韓 平，張東旺，辛勝偉，謝國威，鄭偉佳，張 縵，呂俊復(fù)

（1.國家能源集團(tuán)國源電力有限公司，北京 100033；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084； 3.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、污染控制成本低、適合深度調(diào)峰等特點(diǎn)，是商業(yè)化最好的潔凈煤燃燒技術(shù)之一[1]。我國自2000年初與世界同步開展了超臨界CFB鍋爐的研發(fā)，并于2013年投運(yùn)了世界首臺(tái)600 MW超臨界CFB鍋 爐[2]。截至目前，我國已有48臺(tái)350 MW超臨界CFB鍋爐投入商業(yè)運(yùn)行?！笆濉逼陂g，國家批準(zhǔn)了660 MW高效超超臨界CFB鍋爐示范項(xiàng)目[3]，國內(nèi)科研單位及制造企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了不同布置形式的鍋爐方案[4-7]。

隨著鍋爐容量的不斷擴(kuò)大，分離器個(gè)數(shù)增加，而多分離器并聯(lián)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)氣固流動(dòng)的偏流現(xiàn)象[8-9]，從而導(dǎo)致分離器效率降低、爐膛溫度分布不均、局部受熱面磨損以及水動(dòng)力安全等諸多問題[10-11]。此前，蔡晉等[12]采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬的方法，研究了分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣固分布的影響，結(jié)果表明減小芯筒直徑和增大入口寬度，有利于提高分離器內(nèi)的氣固均勻分布穩(wěn)定性。張愛琴等[13]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同芯管直徑的分離器并聯(lián)后的分離性能，結(jié)果表明全左旋排列的旋風(fēng)分離器分離效率與壓降均高于左右旋排列。Stern等人[14]發(fā)現(xiàn)，在保持入口風(fēng)速和顆粒質(zhì)量濃度不變的情況下，與單個(gè)分離器相比，并聯(lián)多個(gè)分離器的系統(tǒng)分離效率更低，而且整體分離效率的下降還將隨著分離器個(gè)數(shù)的增加而增加。Koffman[15]也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這可能與多分離器并聯(lián)系統(tǒng)的多值性特點(diǎn)有關(guān)。

對于四分離M型布置方案的高效超超臨界CFB鍋爐，分離器并聯(lián)回路中會(huì)出現(xiàn)氣固流動(dòng)的偏流現(xiàn)象，4個(gè)煙窗出口的相對位置將極大地影響出口處顆粒的分布。氣體流量分布較為均勻，但固體流量卻呈現(xiàn)出“中間低、兩邊高”的M型分布狀態(tài)[16]。已有研究表明，分離器間的氣固流動(dòng)均勻性除了和煙窗位置布置、分離器入口煙道角度、長度等設(shè)計(jì)條件有關(guān)之外，還會(huì)受到運(yùn)行條件影響[17-19]。

本文對各種不同運(yùn)行參數(shù)對偏流現(xiàn)象的影響進(jìn)行模擬和分析，通過改變參數(shù)布風(fēng)的均勻性、顆粒粒徑和一二次風(fēng)率等，探討爐膛內(nèi)流態(tài)轉(zhuǎn)變對多分離器間氣固分配均勻性的影響。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)及邊界條件

1.1 鍋爐整體結(jié)構(gòu)

鍋爐采用成熟、簡約、可靠的M型布置，爐膛采用單爐膛、單布風(fēng)板的結(jié)構(gòu)，在爐膛上部布置有4個(gè)煙氣出口窗，煙氣及夾帶的固體顆粒經(jīng)由出口窗進(jìn)入到旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離。爐膛出口處布置有4個(gè)旋風(fēng)分離器，分離器直徑為10.5 m。每個(gè)旋風(fēng)分離器料腿下端裝有1個(gè)返料裝置，用以將固體物料返送回爐膛[20]。鍋爐整體布置如圖1所示。該鍋爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 鍋爐整體布置 Fig.1 Overall layout of the boiler

表1 鍋爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位：mm Tab.1 Main structural parameters of the boiler

A、B、C、D 4個(gè)旋風(fēng)分離器布置如圖2所示?？梢园凑辗蛛x器和其返料的位置依次將爐膛內(nèi)劃分成為A、B、C、D 4個(gè)回路，研究各回路在爐膛內(nèi)的氣固流動(dòng)特性。A分離器與D分離器結(jié)構(gòu)完全一致，B分離器與C分離器結(jié)構(gòu)完全一致，外側(cè)的分離器與中間的分離器在入口角度和煙道長度上略有差異，A、B分離器與C、D分離器的旋流方向相反。分離器結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，其尺寸見表3。

圖2 旋風(fēng)分離器布置 Fig.2 Cyclone separator arrangement

圖3 分離器結(jié)構(gòu)模型 Fig.3 Structural model of the separator

表2 分離器結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位：m Tab.2 Structural parameters of the separator

1.2 鍋爐幾何建模和網(wǎng)格劃分

圖4為鍋爐全回路的整體結(jié)構(gòu)建模及相對應(yīng)的網(wǎng)格劃分情況。鍋爐爐膛上部稀相區(qū)及4個(gè)分離器采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并在邊界處進(jìn)行局部加密；爐膛下部密相區(qū)、回料閥及分離器的出口聯(lián)箱均采用四面體網(wǎng)格?？偩W(wǎng)格數(shù)約為304萬。

圖4 鍋爐整體建模結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分 Fig.4 The overall modelling structure and mesh generation of the boiler

1.3 計(jì)算模型設(shè)置

本文計(jì)算采用歐拉雙流體模型，將顆粒看作擬流體并且均勻分布。湍流模型采用Realizablek-ε方程，氣固曳力模型采用Gidaspow模型[21]。由于已將氣相折合成熱態(tài)且固相無熱量交換，故而無能量方程。計(jì)算為非穩(wěn)態(tài)、壓力基。時(shí)間步長取為0.005 s[22]。表3列出了模型中所采用的一些基本參數(shù)。

表3 模型基本設(shè)置參數(shù) Tab.3 Basic setting parameters of the model

2 布風(fēng)均勻性的影響分析

布風(fēng)板的阻力分布對于密相床內(nèi)的鼓泡行為影響很大，因此對于爐膛內(nèi)顆粒的均勻分布也有非常重要的影響。布風(fēng)不均勻可能加劇爐膛內(nèi)顆粒不均勻分布的現(xiàn)象，造成爐膛內(nèi)燃燒、傳熱的不均勻，同時(shí)也會(huì)對下游分離器造成顯著的影響[23]，加劇四分離器的偏流作用。按照循環(huán)回路將爐膛底部的布風(fēng)板劃分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域，處于對稱位置的區(qū)域（A區(qū)域與D區(qū)域、B區(qū)域與C區(qū)域）具有相等的一次風(fēng)速，保持總一次風(fēng)速3.42 m/s不變，處于外側(cè)區(qū)域的布風(fēng)板風(fēng)速分別變動(dòng)±10%和±20%，研究布風(fēng)均勻性對四分離器偏流的影響。與之相對應(yīng)的A區(qū)域一次風(fēng)速分別為UPA-A=2.74、3.08、3.42、3.76、4.10 m/s。

圖5給出了不同UPA-A時(shí)爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率占比。相比標(biāo)準(zhǔn)工況（一次風(fēng)速為3.42 m/s，二次風(fēng)速為42.30 m/s，返料風(fēng)速為0.30 m/s，顆粒粒徑為200 um，顆粒密度為2 000 kg/m3）而言，布風(fēng)的不均勻可能導(dǎo)致偏流現(xiàn)象的嚴(yán)重化。

圖5 不同UPA-A時(shí)爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率占比 Fig.5 Percentages of particle mass flow rate at outlet of the furnace when UPA-A is different

圖6給出了各運(yùn)行工況下所對應(yīng)的顆粒質(zhì)量流率最大偏差。當(dāng)UPA-A=3.08 m/s時(shí)，顆粒質(zhì)量流率的最大偏差擴(kuò)大到15.66%，這是因?yàn)橥鈧?cè)區(qū)域低風(fēng)速工況下的布風(fēng)差別抑制了原本顆粒的橫向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，外側(cè)回路與中間回路的顆粒質(zhì)量流率差變得更大，在標(biāo)準(zhǔn)工況下已經(jīng)表現(xiàn)出來的偏流現(xiàn)象也就變得更加嚴(yán)重。與之相對應(yīng)的，當(dāng)UPA-A=4.10 m/s時(shí)，顆粒質(zhì)量流率的最大偏差縮小到6.19%。由此可見，保證布風(fēng)的均勻性對于鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

圖6 各運(yùn)行工況下顆粒質(zhì)量流率的最大偏差 Fig.6 The maximum deviation of particle mass flow rate under each operating condition

3 顆粒粒徑的影響

床內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與其所受到的曳力、重力、浮力等作用力有關(guān)，而各種作用力的大小與顆粒的粒徑有著密不可分的關(guān)系，即顆粒的流化特性與顆粒的粒徑關(guān)系很大。通過改變固體顆粒的粒徑大小，研究其改變對于偏流現(xiàn)象的影響。顆粒粒徑dp的取值分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mm。圖7為不同顆粒粒徑條下爐膛內(nèi)顆粒的軸向分布。

圖7 顆粒質(zhì)量濃度的軸向分布 Fig.7 Axial distribution of particle mass concentration

由圖7可見：在一定高度范圍內(nèi)，顆粒質(zhì)量濃度隨著顆粒粒徑的增大而增大；大顆粒則由于攜帶能力的有限，在爐膛下部沉降更多，而被攜帶進(jìn)去上部的較少；在爐膛上部，小顆粒被快速地帶出爐膛，大顆粒被攜帶量較少，這種顆粒質(zhì)量濃度的差異也會(huì)大大減小。

顆粒粒徑較小時(shí)，在爐膛出口處的顆粒質(zhì)量濃度和顆粒速度變化都不大，因而其總體顆粒質(zhì)量流率變化并不大；而大顆粒的顆粒速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小顆粒的速度，且不容易不攜帶離開爐膛，故而其顆粒質(zhì)量流率發(fā)生了明顯的降低。

圖8給出了不同顆粒粒徑下各分離器進(jìn)口的流率分配。由圖8可以看到，當(dāng)顆粒粒徑較小或較大時(shí)，四分離器流量分配不均的偏流現(xiàn)象都會(huì)減弱，不均勻性隨著粒徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這可能是因?yàn)樾☆w粒極易被流化，在爐內(nèi)的分布較為均勻，不易發(fā)生偏流現(xiàn)象；而大顆粒由于不易被攜帶離開爐膛，在床內(nèi)的混合程度較高，所產(chǎn)生的偏流現(xiàn)象也較弱。由此說明，顆粒的粒徑對于偏流現(xiàn)象有著很大的影響。

圖8 不同顆粒粒徑下爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率分布 Fig.8 Distribution of particle mass flow rate at outlet of the furnace with different particle sizes

4 一二次風(fēng)配比的影響

在實(shí)際的循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中，為了抑制NOx的生成，往往采用分級(jí)送風(fēng)的方式組織燃燒，即在離布風(fēng)板一定高度處給入一定量的二次風(fēng)，從而在爐膛內(nèi)形成以還原性氣氛為主的密相區(qū)和以氧化性氣氛為主的稀相區(qū)[24]。但二次風(fēng)的設(shè)計(jì)與調(diào)整將對顆粒質(zhì)量流率和顆粒質(zhì)量濃度軸向分布帶來顯著的影響，進(jìn)而影響鍋爐的傳熱性能和帶負(fù)荷能力。毫無疑問，一二次風(fēng)的配比也可能影響四分離器之間的流量分配。以一次風(fēng)速3.42 m/s，二次風(fēng)速42.3 m/s為標(biāo)準(zhǔn)工況，在保證爐膛內(nèi)總風(fēng)量不變的前提下，調(diào)整一次風(fēng)速來改變一二次風(fēng)配比，觀察爐內(nèi)和四分離器的流動(dòng)特性變化。采用的一次風(fēng)速分別為3.00、3.42、4.00 m/s。不同一二次風(fēng)配比時(shí)爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率及其占比分別如圖9、圖10所示。

圖9 不同一二次風(fēng)配比時(shí)爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率 Fig.9 The particle mass flow rate at outlet of the furnace with different primary and secondary air ratios

圖10 不同一二次風(fēng)配比時(shí)爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率占比 Fig.10 The percentage of particle mass flow rate at outlet of the furnace with different primary and secondary air ratios

在相等的床存量和總風(fēng)量下，一次風(fēng)量的降低會(huì)導(dǎo)致其對顆粒的輸運(yùn)能力降低，同時(shí)二次風(fēng)量的增大會(huì)加強(qiáng)二次風(fēng)對邊壁顆粒流的阻礙作用，使得大量顆粒堆積在爐膛底部；相應(yīng)地，被攜帶至爐膛上部稀相區(qū)的顆粒就隨之減少。因此，在總風(fēng)量不變的情況下，隨著一次風(fēng)量的降低，會(huì)使得密相區(qū)的顆粒質(zhì)量濃度升高，而稀相區(qū)的顆粒質(zhì)量濃度下降[25-26]。所以爐膛出口的顆粒質(zhì)量流率也隨之下降，即一次風(fēng)速越低，四分離器系統(tǒng)的入口顆?？偭髀试叫?。由圖9和圖10可以看到，爐膛出口處的顆粒質(zhì)量流率隨一次風(fēng)速的增加而增大，但由于一次風(fēng)量變動(dòng)幅度相對較小，所以顆粒質(zhì)量流率雖有變化，四分離器進(jìn)口處的流量分配也沒有明顯的差異。

5 結(jié) 論

1）布風(fēng)均勻性變差會(huì)導(dǎo)致偏流現(xiàn)象的嚴(yán)重化，特別是兩側(cè)區(qū)域處于低風(fēng)速工況下時(shí)更為劇烈。保證布風(fēng)的均勻性對于鍋爐穩(wěn)定安全的運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

2）當(dāng)顆粒粒徑較小或較大時(shí)，四分離器流量分配不均的偏流現(xiàn)象都會(huì)減弱，四分離器氣固分布的不均勻性隨著粒徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

3）一二次風(fēng)配比對于爐膛底部密相區(qū)質(zhì)量濃度影響較大，但對上部稀相區(qū)質(zhì)量濃度及顆粒質(zhì)量流率影響較小，因此對分離器進(jìn)口的顆粒總流率分配影響不大。