（化工过程机械专业论文）循环流化床锅炉内气固两相流动的数值模拟.pdf

摘要 水煤浆流化一悬浮燃烧锅炉结合了水煤浆和循环流化床两种洁净煤技术，该技术是 在循环流化床锅炉应用基础上发展起来的。循环流化床锅炉( c f b bc h u l a t i n gf l u i d i z e d b e db o i l e r ) 以其高效低污染等优点在全世界范围已经得到迅速的发展。循环流化床锅 炉内是典型的气固两相流，对其流动特性的研究，是循环流化床燃烧技术研究的重要方 面。本文利用商用c f d 软件f l u e n t ，基于e u l e r 双流体模型对工业应用的循环流化床 锅炉冷态缩小模型上部稀相段内的气固两相宏观流动特征及密相区鼓泡流态化特性进 行数值研究。 数值计算结果表明：双流体模型能够很好的反映循环流化床锅炉内稀相气固两相的 流动状态。将炉膛压降沿轴向的分布规律与理论值对比，验证了数值模拟计算的准确性。 同时，得到炉膛内颗粒固含率呈中心高，边壁低的“环核 流动结构及颗粒轴向速度 中心处向上，边壁处向下的内循环流动形式。另外，改变操作气速与质量循环流率，沿 轴向炉膛中下部区域及沿径向边壁区颗粒固含率分布的影响比较显著。同时，操作条件 对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒向上速度变化的效果要显著于边壁处向 下运动速度的变化。边壁处的气固两相流动规律还有待于进一步研究。不同粒径的颗粒 在炉膛中的运动分布规律不同，沿炉膛高度方向，颗粒粒径越大，炉膛下部的颗粒固含 率就越大。不同的二次送风结构对炉膛稀相段的气固宏观流动特性的影响显著；二次风 进口入射角为与轴向方向成6 0 0 向上入射( 结构b ) 情况下，炉膛内气流对颗粒的扰动 作用较明显，颗粒主要分布在炉膛中上部区域y = 1 5 3 5 m 范围内，最有利于炉膛内的燃 烧和传热效率；计算得到二次风的纵向射流深度最大。 模拟床料密度( g e l d a r t b 类颗粒) 对循环流化床锅炉密相鼓泡床的气固流态化特性 的影响，结果表明：g e l d a r t a 类和b 类颗粒的密度对气固流态化特性的影响规律相同， 表现为密度较小颗粒床层内的气固混合效果及床层稳定性较好。 结合水煤浆流化悬浮燃烧所采用的异重流态化特性，对变工况下，改用不同床料的 密相鼓泡床内的气固流态化进行研究。分析可知，在低气速下，床料2 ( 密度较小) 比 床料l ( 粒径较小) 床层内气固混合的效果及床层的稳定性更好，密度对密相区鼓泡床 内的气固流态化影响较大。在高气速下，情况则相反，粒径对不同异重流化床料床层内 的气固流态化影响较大。床料1 ( 密度较大) 更有利于异重流态化特性的体现；气速的 改变并不影响密度对异重流态化特性的控制作用。以上研究结果为今后工业应用中， 异重流化床床料的选择提供参考依据。 关键词：循环流化床锅炉，气固两相流，双流体模型，异重流化床 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg a s s o l i df l o wi nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e r l id o n g f a n g ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f j i ny o u h a ia n da s s o c i a t ep r o f w a n gj i a n j u n a b s t r a c t w a t e r - c o a l s l u r r yf l u i d i z a t i o n - s u s p e n s i o nc o m b u s t i o nb o i l e rc o m b i n e sw a t e r - c o a l s l u r r y a n d c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dt h et w oc l e a nc o a lt e c h n o l o g y t h ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi s d e v e l o p e db yt h ea p p l i c a t i o no fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ew h o l ew o r l db e c a u s eo fi t sh i g h - e f f i c i e n c y a n dl e s sp o l l u t i o na d v a n t a g e t h eg a s s o l i df l o wi sv e r yt y p i c a la n dc o m p l e xi nt h ec f b b t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e ro ft h eg a s s o l i df l o wi sg r e a t l yn e c e s s a r ya n do n eo fi m p o r t a n t a s p e c tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec f bc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h eh e l po ff l u e n t s o f t w a r ea n do nt h eb a s i so ft h ee u l e rt w o f l u i dm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a s s o l i d f l o wc h a r a c t e ri nt h er i s e rf i e l da n dt h eb u b b l i n gb e dw a sp e r f o r m e do nt h ec o l ds c a l em o d e l o fc o m m e r c i a lc f b b t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ee u l e rt w o f l u i dm o d e lc a nw e l lp r o v i d et h eg a s s o l i d f l o wp a t t e mi nt h er i s e rs e c t i o no fc f b b t h e c o m p a r i s o no fs i m u l a t e dp r e s s u r ed r o pw i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l ta p p r o v e st h ev a l i d a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o r e o v e r , i ti s a n a l y z e d t h a tt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ns h o w sac o r e - a n n u l a rf l o wf l a m ew h e r et h es o l i d i sd e n s e ri nt h ea n n u l a rr e g i o nt h a nc o r er e g i o na n dt h ep a r t i c l ea x i a lv e l o c i t ys h o w st h e i n t e r n a lc i r c u l a t i o np a t t e r nt h a tt h ep a r t i c l em o v e m e n ti su p w a r di nt h ec o r ez o n ea n dd o w ni n t h ea n n u l u sz o n e i na d d i t i o n ，u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n , p a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o n d i s t r i b u t i o ni sa f f e c t e dp r o m i n e n t l ya tt h el o w e r - m i d d l ez o n ea l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o na n da t t h ew a l la r e aa l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fo p e r a t i n gc o n d i t i o no nt h e p a r t i c l ev e l o c i t yr e f l e c t st h a tt h ec h a n g i n go fu p w a r dp a r t i c l ev e l o c i t ya tt h ec o r ea r e ai sm o r e o b v i o u st h a na tt h ew a l la r e a t h eg a s - s o l i df l o wp a t t e r na tt h ew a l la r e an e e d sf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n t h ef l o wc h a r a c t e ro fd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l ei sd i v e r s e ，a n dt h el a r g e rt h e p a r t i c l es i z e ，t h em o r ep a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o na tt h el o w e rz o n ei nt h ef u r n a c e t h ee f f e c to f d i f f e r e n ts e c o n d a r ya i ri n j e c t i n gd e s i g no nt h eg a s - s o l i df l o wc h a r a c t e ri nt h er i s e rs e c t i o no f c f b bi sa l s oa n a l y z e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n , r e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h ea n g l eb e t w e e n t h ei n j e e t i n ga n da x i a ld i r e c t i o ni s6 0 0 ( c a s eb ) ，t h es o l i d sw i l lm a i n l yd i s t r i b u t ei nt h e u p p e r - a n d m i d d l er e g i o no ff u r n a c e ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h ec o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c ya n dc a l li n c r e a s et h e j e t sl e n g t h t h es i m u l a t i o no ft h ee f f e c to fm a t e r i a l sb e d sd e n s i t yo nt h eg a s s o l i df l u i d i z a t i o n c h a r a c t e ri nt h ed e n s eb u b b l i n gb e do fc f b bw a sc o n d u c t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c t o ft h ed e n s i t yo fg e l d a r taa n db p a r t i c l e so nt h eg a s s o l i df l u i d i z a t i o nc h a r a c t e ri st h es a m e t h e g a s s o l i dm i x i n gp e r f o r m a n c ea n db e ds t a b i l i t yo f t h es m a l ld e n s i t yp a r t i c l ea r eb e t t e r a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fd i f f e r e n t i a ld e n s i t yf l u i d i z e db e do nw a t e r - c o a l s l u r r y f l u i d i z a t i o n - s u s p e n s i o nc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho nt h eg a s s o l i df l u i d i z a t i o n c h a r a c t e ri nt h ed e n s eb u b b l i n gb e d 、析mc h a n g i n gt h eb e dm a t e r i a l sa n do p e r a t i n gt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o ni sc a r r i e do u t i ti sa n a l y z e dt h a tw h e nt h ea i rv e l o c i t yi sl o w , t h eg a s s o l i d m i x i n gp e r f o r m a n c ea n db e ds t a b i l i t yi nt h eb e dc o n t a i n i n gb e d m a t e r i a l1 ( t h el i g h td e n s i t y ) i sb e t t e rt h a nt h a to ft h eb e dm a t e r i a l2 ( t h es m a l lp a r t i c l es i z e ) a n dt h ee f f e c to fd e n s i t yo nt h e g a s - s o l i df l o wi sl a r g e r w i t ht h eh i g ha i rv e l o c i t y , t h el a w i sr e v e r s ea n dt h ee f f e c to fp a r t i c l e s i z eo nt h eg a s s o l i df l o wi sl a r g e r b e dm a t e r i a l1 ( t h el i g h td e n s i t y ) i sb e n e f i c i a lt ot h e p r a c t i c eo ft h ec h a r a c t e ro fd i f f e r e n t i a ld e n s i t yf l u i d i z e db e d t h ec h a n g eo f a i rv e l o c i t yi sn o t i n f l u e n c e dt h ec o n t r o lo fd e n s i t yt ot h ec h a r a c t e ro fd i f f e r e n t i a ld e n s i t yf l u i d i z e db e d 舢li t l a l l ，t h ea b o v er e s u l t ss u p p l yt h er e f e r e n c eb a s i so nt h ec h o s e no fb e dm a t e r i a lf o rt h ef u r t h e r i n d u s t r i a ld i f f e r e n t i a ld e n s i t yf l u i d i z e db e d k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r , g a s - s o l i df l o w , e u l e r i a nt w o f l u i dm o d e l ， d i f f e r e n t i a ld e n s i t yf l u i d i z e db e d 主要符号表 英文符号 a床面积m 2 灯 阿基米德数 c d 颗粒曳力系数 d床宽m d p ( d s ) 颗粒粒径m 二次风纵向射程m 颗粒间恢复系数 颗粒与壁面间的恢复系数 颗粒本身的重力 流化气体的浮力 重力加速度m s 2 颗粒径向分布函数 颗粒循环速率k g m 2 s 固定床床料高度m 床层截面之间的距离m 床高r n 静止床高m 湍流强度 湍动能m e s 2 能力扩散系数 相间动量交换系数 湍流特征尺寸m 跳 k 弓 g 蜘 伍 办 址 h 协 ， k k k l 相间的质量交换和化学反应 压力p a 压降p a 颗粒压力p a 雷诺数 颗粒之间的距离 时间s 操作气速m s 一次风度m s 二次风速m s 入口平均风速 最小流化风速m s 终端速度m s 颗粒轴向速度m s 颗粒沿床层的径向速度m s 气体轴向速度m s 床层径向坐标m 希腊字母符号表 体积分数 气固相间动量传递系数k g m 3 s 粘度p a s 有效粘度p a s 湍流粘度p a s 颗粒动力粘度项p a 。s m p 邸 风 胎 s t u 砌 一 地 啪 啊 啪 x q p “ 肛 m 声 g s ，p - l j f 相的应力一应变张量p a 湍流p r a n d t l 常数 密度k g m 3 湍动能耗散率n 1 2 s 3 颗粒固含率 截面平均固含率 床料最大空隙率 体积粘度p a s 颗粒温度m 2 s 2 颗粒球形度 上标 矢量 下标 气相 颗粒相 标示不同的相 一q p 8 钆 虿 九 。 矽 霉咿 p 8 钆虿 九。矽 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：茎煎：羞 i e l l l ：坷年j 一月讨日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： i i i i ：叫年j 7 月蜩 i i i i ：嗲石月乡日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 目前，我国是世界上原煤产量最多的国家，煤炭储量约占石化能源总储量的9 0 ， 而8 0 以上的煤是通过锅炉燃烧的方式加以利用的。由于长期以来，煤燃烧会造成严重 的环境污染问题，同时我国很大一部分电站锅炉存在燃烧效率不高的问题。因此，发展 高效、低污染的清洁煤燃烧技术成为了国家重要的能源发展战略。 循环流化床锅炉技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技 术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内 湍流运动强烈，不但能达到低n o x 排放、9 0 的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而 且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到 迅速的商业推广。在我国目前环保要求日益严格，电厂负荷调节范围较大、煤种多变、 原煤直接燃烧比例高、国民经济发展水平不平衡、燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下， 循环流化床锅炉已成首选的高效低污染燃烧设备。目前，循环流化床锅炉技术已发展到 一定水平，目前正往大容量、超临界、高洁净方向快速发展。但其关键技术的应用方面 还是存在一定的问题，有待于进一步解决。因此，对循环流化床锅炉基础理论方面的研 究还是很有必要的。 水煤浆流化悬浮高效洁净燃烧是一种集流化床燃烧于水煤浆悬浮燃烧为一体的新 型复合燃烧技术。其原理是采用石英砂与石灰石作为媒体床料，降滴状水煤浆投入燃烧 室下部温度在8 5 0 - 9 5 0 0 c 左右的炽热流化床密相区中，进行异比重流化床燃烧。水煤浆 滴在床料的加热下，完成水分析出、爆破破碎、挥发分析出及着火燃烧，其中较细的水 煤浆颗粒被热烟气带到上部稀相区继续进行悬浮燃烧。烟气中的固体颗粒被设在燃烧室 出口的分离回输装置分离、捕捉，并通过分离器下部的回输通道返回燃烧室密相去。这 样，既减少了媒体物料的损失，又实现了水煤浆颗粒团的循环燃烧。同时，分离器气流 的扰动也有助于可燃物与氧气的进一步混合和燃尽，从而获得很高的燃烧效率。 水煤浆的流化悬浮燃烧过程的本质是循环流化床锅炉燃烧技术。尽管水煤浆流化 悬浮燃烧方式与煤的流化床燃烧方式相比有许多共同之处，但该技术也有其自身的特点 和规律，主要体现在以下方面：水煤浆的结团燃烧。该结团燃烧现象对其燃烧具有两 方面的影响，结团现象一方面避免了在较高流化风速下水煤浆滴被带出炉膛，可以延长 了水煤浆在炉内的停留时间，减小飞灰造成的燃烧损失。另一方面，试验研究表明，由 凝聚作用所形成的大凝聚团会沉积于布风板附近，使得流化床底部的正常燃烧过程难以 第一章前言 稳定的进行。为保留该结团现象对燃烧过程有利的一面同时又防止其对床层流化和燃烧 质量的不利一面，采用异重流化床燃烧技术来解决；水煤浆以一定体积的聚集状态团 送入高温流化床时，受到炽热床料的加热，在其水分蒸发过程中形成的凝聚团会爆裂， 因此形成的相对较小的煤粒团，这样显著改变了水煤浆原始的粒度分布。这一特性必然 带来水煤浆与原始颗粒、煤泥在流化床燃烧组织中的一系列变化。从炉内燃烧份额的 分布来看，水煤浆在炉膛上部空间进行水分的蒸发过程，然后形成的凝结团在锅炉底部 的浓相区中进行挥发份析出、燃烧和焦炭燃烧等过程。同时，相对较小的煤粒团又和一 部分床料一起被带到悬浮空间继续燃烧。底部浓相区产生的未来得及燃烧的挥发份和旋 风分离器分离下来的颗粒中的可燃烧成分在悬浮区进行燃烧反应。从以上分析可知，水 煤浆在流化床内燃烧时，底部浓相区应保证较高的燃烧份额和较少的吸热量来维持较高 的床层温度，以利于水煤浆凝聚团的着火并为悬浮区的水分蒸发和小颗粒团的燃烧创造 有利条件。另外，炉膛上部的悬浮区应设计足够的空间并加强二次风的扰动作用，以强 化水煤浆滴的干燥过程及残余挥发份和焦炭的燃烧反应过程。因此，了解水煤浆的流化 悬浮燃烧锅炉内部气固两相流态化特点及规律对于正确合理的组织水煤浆的流化悬浮 燃烧过程具有重要的意义。 循环流化床锅炉内是典型的气固两相流，对其流动特性的研究，是循环流化床燃烧 技术研究的重要方面。因为气固的流体动力特性决定着辅机的能耗、床内传热量、温度 分布、床内存料量、燃烧情况和受热面磨损等与燃烧密切相关的问题。因此，良好的流 体动力特性成为了合理设计循环流化床锅炉的基础。 7 0 年代以来，许多学者已在循环流态化气固两相流动规律有了一个整体上的认识， 即表现为两相流动在局部和整体上的不均匀性一其中局部不均匀性表现在颗粒的聚集 与解体，整体不均匀性表现在颗粒固含率、颗粒速度的轴、径向不均匀分布。同时，这 种局部和整体上的不均匀性又相互关联和影响。但循环流化床的气固两相流动是十分复 杂的，它不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性，而且受设备的结构尺寸 ( 包括床径、床高度、进出口结构等) 、运行参数( 如温度、压力) 等的影响。对循环流化 床流体动力特性的研究，尽管取得了很大的进展，但仍有许多问题尚待解决，因此阻碍 了对循环流化床锅炉设计和运行的优化，影响着水煤浆代油燃烧技术的推广与应用。因 而，为了使水煤浆代油燃烧技术能高效地应用于工业领域，对循环流化床锅炉内部流场 进行深入研究有十分重要的意义。 目前，大多数的研究人员都是通过实验方法来研究循环床流化床内流体动力特性， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如炉膛内空隙率( 固体颗粒固含率) 的分布、气体速度及颗粒速度之间的变化关系和床层 压降等。这种主要依靠实验结果或由直观加上小模型实验再加上相似性原理整理数据而 得到经验或半经验公式方法，在目前甚至在将来都有重要的作用，可以给出定性上有用 的判断依据。但是这类方法也有不少缺陷，例如经验性强、范围窄、结果多依赖于实验 条件以及实验条件不能适应广泛等，测量也会有误差，且在大多数情况下，这种全比例 的实验是极其昂贵的，往往也是不可能的，而缩小比例的实验结果外推到全比例的设备 上时又多会失真。 直到上世纪八十年代，随着计算机技术和多相流动理论的发展，数值模拟方法已经 成为研究循环流化床内气固两相流动的重要手段，并得到了广泛的应用。数值模拟方法 不受物理模型和实验模型的限制，能够较全面地反映多种因素的相互影响，揭示出难以 觉察而有价值的信息，这对提高设计和放大的可靠性有重大意义。它还能提供许多实验 难以提供的数据，降低实验费用，加快设计开发速度，缩短设计周期。 本课题的研究目的是利用数值模拟方法对循环流化床锅炉内气固两相流场进行模 拟，并与理论分析结果进行对比分析，揭示循环流化床锅炉内气固两相的流动规律，为 进一步优化锅炉设计、进一步推广应用水煤浆流化一悬浮燃烧技术提供参考依据。 本文的研究内容主要包括以下三个方面： 1 对本文所用商用c f d 软件f l u e n t 中e u l e r 双流体模型在c f b 两相流动中的应用进 行验证，以保证本次数值研究预测结果的准确性。 2 对工业应用的循环流化床锅炉冷态缩小模型内上部悬浮稀相区气固两相宏观流 动特性进行数值计算，包括床层压降，颗粒固含率及颗粒速度沿轴向及径向的非均匀分 布特性；分析操作条件，颗粒粒径及锅炉二次送风结构对循环流化床稀相区气固两相流 动特性的影响。 3 模拟循环流化床锅炉密相区，不同密度床料的气固流态化特性。同时，针对水煤 浆流化悬浮燃烧所采用的异重流态化，模拟变工况下，改用不同床料对异重流化床内 气固流态化特性的影响，考察床料粒径和密度对异重流化床气固流态化特性的影响程 度。 3 第= 章循环化脒1 目两相数值模拟目究概述 第二章循环流化床气固两相流数值模拟研究概述 2 1 循环流化床锅炉简介 2 1 1 循环流化床锅炉的工艺流程 循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物料分离设 备、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该设备) 等组成，上 述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、 省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。图2 1 给出了典型循环流化床锅炉 燃烧系统的示意图。 图2 - 1 典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图 f i 9 2 - 1a t y p i c a l c f b b o i l e rs y s t e m 燃料由炉前给煤系统送入炉膛，送风一般设有一次风和二次风，有的生产厂加设三 次风，一次风由布风板下部送入燃烧室，主要保证料层流化；二次风沿燃烧室高度分级 多点送入，主要是增加燃烧室的氧量保证燃料燃尽；三次风进一步强化燃烧，燃烧室内 的物料在一定的流化风速作用下，发生剧烈扰动，部分固体颗料在高速气流的携带下离 开燃烧室进八炉膛，其中较大颗料因重力作用沿炉膛内壁向下流动，一些较小颗料随烟 气飞出炉膛进入物料分离装置，炉膛内形成气固两相流，进入分离装置的烟气经过气固 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 分离，经过分离的烟气通过对流烟道内的受热面吸热后，离开锅炉。被分离下来的颗料 有的沿分离装置下部的返料装置送回到燃烧室，有的还要经过床外换热器冷却后再进入 炉膛进行燃烧，以达到调节床温的目的。循环流化床锅炉炉膛内一般都布置有床内受热 面，以吸收燃料所释放的热量。为了进一步吸收烟气热量及降低排烟温度，循环流化床 锅炉布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等受热面【1 。2 1 。 ( 1 ) 布风装置 布风装置由布风板、一次风室及风帽组成。一次风经过空气预热器加热后进入一次 风室，然后通过布风板上的小孔和布风帽进入炉床上面，与给煤及返料混合、燃烧。床 r 料以布风板为支撑，一次风通过布风板对床料、燃料及石灰石产生向上的推动力，建立 流化状态，使床料、燃料、石灰石在床层上强烈掺混，进行剧烈的燃烧及传热过程。另 外，一次风还提供燃料初期燃烧所需的空气。 ( 2 ) 密相区 布风板上部，床层下部的炉膛空间称为密相区。密相区中煤及石灰石的颗粒固含率 很大，燃料与空气的反应主要发生在密相区。为了达到脱硫效果，密相区的温度一般控 制在8 5 0 0 c 9 0 0 0 c 。由于密相区中只送入部分助燃空气，故该区燃烧反应处于还原性气 氛中。燃料中的大颗粒物质在重力的作用下在密相应区进行上、下往返运动，不断地与 空气发生反应。当颗粒尺寸减小到一定程度时，气流对颗粒的气动力大于颗粒的重力及 运行阻力，颗粒进入稀相区继续燃烧。 ( 3 ) 稀相区 床层上部的炉膛空间称为稀相区。炉膛中的细颗粒在床层表面被气流夹带进入稀相 区。二次风在稀相区送入炉膛，使燃料在炉膛内形成强烈的气旋运动，气固两相流混合 充分，燃料和空气发生强烈的燃烧反应。在稀相区送入二次风，可以保证循环流化床锅 炉内燃料后期燃烧完全。燃烧放出的热量与炉膛中的换热面进行热量交换，使换热面中 的工质逐步升温以满足要求。炉膛中除布置有水冷壁外，有的循环流化床锅炉在稀相区 还布置有各种对流及辐射受热面。 ( 4 ) 气固分离装置 从c f b b 炉膛出来的烟气中含有大量未燃煤颗粒，若不把这些未燃燃料从烟气中分 离出来，不仅影响燃烧效率，而且会对尾部烟道及尾部受热面造成十分严重的磨损。因 此，c f b b 在常规流化床锅炉的基础上增加了气固分离装置及返料装置，用以把未燃颗 粒从烟气中分离出来并送入炉膛继续燃烧。 5 第二章循环流化床气固两相流数值模拟研究概述 气固分离装置是c f b b 的关键部件之一，它的形式及数量决定了锅炉整体布置的形 式和紧凑性。它的性能对燃烧室的气动特性、传热特性、循环倍率、燃烧效率及锅炉出 力等参数都有重要影响。同时，气固分离装置的分离效果也直接影响c f b b 负荷的调节 范围。如果分离装置达不到预定的分离效果，系统的负荷调节特性将很难满足预定要求。 ( 5 ) 返料装置 从气固分离装置分离下来的颗粒通过返料装置送入炉膛继续燃烧。有的循环流化床 锅炉还通过返料来调节床温。通过返料装置控制床温，可以有效降低n o ，的生成量。 返料装置的正常运行对燃烧过程的可控性及锅炉负荷的调节性能都起到决定性作用。返 料装置不仅用来回送返料，还能避免流化床内高温烟气不经过送灰器而直接进入分离 器。因此，返料装置既是一个飞灰回送器，又是一个锁气器。 c f b b 中采用的返料装置一般都是非机械式的，有两种类型。一种是自动调整返料 器，返料量随锅炉负荷变化自动发生变化，不需调整送风量。另一种是阀型返料器，必 须通过调整风量来达到改变返料量的目的，即锅炉负荷变化时必须改变返料送风量。 由于循环流化床锅炉可实现循环燃烧和低温燃烧等特点，因此具有以下优势【3 - 4 ： 燃料适应性广；燃烧效率高：热强度高；脱硫效率高； ) n o x 排放低；负荷 调节性能好；投资和运行费用适中。 2 1 2 循环流化床的工作原理 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止不动， 流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由布风板所支 持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗 粒的接触而维持它的空间位置，相反地在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层 中自由运动，就整个床层而言具有了许多类似流体的性质。这种现象就被称为固体流态 化，这样的床层称为流化床。 流化床类似流体的性质主要有以下几点【l j ： ( 1 ) 在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量。 ( 2 ) 无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平床层的形状，也保持容器的形状。 ( 3 ) 床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔1 ：3 中排出。 ( 4 ) 密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。 ( 5 ) 床内颗粒混合良好，因此当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 气固两相的聚式流态化由于气流速度的不同可以有各种不同的流型，如图2 - 2 所示。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当气流速度刚刚达到使得床层开始流化，也即床层处于临界流化状态，这时的气流速度 为临界流化速度。当气体速度超过临界流化速度以后超过部分的气体不再是均匀地流过 颗粒床层，而是以气泡的形式经过床层逸出。这就是所谓的鼓泡流化床或称鼓泡床。 在鼓泡床内可以发现，它由两相组成。一相是以气体为主的气泡相，虽然其中常常 也携带有少数固体颗粒，但是它的颗粒数量稀少，空隙率较大。另一相由气体和悬浮其 间的 誊委 ， - i ， ：五r ： 卫厍旭拥牌a 嗣l 化屎啊日脉气力柏 镰他薯毫- 空覃柚 图2 - 2 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 f i g2 - 2 f l u i d i z e dp a t t e r no fs o l i du n d e rd i f f e r e n tg a sv e l o c i t y 颗粒组成，被形象地称为乳化相。通常认为乳化相保持临界流化的状态。显然乳化相中 的颗粒密度比气泡相中要大得多，而空隙率小得多。气泡相随着气流不断上升，由于气 泡间的相互作用，气泡在上升的过程中可能会与其他小气泡合并长大生成大气泡，大气 泡也可能破碎分裂成小气泡。鼓泡流化床有个明显的界面，在界面以下气泡相与乳化相 组成了密相区，当气泡上升到床层界面时发生破裂并喷出或携带部分颗粒被上升的气流 所带走，造成颗粒夹带现象。于是在床层上部的自由空间形成了稀相区。上述的界面就 是两个相区的分界面。 当气流速度继续增加时，气泡破碎的作用加剧，使得鼓泡床内的气泡尺寸越来越小， 气泡上升的速度也变慢了，床层的压力脉动幅度却变得越来越大，直到这些微小气泡与 乳化相的界限已分不出来，床层的压力脉动幅度达到了极大值，于是床层进入了湍流流 态化，并称为湍流流化床。实际上，湍流流态化是鼓泡床的气固密相流态化与下面将提 到的快速流化床的气固稀相流态化的过渡流型。 如果进一步提高气流速度的话，气流携颗粒量急剧增加，需要依靠连续加料或颗 7 第二章循环流化床气固两相流数值模拟研究概述 粒循环来不断补充物料才不至于使床中颗粒被吹空，于是就形成了快速流化床。这时， 固体颗粒除了弥散于气流中之外，还集聚成大量颗粒团形式的絮状物。由于强烈的颗粒 返混以及外部的物料循环造成颗粒团不断解体又不断重新形成并向各个方向激烈运动， 快速流化床不再像鼓泡流化床那样具有明显的界面，而是固体颗粒团充满整个上升段空 间。快速流化床不但气速高，固体物料处理量大，而且有特别好的气固接触条件和温度 均匀性。快速流化床与气固物料分离装置颗粒物料回送装置等一起，组成了循环流化床。 目前，大多数研究者普遍认为循环流化床锅炉炉膛内是由下部密相区和上部稀相 区两个相区组成的。下部密相区一般是鼓泡流化床或湍流流化床，上部稀相区则是快速 流化床。床层底部颗粒却是由静止开始加速，而且大量颗粒由底部循环回送，因而床层 下部是一个具有较高浓度的密相区，处于鼓泡流态化或者湍流流态化状态。而在上部， 由于气体高速流动，特别是循环流化床锅炉往往还有二次风加入，使得床层内空隙率大 大提高，转变成典型的稀相区。在这个区域，气流流速远远超过颗粒的自由沉降速度， 固体颗粒的夹带量很大，形成了快速流化床甚至密相气力输送。在下部密相区的鼓泡流 化床内，密相的乳化相是连续相，气泡相是分散相。当鼓泡床转为快速流化床时，发生 了转相过程，稀相成了连续相，而浓相的颗粒絮状聚焦物成了分散相。在快速流化床床 层内，当操作条件、气固物性或设备结构发生变化时，两相区的局部结构不会发生根本 变化，只是稀浓两相的比例及其在空间的分布相应发生变化1 3 1 。 2 1 3 循环流态化工况的理论分析 在循环流化床锅炉中，大部分的燃烧和脱硫反应是在燃烧室二次风口以上区域内进 行的，在这个区域内气固的流动状态处于快速流态化。从理论上讲，一般情况下，为实 现气固流态化，操作范围应大于颗粒的临界流化速度。 其中，颗粒的临界流化速度由厄贡公式计算得到，当气体速度小于临界流化速度时， 床内固体粒子处于固定状态，对于固定床中床层压降与气体速度的关系，可以用厄贡方 程准确表示为【习： 坐h 萧学+ 警譬 p ， ( d p ) 2 占2 鸠 f 2 、7 式中p 床层压降，p a ； b 固定床床料高，m ； - 气体流速，m s ； s 。床内颗粒空隙率； 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 床内颗粒球形度； 以床内固定粒子的直径，m ； 乃床内流化介质的密度，k g m 3 ： 气体动力粘度，n s m 2 。 利用厄贡方程，可以得到气体对全体粒子的曳力为： 删= 寄学+ 警学咖彳 1 ( 饵) 2 s 2 鸠 s 2 床内全体粒子受到的重力与浮力之差为： 名一乃= ( 岛一p 厂) g h ( 1 一占) 彳 彳，：笙鱼( 垒二鱼! 竺 恐：! 鱼生丛 当临界流化发生时，拽力= 重力浮力，则将上式联立，经过处理可得： 肛嚣氓司+ 掣氓勺 季s ； 妒s ； f g 一- 颡粒本身的重力； f f 一流化气体的浮力； a 卜- 阿基米德数： 勃临界流化发生时的床层空隙率。 由于击- 1 4 、哥_ 1 1 删( 6 ) 式可化触 2 4 5 r e ；+ 1 6 5 0 r e z ，= a r 当雷诺数小于2 0 或大于1 0 3 时，临界流速为 r e 1 0 3 吻= 当雷诺数介于其间时，临界流速为 = ，4 11 3 4 + 0 0 4 1 a , ) u t 2p - - p - - 磊( 3 3 7 + 另外，颗粒的终端沉降速度： 9 ( 2 1 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 第二章循环流化床气固两相流数值模拟研究概述 式中c d 曳力系数 层流区： 过渡区： 2 4 r e ， 1 8 5 r e f o 6 ( r e ， o 4 ) ( 2 r e ， s o o ) ( 2 - 1 1 ) 湍流区：c d = o 4 4 ( 5 0 0 r e ， 2 x 1 0 5 ) 如果要实现快速流态化，操作气速应大于输送速度材护或显著夹带速度，输送速 度用下式预测【5 】： u t , u t = 1 5 1 7 ( - 告) 呦r 霹螂( 2 - 1 2 ) 式中，r e t r _ 2 2 8 a r 0 4 1 9 ； 而显著夹带速度可用下式预测： r e x = 1 5 3 a t n ( 2 1 3 ) 对于给定的颗粒循环流率，快速流态化操作气速应介于转变速度u l v 与u f d 之间。 t f 与u f d 的经验关联式如下： 括= 1 4 6 3 警警) 0 2 船( 矽dn 6 9 砰2 4 ( 2 1 4 ) g d l p g d p l、j 堑=068449d譬警洲2 舀d p 螂研3 4 4 p p s i、 式中，相关系数均为o 9 3 ，适用范围为g s = 0 - 2 0 0 k g ( m 2 s ) ，d p = 3 0 1 0 4 1 朋，成= 7 0 0 - , 3 1 6 0 k g m 3 ，d p = 0 0 3 - 4 ) 3 m 。 压降最小点的操作气速u p t 标志着密相气相输送与