应用于循环流化床锅炉气固流动和燃烧的CPFD数值模拟_张瑞卿

1、DOI: 10.13334/j.O258-8013.pcsee.2013.23.010第33卷第23期中国电机工程学报Vol 33 No 23 Aug 15. 20132013 年 8 月 15 FlProceedings of the CSEE©2013 Chin Soc for Elec Eng 75文章编号：0258-8013 (2013) 23-0075-09 中图分类号：TK 224 文献标志码：A 学科分类号：470-20应用于循环流化床锅炉气固流动和燃烧的CPFD数值模拟张瑞卿，杨海瑞，吕俊复(淸华大学热科学与动力工程教育部重点实脸室，北京市 海淀区100084)App

2、lication of CPFD Approach on Gas<solid Flow and Combustion in Industiial CFB BoilersZHANG Ruiqing, YANG Hamii. LU Junfu(Key Laboratory for Thennal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University,Haidian District, Beijing 100084, Cluna)71994-2016 China Academic Journal

3、Electronic Publishing House. All rights reserved. 71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ABSTRACT: This paper perfonned a systematic simulation research on gas-solid flow and coal combustion in an industrial circulatuig fluidized bed (CFB) boiler using a

4、commercial CPFD package Barracuda . Then, dynamic process including qualitative fluidization patterns and quantitative data in the ftimace from s:art-up to stabilization was obtained General and some unique charactensties of CFB gas*solid flow was well captured while detaled wear-intensive location

5、in furnace was identified The calculation results prove that application of a simplified combustion mechanism is efficient, and himace temperature profile and gas concentration distribution are consistent with actual measurement data Tins research presents a potential feasibility of applying the CPF

6、D simulation approach to predict multiphase flow and combustion in industnal scale CFBsKEY WORDS: circulating fluidized bed boiler, numencal simulation, gas-solid flow, coal combustion摘要：利用计畀颗粒流休力学(CPFD)商业软件Barracuda 对匸业循坏涼化床锅炉中的气固流动和燃烧过程进行了数 值模拟，通过模拟得到了炉腔从启动到稳定运行的动念变化 过札在气固流动方画,结果体现了循环流化床铜炉中炉内 颗粒的笹

7、休流动形态和特性，并准确预测出烧损的发工位 2 在燃烧方浙，计算结果证明采用简化的煤燃烧机制是合 理仃效的得到的炉腔温度分仙和气体成分分伤均巧实际测 试悄况吻合。验证利用CPFD F段预测循坏流化床中气固 流动和燃烧过程的潜力和可行性。关键调：循坏流化床锅炉:数值模拟:气山俩相流:煤燃烧&金项目：“卜二五”国家科技支棹讣划灿II (2O12BAAO2BO1)：门 9电/ “技项：l(BMCFB60KY10146)。Key Project of the National TwelftivFive Year Research Program of Chum (2012BAA02B01);

8、Research Pi囲ram of Banna Poxvei Station (BMCFB60KY10.146).0引言循环流化床(circulating fluidized bed, CFB)锅炉 技术作为清洁煤燃烧技术的核心方向之一，近年來 受到持续的关注。相比煤粉炉，循环流化床锅炉在 燃料适应性和环保性能方面I!仃显著的优势。而从 运行特点方而，循环流化床内部物料浓度较高，剧 烈的气固流动和热交换对维持循环流化床的低床 温运行至关匝耍。已有人帚学者利用冷态或者热态 实验台对循坏流化床中的气固流动特性进行了详 细的研究2】，同时一些在匸业锅炉上的测试结果也 不断发表134】。但是这些研究

9、都有着一定的局限性： 实验台研究在实验台尺寸和运行条件力而。实际 锅炉相差较人，所获得的关流动和传热方面的结 论往往不能育接用匸业实际，而工业测试虽然基 锅炉的真实运行状态，但是由测试难度较人和 测试条件限制,并不可能获得锅炉内全面的气固流 动情况和传热情况,同时由F商业知识产权保护, 研究结果常常受到限制而不能轻易公开。因此，以 计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD) 为基础的数值模拟技术，在近些年被很参学者用来 研究锅炉内部流动、传热和燃烧情况，由J：数值模 拟不乏一些八仃典型性的成功案例，因此已经成为 了 -种被广泛接受的研究手段。数值计算能够

10、弥补 实脸的不足Z处，如果与实脸硏究相配介，更加仃 利J：加深对循环流化床锅炉中的气固流动、传热和 燃烧过程的了解。近些年来CFD技术发展迅速，各种新型的商 业软件不断推出。在这个基础上，已经出现了很多71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第23期张瑞卿等：应用循坏流化床锅炉气同流动和燃烧的CPFD数值模拟79针対煤粉炉等燃烧设备进行的模拟丁作冋，但是真 匸fl刈循环流化床锅炉的三维模拟工作并不多刃。 如前所述，循环流化床锅炉中的物料浓度很高，炉 内的流动和反丿卫特

11、性依赖r系统中的气体和颗粒 z间的相耳作用，而在循环流化床锅炉中进行的测 试表明,炉内的气固流动具有较强的波动性，同时 也仃着显著的规律，是循环流化床锅炉故巫要的特 性z。如果要准确模拟循环流化床锅炉中的气固 流动和化学反应，就必须充分考虑气固两相之间、 固体颗粒之间以及固体颗粒和壁而之间的相互作 用。此外，为了能够适用JT：业尺度的计算，还必 须保证一定的数值计算效率。目前多数比较流行的 CFD计算商业软件的计算优勢在于纯气相流 动与传热的计算,而对高浓度气固两相流的计算不 足十分冇效，主耍表现在：没冇充分考虑气固两相 之间、固体颗粒之间以及固体颗粒和壁面之间的和 互作用；计算中气固两相的耦

12、合性弱，与真实两相 流令差异；对求解对彖中固体颗粒的浓度有限制： 数值计算效率偏低。为了满足匚业领域气固两相流 的数值计算要求，本文引入了 款专门针对工业领 域人尺度气固流动的新型商业软件Bairacuda作 为数值模拟的工n1(kl3,这一软件与传统的cro 商业软件的不同之处是肚J ： CPFD(conputational particle fluid dynamics)的计算方式来求解气固耦合 的流动问题。针对一台72MW的匚业示范CFB锅 炉°3闻的气固流动和燃烧过程进行了模拟，计* 用简化的燃烧反应，在边界条件的处理上完全还原 真实的炉膛运行情况。通过将数值计算结呆与实验

13、测试结果比较，验证将Barracuda商用软件推广 应用业循坏流化床锅炉设计和预测的可行性。1数值计算方法Bairacuda是一款比较成熟的、专门针对工业 领域的人尺度气固流动模拟的商业软件，已经有一 些研究者利用这一软件对锅炉哄至化反应器中 的气固流动特性进行了模拟，并J1获紂了介理的预 测结果呻現不同丁常规意义的CFD计算， Barracuda®是一种CPFD概念的数值计算软件，所 谓CPFD方法，从本质上是一种基J： MP-PIC (multiphase particle-in-cell)方式的数值计算方法,能 够有效解决流体和人磺颗粒在三维空间内的耦合 计算问题。MP-PIC

14、方法址早lb Andrews1习和 Snide®等人捉出，该方法故鲜明的特点是能够在 三维空间内耦介求解颗粒和流体的动届方程，K 中，流体相利用Eulenan方法处理，动届方程用 Navier-Stokes方程表示，而颗粒相则用Lagrangian 方法处理并与流体相方程相耦合。在CPFD计算中， 所用到的数值计算颗粒并不是物理意义上的颗粒， 血是由一定数量的八仃相同性质(成分、尺寸、密度 和温度等)的颗粒纽成的颗粒群，经过这样的处理， 就可以将金冇数以亿计颗粒的气固系统，例如循环 流化床，简化为仅含有数以百力计颗粒的系统，同 时仍然能够很好地利用N1P-PIC方法中対颗粒相的 处理

15、方式。通过这样的计算模式，就能够做到卩71： 对任何固体颗粒实现全尺寸分布的模拟；在一次il 算中实现颗粒浓度从很稀到紧密堆积的模拟，而无 需事先确定颗粒浓度范国；紂到颗粒的质届、动届, 传热、磨损等完整的Lagrangian意义卜的信息：模 拟颗粒数杲超过10”的气固系统。这样就为快速准 确捕捉循坏流化床中气尚流动的动态特点提供了 可行的手段。计算模型中涉及的主耍控制方程，对J气固两 相流垢+ q“(1)式中：外为颗粒相的体积分数：&为气相的体积分 数。两相流中气相连续方程任相间传质)为+o(2)式中：QF为气相密度：琳为气相速度。气相动彊方 程为8印“ +©咛)=_丄些_

16、J_F+qg+丄D (3)&Pr PtPi式中：P为气相压力：F为气相宏观应力张吊二r 为单位体积内气相和颗粒相的动駅交换率。颗粒相 的动鼠方程表示为器7(吩如旷(4)式屮：心为颗粒速度：Qp颗粒密度：心为颗粒法向 应力。以上公式表征了在空气动力学曳力，压力梯 度，重力和颗粒间的法向应力梯度的共同作用下产 生的加速度。其屮，相间曳力系数q为(5)式屮Cd山Wen-Yu模型冈确定04& V 1000 Cd 二京(1 + 0 1 5尺严7 膚.65&21000 q = 0 55严(6)(8)*式中：虫为流体黏度；厂p为颗粒半径。颗粒间碰撞 则利用颗粒法向应力模型(9)max

17、(&cp-钻),£(1 - g)式中：几为材料参数；2W0S5为模熨自冇参数1刃; &P为颗粒紧密堆积时的体积分数；&则是为了消除 模型求解中的奇异点而构造的小鼠均。流体与壁iftlZM的对流换热系数由式(10)确定 h = Q_Qh+fh(10)式中:川为稀相换热系数:九为颗粒相换热系数; fi为壁面被颗粒相覆盖的时均比例，以上各项分别 由相应的无量纲数关联式确定E 业二酗=0 546胡+ 3.66(11)(12)-= = 0 525?75(13)7d=l-e %颗粒和'(体Z间的对流换热系数口为迢=叫= 0 37喝"+0.1(14)(15

18、)(16)2计算对象建立Chatha m锅炉勾是一台早期的示范性CFB锅 炉，满负荷运行时的容最人约为72MW,蒸汽流最 为95 315kg/h,蒸汽温度和压力分别为6205kPa和 496 *Co炉膛高度23.6m，底部10m为圜形截面， XI径3 15m,壁而为耐火材料，10m以上部分为方 形截面(3.96mx 3 96m),壁面由水冷壁构成。燃料、 石灰石和空气入I I均布置在卜部圆形截面区。由J- 该测试的各项测试数据相对比较详细，同时炉腌结 构具有很明昭的特征，因此很适合将此次测试作为 数值模拟的对彖。衣1给出了实验时所燃用的Minto表1实验所用Minto煤成分分析Tab. 1 T

19、ypical analysis of IVlinto coal水分/%灰分挥发分/%爲位热他(kJ/kg)521304425900呎 C)/%理(H)/%>v(S)Z%w(N)/%w(O)%6043g071煤的工业分析和元素分析结果。根据Chatliam锅炉的丿念本参数，Barracuda 中建立了 3D计算模型,图1给出了模拟对象的结 构示意图和相应位置的边界条件。边界条件根据在 Chatham锅炉进行的热态测试时的相应参数确定： 炉腌卜.部方形截面区域由水冷壁构成，因此在计算 中将此区域设定为等温墙，温度恒定为377 C,发 射率为0 5, |何炉膛卜部则假定为绝热墙。一次风 (9

20、32kg/s, 176 °C)从底部进入，二次风(17.8kg/s, 176°C)从位前墙的两个斜槽中通入，來门分离器 的循环物料(385.5kg/s, 827C)进I I位J：分离器一 侧的后墙卜方，同时还有部分返料风(1 04kg/s, 827 °C)随Z进入炉膛，煤(2 981莎，48 7 0利石灰 石(1.32kg/s, 48 7 °C)进I 1位右墙处的两个给料斜 槽，同时进入的还仃定駅的播煤流化风(1.89kg/s, 487 ), Chatham锅炉配备仃外置流化床换热器 (FBHE),从FBHE返I叫炉腔的循环物料(190 4kg/s, 6

21、27 °C)和流化风(3.45kg/s, 627 °C)从左墙卜方的I 1 进入。图2给出了煤、石灰石及循坏灰的粒径分布。煤和右尿右Z分离祸 r循环灰入外黃换热床循环灰一次风图1模拟对彖和边界条件示意图Fig. 1 Modeling domain and boundary conditions考虑到本文模拟的重点在j:整个炉膛范围的 总包反应情况，同时为了提高计算效率，对煤燃烧 的过程进行了简化，简化后的机制如卜表所示，氏 中挥发份析出和燃烧过程被等价为挥发份的分解 和此后相应产物的氧化过程。对H固两相流,颗粒相在流动中起主导作O:1<颐忙柑micronS060如加1

22、0J 10*图2 Chatham锅炉固体颗粒的粒径分布Fig. 2 Particle size distribution of Chatham CFB boiler 用，同时颗粒相的存在搅乱了气体边界层的形成， 因此所使用的网格并不需要太细。如前所述，对 Bairacuda所利用的CPFD数值计算方法，计算颗 粒数目远远小J：实际系统屮的颗粒数目,人人提高 了计算效率。本研究屮整个模型网格数U约为70, 000,计算时间步K设定为106,此步氏盂耍与化 学反应的速率相匹配,如果过小会导致计算效率F 降，而过人则导致部分网格出现单步长内超温的错 误。整个模型在4核处理器上单机运行,模型计算 60

23、s的动态过程人约石婆CPU时间60ho0204060模型运行时n必图3炉膛内床存星在0-60 s的变化曲线Fig. 3 Bed inventory profile in 0-60 s稳态参考时间段o OO 52 1M50二一岂初始情况卜，物料被设定堆枳在炉膛底部，计 算开始后，一次风二次风进入，床料开始流化，不 断冇床料从出I 1离开，同时冇物料从底部补充进 来，最后达到动态平衡。图3和图4分别给出了计 250204060图4不同高截面固体流屋的变化曲线Fig. 4 Solid mass flow rate at different elevations稳态参考时间段聖°)五建*L&

24、#163;算区间内床存磺的变化和距布风板不同高度处的 固体流武变化。从气固流动情况可以看出，30S后 床存昴波动并不大，同时固体流帚也趋稳定，综 合以上I大1索，特别选取4360s这一段时间作为参 考时间段，本文结果分析部分所涉及的*均值就是 « J这段时间内相应物理屋的时均值。3模拟结果与讨论3.1气固两相流动在循环流化床锅炉屮，炉内的气固流动对传热 及锅炉的整体运行至关重耍，图5所示为计算模空 稳定运行到60s时，炉膛内部颗粒的流动和分布情 况，由分辨率的原因，比中的颗粒人小显示与实 际炉膛何所差别。从图屮町以看出，在炉腌内部气 固流动稳定后，底部心在一个明显的能够维持一定 高度

25、i>3m）的密相区，这与实际炉膛屮的密相区舟 度相近。随看炉膛高度的增加，物料浓度逐渐降低, 呈显著的衰减趋势，在出II附近，物料浓度达到最 低，并且人多数是粒径较小的颗粒。图5 60s时的炉膛内部颗粒浓度分布Fig. 5 Solid volume fraction distribution in furnace at 60s 同时发现,在布风板上部10m处的圆形截面 和方形截面转换区,物料浓度较高并形成了一定的 堆枳，从模拟的动态结果町以看出，这一区域附近, 人駅堆积颗粒沿壁而I、降，同时又仃人届固体颗粒 匝新堆积在此处，结果此处长期受到物料的冲刷， 在实际运行中的结果必然是磨损严也

26、从Chatham 锅炉运行的状况看，该处确实存在很人程度的辭损 状况，这也是该炉型这种截血转换的型式在后期发 展中被逐步放弃的原因另一个值得引起注意的地方就是在分离器出丨丨卜方壁而附近也存在与 上述区域类似的较高浓度的物料堆积，并受到物料 的冲刷，在实际运行中也会引起磨损，快至影响到 附近水冷壁的安全运行。通过対模型运行动态过程 的进一步观察，发现炉膛中部存在强烈的上升流， 而边壁区则在明显的I、降流，这一点还会在后面 作更加详细的分析。因此,数值计算结果很好地反 映了循环流化床锅炉内的气固流动形态，并且可能 预测出炉内容易出现磨损的位置。进一步分析炉内气体的斥力分布状况，如图6 所示,是计算

27、模型稳定运行至60s时的炉内压力分 布图，如果将模拟数据与实际测试数据比较，如 图7所示，可以看出，相比实验测试值，模拟的结 呆高实际测试值，但是二昔的总体分布趋势一 致，如果考虑从布风板匕方1m处到炉膛出I I这段 的床降，实验测试人约为6 5 kPa,模拟结果为 7 0kPa,对以说从炉膛内部的斥降也即床心駁上证p/kPa1412140图6 60s时的炉膛气体压力分布S10Fig. 6 Gas pressuie contoui* in tlie furnace at 60s图7炉膛内部压降曲线的实验值和计算值比较Fig. 7 Measured vs predicted pressure p

28、rofile along the furnace heigjlit明数值计算的结果是介理的，很好地捕捉到了炉内 的物料存昴特征。在Chatham锅炉侧墙的不同鬲度处（11 3、187、 22.5m）分别布置了测点，在实际测试中，在相应高 度处，通过这吐测心对距侧墙不同深度处的颗粒流 率、炉膛温度进行了测试，由于第3以测（22 5m） 接近炉腔出II,受到流动的不均匀性影响，测试数 据波动比较大，因此在后而的分析屮，主耍以11 3m （、2、3）和18 7m（4、5、6）处的测试结果作为比较 的基础。此外，由气固流动在时间匕和空间上波 动，所以在数据处理和分析时，将同一岛度处3个 测点的数值平均

29、，得到相应测试吊在该高度处沿Y 方向炉膛屮心线上的分布曲线，这样的处理方式在 一定程度上消除了数据的随机性，使得比较更具冇 典熨意义。图8给出了 11 3和18.7m平面上沿Y 方向的平均颗粒流率分布，同时还给出了相应平面 上的固体颗粒流鼠的测帚值和计算值。在实验测试 时，分别对屮心向上和边壁向卜的颗粒循坏流率进 行了测试，图8中的实验结果是二者叠加的结呆, 由J：上升流和卜降流是分开测鼠的，因此测吊数据 存在不连续的情况。从图8中可见，在11.3m平而 匕，实验测试结果和计算结果均表明，颗粒流率在 炉膛屮心达到峰值，从中心向炉墙方向，颗粒流率4000602020<1 模拟结果实验綃果t

30、ttfiiT均同体颗風涼如 % 540kg/s 模拟給果：547.8kg/s01234距左(a) H-ll 3m140模拟结果100实验结果60/ 20- 哉曲平均同体颖粒漁虽-20实验结果：599kg/s模拟结果：553.2kg/s-6001234亦方墙护离/m(b) Hs 18.7 m图8沿y方向的平均颗粒流率分布Fig. S Averaged solid mass flux profile along Y direction71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

31、 hllp:/ki.nelso中国电机工程学报第33卷仃减小的趋势，当逐渐接近地面时，向卜的颗粒流 率开始增加，即出现了边唯卜降流。从统计结果可 以看出，格个平面上的固体颗粒流駅的测试结果和 计算结果极实接近，差距不到2%。在187m的平 面上,原始测试数据并没有出现中间存在一个峰值 的状况，但在边壁则探测到了卜降流，在这个平面 上，3个探测II得到的数据并不如探测1丨1、2、3 那样仃规律，原始数据沿了方向呈现波动的趋势， 这一点与计算结果并不是完全吻介，但是如果比较 整个'卜面上的固体颗粒流昴，则会发现二者相差不 到10%,所以计算结果还是合理的，出现较人偏离 的原W很能是山测讯时

32、和计算时均心在的波动 谋羞造成的。所以数值计算结果对反映炉内固体 流最分布还是有一定的可靠性。从固体床料质最流率的测吊和计算中都发现 J边壁流的存在，按照循坏流化床锅炉的运行经 验，边壁处的物料浓度会出现一个局部的峰值，但 是在实验中，物料浓度使用压力传感器进彳J：测试， 因此只能反映-段高度上的平均物料浓度。考虑以 上的针对CFB锅炉的计算，可以看出在气固流动方 ffil Barracuda叫 即CPFD模拟已经冇比较可靠的预 测结果，因此可以参考数值计算结果来了解边壁附 近的物料浓度分布情况。图9所示为11.3和18.7m距左墻距离/m(b)18.7 mFig. 9图9沿y方向的平均物料浓

33、度分布Averaged solid suspension density profile along Ydirection处沿了方向的平均物料浓度分布。从图9中可见， 在2个平而上，第近边壁的地方，固体物料浓度都 有一个明显的上升趋势，在炉膛高度较低处 (11 3m),由中心上升流的存在，I大I此尚体物料浓 度在炉膛中心区出现了一个峰值。当高度增加至 18.7m时，已经接近出L1和炉顶,受到端口效应的 影响,上升流的作用会被削弱,由此使得中心区的 浓度并没有出现明显的峰值。3.2炉膛温度和燃烧气体组分如前所述，CFB锅炉屮的气固流动对燃烧和 传热都询着咆耍的影响，英至是决定作用。按照前 面一节

34、所述,在Bairacuda +，计算气固流场的 同时耦合了化学反应，以实现对在人磺颗粒作用F 的煤燃烧过程的模拟，这样在获紂气固流场的同时 就能够获得炉内的温度场以及烟气屮气体组分的 人致分布情况。盂耍指出的是，为了提高计算效率, 对煤燃烧过程进行了简化，同时在炉膛内部布置了 一定杲的受热面，以保证计算时炉内的热平衡，A 体内容4参考前面章节。这里将详细讨论温度场和 气体组分分布情况。图10 60$炉膛内气体温度分布Fig. 10 Distribution of gas temperature at 60s图10给出了模型稳定运行至60s时的炉膛内 气体温度的分布情况。炉膛卜部虽然仃低温的一次

35、 风进入，但宙丁仃人鼠來门分离器和FBHE的高温 物料输入，气体温度上升很快：而在后墙处冇二次 风进入，出现了局部温度较低的情况，虽然在炉膛 上部温度趋均匀，但是仍然町以看出，靠近后墙 的流体温度稍低。在煤进I丨附近出现了温度高J： 850 °C的区域，这一点是很好理解的：煤颗粒进入71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. hUp:wwwcnki.nel第23期张瑞卿等：应用循环流化床锅炉气同流动和燃烧的CPFD数值模拟81反应反应方程式1.挥发分分解Vola

36、tile ->0.457 lC<g>+0 1229H：+0.142 8HjO +0 028 60)+0 O2N3+O 22S 6S<g>但由二次风速较高IL通入位置不佳，与炉内气体表2简化后的煤燃烧反应Tab. 2 Simplified coal combustion mechanism”（态C氧化C%>+0.5O?tCO3 Hi氧化H3+0 56tH】04气态S氧化SvgA+OjTSO?5. IN态C氧化Cva+OQtCO6 8氧化CO+OQtCOj7. IN态C “化C +COj T 2CO8国杰C气化C<s>+H3O->H2+CO更左

37、墻距阐m(a) H« 11 3m1.10.9模拟结果实验结果图12 60s炉膛内主要气体组分浓度分布Fig. 12 Gas concentration contour in the furnace at 60s 的横向混介并不是很好，造成二次风给入11所在的 后墙氧气浓度较高,同时气体温度较低（图11）.这炉膛后迅速受热，导致人駁挥发份析出，煤颗粒迅 速燃烧，使得局部温度急剧升鬲。而在炉旎出I I处, 如前所述，由J：何大竜颗粒沉积，造成局部温度较 高，这可能会影响到该处水冷壁的安全性。图11 比较了 11 3和18 7m平面上沿了方向的7体温度 分布。计算结果与测晟结果相差不超过5

38、0C,谋 差人约为5%左右，可以说计算结来对J炉内热鼠 分布和热平衡也冇若一定的预测能力。在同一高度 上的温度沿厂方向分布较为均匀，在接近唯面的地 方，由F布置有吸热面，因此温度比中心区稍低。0.70.5 01234距左最汗旳m（b） W= 18.7 m图ii沿y方向的流体温度分布Fig. 11 Furnace temperature distribution along Ydirection考虑到本文主要希壑验证这一模拟手段对j: II业尺度CFB锅炉的整体预测能力，为了提尚计算 效率，算中使用了表2中的简化燃烧机制，这 与炉膛内实际燃烧过程虽然仃差别，但足从炉内的 温度场分布可以看出，这-

39、简化机制保证了对炉内 热平衡的正确预测，因此是可以接受的。图12给 出了模型稳定运行至60s时炉内O?和CO?的分布 情况。炉内的CO?除了少部分來自一次风、二次风 和流化风外，主耍是由煤燃烧产生的。在炉膛底部 密相区，人磺煤在这里燃烧，因此产生了一个02 浓度较低而CO?浓度较鬲的区域，沿炉膛高度方向 向上，由二次风的给入，O?浓度再次出现推值.71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. hup:/kine(第23期张瑞卿等：应用循环流化床锅炉气同流动和燃烧的CPFD数

40、值模拟83赴态参考时间段Ch'co一影响一直持续到了出丨I处，可以看到出| I处的气 体组分分布并不很均匀。如果监测出【I处主耍烟气 成分的浓度（图13）,可以得到出I I处0?和C0?的 浓度与理论上完全燃烧时的浓度有偏差，即0?浓 度偏理论值较人，而C02偏理论值较小（表3）,同 时存在一泄浓度的屮间产物CO,也即炉内的煤燃 烧并没有进行完全。这-点可以由二次风的注入方 式解释，二次风II的设置使得二次风的射入深度不 足以达到完全燃烧的要求。二次风虽然射入速度较 高，进入炉膛后，流动始终偏向后墙，这种趋势一 致发展至出I I附近，使得部分二次风并不能完全参 与燃烧，瑕终造成出I I

41、处的氧浓度不能达到理论耍 求。这一点在锅炉的实际运行中也得到了验证。在 实验测量中就发现,02和C02在一定高度（113、 18 7m）处的分布存在较人的横向偏差。这也从一个 侧面再次证明r本文所用的数值模拟方法対预 测I业CFB锅炉的流动和燃烧过程比较有效，可以 推广应用/更多甚至大尺度工业CFB锅炉的预测 和设计中。0.25CO015p 0 05-0.050204060模型运行时间图13炉膛出口主要烟气成分0-60s的变化曲线Fig. 13 Gas conceittiation at the outlet in 0-60 s表3岀口处主要气体成分的质塑分数Tab. 3 Gas mass f

42、raction at the outlet气体数值计算结果理论值偏差Ch6 305 0725co.160718 27124结论本文利用商业软件Bairacuda Xj一台72MW 的匚业示范CFB锅炉进行了全面的模拟，建龙了炉 膛的3D模梨，得到了其屮气固流动和燃烧从启动 到稳泄运行的动态结果。在气固流动方面，通过数 值计算得到了炉内颗粒的整体流动形态并准确预 测出了磨损的发生位置，此外还捕捉到了 CFB中广 泛存在的边壁卜降流，同时炉腔内部的床存灵水平 也与实际测试结果吻介。在燃烧方而，结果证明采 用简化的煤燃烧机制是介理冇效的，得到的炉膛温 度分布和气体成分分布均与实际测试情况吻介。从 本

43、文的研究町以看出，CPFD手段对J-CFB锅炉这 样含有人磺颗粒的气尚两相流系统有比较强的预 测能力，町以广泛应丿U J对工业尺度CFB锅炉的模 拟，为锅炉的设计和调试提供指导。参考文献1 胡南，王顾，姚応，等.38m/54m高循环流化床床内 流体动力特性研究J.中国电机丁程学报，2009, 29(26)： 7-12.Hu Nan. Wang Wei Yao Xuan. et al Study on gas-solids flow properties in the 38 m/54 m nser of arculating fluidized bedJ. Proceedings of the

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57、n engineenng. 2nd editionM. Newtont MA： Butterworth-Heinemaxint 1991： 268-271 收稿日期：2012.1bl0o作者简介：张瑞卿(1986),男，博士研究生，现卞 耍从事循坏流化床锅炉流动和传热的相关 zrqjsinghual26 com：杨海瑞(1972),男.博匕 制教授.主张瑞卿要从灯循环流化床锅炉燃煤技术的相关研究，yhrmail tsinghua edu cn«(责任编辑王庆贯)71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. hup:kinel第23期张瑞卿等：应用循环流化床锅炉气同流动和燃烧的CPFD数值模拟#71994-201