不同返料偏差下大型CFB锅炉炉内颗粒浓度分布特性的数值模拟

循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)具有燃烧效率高、污染物排放低、适合低品质燃料等特点，正向更高参数、更大容量、更低排放的方向发展。我国循环流化床技术发展从由国外引进300MW CFB锅炉技术到形成自主型300MW再到600MW超临界CFB锅炉技术，实现了大型CFB锅炉技术的从追赶到超越。近年来，随着燃煤锅炉污染排放标准的日益趋严，以及电网接入可再生能源发电机组的不断增加，对大型CFB锅炉的燃烧均匀性和调峰性能提出更高要求。

目前国内外学者对于多分离器并联时的颗粒流率不均匀分布规律存在不同的看法，影响分离器入口循环灰量分布的因素尚未有统一定论，且这种分布规律引起的返料偏差是否会加剧炉内气固流动的不均匀性同样未见报道。因此，本文以一台300MW亚临界CFB锅炉为研究对象，结合实炉测量参数与运行参数，采用数值模拟手段，系统研究了不同返料偏差对炉内颗粒浓度分布的影响以及对炉膛出口颗粒质量流率分配均匀性的影响，研究结果能够为大型CFB锅炉燃烧均匀性优化与结构设计提供重要参考。

（1）模型建立和求解方法

图1  300MW CFB 锅炉炉膛结构及网格图 

该300MW CFB锅炉炉膛结构及网格模型如图1所示，采用欧拉-拉格朗日方法耦合求解流体和颗粒的三维运动，其中流体使用Navier-Stokes方程描述，湍流模型选择大涡模型，颗粒相使用MP-PIC数值方法计算，并通过颗粒和流体之间的曳力耦合气固两相之间的相互作用力，曳力模型选用EMMS模型。前期的实炉测试结果表明该锅炉的一、二次风基本均匀，因此模拟计算时一、二次风也均匀设置，定义各返料口返料量占总返料量百分比为W_i，下标i表示返料口位置，返料偏差定义为B1、B2返料口返料量百分比之和W_B1+W_B2与A1、A2返料量百分比之和W_A1+W_A2的差值，如式（1）所示。

不同工况下返料偏差及各返料口返料量百分比分配如表1所示，同一工况下A与C返料口的返料量相等，同分离器对应的两返料口之间的返料量相等，不同工况下的返料总量相等。

表1  不同工况下各返料口返料量百分比分配

（2）均匀性评价指标

定义相对偏差DEV为同一位置处所有返料偏差工况中颗粒浓度的极差与所有偏差工况颗粒浓度均值的比值，来表征同一位置所有返料偏差下颗粒浓度的变化范围：

式中：f_s(i)为该位置不同返料偏差工况的颗粒浓度；为该位置所有偏差工况下颗粒浓度的平均值。

颗粒浓度分布的标准差定义为：

  (3) 式中：f_s为炉膛各个区域的颗粒浓度；为该区域颗粒浓度的平均值。

由于不同高度处颗粒浓度的平均值不同，不同高度的颗粒浓度标准差无法比较，因此本文利用相对标准偏差RSD对颗粒浓度的离散程度进行分析，计算公式为：

相对标准偏差RSD反应数据的离散度，能很好的评价颗粒浓度分布的均匀性效果。颗粒浓度分布的相对标准偏差值越大说明离散度越大，气固流动均匀性越差。

（3）数值模拟结果

整体上来讲，返料偏差的存在并没有改变颗粒浓度在炉膛高度方向上的“上稀下浓”分布，如图2所示。在布风板1m以下，不同返料偏差下颗粒浓度的最大相对偏差为4.19%，平均相对偏差3.20%，距布风板1.5-2m高度处最大相对偏差为17.60%，在上层二次风口到炉膛出口间，最大相对偏差为6.84%，平均相对偏差4.09%。

图2  不同返料偏差下颗粒浓度的轴向分布 

分析返料偏差对宽度和深度方向上的颗粒浓度分布的影响，如图3、4所示。当返料偏差在±30%的范围内波动，不同高度下沿深度方向上颗粒浓度的最大相对偏差为9.13%，平均相对偏差在4.12%~6.54%之间，宽度方向上不同返料偏差下颗粒浓度的相对偏差要稍大一些，最大相对偏差达到13.78%，平均相对偏差在4.60%~7.20%之间。总体上而言，返料偏差对深度和宽度方向上颗粒浓度以及颗粒浓度分布的影响在上二次风口以上区域较小。

图3  沿炉膛深度方向的颗粒浓度相对偏差

图4  沿炉膛宽度方向的颗粒浓度相对偏差

不同返料偏差下，炉膛出口的颗粒质量流量百分比如图5所示，随着返料偏差从+28%变化到-29%，中间2个返料口的返料量逐渐减少，炉膛两侧4个返料口的返料量逐渐增加，但对应出口的颗粒流率百分比没有随返料量同步变化；并且当返料偏差在±30%以内变化时，炉膛各出口颗粒质量流率百分比变化在±1.60%之间，这说明外循环回路的返料偏差不是造成炉膛出口物料分配不均匀的主要因素，认为主要因素与悬吊屏以及炉膛出口结构的布置形式有关。

图5 不同返料偏差下炉膛各出口颗粒质量流率百分比 

本文研究返料分布对大型CFB锅炉气固流动均匀性的影响，详细分析了不同返料偏差下大空间炉膛内的颗粒浓度分布规律，得出以下结论：

1）返料偏差对炉膛轴向颗粒浓度分布的影响主要集中在返料口高度附近，不同工况下二次风口以上颗粒浓度的平均相对偏差为4.09%，返料偏差对炉膛上部的气固浓度影响较小；

2）返料偏差对深度、宽度方向颗粒分布的影响在到达上层二次风口时几乎已被消除，在二次风口以上区域，不同工况下深度方向颗粒浓度的截面平均相对偏差为4.12%~6.54%，宽度方向颗粒浓度的截面平均相对偏差为4.60%~7.20%，返料偏差对深度和宽度方向上的颗粒浓度以及颗粒浓度分布影响较小；

3）当返料偏差在±30%以内变化时，炉膛各出口颗粒质量流率百分比变化在±1.60%之间，说明外循环回路的返料偏差不是造成炉膛出口物料分配不均匀的主要因素，即使返回炉内的循环灰量偏差达30%，这一偏差的80%以上会消失在密相区中，笔者认为主要因素与悬吊屏和分离器进出口结构及布置形式有关；

4）在炉膛高度方向上，密相区内颗粒横向扩散强度最大，返料偏差较大时会加剧此区域颗粒的混合；屏下区和悬吊屏区的横向扩散微弱，返料偏差对此区域内颗粒的横向扩散影响很小，炉膛出口效应使得出口处颗粒的横向扩散比悬吊屏区略微增强。

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