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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(shù), 正受到廣泛的關(guān)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(shù)引進還是自行開發(fā), 對于詳細了解增壓流化床燃燒鍋爐的運行特性及其動態(tài)變化規(guī)律都是非常重要的. 通過數(shù)學(xué)模型來集成、總結(jié)試驗裝置上獲得的數(shù)據(jù)、規(guī)律和現(xiàn)象, 并應(yīng)用于現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)的改進以及未來大型化的開發(fā)無疑都是一個經(jīng)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(tài)數(shù)學(xué)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(fēng)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(nèi)燃燒反應(yīng)的“氧氣短路”現(xiàn)象
   (3) 建立床料的“快加快排”這種增壓流化床特有的負荷調(diào)節(jié)方式的模型描述方法, 并對其對增壓流化床動態(tài)特性的影響進行研究.

1 　流化床分布參數(shù)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(tài), 沿爐膛高度方向上, 流化床的溫度、固體濃度、傳熱系數(shù)等參數(shù)呈現(xiàn)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(nèi)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(shù)的分布情況.

為實現(xiàn)計算精度和計算速度的統(tǒng)一, 并為今后模型的實時計算打下基礎(chǔ), 本文采用了分“小室”和分“段”結(jié)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(nèi)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(shù)目的段, 用于物質(zhì)和能量平衡計算. 由于段的數(shù)目小于或等于小室數(shù)目, 而且在滿足精度的基礎(chǔ)上分段數(shù)目可以根據(jù)應(yīng)用目的靈活調(diào)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(shù). 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(zhì)平衡計算. 而在密相床中, 區(qū)分了氣泡、氣泡暈和乳化相3 個相區(qū), 并以各相區(qū)為控制體, 分別建立了考慮相間物質(zhì)交換的氧質(zhì)量平衡方程. 這樣做的目的主要在于反映“氧氣短路”現(xiàn)象.

2 　增壓流化床動態(tài)數(shù)學(xué)模型

本模型考慮了增壓流化床內(nèi)發(fā)生的流動、燃燒、傳熱等主要過程, 并按其發(fā)生的先后次序、重要程度、彼此間因果關(guān)系等關(guān)聯(lián)在一起, 構(gòu)成了增壓流化床整體數(shù)學(xué)模型. 上述過程的機理描述可參本節(jié)將重點介紹動態(tài)模型的建立方法.

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

2. 1 　固體物料質(zhì)量平衡方程

動態(tài)固體質(zhì)量平衡關(guān)系用于描述循環(huán)流化床內(nèi)固體物料的動態(tài)積累和平衡的過程. 增壓流化床內(nèi)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(tài)平衡關(guān)系.

對于圖2 所示的第1 段物質(zhì)平衡示意圖, 可以列出其動態(tài)固體物質(zhì)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(tài)過程的影響.

2. 2 　動態(tài)碳質(zhì)量平衡方程

流化床內(nèi)存在著大量的未燃盡固體碳, 本文將其稱為“殘?zhí)肌? 并且定義在一定控制體內(nèi)的所有固體碳質(zhì)量與固體物料總質(zhì)量的比值為“殘?zhí)己俊? 本模型中, Rc 是控制體內(nèi)全部殘?zhí)嫉目偡磻?yīng)速率, 因此較好地反映了流化床燃燒的本質(zhì)特點.動態(tài)過程中, 由于物流的變化和碳燃燒反應(yīng)的變化, 爐膛內(nèi)的殘?zhí)假|(zhì)量處在一個不斷積累與消耗的過程中, 因此殘?zhí)嫉慕^對質(zhì)量及其含量是不斷變化的. 建立碳質(zhì)量動態(tài)平衡方程的目的是要得到爐膛
內(nèi)的殘?zhí)己考捌渥兓?guī)律.

2. 3 　氧氣質(zhì)量平衡方程
相對于能量平衡及碳質(zhì)量平衡過程而言, 氧氣質(zhì)量平衡是一個快過程, 因而可以近似用靜態(tài)方程來表示. 密相床的氧氣平衡如圖3 所示, 假定揮發(fā)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(guān)系來確定爐膛內(nèi)的溫度及其分布. 在忽略段內(nèi)氣體內(nèi)能變化, 并且假定各段內(nèi)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(nèi)的燃燒依然在繼續(xù). 這同實
際觀察到的流化床的運行現(xiàn)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(wěn)態(tài)計算.圖4 所示為穩(wěn)態(tài)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(qū), 模型計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)基本吻合.

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

上述對比表明, 本模型的計算結(jié)果是合理的,而且具有一定的定量準確性.

4 　動態(tài)計算示例及分析
   如前所述, 由于引入了動態(tài)殘?zhí)假|(zhì)量平衡和動態(tài)物料質(zhì)量平衡機制, 因此, 本文建立的動態(tài)模型
不僅可以計算給風(fēng)、給煤單獨(或協(xié)同) 變化時的動態(tài)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(tài)過程. 限于篇幅關(guān)系, 此處僅給出一個計算示例, 以說明本模型具有計算動態(tài)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(nèi)主要參數(shù)的動態(tài)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(yīng)地, 流化床對外傳熱量也迅速減小. 由于爐膛內(nèi)總床料質(zhì)量減少, 碳的質(zhì)量百分含量有所上升(但這并不代表爐膛內(nèi)總碳質(zhì)量增加) . 由于大量高溫物料被排出爐外, 短時間內(nèi)密相床溫度出現(xiàn)下降現(xiàn)象, 但隨后, 隨著對外傳熱量的減少, 爐膛溫度出現(xiàn)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(tài)數(shù)學(xué)模型, 其特點可歸納如下:
   (1) 采用分小室和分段結(jié)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(qū)并考慮相間傳質(zhì)的模型機制, 解決了“氧氣短路”現(xiàn)象的模擬問題, 使得模型具有模擬密相區(qū)燃燒氛圍變化的能力;
   (3) 建立了燃燒放熱量與總殘?zhí)假|(zhì)量關(guān)聯(lián)以及殘?zhí)紕討B(tài)平衡機制, 較本質(zhì)地反映了流化床的燃燒機制;
  (4) 建立了固體物料動態(tài)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.