（工程热物理专业论文）基于能量平衡和灰平衡的cfb锅炉静态模型研究.pdf

华北电力大学领论文撼要 摘要 本文详细阐述了循环流化床锅炉的技术特点及其国内外发展现状、趋 势。在蠢笤模囊的基磴上，鑫弦嚣流健床锅炉露痰运行数搀麓已翔条件，分 别以整个炉膛及密相区、稀相曛等为控制系统，从控制系统能量平衡和灰平 簿豹费浚，建立了锤环流纯瘫锻炉豹静杰攘型。进焉毅菜一4 1 0t h c f b 镊炉 为实际对象，模拟其实脉运行状况，计算并分析了循环灰量( 分离器效率) 、 臻瀣、攒遗率 l 妒内燃烧份额分鬻之阉爨毒霾豆关系。 为了研究分离器效率与其结构参数以及运行条件的影响关系，在台理相 识越纯弱基础上，设计揆建一令冷态试验台，在瑷有粒条磐下对分饔嚣效率 随入口风速以及内筒插入深度的变化趋势进行试验和分析，验证了相关的结 谂。这终对于摁示c f b 锅炉豹内在魏绺爨指导其运行具有实躲意义。 芙键词：摇环淡化床，能量平缀，次乎裁，静态摸型 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rd e s c r i b e st h ec f bb o i l e r st e c h n o l o g i cc h a r a c t e r sa n d d e v e l o p i n gs i t u a t i o n t e n d e n c yi nc h i n aa n df o r e i g n i no r d e rt or e s e a r c ht h e b a l a n c eo fe n e r g ym a da s i a i nt h ec o n t r o lo b je c t s ，b a s e do nt h eg e n e r a lo p e r a t i o n d a t ao fc f bb o i l e r ，ac f bb o i l e r ss t a t i cm o d e li sp r e s e n t e d u s i n gs o m e4 1 0 t h c f bb o i l e ra sf la c t u a lo b j e c t ，e m u l a t i n gi t so p e r a t i n gs t a t u s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e s a n da n a l y z e st h er e l a t i o n sb e t w e e nc o m b u s t i o nq u o t i e n ti nf u r n a c ea n dt h e q u a n t i t yo fc i r c u l a t i n ga s h ( s e g r e g a t o re f f e c t ) ，b e dt e m p e r a t u r e ，d u m p i n gr a t e f o rt h es a k e o f i n v e s t i g a t e t h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns e g r e g a t o re f f e c ta n di t s c o n f i g u r a t i o np a t a m e t e ts ，o p er a t i n gs t a t u s ，b a s e do np r e d i g e s ti nr e a s o n ，at e s t b e di sb u i l t t oe x p e r i m e n ta n da n a l y z et h ec 1 1 r r e n to fs e g r e g a t o re f f e c ta st h ei n t a k ew i n ds p e e da n dt h e i n t e r n a li o n g n e s so ft 1 1 eo u t l e tp i p ec h a n g e a i it h o s eh a v eg r e a ts i g n i f i c a t i o nt oo p e no u t t h ei n t r i n s i cr u l eo ft i l ec f bb o i l e r sa n dg u i d ei t so p e r a t i o n 。 f a nx u ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：c f bb o i l e r ，e n e r g yb a l a n c e ，a s hb a l a n c e ，s t a t i cm o d e l 华：l e 电力大学硕士论文捕要 摘要 本文详细阐述了循环流化床锅炉的技术特点及其国内外发展现状、趋 势。在已有模型的基础上，以循环流化床锅炉常规运行数据为已知条件，分 别以整个炉膛及密相区、稀相区等为控制系统，从控制系统能量平衡和灰平 衡的角度，建立了循环流化床锅炉的静态模型。进而以某一4 1 0t h c f b 锅炉 为实际对象，模拟其实际运行状况，计算并分析了循环灰量( 分离器效率) 、 床温、排渣率和炉i 燃烧份额分配之间的相互关系。 为了研究分离器效率与其结构参数以及运行条件的影响关系，在合理相 似简化的基础上，设计搭建一个冷态试验台，在现有的条件下对分离器效率 随入口风速以及内筒插入深度的变化趋势进行试验和分析，验证了相关的结 论。这些对于揭示c f b 锅炉的内在规律和指导其运行具有实际意义。 关键词：循环流化床，能量平衡，灰平衡，静态模型 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rd e s c r i b e st h ec f bb o i l e r st e c h n o l o g i cc h a r a c t e r sa n d d e v e l o p i n gs i t u a t i o n t e n d e n c yi nc h i n aa n df o r e i g n i no r d e rt or e s e a r c ht h e b a l a n c eo fe n e r g ya n da s hi nt h ec o n t r o lo b j e c t s ，b a s e do nt h eg e n e r a lo p e r a t i o n d a t ao fc f bb o i l e r ，ac f bb o i l e r ss t a t i cm o d e li sp r e s e n t e d u s i n gs o m e4 1 0 t h c f bb o i l e ra saa c t u a lo b j e c t ，e m u l a t i n gi t so p e r a t i n gs t a t u s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e s a n da n a l y z e st h er e l a t i o n sb e t w e e nc o m b u s t i o nq u o t i e n ti nf u r n a c ea n dt h e q u a n t i t yo fc i r c u l a t i n ga s h ( s e g r e g a t o re f f e c t ) ，b e dt e m p e r a t u r e ，d u m p i n gr a t e f o rt h es a k eo f i n v e s t i g a t e t h ec o n n e c t i o nb e t w e e n s e g r e g a t o r e f f e c ta n di t s c o n f i g u r a t i o np a t a m e t e ts ，o p er a t i n gs t a t u s ，b a s e do np r e d i g e s ti nr e a s o n ，at e s t b e di sb u i l t t oe x p e r i m e n ta n da n a l y z et h ec u rr e n to fs e g r e g a t o re f f e c ta st h ei n t a k ew i n ds p e e da n dt h e i n t e r n a li o n g n e s so ft h eo u t l e tp i p ec h a n g e a i it h o s eh a v eg r e a ts i g n i f i c a t i o nt oo p e no u t t h ei n t r i n s i cr n l eo ft h ec f bb o i l e r sa n dg u i d ei t so p er a t i o n f a nxu ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：c f bb o i l e r ，e n e r g yb a l a n c e ，a s hb a l a n c e ，s t a t i cm o d e l 声，明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于能量平衡和灰平衡的c f b 锅炉静态模型研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝丞厶日期：递! 生坠冱 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日 期：型! 生! ! ! ：! 导师签名： 7 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 主要符号表 投入燃料量，k g s 投入石灰石量，k s 计算燃料量，k g s 锅炉蒸汽负荷，k g s 屏过后加入减温水量，k g s 炉内工质的流量，k g s 循环物料量，k g s 炉膛出口处烟气携带的固体颗粒量，k g s 炉膛底部排渣量，k g s 燃料收到基低位发热量，k j k g 水冷壁工质带走的热量，k j 炉膛出口烟气带走的热量，k j 固体物料带走的热量，k j 散热损失，k j 单位质量燃料的物理显热。k j l k g 石狄石的物理显热，k j k g 循环扶焓，k j k g 一次热风的比焓，k j m 3 二次热风的比焓，k j m 3 进入炉膛的一次风量，1 1 1 。 进入炉膛的二次风量，一 密相区床向壁面总表面的名义换热系数，k j ( m l k s ) 密棚区工质侧抉热系数，k j ( m 2 - k s ) 密相区床侧换热系数，k j ( m 2 k s ) 密相区烟气剥流换热系数，k j ( m 2 - k s ) 附加热阻，( m 2 k s ) ，k j 受热面壁面污染系数，( m 2 k t s ) i k j 受热面耐火层导热系数，k j ( m k s ) 臻b qb瓯q q k残鲸饼g贮r畔时群q矾九 华北屯力大学硕士学位论文主要符号表 受热面金属导热系数，k j t ( m k s ) 受热面耐火层厚度，1 1 1 管壁厚度，m 鳍片厚度，m 床层黑度 壁面黑度 鳍片利用系数 鳍片宽度系数 鳍片厚度系数 波尔兹曼常数，w ( , n 2 k 4 ) 壁面与床的系统黑度 娴气辐射减弱系数 分离器内切向运动速度，m 以瓯疋占 矗 “ _ 卢 v 盯 s 女 叱 华i ti 毫力大学硕圭学像论支 第一耄善l喾 。 当懿的襞濂形势敏循环流纯寐锅炉秘特点 蕤蓑氆赛经济憝不鞭发震，貔濠襄繇境藏为姿今享会发震懿嚣丈麓越。我毽是 世努上经济发展殿帙的戮窳之删，能源楚经济发展的基獭，是髫鼹经济的根本所在。 薯蔻我国煞次裁源中媒凝熬魄镄占垂7 0 缢上“3 ，我蓬是氆器上最大躲产漂甏纛 糕煤国，同时煤炭购消耧中又有8 4 是慧接燃烧，燃烧效率很低，其产生的当爨大 气浮繁豁魏：s 窃、n 热簿没有褥蟊援好憨控裁嚣茨褥篱年赫入丈气黪8 7 豹s 。2 和6 7 n o 、均来融的煤炭 勺直接燃烧”1 ，糕经济靛展的嗣对造成了环境的急剧恐化。 当瓣，涎蓉蕊浚的大整镬雳黎环凌援护携簧浓，诲多发达嚣家聱奁赡突熬秘蹇 效麴利用现有能源及玎发鞭能源，丽对予像我尉这样的发展中围家来说，丈量的测 爰麓滚蓬毽整经济藏遽骛搂发袋的兹援，瓣我嚣嚣言，大羹煤炭懿爨嶷餐矮基缝或 为不可避熊的需嚣。但是煤炭燃烧和环境污染并q # 存在必然联瑟，清浩利用煤凝资 源，陲氮攥炭燃烧攀寒熬污染糍撼敖量，获瑟这到翻霜漾炭炎滚窝壤护龌境的“黢 利”。循环流化床锅炉技术是重疆的煤溃净燃烧技术之一。 褥繇滤铯疼羧术楚鼓上蓬纪驰年代开始笈矮起寒魏藜兴豹瀵洼燃烧接拳，其 燃料适应憔广，燃烧效率商，负榭调节比大，污染物撑放减少等优点，辫子节约能 澡帮保护环境具褒錾要翡蕊义，氇霞其奁矮近死卡年疼迅速豪袋为一耱避经在裔韭 上滋行广泛推广使用的新烈锅炉披术，并有向犬容量发展的趋辨。目前圜际上发电 容量为3 0 0 m w 瓣缀环球 毡站锅炉已羧入滚堑运赣。匿泠镂逢魏媛大枣爨戆鬟强流 化床锅炉也已达到4 6 0 t l h 。 矮螺溅纯瘴锅炉与终统漂粉害产拳 屡燃| 妒毒嚣魄，其每嵩效、稳污染舔戏零等优点， 显承了强大的适成能力，德环流化床锅炉的优点可归纳如下。3 ： l 。燃烧效率寒，接：i 荩袋达囊爨容量攥精锈炉瓣效率窳乎； 2 。燃料适应性强，不仅可以燃烟煤等优质煤，露且磷戳燃髑各种劣斌煤，如褐 煤、贫淼、浇r 争漾、混燃、漾骚嚣，甚至可敬燃浇王鼗废弃戆器骧枣姣圾等； 3 负赫调节找燮，在2 5 额慰敷萄下仍能稳定燃烧； 4 负祷调节方便诀蕤，受荷涟续交纯率可这7 1 2 m i r a 5 污染物簿敬少，低滏燃烧秽分缀送淑使n o 。生或邋少，孀嚣获疆侔袋滚裁， 低成本实黼炉肉脱蕊： 6 。获渣整予缘会秘蠲。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 我国发展循环流化床锅炉的意义 我国煤炭资源非常丰富，但有超过总储量1 6 的煤炭是褐煤、无烟煤、劣质烟 煤等低反应能力煤种，而且煤炭分布的不均匀性和煤炭的质量随地区不同差别很 大。南方的劣质煤很多，而北方大量累计煤矸石等低能燃烧物。大量低反应能力燃 料在电站锅炉上使用必然会对锅炉的安全性、经济性造成威胁；基于循环流化床锅 炉的较强的煤种适麻1 件，我同大力发展和研究循环流化床锅炉符合我国煤种变化 大，劣质煤居多的特点，对于大量劣质煤种的充分利用具有重要的意义。 循环流化床锅炉诈常运行时燃料是在8 5 0 。c 9 5 0 。c 的较低温度下进行燃烧的， 有效地遏制了热力型n o x 的生成，而通过采用分级式燃烧则又可以控制燃料型n o x 的排放，另外在燃烧过程中直接向炉内加入石次石，在8 5 0 9 0 0 。c 时能够达到最 佳的脱硫效率，达9 0 左右”3 。因此发展循环流化床锅炉对于解决我国由于煤炭燃 烧引起的环境污染问题以及燃用高硫煤具有特殊的意义。 因此发展应用循环流化床技术，改善我们的生存环境同时解决我国大量劣质煤 的使用已经成为电力行业亟需解决的问题，也是改造现有中小型电站锅炉的重要途 径，因而在新的世纪m 飞速发展的循环流化床技术必然会成为清洁利用能源的重要 工具。 1 3 循环流化床燃烧技术的发展 流化眯燃烧披术烂一种介十层燃和煤粉气力输送之问的燃烧方式，它利用固体 颗粒在一定条件下被气体托起，整体显示出流体性质。1 9 2 1 年德国人f r i zw i n k l e r 发明了第一台流化床，这种技术在煤燃烧方面得到广泛应用。从2 0 世纪6 0 年代燃 煤的鼓泡流化床技术( b f b ) 锅炉取得长足发展，从工业锅炉应用到电站锅炉上， 鼓泡流化床发展到循环流化床，这一燃烧技术在世界上许多国家得到大力发展，现 在已经朝着大型化的方向不断完善。 1 3 1 国外循环流化床锅炉的形式和发展现状 目前著名的循环流化床生产厂家包括：美国f o s t e rw h e e l e r 、芬兰的a l s t r o m ( 已 并入f w ) 、德国的l u r g i 以及a b b c e 等，大多都已经能够提供商品化的全套循环 流化床锅炉设备。法国p r o v e n c e 于1 9 9 5 年建成投运的7 0 0t h 循环流化床锅炉，目 前世界上蒸发量最大的循环流化床锅炉是美国佛罗里达的j e a 电厂的3 0 0 m w 循环 流化床锅炉。波兰的t u r o w 建成了3 台2 2 5 m w 和3 台2 6 6 m w 循环流化床锅炉， 成为世界上总装机容量最大的循环流化床电厂。许多公司也在进行更高容量级的循 环流化床锅炉的设h 或研究。 华北电力大学硕士学位论文 按有无外置热交换器可将循环流化床锅炉分为带外部热交换器的循环流化床 锅炉和不带热交换器的循环流化床锅炉，下面就这些形式的循环流化床锅炉的发展 情况作简要说明。 1 3 1 1 带外部流化床热交换器的循环流化床锅炉 其循环流化床锅炉的特点是由于设置了外部抉热装置，床温控制只需调节进入 循环流化床外置换热器和返回燃烧窒区域的固体物料比例即可，比较灵活，无需改 变循环倍率等其它因素；将燃烧室和传热基本分开，是二者达到最佳状态；将再热 器或过热器布置在外置换热装置内，调节汽温非常灵活，甚至无须喷水调节。其缺 点是锅炉燃烧系统复杂，锅炉造价很高。 1 鲁奇循环流化床锅炉“1 l u r g i 型循环流化床锅炉是指鲁奇公司在5 0 年代开始研究并逐渐形成自己独 特技术并建成了世界上第一台10 0 m w 级的循环流化床锅炉。到上世纪末，已有 6 0 m w 以上级的循环流化床锅炉约3 0 台在世界各地投入运行，目前正在发展4 0 0 、 6 0 0 m w 的循环流化床锅炉。如图1 1 所示： 流化床外置换热器 图1 i 鲁奇循环流化床锅炉示意图 2 福斯特惠勒公司的i n t r e x 型循环流化床锅炉 福斯特惠勒公司生产的循环流化床锅炉带有i n t r e x 流化床热交换器，目前已 经制造出2 5 0 m w ，蒸发量达到9 5 3 t h 的循环流化床锅炉。 3 a b b - c e 电站循坏流化床锅炉 华北电力大学硕士学位论文 a b b c e 自1 9 8 6 年以来对循环流化床锅炉给予高度重视，在大型化方面进步 很快，其循环流化床锅炉的特点是设计中采用了f l e x t e c h 外部流化床热交换器并于 1 9 9 0 年应用于美国得克萨斯州两台4 6 5 t h 循环流化床锅炉上，到1 9 9 9 年已有1 9 台5 0 m w 以上的电站循环流化床锅炉在运行中。 1 3 1 2 不带外部流化床热交换器的循环流化床锅炉 这类循环流化床钳炉的特点是燃烧系统箍单，锅炉造价比较低，然丽在燃料适 应性、燃烧效率、石灰石利用率、负荷调节范围及对床温和蒸汽温度的控制方面与 带外部换热装置的循环流化床锅炉有一定差距，在大型化方面存在解决受热面布置 问题。 1 c i r c o f l u i d 循环流化床锅炉 德国b a b c o c k 认为鲁奇型循环流化床锅炉太过复杂且分离器体积庞大，从1 9 8 6 年开始刀：发采用中温旋风分离器的c i r c o f l u i d 型锅炉。r o m e r b r u k e r 热电厂的1 5 0 t h 的循环流化床锅炉就是其块型代表。到1 9 9 7 年已有3 3 台该类型锅炉在各国运行， 最大容量为2 9 0 t h 。如图1 2 所示： 图1 2c ir c o f l u jd 循环流化床锅炉示意图 2 p y r o f l o w 型流化床锅炉 采用了高温旋风分离器的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉始于福斯特惠勒公司 1 9 8 7 年4 2 0 t h 的循环流化床锅炉，至今已有1 9 台电站循环流化床锅炉在运行中， a e 8 于1 9 9 8 年投运两台4 5 0 m w 的蒸发量为8 5 0 t h 的循环流化床锅炉。如图1 3 所 示： 华北电力大学硕士学位论文 石 图1 - 3p y r o f i o w 型流化床锅炉 3 b & w 两级分离循环流化床锅炉 b & w 循环流化床锅炉主要特点是采用两级分离装置，两级分离效率与高温分 离器效率相当，到1 9 9 7 年已有7 台双级分离装置的循环流化床锅炉投入运营。最 大热功率的锅炉是位于美国宾夕法尼亚的15 3 m w 的e b e n s b u r g 电站。 1 3 2 我国循环流化床技术发展现状 我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始投入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究 开发，虽然起步较晚，但是进步较快。耳前国产蒸发量2 2 0 t h 及以下的循环流化床 锅炉已经在国内实现了大面积商业推广，4 1 0 t h 的循环流化床锅炉也已经实现商业 运行。捌有自主知识产权的国产技术2 0 0 m w 循环流化床锅炉示范工程也在积极策 划中。我国目前已有2 0 多个锅炉厂生产循环流化床锅炉，有些是采用高校、科研 院所的技术共同研制生产，但容量较小，大容量的循环流化床制造主要还是引进国 外的技术，如东方锅炉厂的循环流化床锅炉主要是引进福斯特惠勒公司的 型循环流化床锅炉，j ：逐渐放大。 我国发展循上不流化床锅炉的特点主要表现在： 1 采用宽筛分燃料，简化燃料制备系统。燃烧室由下部大粒子床( 为鼓炮床或 湍流床) 和上部小粒子床( 为夹带床或循环床) 组成： 2 采用较低的流化速度和适中的循环倍率减少能量消耗，减轻磨损； 3 采用独特的飞灰分离装置，如中温下排气旋风分离器，异形水冷方形分离器、 百叶窗分离器等构成了典型的形布置循环流化床锅炉： 4 t 币0 用我国在鼓泡床锅炉上的经验，中小容量循环流化床锅炉内设置适量的埋 管受热而，构成乳型的带埋管受热面的低循环倍率的流化床锅炉。 我国高校和科研院所进行循环流化床锅炉研究的重点是所采用的飞灰分离器 s 华北电力大学硕士学位论文 各有特点，形成各自的流派： 清华大学研制了平面流分离器、异形水冷分离器的循环流化床锅炉，并且和东 北电力学院联合开发了卧式内旋风分离器的循环流化床锅炉，卧式内旋风分离器由 膜式水冷壁构成，涂有防磨高温耐火材料，除具有分离飞灰的作用外还具有燃烬和 冷却的作用，克服了热旋风简内因燃烧引起的结渣和启动时间长的弊端。 中科院工程热物耻研究所研制了百叶窗旋风组合分离器的循环流化床锅炉，其 主要特点是采用两级分离器串联装置，第一级分离器为高温百叶窗式分离，布置在 燃烧室出口，较粗的颗粒被分离下来，顺后墙通道由返料器送回床内循环燃烧。第 二级为百叶窗加旋风子分离器，布置在省煤器之后，烟气中夹带的细粒子被分离下 来，以u 型返料器送回床下部。此类型的锅炉保持了型的整体布置，结构紧凑， 启动时间短，易于大型化。 华中科技大学研制了下排气中温旋风分离器的循环流化床锅炉，分离器布置在 水平烟道和尾郝竖井烟道之问的转向室内将水平烟道和尾部烟道融为一体，使锅 炉整体布置紧凑合理，高效低阻。 1 4 循环流化床锅炉设计和运行中存在的问题 到目前为止，循环流化床锅炉发展迅速，但作为一项处于发展中的技术依然存 在着很多不足之处： 1 对大容量的固体颗粒分离装置的分离效率、耐高温、耐磨性能要求很高，制 造成本很高； 2 锅炉受热面的磨损非常严重，因此，不得不牺牲流化床传热强烈的优势，锅 炉整体消耗量并不比普通煤粉炉少。对循环流化床锅炉安全运行和长期使用造成巨 大障碍： 3 循环流化床锅向、l 轴助系统相对复杂，各类风机等辅机设备数量上多于一般煤 粉炉，而且风机压头也高，其电能消耗远大于煤粉炉，因此造成循环流化床锅炉厂 用电率远高于煤粉炉，般达1 0 以上； 4 与煤粉炉棚比，循环流化床锅炉的控制系统没有煤粉炉自动化程度那么高， 运行的水平和经验还待进一步提高和总结； 5 灰渣系统的排放控制不尽完善，在顺利实现排渣和有效利用余热方面没有达 到很好的统一。 1 5 循环流化床炉内物料、质量和能量平衡的国内外研究现状 循环流化床锅炉的能量分配以及灰颗粒的总量平衡关系都是极其复杂的，影 华北电力大学硕士学位论文 响因素很多，由于能量释放和传递的过程都与煤( 灰) 的颗粒度大小有关。因此在 能量的平衡关系和次量平衡之间必然存在着耦合关系。目前国内外大多数有关流化 床的研究工作都致力于研究流化床的某方面如传热、燃烧的特性，通过实验及理 论分析建立描述流化床燃烧过程某一方面的理论模型或者归纳出经验关联式。 循环流化床的整体数学模型目前研究只是处在初步阶段，国外研究的数学模 型有： 1 r a j a n 永lh a r t l e b e n 模型：r a j a n 根据两相流理论将流化床内物质状态分为气 泡相和乳化相。并在对流化床内煤粒的挥发分析出、炭粒的燃烧、脱硫、固氮、煤 粒和脱硫剂的磨损以及扬析、两相及炭粒之间的热交换、悬浮段燃烧反应等过程分 析的基础上，给出了燃烧区域的全面的静态模型。h a r t l e b e n 发展了动态模型并作了 仿真。 2 l e e 模型：是以芬兰a l s t r o m 循环流化床锅炉为研究对象建立起循环流化床 燃烧系统的一维静态模型，目的在于研究颗粒分布、颗粒磨损对系统质量平衡、燃 烧效率的影响，模型主要由固体颗粒和各种气体的质量守恒方程组成，而对煤的燃 烧化学反应、传热、气固两相流动过程进行了适当的简化。在一维模型的基础上， l e e 又建立起描述循环流化床过程的三维静态数学模型。 国内比较典型的数学模型有以下几个： 1 清华大学李政所做的2 2 0 t h 循环流化床锅炉的整体模型”1 。该模型特点是采 用“小室模型”，将整个锅炉划分为3 5 个小室，同时考虑颗粒宽筛分分布，将颗粒 划分刁i 同的档级，剥每个小室建立每一档颗粒的能量质量的平衡方程。其主要是动 态模型，但在描述炉膛两相流动时，采用静态模型；不足之处是没有考虑颗粒在炉 内停留时间等的影响。 2 浙江大学王勤辉，程乐呜等做的整体数学模型“1 。该模型根据炉内流体动力 特性，依据颗粒更新理论建立炉内传热模型。颗粒磨损特性。燃烧特性等子模型的 建立，考虑了如煤质分布不均，成灰特性等实际因素，具有一定实用性。更多的是 总体上的传热的分配的描述和实验。 1 6 本课题研究的主要内容和目的 由上述可知，到目前为止可行的描述能量分配和灰( 煤) 颁粒大小之间关系 的计算模犁依然是研究的雨点所在。对于两者之间关系更多的是定性的说明，而没 有完全可靠的模型来定量的计算。在实际生产过程中常常出现负荷参数不能达到设 计要求的问题，也就存在着究竟是分离器效率不能保证正常的循环灰量还是由于煤 的燃烧特性不好而不能合理分配能量的争论，本文打算以此为目的，通过模型和实 验分析总结解决上述争论的方法。这也就构成了本课题要研究的内容。 7 牮鸵电力大学硕士学位论文 谖赵疆究内褰毒以下且令方嚣： 1 研究建立计算能量平衡的遇用模挺：本课题要通过对灰平衡，能量平衡的综 参考惑，在静态乎鬻豹鏊磁土技蹬一令遴建熬，包莛甄蹙，绘煤耋及王葳妒凑墩热 最等因素的模型，以划分密相区，稀相医，分离器，回料系统四部分为研究予模型， 谯各个援毽肉建立缝量，蒺量乎缀的关系式，蠲手计算分摄影响能量分配豹备秘因 素，找出能量平衡和灰爨平衡之间的祸合关系，用于解决能量分配不均等一系列问 慰。 2 通过实验分析分离器结构参数对效率的影响：鉴于分离嚣效率在整个能爱平 缝秘灰璧警餐串器重要 乍爝，希疆通过试验分凝各挡颗粒在分麓器中酌分褰效率以 及分离器本身结构尺寸对分离器效率的彩响。分离器结构参数的影响怒指旋风分离 器躲入口尺寸，戡口足寸，中心篱足寸铎的不麟对分离器效率的影螭，通过分别改 变分离器的各个结构尺寸的大小来显示备部分影响的大小。 3 。分辑缝量平糖翘灰楚乎簿黝影噙潮素：嚣个乎髭豹影鹦因素攫多，主要毯摇 一次风量，二次风量，给煤量，石灰石爨，各处颗粒分布等参数和分离器本身的结 构参数。潍过上述模型中菜一参数的变饯应该w 强分攒摇嚣滚化瘴熬务耪参数等豹 影响因索但是对于分离器结构上的影响因素并不能给予插述迸需要通过实验去验 证，在现鸯条件下尽可能准确地测量验 芷上述模型熬正确性。 肇北电力大学硕士学位论文 骛置章c f b 锅炉静态模型的梅戒 循环流亿床蔻一个兼有流动、燃浇、传热、和各种复杂仡学反应j 菠程在内的复 杂动力装置，数学模型豹任务就是应用基本定樟和基本规律将流化床内部的嚣种过 稷按照其莛要i 琏、发生靛先后瘊序、彼诧闯作掰关系缀合在一起，鼠黼建立循环流 化床最终的运行特性与输入条件和运行方式间的定量关系。也就是说猩给定的具体 运行参数下，鲡给风量、给煤爨、石获器量、妒艟压辩等条释下，靛避论上计算预 测诸如热嶷分配、固体颗粒在炉内各部分的分布。分离器效率等参数的数值及趋势。 2 1 模蘩假设 实舔锈炉鹣笺杂校决定了农挨登建立当串些会瑾嚣必娶酶稷设是麓鼗模垄 的重要方法，本模型在般工业循环流他床锅炉常规数据的基础上通道合理假设建 立关于矮环滚纯藤锅炉怒塞鞠秘祷静静态模鍪，反浃镶繇滚纯臻锅炉馨本麓筏藿去 向和物料分配结柴。 主要骰设有以下几点： 按照一般意义上的炉内不同区域内的参数差别，将炉内划分成铹掘区、稀相 区、分离耱区蠛、返瓣嚣域。这样翻分醚反映妒内各簸参数的麓异，穗对酶龟筒纯 了参数计算的复杂性； 所肖燃烧均在炉膜内完成。煤的燃烧分为两个阶段：即耀发分的析出和焦炭 的燃烧，在炉内7 5 0 。c 一9 0 0 。c 的温度下，挥发分的析出濡要时间很短，可以认为在 密稽匿内汪经完成。在安际循环流纯寐锅炉中，由于大麓颗粒鹣剧烈混合，媒颓粒 的破碎加大了煤颗粒与筑的接触狮积，从而加快焦炭的燃烧；弱一方酾，在磁常流 谗条律下，籁粒程炉膛内形成宏蹒上静内循环流动，帮掰语静“环一孩”结孝每穰登， 按照j ，m b u r s i 簿的计算“3 ，占炉内最大量的获颗粒( 1 0 0 2 0 蛳m ) 程炉内1 搴留对 溺为4 0 0 0 s 一6 0 0 0 s ，佼褥颗粒在炉内鞠襻警时润褶对较大，鼓缣证颓粒在炉内静完 垒燃烧： 在妒艟后朝分离嚣区域葙滗部不存在霞体颗粒静磨损。融炉膛密来懿获颓粒 在经过炉内豹激烈混合经定时间的破碟磨损，在炉膛出口烟道开始旗本上已不再 燕流态纯，蕊受接近于戆精耱气力输送，霞蔼鬏粒与獠粒之阕瀚福蚕磁撞摩擦太大 减少，另方面获颗粒的磨损特性显示颗粒在煎量减少3 5 之后旗本上保持坚 蘸获棱不变，密摸速率穰小； 9 肇北电力大学硕士学位论文 瞪 笛 粒直径，“m 黧2 妒内鬏粒棱经与捧鐾游竭之溺鹋关系 炉内密相区燃烧份额的确定，密相区的燃烧份额与流化风速及燃料颗粒粒径 鸯关，按照王数镊妒竣诗诗舅橱准方法，由鼙2 - 2 “螂霹激袋蹬密辐送在不筏风速 ( w = 4 5 、5 5 、6 s m s ) 、不同颗粒粒镪下的燃烧份额。 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 0 璇柱鞋授# m 图2 - 2 燃烧份额与粒强分布及浚他风速之间关系 2 2 能羹平衡模型 由德环流化床锅炉的工作原理可知，大量商温颗粒的强烈混合燃烧就必然出现 农炉膛底部因为大量大颗粒的狂在搜樗烟气颗粒与水冷壁工质传热量缀大，不能实 璃能量的台理分配而且商速颗粮的剧烈撞击必然使水冷壁磨损严重，这就决定了要 农炉趟下部敷设卫燃带以降低磨损和熙止炉膛下部能爨的大爨传递。 所谓循环流化床锅炉的能徽平衡怒研究能蠹在炉内产生聪随颗粒、烟气的走 向，对獯爆流化床锅炉麴整体熊量平臻来说，菇个不同的控划体内的跳量平衡的差 昴在于各个控制体内能撰分配的渠道不问。 】0 6 4 2 o o 0 0 糕辜避嚣凶嚣龆 主骜藐电力大学硕士学位论文 2 2 。 密柜区缝量平衡模型的毒奄成 密翘区是指炉艟下部具有较高颞粒浓度的嚣域，一般处于皴泡流化状态，是煤 颗粒进入炉内燃烧相对聚中的融域。 2 。2 1 。1 遴入密撩基系绞昀爱嚣 对密相区而裔，进入系统的能量包括：煤颗粒带入的物理烂热，石灰石颗粒带 入豹魏理纛热，凌鼠带入豹热鳖，煤农密檑嚣燃烧懿藏热 ；| 簇，疆垮获带入熬熬 燎。 1 ) 漾颡敉带入戆物理纛热： q ：= b o - i r ( 2 - 1 ) 式中： 玩一投入燃料量，k g 一单位质爨燃料的物理显热，k j k g ：可知燃料的物理垦热：= ，其 孛f ，燃瓣瓣溢菠，一般整送入炉毖蘩约媒瀑；c p , 。梵燃精愆牧蘩蒸魄定嚣热容， k j ( k g 。) 。 2 ) 石灰蠢颓粒繁入静耪骥显热： g = 鼠t ( 2 - 2 a ) 式中： 置一投入石获荟萤，k j ；反蜀壹接凌葛获蠢系统魏髂重装嚣绘警致叁锈硫蘩象 比导( 一般为制造厂给定) 和实际投入燃料爨坟计算得来： e * 了c a 警 协2 b ) 一石灰石的物理显热，i ，= 。，一f ，k j k g ：c ，分别为石灰石的比定压热容 霸入炉黪滋疫，k j ( k g 莪) ，。 3 ) 一次风带入的热量： g = 嘭，： ( 2 3 ) 式中； 嘭一进入炉膛的一次风量，m 3 ，s ；可由热工控制系统的测量得到或可通过下 式采袋瓣； 华北电力大学硕士学位论文 嘭= 口盯，= b o 【0 0 8 8 9 ( c 。，+ o 3 7 5 s ，) + 0 2 6 5 h 。一0 0 3 3 3 0 。，】t 2 i - 盯， ( 2 - 4 ) v e - - l k g 燃料所需的理论空气量，m 3 k g ； 吼一炉膛出口的过量空气系数； 盯。一一次风占总风量的份额，一般为6 0 7 0 ； ，：一一次热风的比焓，k j m 3 ；t 的求解，可由空预器后( 即入炉前) 的空气 温度查热力计算的焓值数据可得到。 4 ) 煤在密相区燃烧的放热份额 煤在密相区的放热受到密相区耐火层的限制，实际工质吸热量占总燃烧放热量 的比例并不大，且煤并没有完全燃烧，整个密相区内燃烧处于欠氧状态。所以煤在 密相区燃烧的放热为投入燃料量的总放热量与燃烧份额的乘积。 q ：= b j 如m j = b o ( 1 - q 4 ) 包w 占 ( 2 - 5 ) 式中： q 。一燃料收到越低位发热量，k j ； b j 一计算燃料量b ，= b o ( 1 一q 4 ) ： 占一燃料在炉膛内的燃烧份额。 5 ) 循环灰带入的热量： 纠= g c ( 2 6 ) 式中： t 一循环灰比焓，为回料腿处温度下的灰焓，k j k g g c 一循环物料量，k g s 。 2 2 1 2 离开密相区系统的能量 离开密相区进入稀相区的热量，排渣带走的热量，受热面吸收带走的热量，散 热等。 1 ) 离开密相区进入稀相区的热量：离丌密相区的热量包括灰颗粒带出密相区的热 量、烟气带出密相区的热量。 灰颗粒带出的热量：从密相区出去的灰颗粒包括有灰循环系统带进密相区的颗粒 和煤颗粒燃烧后破裂、磨损随烟气进入稀相区的颗粒：按照破碎的规律【1 5 】：煤颗粒 在经过一定时间的磨损后颗粒粒径就不再发生变化，因而可以认为循环灰带入的煤 华北电力大学硕士学位论文 颗粒量没有变化，而新加入的煤颗粒在经过密相区的燃烧破碎后，很少一部分可以 随循环灰进入密相区，因而假设：密相区的颗粒进入稀相区为循环灰量与部分新投 入煤量之和。 烟气带入的热量：由于密相区复杂的燃烧过程，烟气量的大小不易确定，在估计 密相区出口处的名义过量空气系数的条件下，可由密相区的燃烧份额来计算单位质 量煤燃烧的烟气焓值从而计算烟气带出的热量。 2 ) 排渣带走的热量：对于进入密相区在破碎磨损之后仍能保持较大粒径的大颗粒， 长时间停留在床层上会造成整个床层的阻力过大影响整床的正常流化，因而要及时 排除床外，排渣方式分为连续排渣和间断排渣两种，但平均来说总的排渣量大致是 一定的。并且可以通过对排渣量的称重来测量其值大小。 3 ) 受热面吸收带走的热量：受热面带走的热量包括水冷壁( 以及水冷屏) 吸收带 走的热量。密相区受热面吸收热量可按下式计算： q 。= k h , a t ( 2 - 7 ) 式中：q 。q 为传热量，w ；世为基于烟气侧总面积的传热系数，w ( m 2 k ) ，按式 ( 2 - 8 ) 计算：丁为温差，k ，按式( 2 1 l b ) 计算；h 为烟气侧总面积，m 2 。 4 ) 散热：散热损失的大小主要决定于锅炉散热表面积大小、水冷壁敷设程度、管 道的仪温以及j 剐凼刖：境情况，一股为简化计算( 其数值所对整体计算影响不大) ， 炉膛散热量取1 2 3 2 。而对密相区，以密相区面积占总炉膛受热面面积的比例 划分其散热量。 密相区能量平衡示意图如图2 3 ： 燃料带入显热纠 石灰石带入轻热q 烟气及颗粒 带卡热嚣 稀相区烟气及 颗粒带入热盘 一次风带入热量q 二 图2 - 3 密相区能量平衡示意图 2 2 1 3 密相区基于烟气侧总面积的传热系数“1 水冷壁吸收热量q ： 循环灰带入热量q ： 排渣带走热量娥 华北电力大学硕士学位论文 传热热阻包括床侧热阻、工质侧热阻、受热面本身热阻和附加热阻四部分，并 和结构有关，按照扩展受热面传热系数的形式，可写作： ( 2 8 ) 式中：d ；为床向壁面总表面的名义换热系数，w ( m 2 - k ) ；町为工质侧换热系数， w ( m 2 k ) ，可按有关标准求取，h 为烟气侧总面积，m 2 ；h f 为工质侧总面积， m 2 ：6 - 。为附加热阻，包括壁面污染和附加耐火层热阻。 占。可写成式( 2 - 9 ) ： 。：ss + - 6 7 a - 7 咕 ( 2 9 ) 式中：s ，为受热面壁面污染系数， ( m 2 k ) w ；以为受热面耐火层厚度，m ：t o 为受热面耐火层导热系数，w ( m k ) 。 五。= “o + 口i 瓦 ( 2 - 1 0 ) 式中，口o ，口l 可查有关数据：e 为耐火层平均温度。 瓦= ( 瓦+ l ) 2 ( 2 一l l a ) 式中，n 为床侧温度，k ；凡为受热面壁面温度，k ，见式( 2 - 2 4 ) ：皖为管壁厚度， m ；九为受热面金属导热系数。t o = 6 0 + 乜互，式中b o 、b l 可查有关数据；元为壁 面平均温度。元= ( l + 丁，) 2 ，式中，n 为受热面内工质温度，k ；r 为温差。 a t = 瓦一0 ( 2 - 1 l b ) 受热面结构如下图2 - 4 所示： 可知受热面内外面积比为 图2 - 4 受热面结构示意图 里：1 + 三l - a - ( 2 - ，r ) a 玎ld 一2 5 , ( 2 1 2 ) 式中：s 为管节距，m ；j 为鳍片厚度，m 。式( 2 - 7 ) 中 的名义床倒换热系数口：受管节距、鳍片厚度、壁面污染系 数情况影响，可表示为： 小降c 私v - 1 ) + l ” 5 占i 式中：勘。为鳍片面积，m 2 ；_ 为鳍片利用系数，见式( 2 - 1 5 ) ： 巧 l 聒 华北电力大学硕士学位论文 为鲳片宽度系数，见式( 2 - 2 1 ) ；v 为鳝片厚厦系数，见式( 2 - 2 2 ) ：a b 为床侧换热 系数，见式( 2 - 2 3 ) 。 鳍片面积比鲁为： 生：!二垡(2-14、 h t s 一6 + ( 。3 - 一1 ) a 鳍片利用系数”为： 叩= 等( 2 - 1 5 ) 其中，口与受热面受热情况、膜式壁鳍片结构尺寸核材料等有关，可表示为： 舀= fn a h 。 、万。丑( 1 + 占，口6 ) 实际鳍片高度为： = 生笋 折算鳍片高度为： ：鱼 ，z 有效鳍片高度为：善一 一n 折篮厚摩占，为：占：占v ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 根据实验和运行数据可得到鳍片宽度系数肌鳍片厚度系数v 与结构尺寸的关 系： 鳍片宽度系数：2 厶( 言) ( 2 2 1 ) 根据实验，当s d = 1 3 时，f = o 9 7 ；当s d = i 7 时，卢= o 9 。 鳍片厚度瓢雌羔 ( 2 2 2 ) 燃烧室烟气一物料两相混合物向壁面的换热包括对流和辐射两部分，按两者是 线性叠加处理，则有 a = 口r + a c ( 2 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：口，为辐射换热系数，w ，( m 2 k ) ，见式( 2 - 2 4 ) ；口。为对流换热系数， w ( m 2 - k ) ，见式( 2 - 3 3 ) 。 在密相区的近壁区域存在浓度很高的贴壁下降流，颗粒发生团聚现象，而颗粒 团聚是一种随机的概率行为，很难用一比较适合的表