循环流化床锅炉动态模型与仿真

循环流化床锅炉动态模型与仿真

　清华大学学报（自然科学版）循环流化床锅炉动态模型与仿真张永哲，徐向东（清华大学热能工程系，北京100084）基金项目：国家攀登计划B（ 8535）文摘：循环流化床（ CFB）燃烧是一项高效、低污染的技术。建立了CFB锅炉的动态数学模型。模型沿气体和固体的主要流动方向将流化床系统划分成连续的一系列小室，在每一小室内对各物质建立质量和能量的非稳态方程。同时，模型考虑了气固两相流动、煤颗粒燃烧、SO的生成与还原反应及受热面上的热传递。对一台35 t /h CFB锅炉进行了动态仿真计算。计算结果表明：该模型可以准确反映所仿真锅炉的动态特性。该模型可以预测锅炉特性，为设计和运行提供指导可用于开发模拟培训仿真器还可以为控制策略的选择和控制系统的设计提供指导。

　　循环流化床（ CFB）燃烧技术的优势在于：燃烧效率高、可燃用劣质燃料、燃料制备系统简单、低温燃烧降低NO的排放、炉内脱硫、负荷调节性能好等。在中国目前主要应用在中小型锅炉上。

　　循环流化床（ CFB）锅炉在运行中，不仅要根据生产的需求稳定主蒸汽的压力和温度，还要控制床层温度，以防止结焦或熄火。除给煤量外，送风对物料流态化、燃烧效率和床温也有直接影响。对这样一个分布参数、非线性、时变、多变量紧密耦合的对象，建立相应的动态数学模型，研究其在各种参数变动下的动态特性是很有必要的。

　　锅炉动态数学模型因锅炉模型中的汽水系统与常规煤粉炉无明显区别，故本文重点介绍其燃烧系统动态模型。模型以小室模型为主模型，以炉内物料的流动、燃烧及相互间传热为子模型。

　　1. 1小室模型方法为了详细描述锅炉系统内各种物质的浓度、温度沿流动方向的变化，同时又不至于使模型过于复杂，沿气体和固体的主要流动方向将流化床系统划分成连续的一系列小室。任一小室都被设定为一个理想的反应器，认为小室内压力、温度等各参数恒定，即采用分段集中参数法。分别考虑每个小室物质及能量的非稳态平衡。物质包括8种气体（ O O）、焦碳颗粒（分为粗焦和细焦）和固体床料。生成气体包括小室中释放的热解产物和化学反应中的气体生成量。细焦颗粒的生成率中考虑了煤颗粒的机械磨损和爆裂。焦碳颗粒的转变率主要指化学反应量，同时只考虑固体颗粒的返混，认为气体和细焦无返混。小室的能量平衡包括其中各类物质的焓，热平衡包含了受热面上的热传递和系统热损失。迭代变量为8种气体的质量流量、细焦质量流量、粗焦中焦碳质量分数、返混的固体质量流量和小室温度等。相应需要的参数由炉内物料流动、燃烧及相互间传热子模型来获得。

　　1. 2流动模型针对不同的流化状态，相应的流化床流动模型的报导文献很多[1～4 ].本文的模型包括：1）炉膛轴向流动曲线本模型中采用等模型[2 ]，密相段空隙率与高度无关，颗粒从床表面扬析，随高度最终到达相应的饱和承载能力，曲线为指数规律。对密相床的假设是：只有部分气体进入乳化相去流化它，其余气体则以气泡形式出现。这样，密相床包含一个被不含固体的气体穿过的处于最小流化状态的乳化相。

　　2）炉膛径向流动曲线等认为流动是两个理想状态的迭加： a）稀相悬浮段中的不均匀颗粒团的流动，包括向上的悬浮物和向下的稳定散开、重组的颗粒团，这与径向位置无关。b）理想状态的中心是向上流动的稀相悬浮物，壁面边缘处是高浓度的向下的环状层。目前很多流化床模型只考虑沿轴向的物质浓度变化，而忽略了径向的不同。

　　事实上，流化床内径向颗粒浓度有很大的差别：在靠近壁面处有较高的物质浓度，而在中心则相对稀薄。本模型考虑了这种径向的变化，将径向分为环和核两部分，即采用环核模型，力求更加真实体现燃烧系统特性。模拟径向流动时假设：只有环和核两相气固在每相中都是塞状流气体在两相中上升，固体在核中上升，环中下降同一高度处环中和核中分别具有各自与半径无关的空隙率。其中在高度z处的环中固料体积份额h（ z ）按下式计算其中： h为最小流化状态下固料体积分数， h为该处平均固料体积分数。

　　3）轴向和径向气固交换在密相床中的气泡和乳化相、自由段中的环与核之间均存在轴向和径向的扩散，此扩散可由不同相之间的混合流动建立模型。相关的物质交换做以下处理：密相床和自由段中的轴向气体混合均忽略。

　　因为流动波动远小于气体速度。

　　气泡和乳化相之间的气体交换很重要，一方面，气泡使部分气体不参加燃烧，另一方面，中间产生的一些化合物在气泡中进一步氧化。

　　c）环核之间的气体交换很小，因为径向气流很小。但环中产生的反应产物被输送到核中。

　　在密相段，考虑到模型结构的原因，继续使用环核模型，只是考虑到轴向和径向混合很好，环核的特性被设为一致。

　　4）颗粒特性流化床的颗粒尺寸分布对其操作特性影响很大。本模型考虑了以下几方面： a）爆裂：颗粒裂成碎片 b）干燥和脱挥发份：由于析出气体，颗粒丧失重量 c）磨耗：由于摩擦，颗粒收缩 d）扬析：颗粒被吹起并离开反应器，通过出口时形成分离效应 e）旋风分离器：颗粒从烟气中分离，小颗粒从系统中离开并最终被除尘设备捕获 f）排灰：粗颗粒在底部积聚，为保持物料量恒定将被排出。

　　1. 3煤燃烧与有害物质的生成与还原模型煤在流化床内的燃烧是包括多种物理及化学反应在内的复杂过程。在建模过程中，根据van等人的工作，把它总结为干燥、脱挥发分、焦碳的多相燃烧、燃烧产物的进一步氧化等过程。

　　1）干燥和脱挥发份煤的干燥和脱挥发份是一个耦合过程，本模型中将其作为2个单独模型分别考虑其影响。基本思路是干燥和加热从表面向中心，在颗粒内部有一个离散的轮廓线。颗粒被离散为不同的同心圆，其瞬时平衡。已经干燥和足够热的外层开始释放挥发份，而内层则是相对湿和冷。同时假设在煤颗粒中的物质分布是均相的。

　　2）焦碳燃烧热解中形成的焦碳的燃烧速率受传输过程（氧气通过气体边界层到达颗粒表面并进入颗粒内部）和决定碳转化的反应动力学影响。决定颗粒温度的因素为氧气浓度、到气体和床颗粒的传热以及形成的摩尔比。

　　采用缩颗粒模型，同时计算到颗粒表面的扩散、颗粒表面的燃烧动力学、颗粒温度、燃烧产物的CO和的质量比和焦碳颗粒燃烬时间。

　　3）燃烧产物的氧化在脱挥发份和焦碳燃烧后，初始形成的燃烧产物（特别是CO， CH S）与氧发生同相反应。

　　4）硫的转化常压下流化床内的脱硫反应主要是基于石灰石的钙化，形成CaO的多孔颗粒，与SO发生反应这一过程。在仿真计算中，假定热解后生成的H S瞬时就转化为SO 2，并且煤中的硫都以H S的形式释放出来。

　　的生成和还原由于流化床温度低，不考虑空气中N反应生形成主要是N H的氧化和焦碳中固有的氮的反应。

　　1. 4受热面上的热传递模型流化床换热系数的计算是参考的工作进行的，认为流化床与受热面之间的换热分为：气体的对流换热、颗粒的对流换热和辐射换热。相应的总的换热系数为三者之和。

　　1. 5汽水系统模型CFB汽水系统与常规煤粉炉相似。其模型包括上升管、下降管、汽包、过热器、省煤器等。汽水系统和燃烧系统相互耦合，计算通过迭代实现。

　　张永哲，等：循环流化床锅炉动态模型与仿真2仿真实例与结果分析利用本模型对某35 t /h的循环流化床锅炉进行了动态仿真计算。设计运行参数为：锅炉额定蒸发量35 t /h ，额定蒸汽压力3. 82 M Pa，额定汽温给水温度423 K，冷空气温度303 K，给煤流/h，二次风量/h （气体体积按标准状态计算）。图1所示为当给煤量降低5后， O和CO的体积分数h，图2为焦碳质量分数w C，图3， 4分别为炉温和主汽压的变化情况。

　　由仿真结果可看出：2， CO的体积分数变化1）床温对整个流化床的稳定运行有着极其重要的作用。床温的大小直接影响炉内各种化学反应的反应速率，从而影响各种物质浓度。床温也决定着汽水系统的吸热量，从而影响主汽压力和温度等参数。床温过高或过低容易引起结焦或熄火事故。可以说，床温调节效果的好坏直接关系到整个锅炉运行的稳定性。

　　燃烧生成的反应速率对动态过程浓度影响较大。

　　3结论从仿真结果可以看到，本文所建立的模型基本可以反映所仿真锅炉的动态特性。模型不仅可以预测锅炉特性，为设计和运行提供指导，可用于开发模拟培训仿真器，还可以为将来控制系统的设计和控制策略的选择提供必要的研究对象。