孫曉晴

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原030032）

循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真設(shè)計(jì)

孫曉晴

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山西太原030032）

我國(guó)在一定時(shí)期內(nèi)仍將會(huì)以煤炭為主要能源，煤炭資源在燒燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳、硫化氣體等，這些污染氣體將會(huì)嚴(yán)重阻礙我國(guó)社會(huì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，在保障煤炭能源和社會(huì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本要求下，煤炭能源的清潔成為當(dāng)前社會(huì)的主要潮流，而循環(huán)流化床鍋爐成為當(dāng)前煤炭能源清潔的主要設(shè)備。以新鄉(xiāng)HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為例進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)循環(huán)流化床鍋爐燃燒仿真系統(tǒng)，并對(duì)最后的模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析。

循環(huán)流化床鍋爐；燃燒系統(tǒng)；模擬仿真

0　引言

我國(guó)作為全世界的能源大國(guó)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)離不開(kāi)能源的支持，能源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)。然而，近些年來(lái)，由于我國(guó)過(guò)度消耗煤炭等能源，使得我國(guó)環(huán)境日益惡劣，我國(guó)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重挑釁。為了有效保障環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和能源生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，煤炭清潔技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種技術(shù)不僅可以提高能源的效率，還能有效降低能源燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染氣體。循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)作為煤炭清潔的主要方式，成為當(dāng)前世界各國(guó)主要研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但是，該技術(shù)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)常常造價(jià)昂貴，不適合在實(shí)際中進(jìn)行，因此循環(huán)流化床的模擬仿真就表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

1　模擬仿真對(duì)象

本文就對(duì)新鄉(xiāng)HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為模擬仿真對(duì)象。這種型號(hào)的鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠結(jié)合德國(guó)ALSTOM公司的EVT技術(shù)生產(chǎn)的，它可以滿足在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)一步對(duì)煤炭能源優(yōu)化。這種型號(hào)的鍋爐廣泛應(yīng)用在日常生活中，并派生出多種不同類型的循環(huán)流化床鍋爐，以HG-440型循環(huán)流化床鍋爐為對(duì)象具有一定的代表性。

2　循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型及仿真

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過(guò)程中，其內(nèi)部能源的質(zhì)量及能源產(chǎn)生的能量均遵守質(zhì)量守恒定律，因此，建立起的循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型包括了以各種形式（固體、氣體）存在的能源守恒，能源的質(zhì)量守恒成為鍋爐模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。在循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型是由多種不同的子模型組成的，以下就對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的子模型進(jìn)行分析。

2.1鍋爐部件模型

循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部件就是對(duì)分離裝置的設(shè)計(jì)，在實(shí)際工作中旋風(fēng)分離器是最為普遍的分離部件。在旋風(fēng)分離器處于工作狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部氣態(tài)、固態(tài)的能源流動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜、放大的過(guò)程，本文為便于說(shuō)明對(duì)其進(jìn)行假設(shè)：以氣態(tài)形式存在的能源在分離器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其運(yùn)動(dòng)軌跡看作是柱塞流且氣態(tài)能源的橫截面積與分離器入口的橫截面相同；忽略煤炭顆粒在隨氣體旋轉(zhuǎn)的縱向分離，只將縱向分離的過(guò)程發(fā)生于氣流的底部；忽略其他切應(yīng)力因素對(duì)氣態(tài)、固態(tài)中的滑移速度，只考慮分離器進(jìn)口的橫截面積等［1］。

通過(guò)簡(jiǎn)化實(shí)際情況，可以得到煤炭顆粒i在分離器中的物料平衡：

其中，Ci是煤炭顆粒i的滲透量；Vpi是煤炭顆粒i的流速；Dspi是煤炭顆粒i的縱向分離模量；Gspi是煤炭顆粒i的產(chǎn)生速率；l是氣體沿離器螺旋上升的高度。

2.2煤炭顆粒的燃燒模型

煤炭顆粒的燃燒是一個(gè)不斷發(fā)生化學(xué)變化、能量變化的復(fù)雜過(guò)程。而煤炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒時(shí)，其變化的過(guò)程更加復(fù)雜，為了方便研究，將煤炭顆粒進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程總結(jié)為：煤炭顆粒進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)，煤炭顆粒的去濕，煤炭顆粒中各種揮發(fā)份的排放，煤炭顆粒的燃燒，剩余煤炭顆粒的二次燃燒等。

在煤炭顆粒的燃燒過(guò)程中，為便于說(shuō)明對(duì)煤炭顆粒進(jìn)行假設(shè)：煤炭顆粒在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO、CO2均屬于一次燃燒產(chǎn)物；在煤炭顆粒一次燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO將繼續(xù)留在爐膛燃燒；對(duì)于灰分不同的煤炭顆粒，將其籠統(tǒng)分為三類：高灰分煤炭顆粒、低灰分煤炭顆粒、小顆粒煤炭顆粒，這三種不同灰分的煤炭顆粒在燃燒過(guò)程中分別以雙收縮核、單收縮核、核不發(fā)生變化的形式燃燒。

在煤炭顆粒的燃燒過(guò)程中，為便于說(shuō)明對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中的氣體進(jìn)行假設(shè)：對(duì)于煤炭顆粒燃燒產(chǎn)生的多種揮發(fā)份，僅以一種揮發(fā)份進(jìn)行表示；對(duì)于產(chǎn)生的多種氣體不對(duì)脫硫進(jìn)行考慮；多種氣體之間的化學(xué)反應(yīng)僅有爐膛內(nèi)的應(yīng)動(dòng)力控制。

此時(shí)，可以得出煤炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒的計(jì)算公式：

其中，F(xiàn)s是煤炭顆粒中碳含量和氧含量總反應(yīng)量的比值；CO2，是在相當(dāng)遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)氧的含量濃度；Ks是煤炭顆粒中碳的燃燒速率；R是煤炭顆粒的半徑；Rl是煤炭顆粒二次燃燒后的半徑；δ是煤炭顆粒的灰分厚度；Kc是煤炭顆粒在燃燒過(guò)程中發(fā)生化學(xué)變化的速率；β0是煤炭顆粒在燃燒過(guò)程中發(fā)生流體和爐膛的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)模數(shù)；Dk是氧氣擴(kuò)散系數(shù)。

2.3循環(huán)流化床鍋爐傳熱模型

循環(huán)流化床鍋爐在燃燒過(guò)程中，受到爐膛著熱面、導(dǎo)熱模數(shù)、爐膛著熱面的材質(zhì)、爐膛設(shè)計(jì)形狀等的影響，同時(shí)也和爐膛內(nèi)部煤炭顆粒的流動(dòng)速度、煤炭顆粒的密度、煤炭顆粒的大小有關(guān)。通過(guò)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中著熱面模數(shù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)，和實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)比較相符，誤差范圍在±5%內(nèi)，作為實(shí)際生產(chǎn)制造相對(duì)合理，這種爐膛內(nèi)傳熱模型已成功應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

在循環(huán)流化床鍋爐燃燒傳熱過(guò)程中，流化床和爐膛內(nèi)壁的換熱是通過(guò)流化床內(nèi)部中心盤(pán)旋上升的氣體及其中夾雜的煤炭顆粒雜質(zhì)和爐膛內(nèi)壁進(jìn)行的能量交換，在爐膛內(nèi)部氣體和物料夾雜混合后與爐膛內(nèi)壁的能量交換分為對(duì)流和散射兩種形式［2］，因此，可以得出循環(huán)流化床鍋爐傳熱的總能量，及對(duì)流和散射的線性和，其可以表示成：

其中，γr是煤炭顆粒散射換熱模數(shù)；γc是煤炭顆粒對(duì)流換熱模數(shù)；ε是流化床和爐膛內(nèi)壁的系統(tǒng)輻射率；σ是玻爾茲曼常數(shù)；γgc是煤炭顆粒燃燒后出現(xiàn)的煙氣對(duì)流交換能量的模數(shù)；γpc是煤炭顆粒燃燒對(duì)流交換能量的模數(shù)。

3　循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)模型的分析

3.1氣固態(tài)能源質(zhì)量平衡

在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)中，在任何區(qū)域中，氣固態(tài)能源質(zhì)量守恒，可以從下式看出：

其中，F(xiàn)in，i是煤炭顆粒i到達(dá)某一區(qū)域量的總數(shù)；Fout，i是煤炭顆粒i離去某一區(qū)域量的總數(shù)；是煤炭顆粒i經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)反應(yīng)損失的量；則表示了煤炭顆粒i的變化數(shù)，將零值作為其穩(wěn)態(tài)。

3.2氣固態(tài)能源能量平衡

對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)中，將其內(nèi)部任意區(qū)域的非穩(wěn)態(tài)能量守恒表示成：

對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)中，假定其內(nèi)部密封完好，氣態(tài)無(wú)散失，將其內(nèi)部任意區(qū)域的穩(wěn)態(tài)能量守恒表示成：

在穩(wěn)態(tài)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部燃燒系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換的值是對(duì)流和散射能量的總和，即Q換= Q對(duì)流+Q散射。在該式中，Q對(duì)流、Q散射分別是對(duì)流、散射在內(nèi)部某一區(qū)域內(nèi)的能量變化量；Q進(jìn)是煤炭顆粒i進(jìn)入該區(qū)域所攜帶的總能量；Q放是煤炭顆粒i在該區(qū)域內(nèi)所釋放的總能量；Q出是煤炭顆粒i在離出該區(qū)域所攜帶的總能量。

4　循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的仿真

通過(guò)上文對(duì)HG-440型循環(huán)流化床鍋爐模型的設(shè)計(jì)，本文就對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中的不同空氣濃度對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒的影響、循環(huán)流化床鍋爐爐膛燃燒區(qū)域、循環(huán)流化床鍋爐爐膛分離裝置等進(jìn)行了仿真，這樣可以清晰、直接地觀察到循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過(guò)程，對(duì)于促進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真研究起到推動(dòng)作用［3］，如圖1，圖2。

圖1　循環(huán)流化床鍋爐仿真系統(tǒng)界面

圖2　不同氧濃度下在循環(huán)鍋爐爐膛高度的分布

5　結(jié)束語(yǔ)

循環(huán)流化床鍋爐作為我國(guó)近些年來(lái)迅速崛起的一項(xiàng)低能耗、低污染的燃煤技術(shù)。由于其特有的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)代電力行業(yè)、熱力行業(yè)等重工業(yè)中廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的進(jìn)步。本文通過(guò)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中的模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真，以期給循環(huán)流化床鍋爐模擬仿真設(shè)計(jì)起到拋磚引玉的效果。

［1］劉小娜.循環(huán)流化床鍋爐整體特性建模與仿真［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2008.

［2］郭祥華.循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)建模與仿真［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

［3］周韌峰.循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及控制仿真［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

Simulation Design of Circulating Fluidized Bed Boiler

SUN Xiao-qing
（Institute of Animal Science and Veterinary Medicine，Shanxi Academy of Agricultural Science，Taiyuan030032，China）

Coal resources in burning will produce a lot of carbon dioxide，sulfur dioxide，etc.，which will seriously impede the sustainable development of China's social environment.Therefore，in the protection of coal energy and social environment for the sustainable development of the basic requirements，the clean coal energy becomes the main trend of the current society，and the circulating fluidized bed boiler become the main equipment of coal energy clean.In this paper，takes the Xinxiang HG-440 type circulating fluidized bed boiler as an example to simulate the design，constructs a circulating fluidized bed boiler combustion simulation system，and analyzes the simulation system.

circulating fluidized bed boiler；combustion system；simulation

TP391.72

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0093-03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.026

孫曉晴，女，1962年生，山西太原人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：鍋爐設(shè)計(jì)。

（編輯：向飛）

2015-10-13