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增壓流化床燃燒作為一種重要的潔凈煤利用技術, 正受到廣泛的關注. 在我國,第1 座15 MW增壓流化床中試電站已在江蘇徐州賈汪建成, 并投入試運行; 大型增壓流化床燃燒鍋爐的引進也在洽談中. 無論是技術引進還是自行開發, 對于詳細了解增壓流化床燃燒鍋爐的運行特性及其動態變化規律都是非常重要的. 通過數學模型來集成、總結試驗裝置上獲得的數據、規律和現象, 并應用于現有設備和系統的改進以及未來大型化的開發無疑都是一個經濟而且有效的方法.

為此, 本文以賈汪電廠60 t•h - 1增壓流化床為對象, 進行了動態數學模型研究. 針對對象特點,進行研究其主要目標如下.
   (1) 反映沿軸向的溫度分布特性. 建模研究對象是一個增壓鼓泡床, 由于流化風速低, 在實際運行中, 其底部密相床和上部稀相段間存在較大的溫度梯度.
   (2) 模擬部分氧氣通過氣泡短路通過密相床上方, 從而未能參加密相床內燃燒反應的“氧氣短路”現象
   (3) 建立床料的“快加快排”這種增壓流化床特有的負荷調節方式的模型描述方法, 并對其對增壓流化床動態特性的影響進行研究.

1 　流化床分布參數特性的模擬方法  
如前述, 本文研究的增壓流化床處在鼓泡床運行狀態, 沿爐膛高度方向上, 流化床的溫度、固體濃度、傳熱系數等參數呈現較大的分布性. 為反映這種分布性, 本文借鑒“小室模型”思想, 即沿著爐內固體和氣體的主要流動方向, 把爐膛離散為若干個平衡空間, 從而獲得各種參數的分布情況.

為實現計算精度和計算速度的統一, 并為今后模型的實時計算打下基礎, 本文采用了分“小室”和分“段”結合的離散化方案, 如圖1 所示. 沿高度方向上, 爐膛首先劃分為31 個小室, 用于細致計算爐內不同位置處的流動和傳熱特性, 以提高計算精度; 其次, 將若干個小室分別組合為一定數目的段, 用于物質和能量平衡計算. 由于段的數目小于或等于小室數目, 而且在滿足精度的基礎上分段數目可以根據應用目的靈活調整, 因此模型計算速度可以比單純建立小室平衡大大提高, 而且具備了較大的靈活性.

Fig. 1 　Classification of cells and sections of PFBC furnace

圖1 所示為增壓流化床小室及分段劃分示意圖, 整個爐膛分為N 段, 其中密相床是第1 段,懸浮空間分為N - 1段, N 為可變常數. 懸浮段中,假定氣體充分混合, 因此采用平均氧氣濃度來進行燃燒和物質平衡計算. 而在密相床中, 區分了氣泡、氣泡暈和乳化相3 個相區, 并以各相區為控制體, 分別建立了考慮相間物質交換的氧質量平衡方程. 這樣做的目的主要在于反映“氧氣短路”現象.

2 　增壓流化床動態數學模型

本模型考慮了增壓流化床內發生的流動、燃燒、傳熱等主要過程, 并按其發生的先后次序、重要程度、彼此間因果關系等關聯在一起, 構成了增壓流化床整體數學模型. 上述過程的機理描述可參本節將重點介紹動態模型的建立方法.

在詳細分析和考查增壓流化床的動態變化機理的基礎上, 本文認為, 其動態特性可以用4 個動態平衡來描述, 它們分別是固體物料平衡、氧質量平衡、碳質量平衡和能量平衡.

2. 1 　固體物料質量平衡方程

動態固體質量平衡關系用于描述循環流化床內固體物料的動態積累和平衡的過程. 增壓流化床內的固體物料包括灰顆、石灰石顆粒和焦炭顆粒.固體物料平衡指的是進出某一控制體的固體顆粒的動態平衡關系.

對于圖2 所示的第1 段物質平衡示意圖, 可以列出其動態固體物質平衡如下

上式中需要指出的是, 爐底排渣量D 、床料快加速率Wsin和床料快排速率Wsout均是外界可以主動操作的變量. 也正因為如此, 本模型能夠模擬爐底排渣以及床料快加快放對動態過程的影響.

2. 2 　動態碳質量平衡方程

流化床內存在著大量的未燃盡固體碳, 本文將其稱為“殘碳”, 并且定義在一定控制體內的所有固體碳質量與固體物料總質量的比值為“殘碳含量”. 本模型中, Rc 是控制體內全部殘碳的總反應速率, 因此較好地反映了流化床燃燒的本質特點.動態過程中, 由于物流的變化和碳燃燒反應的變化, 爐膛內的殘碳質量處在一個不斷積累與消耗的過程中, 因此殘碳的絕對質量及其含量是不斷變化的. 建立碳質量動態平衡方程的目的是要得到爐膛
內的殘碳含量及其變化規律.

2. 3 　氧氣質量平衡方程
相對于能量平衡及碳質量平衡過程而言, 氧氣質量平衡是一個快過程, 因而可以近似用靜態方程來表示. 密相床的氧氣平衡如圖3 所示, 假定揮發分全部在乳化相中瞬時燃燒.

2. 4 　能量平衡方程
建立能量平衡方程的目的是要通過能量的輸入輸出關系來確定爐膛內的溫度及其分布. 在忽略段內氣體內能變化, 并且假定各段內氣體和固體具有相同溫度的條件下的碳燃燒放熱項依然存在, 亦即流化床內的燃燒依然在繼續. 這同實
際觀察到的流化床的運行現象一致, 說明模型正確反映了流化床的燃燒機制.

3 　模型校驗

為校驗所建模型的正確性, 本文以60 t•h - 1增壓流化床鍋爐為對象, 進行了穩態計算.圖4 所示為穩態計算得到的沿床高方向壓降分布型線與實測壓力點的對比. 從圖上看, 爐膛壓降主要集中在密相床和密相床面以上的過渡區, 模型計算結果和實驗數據基本吻合.

    表1 所示為在基本相同的蒸汽壓力條件下穩態計算結果與實際運行數據的對比. 由于實際試驗工況沒有達到完全穩定的運行狀態, 實驗數據有一定的波動. 但總的來說, 模型的計算結果與實驗數據的趨勢是一致的.

上述對比表明, 本模型的計算結果是合理的,而且具有一定的定量準確性.

4 　動態計算示例及分析
   如前所述, 由于引入了動態殘碳質量平衡和動態物料質量平衡機制, 因此, 本文建立的動態模型
不僅可以計算給風、給煤單獨(或協同) 變化時的動態變化過程, 也可以計算通過“快加快排”床料來迅速改變負荷的動態過程. 限于篇幅關系, 此處僅給出一個計算示例, 以說明本模型具有計算動態過程的能力.

圖5～圖8 為以不同速率快速排渣時的增壓流化床內主要參數的動態變化過程, 圖中曲線1 、2和3 分別代表以60 、50 和40 t•h - 1速率排渣. 由圖可見, 快速排渣時, 密相床高度基本以正比于排渣速率的速率下降, 相應地, 流化床對外傳熱量也迅速減小. 由于爐膛內總床料質量減少, 碳的質量百分含量有所上升(但這并不代表爐膛內總碳質量增加) . 由于大量高溫物料被排出爐外, 短時間內密相床溫度出現下降現象, 但隨后, 隨著對外傳熱量的減少, 爐膛溫度出現上升趨勢, 溫度甚至比變化前還要高. 這種變化趨勢是合理的, 原因在于外界加入的能量(給煤量) 未變, 而對外傳熱量卻減小了.

建立了增壓流化床動態數學模型, 其特點可歸納如下:
   (1) 采用分小室和分段結合的離散化方法, 使得所建模型可以反映沿爐膛高度方向上溫度的分布特性, 同時也提高了模型計算速度;
   (2) 采用將密相床分為3 個相區并考慮相間傳質的模型機制, 解決了“氧氣短路”現象的模擬問題, 使得模型具有模擬密相區燃燒氛圍變化的能力;
   (3) 建立了燃燒放熱量與總殘碳質量關聯以及殘碳動態平衡機制, 較本質地反映了流化床的燃燒機制;
  (4) 建立了固體物料動態平衡機制, 使得模型具有模擬“快加快排”這種增壓流化床特有的運行方式的能力.