓力和溫度，還要控制床層溫度，以防止結焦或熄火。除給煤量外，送風對物料流態化、燃燒效率和床溫也有直接影響。對這樣一個分布參數、非線性、時變、多變量緊密耦合的對象，建立相應的動態數學模型，研究其在各種參數變動下的動態特性是很有必要的。

　　鍋爐動態數學模型因鍋爐模型中的汽水系統與常規煤粉爐無明顯區別，故本文重點介紹其燃燒系統動態模型。模型以小室模型為主模型，以爐內物料的流動、燃燒及相互間傳熱為子模型。

　　1. 1小室模型方法為了詳細描述鍋爐系統內各種物質的濃度、溫度沿流動方向的變化，同時又不至于使模型過于復雜，沿氣體和固體的主要流動方向將流化床系統劃分成連續的一系列小室。任一小室都被設定為一個理想的反應器，認為小室內壓力、溫度等各參數恒定，即采用分段集中參數法。分別考慮每個小室物質及能量的非穩態平衡。物質包括8種氣體（ O O）、焦碳顆粒（分為粗焦和細焦）和固體床料。生成氣體包括小室中釋放的熱解產物和化學反應中的氣體生成量。細焦顆粒的生成率中考慮了煤顆粒的機械磨損和爆裂。焦碳顆粒的轉變率主要指化學反應量，同時只考慮固體顆粒的返混，認為氣體和細焦無返混。小室的能量平衡包括其中各類物質的焓，熱平衡包含了受熱面上的熱傳遞和系統熱損失。迭代變量為8種氣體的質量流量、細焦質量流量、粗焦中焦碳質量分數、返混的固體質量流量和小室溫度等。相應需要的參數由爐內物料流動、燃燒及相互間傳熱子模型來獲得。

　　1. 2流動模型針對不同的流化狀態，相應的流化床流動模型的報導文獻很多[1～4 ].本文的模型包括：1）爐膛軸向流動曲線本模型中采用等模型[2 ]，密相段空隙率與高度無關，顆粒從床表面揚析，隨高度最終到達相應的飽和承載能力，曲線為指數規律。對密相床的假設是：只有部分氣體進入乳化相去流化它，其余氣體則以氣泡形式出現。這樣，密相床包含一個被不含固體的氣體穿過的處于最小流化狀態的乳化相。

　　2）爐膛徑向流動曲線等認為流動是兩個理想狀態的迭加： a）稀相懸浮段中的不均勻顆粒團的流動，包括向上的懸浮物和向下的穩定散開、重組的顆粒團，這與徑向位置無關。b）理想狀態的中心是向上流動的稀相懸浮物，壁面邊緣處是高濃度的向下的環狀層。目前很多流化床模型只考慮沿軸向的物質濃度變化，而忽略了徑向的不同。

　　事實上，流化床內徑向顆粒濃度有很大的差別：在靠近壁面處有較高的物質濃度，而在中心則相對稀薄。本模型考慮了這種徑向的變化，將徑向分為環和核兩部分，即采用環核模型，力求更加真實體現燃燒系統特性。模擬徑向流動時假設：只有環和核兩相氣固在每相中都是塞狀流氣體在兩相中上升，固體在核中上升，環中下降同一高度處環中和核中分別具有各自與半徑無關的空隙率。其中在高度z處的環中固料體積份額h（ z ）按下式計算其中： h為最小流化狀態下固料體積分數， h為該處平均固料體積分數。

　　3）軸向和徑向氣固交換在密相床中的氣泡和乳化相、自由段中的環與核之間均存在軸向和徑向的擴散，此擴散可由不同相之間的混合流動建立模型。相關的物質交換做以下處理：密相床和自由段中的軸向氣體混合均忽略。

　　因為流動波動遠小于氣體速度。

　　氣泡和乳化相之間的氣體交換很重要，一方面，氣泡使部分氣體不參加燃燒，另一方面，中間產生的一些化合物在氣泡中進一步氧化。

　　c）環核之間的氣體交換很小，因為徑向氣流很小。但環中產生的反應產物被輸送到核中。

　　在密相段，考慮到模型結構的原因，繼續使用環核模型，只是考慮到軸向和徑向混合很好，環核的特性被設為一致。

　　4）顆粒特性流化床的顆粒尺寸分布對其操作特性影響很大。本模型考慮了以下幾方面： a）爆裂：顆粒裂成碎片 b）干燥和脫揮發份：由于析出氣體，顆粒喪失重量 c）磨耗：由于摩擦，顆粒收縮 d）揚析：顆粒被吹起并離開反應器，通過出口時形成分離效應 e）旋風分離器：顆粒從煙氣中分離，小顆粒從系統中離開并最終被除塵設備捕獲 f）排灰：粗顆粒在底部積聚，為保持物料量恒定將被排出。

　　1. 3煤燃燒與有害物質的生成與還原模型煤在流化床內的燃燒是包括多種物理及化學反應在內的復雜過程。在建模過程中，根據van等人的工作，把它總結為干燥、脫揮發分、焦碳的多相燃燒、燃燒產物的進一步氧化等過程。

　　1）干燥和脫揮發份煤的干燥和脫揮發份是一個耦合過程，本模型中將其作為2個單獨模型分別考慮其影響。基本思路是干燥和加熱從表面向中心，在顆粒內部有一個離散的輪廓線。顆粒被離散為不同的同心圓，其瞬時平衡。已經干燥和足夠熱的外層開始釋放揮發份，而內層則是相對濕和冷。同時假設在煤顆粒中的物質分布是均相的。

　　2）焦碳燃燒熱解中形成的焦碳的燃燒速率受傳輸過程（氧氣通過氣體邊界層到達顆粒表面并進入顆粒內部）和決定碳轉化的反應動力學影響。決定顆粒溫度的因素為氧氣濃度、到氣體和床顆粒的傳熱以及形成的摩爾比。

　　采用縮顆粒模型，同時計算到顆粒表面的擴散、顆粒表面的燃燒動力學、顆粒溫度、燃燒產物的CO和的質量比和焦碳顆粒燃燼時間。

　　3）燃燒產物的氧化在脫揮發份和焦碳燃燒后，初始形成的燃燒產物（特別是CO， CH S）與氧發生同相反應。

　　4）硫的轉化常壓下流化床內的脫硫反應主要是基于石灰石的鈣化，形成CaO的多孔顆粒，與SO發生反應這一過程。在仿真計算中，假定熱解后生成的H S瞬時就轉化為SO 2，并且煤中的硫都以H S的形式釋放出來。

　　的生成和還原由于流化床溫度低，不考慮空氣中N反應生形成主要是N H的氧化和焦碳中固有的氮的反應。

　　1. 4受熱面上的熱傳遞模型流化床換熱系數的計算是參考的工作進行的，認為流化床與受熱面之間的換熱分為：氣體的對流換熱、顆粒的對流換熱和輻射換熱。相應的總的換熱系數為三者之和。

　　1. 5汽水系統模型CFB汽水系統與常規煤粉爐相似。其模型包括上升管、下降管、汽包、過熱器、省煤器等。汽水系統和燃燒系統相互耦合，計算通過迭代實現。

　　張永哲，等：循環流化床鍋爐動態模型與仿真2仿真實例與結果分析利用本模型對某35 t /h的循環流化床鍋爐進行了動態仿真計算。設計運行參數為：鍋爐額定蒸發量35 t /h ，額定蒸汽壓力3. 82 M Pa，額定汽溫給水溫度423 K，冷空氣溫度303 K，給煤流/h，二次風量/h （氣體體積按標準狀態計算）。圖1所示為當給煤量降低5后， O和CO的體積分數h，圖2為焦碳質量分數w C，圖3， 4分別為爐溫和主汽壓的變化情況。

　　由仿真結果可看出：2， CO的體積分數變化1）床溫對整個流化床的穩定運行有著極其重要的作用。床溫的大小直接影響爐內各種化學反應的反應速率，從而影響各種物質濃度。床溫也決定著汽水系統的吸熱量，從而影響主汽壓力和溫度等參數。床溫過高或過低容易引起結焦或熄火事故。可以說，床溫調節效果的好壞直接關系到整個鍋爐運行的穩定性。

　　燃燒生成的反應速率對動態過程濃度影響較大。

　　3結論從仿真結果可以看到，本文所建立的模型基本可以反映所仿真鍋爐的動態特性。模型不僅可以預測鍋爐特性，為設計和運行提供指導，可用于開發模擬培訓仿真器，還可以為將來控制系統的設計和控制策略的選擇提供必要的研究對象。