循環(huán)流化床鍋爐動態(tài)模型與仿真

 國家攀登計劃B（ 8535）文摘：循環(huán)流化床（ CFB）燃燒是一項高效、低污染的技術(shù)。建立了CFB鍋爐的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。模型沿氣體和固體的主要流動方向?qū)⒘骰蚕到y(tǒng)劃分成連續(xù)的一系列小室，在每一小室內(nèi)對各物質(zhì)建立質(zhì)量和能量的非穩(wěn)態(tài)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(yīng)及受熱面上的熱傳遞。對一臺35 t /h CFB鍋爐進行了動態(tài)仿真計算。計算結(jié)果表明：該模型可以準(zhǔn)確反映所仿真鍋爐的動態(tài)特性。該模型可以預(yù)測鍋爐特性，為設(shè)計和運行提供指導(dǎo)可用于開發(fā)模擬培訓(xùn)仿真器還可以為控制策略的選擇和控制系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。 　　循環(huán)流化床（ CFB）燃燒技術(shù)的優(yōu)勢在于：燃燒效率高、可燃用劣質(zhì)燃料、燃料制備系統(tǒng)簡單、低溫燃燒降低NO的排放、爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等。在中國目前主要應(yīng)用在中小型鍋爐上。 　　循環(huán)流化床（ CFB）鍋爐在運行中，不僅要根據(jù)生產(chǎn)的需求穩(wěn)定主蒸汽的壓力和溫度，還要控制床層溫度，以防止結(jié)焦或熄火。除給煤量外，送風(fēng)對物料流態(tài)化、燃燒效率和床溫也有直接影響。對這樣一個分布參數(shù)、非線性、時變、多變量緊密耦合的對象，建立相應(yīng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究其在各種參數(shù)變動下的動態(tài)特性是很有必要的。 　　鍋爐動態(tài)數(shù)學(xué)模型因鍋爐模型中的汽水系統(tǒng)與常規(guī)煤粉爐無明顯區(qū)別，故本文重點介紹其燃燒系統(tǒng)動態(tài)模型。模型以小室模型為主模型，以爐內(nèi)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(tǒng)內(nèi)各種物質(zhì)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(fù)雜，沿氣體和固體的主要流動方向?qū)⒘骰蚕到y(tǒng)劃分成連續(xù)的一系列小室。任一小室都被設(shè)定為一個理想的反應(yīng)器，認(rèn)為小室內(nèi)壓力、溫度等各參數(shù)恒定，即采用分段集中參數(shù)法。分別考慮每個小室物質(zhì)及能量的非穩(wěn)態(tài)平衡。物質(zhì)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(chǎn)物和化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)變率主要指化學(xué)反應(yīng)量，同時只考慮固體顆粒的返混，認(rèn)為氣體和細焦無返混。小室的能量平衡包括其中各類物質(zhì)的焓，熱平衡包含了受熱面上的熱傳遞和系統(tǒng)熱損失。迭代變量為8種氣體的質(zhì)量流量、細焦質(zhì)量流量、粗焦中焦碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、返混的固體質(zhì)量流量和小室溫度等。相應(yīng)需要的參數(shù)由爐內(nèi)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(tài)，相應(yīng)的流化床流動模型的報導(dǎo)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(guān)，顆粒從床表面揚析，隨高度最終到達相應(yīng)的飽和承載能力，曲線為指數(shù)規(guī)律。對密相床的假設(shè)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(xiàn)。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(tài)的乳化相。 　　2）爐膛徑向流動曲線等認(rèn)為流動是兩個理想狀態(tài)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(wěn)定散開、重組的顆粒團，這與徑向位置無關(guān)。b）理想狀態(tài)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(huán)狀層。目前很多流化床模型只考慮沿軸向的物質(zhì)濃度變化，而忽略了徑向的不同。 　　事實上，流化床內(nèi)徑向顆粒濃度有很大的差別：在靠近壁面處有較高的物質(zhì)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(huán)和核兩部分，即采用環(huán)核模型，力求更加真實體現(xiàn)燃燒系統(tǒng)特性。模擬徑向流動時假設(shè)：只有環(huán)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(huán)中下降同一高度處環(huán)中和核中分別具有各自與半徑無關(guān)的空隙率。其中在高度z處的環(huán)中固料體積份額h（ z ）按下式計算其中： h為最小流化狀態(tài)下固料體積分?jǐn)?shù)， h為該處平均固料體積分?jǐn)?shù)。 　　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(huán)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(guān)的物質(zhì)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(chǎn)生的一些化合物在氣泡中進一步氧化。 　　c）環(huán)核之間的氣體交換很小，因為徑向氣流很小。但環(huán)中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物被輸送到核中。 　　在密相段，考慮到模型結(jié)構(gòu)的原因，繼續(xù)使用環(huán)核模型，只是考慮到軸向和徑向混合很好，環(huán)核的特性被設(shè)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(fā)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(yīng)器，通過出口時形成分離效應(yīng) e）旋風(fēng)分離器：顆粒從煙氣中分離，小顆粒從系統(tǒng)中離開并最終被除塵設(shè)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(zhì)的生成與還原模型煤在流化床內(nèi)的燃燒是包括多種物理及化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的復(fù)雜過程。在建模過程中，根據(jù)van等人的工作，把它總結(jié)為干燥、脫揮發(fā)分、焦碳的多相燃燒、燃燒產(chǎn)物的進一步氧化等過程。 　　1）干燥和脫揮發(fā)份煤的干燥和脫揮發(fā)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(nèi)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(jīng)干燥和足夠熱的外層開始釋放揮發(fā)份，而內(nèi)層則是相對濕和冷。同時假設(shè)在煤顆粒中的物質(zhì)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(nèi)部）和決定碳轉(zhuǎn)化的反應(yīng)動力學(xué)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(xué)、顆粒溫度、燃燒產(chǎn)物的CO和的質(zhì)量比和焦碳顆粒燃燼時間。 　　3）燃燒產(chǎn)物的氧化在脫揮發(fā)份和焦碳燃燒后，初始形成的燃燒產(chǎn)物（特別是CO， CH S）與氧發(fā)生同相反應(yīng)。 　　4）硫的轉(zhuǎn)化常壓下流化床內(nèi)的脫硫反應(yīng)主要是基于石灰石的鈣化，形成CaO的多孔顆粒，與SO發(fā)生反應(yīng)這一過程。在仿真計算中，假定熱解后生成的H S瞬時就轉(zhuǎn)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(yīng)生形成主要是N H的氧化和焦碳中固有的氮的反應(yīng)。 　　1. 4受熱面上的熱傳遞模型流化床換熱系數(shù)的計算是參考的工作進行的，認(rèn)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(yīng)的總的換熱系數(shù)為三者之和。 　　1. 5汽水系統(tǒng)模型CFB汽水系統(tǒng)與常規(guī)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(tǒng)和燃燒系統(tǒng)相互耦合，計算通過迭代實現(xiàn)。 　　張永哲，等：循環(huán)流化床鍋爐動態(tài)模型與仿真2仿真實例與結(jié)果分析利用本模型對某35 t /h的循環(huán)流化床鍋爐進行了動態(tài)仿真計算。設(shè)計運行參數(shù)為：鍋爐額定蒸發(fā)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(fēng)量/h （氣體體積按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計算）。圖1所示為當(dāng)給煤量降低5后， O和CO的體積分?jǐn)?shù)h，圖2為焦碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w C，圖3， 4分別為爐溫和主汽壓的變化情況。 　　由仿真結(jié)果可看出：2， CO的體積分?jǐn)?shù)變化1）床溫對整個流化床的穩(wěn)定運行有著極其重要的作用。床溫的大小直接影響爐內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，從而影響各種物質(zhì)濃度。床溫也決定著汽水系統(tǒng)的吸熱量，從而影響主汽壓力和溫度等參數(shù)。床溫過高或過低容易引起結(jié)焦或熄火事故。可以說，床溫調(diào)節(jié)效果的好壞直接關(guān)系到整個鍋爐運行的穩(wěn)定性。 　　燃燒生成的反應(yīng)速率對動態(tài)過程濃度影響較大。 　　3結(jié)論從仿真結(jié)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(tài)特性。模型不僅可以預(yù)測鍋爐特性，為設(shè)計和運行提供指導(dǎo)，可用于開發(fā)模擬培訓(xùn)仿真器，還可以為將來控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制策略的選擇提供必要的研究對象。