循环流化床锅炉燃烧特性与煤种关系的研究

2011-06-13付超

科技传播 2011年19期

关键词：褐煤煤种焦炭

付超

辽河油田公司电力集团，辽宁盘锦 124022

循环流化床锅炉燃烧特性与煤种关系的研究

付超

辽河油田公司电力集团，辽宁盘锦 124022

由于煤炭资源供应紧张，循环流化床锅炉很难长期稳定的使用设计煤种，因此，煤种的多样性给循环流化床锅炉的稳定、高效运行带来了很多问题。针对我国煤种多样的实际情况，研究循环流化床锅炉的燃烧特性与煤种关系，对锅炉的稳定运行和提升电厂的经济效益都有重要的现实意义。本文首先介绍了无烟煤和褐煤两种煤种的燃烧特点，然后又分析了循环流化床炉内燃煤燃烧的数学模型，最后对褐煤进行了数值模拟和结果分析。

.循环流化床；锅炉燃烧特性；煤种

1 概述

随着人们对电力的需求逐渐增长，循环流化床锅炉的数量在我国呈现逐年递增的态势。但是由于我们煤炭资源供应紧张，循环流化床锅炉很难长期稳定的使用设计煤种，因此，煤种的多样性给循环流化床锅炉的稳定、高效运行带来了很多问题，例如：锅炉出力不足、燃烧稳定性差等。针对我国煤种多样的实际情况，研究循环流化床锅炉的燃烧特性与煤种关系，对锅炉的稳定运行和提升电厂的经济效益都有重要的现实意义。本文以一台300mW循环流化床锅炉为研究对象，使用FLUENT软件，对流化床锅炉燃烧特性与煤种的关系进行模拟分析，模拟分析的结果是，该锅炉适合燃用褐煤。

2 煤种变化和循环流化床锅炉燃烧特性

循环流化床锅炉虽然具有负荷调节性能好、煤种适应性广的优点，但是不同性质的燃料对其锅炉的燃烧效率、炉内温度分布有着重要的影响。

2.1 不同煤种的燃烧特点

1）无烟煤煤种的燃烧特点。无烟煤由于煤龄长，碳化程度较高，因此无烟煤燃烧时间长、着火温度高、发热量高、析出温度高，锅炉的飞灰含碳量大。当无烟煤颗粒进入循环流化床后，燃烧时爆裂形成的粉末较多；

2）褐煤煤种的燃烧特点。我国的褐煤资源多为老年褐煤，具有固定碳含量低、发热量低、高水分、高灰分、高挥发分的特点，当褐煤颗粒进入循环流化床后，容易着火燃烧、容易结渣。

2.2 煤种变化与锅炉燃烧特性的关系

煤种变化对循环流化床锅炉的燃烧特性造成的影响主要体现在以下两个方面：

1）对锅炉燃烧效率的影响。燃煤的挥发分含量、结构特性、含碳量、灰熔点等都会对循环流化床锅炉的燃烧效率带来影响。例如挥发分含量较少的燃煤，由于内部挥发分不容易析出，所以燃烧效率降低。对于挥发分含量较高的褐煤燃料，由于结构松软，因此燃烧速率高，循环流化床锅炉的燃烧效率也得到提高；

2）对炉内温度分布的影响。由于燃烧煤种的变化，燃烧的发热量改变，床温变化，炉内燃烧份额改变，从而影响锅炉内的温度分布。

3 循环流化床炉内燃烧的数学模型

煤颗粒进入循环流化床锅炉以后，要经历以下过程：

图1 煤颗粒燃烧过程

为了方便模拟煤颗粒在循环流化床锅炉中的燃烧，本文不考虑污染物的排放，只考虑挥发份和焦炭的燃烧。

3.1 挥发份的析出和燃烧

挥发份的析出量和析出速率和温度有密切的关系，挥发份的燃烧影响氧气浓度在循环流化床锅炉截面的分布等。通常我们认为挥发份的析出时间是燃烧条件的函数，具体可表达为：

式中tv是挥发份析出时间，a是常数，n是指数常数，dp是颗粒给料时的直径。

挥发份的析出量可以用活化能分布模型表示，其含义是单位质量煤的挥发份析出量通过不同反应活化能的单独反应的积分来表述，其表达式如下：

其中f（E）是活化能分布函数，E是活化能，E0是平均活化能，σ是平均活化能E0的标准方差。

挥发份的析出过程作为煤燃烧的重要组成部分，大家对其燃烧区域的研究却不多。对挥发份析出的燃烧区域一般假设为挥发份在给煤点附近迅速析出并燃烧。

3.2 焦碳燃烧

焦碳颗粒通过整个循环流化床炉膛的时间大概在10秒之内，为了焦炭的完全燃烧，颗粒在床内总的停留时间必须大于焦碳的燃烧时间。焦炭燃烧的最简单的就是碳在氧气的作用下转化成二氧化碳，其基本表达式如下：

但是焦炭在实际的燃烧过程中，并不像上述表达式那么简单。第一种情况是氧气扩散到焦碳表面，焦碳被氧化为一氧化碳，一氧化碳继续燃烧又生成二氧化碳；第二种情况是焦碳燃烧同时生成一氧化碳和二氧化碳，一氧化碳继续燃烧又生成二氧化碳。上述两种情况用一个式子综合表示焦炭的燃烧过程：

其中ϕ是机理因子，它决定了CO和CO2之间的比例。

通常情况下，焦炭的燃烧速度和化学反应速率、焦炭内部扩散速率和颗粒外部气体的扩散速率这三个因素有关。在循环流化床锅炉的实际燃烧过程中，由于同时进炉的燃煤性质不均匀，我们一般认为细颗粒的燃烧在内部进行，大颗粒的燃烧发生在颗粒表面。

4 数值模拟和结果分析

本文以一台300mW循环流化床锅炉为研究对象，对褐煤燃料情况下锅炉燃烧的数值模拟使用FLUENT软件进行求解，得出炉膛温度分布云图和焦炭燃尽图等模拟结果。

燃用褐煤时的模拟结果和分析：

1）温度场分布情况。温度场分布情况是模拟分析的首要问题，通过模拟分析看到，在炉膛高度约4m的地方，由于煤粉颗粒浓度高和炉膛的内外二次风流速较高，使得煤粉颗粒的燃烧充分，该高度出现1 450K的高温区域。炉膛墙壁两侧和中心位置，由于没有足够的氧气，使得煤粉不能很快燃烧，呈现出温度较低；

2）焦炭燃尽情况。本文在进行分析时跟踪一组10颗煤粉颗粒的焦炭燃尽情况，通过分析得到，这组颗粒在炉膛高度10m的地方出现焦炭的燃烧过程，在炉膛高度17m的高度燃烧结束。该过程正好印证燃煤的燃烧原理，在燃煤颗粒进入到炉膛后，先加热、干燥，然后挥发分的析出、燃烧，当挥发分燃烧完全后，开始焦炭的燃烧过程；

3）混合分数分布情况。混合分数的分布情况直观的反映出燃烧过程中连续和离散的混合情况，通过分析观察到，在炉膛高度约4m的地方，由于煤粉颗粒浓度增高和内外二次风同时送入炉中，造成密相区的气体和煤粉颗粒混合相当充分，混合分数从0.01剧增到0.17。

通过DCS控制系统检测到的该循环流化床锅炉温度场分布情况和压力分布情况可以看出，和上述模拟结果基本相同，模拟结果符合设计的燃烧温度。