循環(huán)流化床(CFB)技術(shù)是一種清潔燃燒技術(shù)，其爐膛內(nèi)有明顯的密相區(qū)和稀相區(qū)，密相區(qū)存在大量處于流態(tài)化的物料，攜帶大量固體顆粒的煙氣經(jīng)由爐膛出口進(jìn)入過旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，固體顆?；氐綘t膛進(jìn)行循環(huán)燃燒，氣體進(jìn)入尾部煙道。CFB鍋爐具有燃燒效率高，燃料適應(yīng)性廣，低溫燃燒，NOx生成量少，可進(jìn)行低成本的爐內(nèi)脫硫等優(yōu)點(diǎn) 。為了提高循環(huán)流化床鍋爐的效率，大型化和超臨界是大勢所趨，但CFB鍋爐的大型化并不是簡單的幾何放大，很多配套的設(shè)備都需要重新設(shè)計(jì)或改進(jìn)，在這個(gè)過程中，出現(xiàn)了諸如雙布風(fēng)板的翻床、多分離器循環(huán)物料分配不均、二次風(fēng)穿透深度不夠、受熱面熱流分布等許多問題，國內(nèi)外單位對(duì)此也進(jìn)行了許多研究，例如清華大學(xué)設(shè)計(jì)的單布風(fēng)板、四旋風(fēng)筒、無外置床以及鋸齒形水冷壁的簡約型600MW超超臨界CFB鍋爐，華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院設(shè)計(jì)的單爐膛、四旋風(fēng)筒“H型”布置的700度350MW的超超臨界CFB鍋爐等。隨著旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)增多，并且由單側(cè)”M型”布置改為兩側(cè)并行布置，爐膛出口的物料分配變得不均勻，國內(nèi)外許多研究人員通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的手段研究后都證實(shí)了這種不均勻性。循環(huán)物料分配不均勻會(huì)使分離器工作偏離設(shè)計(jì)工況，可能引起分離效率下降，飛灰含碳量升高，而且流量偏大的旋風(fēng)分離器磨損更加嚴(yán)重。此外，不同的分離器返回爐膛的物料量不同，會(huì)引起爐膛內(nèi)氣固流場以及溫度場的不均勻。因此循環(huán)流化床多旋風(fēng)分離器并列布置導(dǎo)致的流量分配不均問題，在循環(huán)流化床的大型化過程中亟待解決。

1 模擬概況

1.1 鍋爐介紹

本次數(shù)值模擬基于某660MW超臨界CFB鍋爐的實(shí)際尺寸構(gòu)建模型。鍋爐共有6個(gè)旋風(fēng)分離器，呈“H型”中心對(duì)稱方式，并列布置在鍋爐兩側(cè)。爐膛下部采用雙褲衩腿結(jié)構(gòu)，有兩排外二次風(fēng)口，共20個(gè)，距離布風(fēng)板高度為5.4m;四排內(nèi)二次風(fēng)口，共40個(gè)，上下各兩排，每排10個(gè)，上排距離布風(fēng)板高度5.4m，下排距離布風(fēng)板高度2.5m。

1.2 鍋爐幾何模型和網(wǎng)格劃分

爐膛褲衩腿密相區(qū)采用四面體網(wǎng)格，稀相區(qū)采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，爐膛出口進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。

圖1是鍋爐整體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分情況示意圖。

1.3 邊界條件

氣相采用速度入口邊界條件，二次風(fēng)率0.6，一次風(fēng)速5m/s。爐膛出口采用outflow邊界條件。顆粒采用patch方法設(shè)定初始堆積高度2m和體積分?jǐn)?shù)0.6。壁面采用默認(rèn)設(shè)置，碰撞恢復(fù)系數(shù)選0.9。

1.4 計(jì)算模型設(shè)置

本次計(jì)算采用歐拉雙流體模型，將氣體和顆粒看做一種擬流體并且在空間連續(xù)分布。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，氣固曳力模型采用Gidaspow，無能量方程。顆粒粒徑0.2mm，密度2600kg/m3，粘度1.02e-3m2/s。計(jì)算為非穩(wěn)態(tài)、壓力基。物料循環(huán)采用外循環(huán)UDF。

1.5 分離器布置方案

對(duì)爐膛的6個(gè)出口定義為：在圖2至圖5的俯視圖中，從左向右，下邊的3個(gè)為 a，b，c出口，上邊的3個(gè)為d，e，f 出口。初始設(shè)計(jì)方案下，6個(gè)分離器中心對(duì)稱布置，如圖2所示，稱之為方案1。圖3～圖5分別為另外3種可能的方案。方案2是軸對(duì)稱方案;方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，將中間的分離器向x負(fù)方向平移1.5m;方案4是在方案2的基礎(chǔ)上，將四角的分離器向中間平移1.5m。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 爐膛出口流量最大偏差

定義爐膛各出口中，顆粒流量最大和最小的出口，其顆粒流量百分比之差為爐膛出口顆粒流量最大偏差(以下簡稱“最大偏差”)。

由于模擬的過程是非穩(wěn)態(tài)過程，只分析一個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)有較大隨機(jī)性，故本文嘗試對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)方法處理。

對(duì)上述4種方案進(jìn)行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，時(shí)間達(dá)到20s時(shí)，6個(gè)出口煙窗的總流量基本穩(wěn)定。因此從20s開始，每隔5s采樣一次，到100s模擬結(jié)束為止，每種方案取樣17組數(shù)據(jù)。對(duì)每種方案的17個(gè)不同時(shí)刻的最大偏差進(jìn)行如下操作：

(1)求均值;

(2)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的最大偏差與均值的差并取絕對(duì)值;

(3)剔除(2)中最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

將上述步驟進(jìn)行3次，剔除3個(gè)誤差最大的點(diǎn)，最終得到14個(gè)不同時(shí)刻的最大偏差。

圖6～圖9分別為4種方案剔除誤差最大的3個(gè)點(diǎn)后的偏差散點(diǎn)圖。

對(duì)每種方案的14個(gè)值求平均值，并將此平均值作為每種方案的最大偏差。最終計(jì)算得到的結(jié)果如表1所示?？芍诜桨?的布置方式下，6個(gè)分離器的分布相對(duì)更加均勻，中間的分離器與其兩側(cè)的分離器的間距很接近，出口顆粒流量最均勻。

2.2 爐膛出口顆粒濃度分布

圖10～圖13分別是某時(shí)刻4種方案在Z=45m截面的顆粒濃度分布。

4種方案有一個(gè)共同點(diǎn)，即大量顆粒聚集在分離器入口爐膛內(nèi)壁面附近，而爐膛中心的顆粒濃度較小，這是因?yàn)樵跔t膛出口附近，煙氣發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)分成6股，水平進(jìn)入旋風(fēng)分離器，大量細(xì)顆粒直接隨煙氣進(jìn)入分離器，部分較重的顆粒碰撞爐頂后仍會(huì)進(jìn)入分離器，少量較重顆粒在碰撞后會(huì)隨爐膛內(nèi)循環(huán)貼壁落回密相區(qū)。

另外，四角的4個(gè)分離器入口煙道的顆粒主要分布在煙道的直邊側(cè)，而直邊和分離器側(cè)面是相切的，這對(duì)通過離心力增大顆粒和分離器內(nèi)壁的摩擦力，減小顆粒速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的捕捉的原理工作的旋風(fēng)分離器而言，是有利的。而對(duì)于出口b和出口e對(duì)應(yīng)的分離器入口，斜邊側(cè)的顆粒濃度更大，這對(duì)分離器的工作不利。

這樣的情況會(huì)造成四角的分離器和中間的分離器流量相差較大。

2.3 爐膛各出口顆粒流量統(tǒng)計(jì)

圖14和圖15分別是4種方案下，爐膛各出口的顆粒流量百分比。觀察發(fā)現(xiàn)，在4種方案下，每側(cè)的3個(gè)出口中，中間的出口的流量少于兩邊的。這是因?yàn)橹虚g的出口(b和e)對(duì)應(yīng)工作條件不利的兩個(gè)分離器，分離效率較低。這與2.2中對(duì)圖10到圖13的分析結(jié)果是一致的。

對(duì)比4種方案發(fā)現(xiàn)，方案2和方案4有流量明顯偏高的出口，分別是出口f和出口c。方案1和方案3中的6個(gè)出口流量更均勻。

3 結(jié)論

本文利用Fluent軟件對(duì)660MW超臨界CFB鍋爐的4種不同的分離器布置方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。4種方案分別是：初始設(shè)計(jì)方案(方案1);分離器軸對(duì)稱布置(方案2);中間的分離器向x負(fù)向平移1.5m(方案3);四角的分離器向中間平移1.5m(方案4)。

(1)本文使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，盡量減小了非穩(wěn)態(tài)過程帶來的隨機(jī)性。最終通過計(jì)算最大偏差，得到了出口流量分布更加均勻的方案3。

(2)觀察爐膛出口顆粒濃度分布發(fā)現(xiàn)，四角的分離器入口煙道顆粒主要分布在煙道的直邊側(cè)，這對(duì)旋風(fēng)分離器的工作是有利的。而每側(cè)中間的分離器則相反，工作條件不利。這會(huì)造成中間的分離器的流量少于四角的分離器的流量。

(3)通過統(tǒng)計(jì)不同方案下爐膛六出口的顆粒流量，發(fā)現(xiàn)六分離器并行布置時(shí)，爐膛同側(cè)的3個(gè)出口中，中間的出口顆粒流量小于兩邊的出口，這與結(jié)論2是一致的。

文獻(xiàn)信息

趙曉山,趙立正,帥志昂,孫保民. 660MW超臨界CFB鍋爐分離器流量分配研究[J]. 電站系統(tǒng)工程,2017,33(01):1-4.

原標(biāo)題:660MW超臨界CFB鍋爐分離器流量分配研究