50+MW生物质循环流化床炉膛燃烧二维模拟

第３５卷第３期２０１３年５月

工业炉

ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＦｕｒｎａｃｅ

Ｖｏ】．３５Ｎｏ．３Ｍａｖ

２０１３

５０

ＭＷ生物质循环流化床炉膛燃烧二维模拟

宋景慧１，汪

涛２，高

静２，肖显斌２，胡笑颖２董长青ｚ

（１．广东电网公司电力科学研究院，广东广州５１０６００；

２．华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室，北京１０２２０６）

摘要：通过Ｆｌｕｅｎｔ软件对２２０ｔ／ｈ的生物质循环流化床的炉膛进行简化，建立二维模型并对其迸行燃烧模拟：通过

对炉膛内的温度场、０：、ＣＯ：等组分的模拟结果进行分析，得知炉膛下部处生物质燃料燃烧最为剧烈的位置发生在炉膛下部４ｍ截面位置处，在该位置的燃烧反应消耗绝大部分一次风．炉膛内其他截面的温度沿炉膛高度总体呈现下降趋势．燃烧温度较低且变化范围不大。对不同粒径的生物质燃料在炉膛内的燃烧情况分析．得知小粒径的固相颗粒在炉膛内燃

烧的更加充分并且消耗更多的Ｏ，．

关键词：生物质循环流化床；温度：０２；Ｃ０２中图分类号：ＴＫ２２９．６＋６

文献标识码：Ａ

文章编号：】００１—６９８８（２０１３）０３—０００８．０４

Ｔｗｏ．ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｕｒｎａｃｅＨｅａｒｔｈＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ｉｎ５０

ＭＷ

ＢｉｏｍａｓｓＣｉｒｃｕｌａｔｉｎｇＦｌｕｉｄｉｚｅｄＢｅｄ

ＳＯＮＧＪｉｎｇ－ｈｕｉｌ，ＷＡＮＧＴａ０２，ＧＡＯＪｉｎ９２，ＸＩＡＯＸｉａｎ—ｂｉｎ２，ＨＵＸｉａｏ－ｙｉｎ９２，ＤＯＮＧＣｈａｎｇ－ｑｉｎｇａ

（Ｉ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

ＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ［ｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒ

Ｇｒ池Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ

５１０６００，Ｃｈｉｎａ；

２．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ

ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ

ｏｆＢｉｏｍａｓｓＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ）

ｓｅｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓ

ｏｕｔ

ｕｐａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄ

ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＦｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ

ｔｏ

ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅ２２０ｔ／ｈｂｉｏｍａｓｓｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｆｕｒｎａｃｅｈｅａｒｔｈ．

ＴｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＣ０２ａｎｄ０２ｉｎｔｈｅ

ｆｕｒｎａｃｅｈｅａｒｔｈ，ｉｔ

ｓｅｃｔｉｏｎ

ｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｄｒａｓｔｉｃｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｍａｓｓｆｕｅｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｓ４ｍ

ｖａｓｔ

ｃｒｏｓｓ—

ｏｆｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｂｏｔｔｏｍ，ａｎｄｔｈｅ

ａ

ｍａｊｏｒｉｔｙｏｆｐｒｉｍａｒｙａｉｒｉｓｃｏｎｓｕｍｅｄｈｅｒｅ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ａｔ

ｏｔｈｅｒｃｒｏｓｓ～ｓｅｃｔｉｏｎｓａｐｐｅａｒｓｌｏｗａｎｄｃｈａｎｇｅｓｉｎ

ａ

ｄｏｗｎｗａｒｄｔｒｅｎｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｈｅｉｇｈｔ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ

ｏｎ

ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｍａｌｌｒａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ

ｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｂｉｏｍａｓｓｆｕｅｌ

ｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙａｎｄｃｏｎｓｕｍｅ

ｉｎｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｈｅａｒｔｈ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｍａｌｌｓｏｌｉｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｏｕｌｄｂｕｒｎｍｏｒｅ０２．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓＣＦＢ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；０２；Ｃ０２

生物质能源作为２１世纪拥有最大利用潜力的可再生能源［”．可以满足当前世界上１４％的能量供应１２］。在一些欠发达国家．作为直接燃烧所用的传统燃料．生物质可以提供给他们９０％的能量供应㈣。有数据表明．到２０５０年．生物质将可以满足世界上３８％的燃料供应和１７％的电力供应。在现在众多的

收稿日期：２０１２—１１—３０

作者简介：宋景慧（１９７３一），男，工学硕士，高级工程师，主要从事

电站调试、试验和科研工作．

生物质利用途径中直接燃烧生物质将在相当长的一段时间内仍是生物质利用的主要技术。其成本低廉又高度可靠．更容易被人们所接受并进行商业化利

用㈤。

近年来．随着循环流化床技术的不断发展．其对燃料的广泛适应性使得生物质循环流化床燃烧技术成为生物质能源利用的有效手段。同时我国对生物质能源利用的重视程度与日俱增．连续四个五年计划中将生物质能源利用技术作为科研攻关的重点项

工业炉

目。浙江大学、中科院广州能源所、中科院工程热物理研究所、大连科学院等均开展了利用生物质能的循环流化床技术研究并取得了相应的进展．

对于燃烧生物质循环流化床锅炉而言．其工业化进程更是迅速异常，正因为如此．在生物质循环流化床的运行过程中会出现各种各样的问题．国内运行的循环流化床机组的常见故障有磨损、布风板泄

第３５卷第３期２０１３年５月

燃烧．煤粉燃烧过程中的挥发分释放采用双速率匹配模型（Ｔｗｏ

ｃｏｍｐｅｔｉｏｎｒａｔｅｓ

ｍｏｄｅｌ），炉内焦炭的燃

ｋｉｎｅｔｉｃｓ／

烧通过动力学，扩散控制反应速率模型（Ｔｈｅ

ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ—ｌｉｍｉｔｅｄ

ｒａｔｅ

ｍｏｄｅｌ）来描述．同时应用Ｐ．１辐

射模型来描述炉膛内的燃烧和传热。１．２模拟对象和网格划分

如图２（ａ）所示．对２２０ｔ／ｈ的循环流化床锅炉炉膛进行简化并建立二维几何模型．在Ｘ方向上深

５５００

漏、制粉系统和除灰渣系统故障等。如图１所示。在

锅炉各系统和辅机的运行问题中．炉膛水冷壁故障占１７％．对流受热面问题占到２２％。气固分离机构占９％．风烟系统占７％。而这些问题的产生与循环流化床内的燃烧状况密切相关。

循环流化床锅炉内生物质燃料的燃烧是一个包

ｍｍ，在ｙ方向上高２９

２００

ｍｍ．二次风入口

位于炉膛两侧炉高４．６ｍ和５．６ｍ处．一次风从炉膛底部布风板进人．炉膛出１３处于炉膛后墙右上侧。

为了对炉膛进行计算．网格划分采用分块的方法．炉膛被分成两部分，下部分炉膛的密相区为一个

含湍流流动、传热传质及湍流燃烧等的非常复杂的物理化学过程．采用传统的实验方法对炉内的燃烧

过程进行研究周期长，耗资巨大，并且在某些细节很难得到全面、满意的数据。而数值模拟方法可以通过模拟预测炉内流体的运动情况．在较短的时间内研究分析炉内各参数对生物质燃料燃烧特性的影响。同时可以对炉内的生物质燃料传热传质、燃烧反应、流体各相间的相互作用进行更深层次的理解和分析。

炉瞠及水冷壁１７％－风帽段佰风板５ｌ；｝对流受热而２２％－物流同送装置７０ｋ。灰渣处理装置１８％制粉系统Ｉ３％

气【埘分离机构９％风烟系统７％汽水系统２％

图１

区．炉膛的其他部分为一个区。对每个区采用不同的

网格划分方法。从而提高网格质量。网格划分示意图如图２（ｂ）所示。

（ａ）（ｂ）

循环流化床锅炉各部分故障分布图

图２炉膛的二维结构及网格划分图

本文通过Ｆ１ｕｅｎｔ软件对５０ＭＷ的生物质循环流化床内进行二维建模并对炉内的燃烧状况进行数值模拟．得到在设计工况下的温度分布、氧气和二氧化碳等组分浓度的分布．为生物质循环流化床的优化和运行提供参考和理论依据。

１．３燃料特性和边界条件

文中模拟生物质循环流化床锅炉的设计原料组合为：５０％的甘蔗叶（１２％水分）＋２０％树皮（２５％水分）＋３０％其他（２５％水分），各种燃料折算后的品质分析情况如表１所示。

假设一次风从布风板底部均匀进入炉膛．风量为１１ｌ

５１０

１数学模型

１．１数学模型

模拟过程使用Ｆｌｕｅｎｔ软件ＳＩＭＰＬＥ算法对压

ｍ３／ｈ。一次风温度为１６３℃．在计算过

程中为了使得结果尽快收敛．初始条件的设置过程时选择一次风的温度和进入炉膛后的一次风温度相等；二次风从炉膛前后墙两侧进入炉膛。在此二维模型中布置位置如图所示．二次风量为９１ｍ３／ｈ，二次风温度为１８０℃：燃料消耗量４８

２３６

力一速度进行非耦合求解．选择标准的．｜｝吨湍流模

型计算炉膛内气一固两相之间的湍流．使用双混合分数概率密度函数模型计算两相之间的湍流反应。假定循环流化床中的生物质燃料的燃烧属于非预混

１１８．０４３

ｋＣｈ。

９

实验研究：５０ＭＷ生物质循环流化床炉膛燃烧二维模拟

表１燃料元素分析表

序号

１２３４５

份额分布图。

设计值

３８．０５４．６６３４．６９１．３７

名称符号

Ｃａｒ Ｈａｔ

ＯａｒＮａｔＳａｔＡａｒＭａｒＶａｔＦＣａｒ

单位

％％％％

收到基碳收到基氢收到基氧收到基氮收到基硫收到基灰分收到基水分收到基挥发分

固定碳

％０．０９

６

７８９１０

％％％％％

２．６４１８．５６４．９５’１３．９０１２５８７

收到基低位发热量

Ｏｎｅｔ．ａｌ＂

２计算结果和讨论

２．１温度场

图３为炉膛沿高度方向温度分布曲线．可以明

显的看出在炉膛４ｍ左右的位置温度分布出现了最大值．这是因为在炉膛的这一位置生物质燃料的浓度很高．生物质燃料中含量比较高的挥发分迅速析出并和一次风剧烈的混合、燃烧。从而达到了较高的温度。随后炉膛的温度因为氧气含量不足开始下

图４炉膛高度方向０：质量分数分布图

由图４可以看出．当颗粒粒径为０．６ｍｍ时，生物质燃料颗粒进入炉膛后所含有的挥发分与炉膛内的氧气迅速发生燃烧反应．炉膛下部４ｍ左右高度处为燃烧反应最剧烈的位置．氧气浓度变化范围较大。此位置的氧气被大量消耗使得浓度出现极小值．

降。直到忙５．６ｍ处二次风开始通入炉膛。未燃尽的

固相颗粒在充足的氧气作用下开始燃烧．炉膛温度逐渐升高。随着炉膛高度的增加．炉膛其他部分温度水平比较均匀．总体上随着炉膛高度的增加而有所下降．原因在于炉膛水冷壁吸收沿途烟气的温度而至。图３中零散的点为生物质循环流化床锅炉在

５３

约２％左右。而二次风口以上的位置随着氧气在二次风口得到补充。未燃尽的燃料继续燃烧．随着炉膛高度的增加氧气浓度逐渐减小。

相对应的从图５中可以看出．生物质燃料颗粒与氧气发生剧烈燃烧反应的区域．也是ＣＯ，生成量

达到极大值的区域。而在二次风Ｉ：１以上．随着二次风

的通入，ＣＯ：的浓度在一定程度上被稀释，使得二次风口上面的一定高度范围内ＣＯ：的浓度呈现下降

ＭＷ运行时炉膛内部的４个测点温度．从４个测

点的相对位置可以看出和对应高度的模拟结果有着良好的一致性。

趋势。随着二次风被加热而逐渐接近燃烧温度．燃烧反应逐渐展开。炉膛内的Ｃ０：质量份额又逐渐开始

增加，直到炉膛出口位置，ＣＯ：的浓度逐渐生成积累，在炉膛出口位置处积累到最大值．相应的氧气的质量份额减小到最小值．

炉膛两厦，ｍ

图３炉膛高度方向温度分布图

２．２组分浓度场

炉膛内的氧气和二氧化碳的含量是反映生物质

流化床内燃烧状况的重要参考依据。图４和图５分

别描述在不同的炉膛高度截面处０：和ＣＯ：的质量

１０

图５

炉膛高度／ｍ

炉膛高度方向ＣＯ，质量分数分布图

工业炉

第３５卷第３期２０１３年５月

２．３不同粒径颗粒的组分浓度场

后其挥发分便迅速与空气发生燃烧反应，在炉膛高图６和图７为不同粒径生物质固相颗粒在炉膛度为４

ｍ左右的位置．０．６咖的颗粒在反应过程消

内燃烧过程中的０：消耗量和ＣＯ：生成量的质量份耗的氧气比粒径为１ｍｍ的生物质燃烧颗粒高５％

额分布图。

左右．从炉膛不同高度截面处的的氧气消耗量可以

看出．小粒径的颗粒相比于大粒径的颗粒将消耗更多．原因在于大粒径的颗粒在燃烧过程中生成的灰包裹在颗粒表面从而在一定程度上抑制燃烧反应的进一步发生。小粒径的颗粒则更容易燃烧和燃尽。

３结论

（１）生物质燃料在循环流化床内最剧烈的燃烧过程发生在炉膛高４ｍ处．在此位置附近生物质燃料中的挥发分剧烈的析出并燃烧．消耗一次风中大量的０：。

炉膛高度／ｍ

（２）除了在炉膛高度４ｍ燃烧反应最为剧烈的图６炉膛高度方向上不同粒径颗粒产生Ｃ（），的质量份额

位置．炉膛内其他高度截面位置的温度变化幅度不如图６所示，当生物燃料颗粒较小时，ＣＯ：生成大．分布比较均匀且整体呈下降趋势。

量的质量份额比较高．相比于较小颗粒的粒径，随着

（３）对于生物质燃料来讲，小粒径的固相颗粒相

颗粒粒径的增大。炉膛中Ｃ０，的浓度逐渐降低。因

比于大粒径的固相颗粒会消耗更多的氧气．产生更为在炉膛底部，颗粒粒径越大，水分析出时间越长，多的ＣＯ：，这意味着小粒径的固相颗粒在炉膛内燃越不容易燃烧，燃烧过程中生成的ＣＯ：浓度将小于烧的会更加充分，但消耗Ｏ：和生成ＣＯ：的质量份额较小粒径的颗粒。随着炉膛高度的增加。在相同的随炉膛高度变化的整体趋势趋于一致。

流化风速下，颗粒粒径越大。进人炉膛上部的颗粒数目越少，也在一定程度上导致燃烧份额的相对降低。

参考文献：

图７为不同粒径时炉膛内的氧气浓度分布．当【ｌ】ＤＥＭＩＲＢＡＳＡ．Ｇｌｏｂａｌｒｅｎｅｗａｂｌｅ

ｅｎｅｒｇｙ

ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ叨．Ｅｎｅｒｇｙ

生物质燃料颗粒较小时．生物质燃料颗粒进入炉膛

，Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００６，２８（８）：７７９—７９２．【２】

ＶＥＬＤＥＮＭＶ，ＢＡＥＹＥＮＳＪ，ＳＥＶＩＬＩ。ＥＪＰＫ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｓｏｌｉｄｓ

ｆｌｏｗｉｎ

ｔｈｅｒｉｓｅｒｏｆ

ａ

ＣＦＢｖｉｅｗｅｄ

ｂｙＰｏｓｉｔｒｏｎ

ＥｍｉｓｓｉｏｎＰａｒｔｉｃｌｅ

Ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＰＥＰＴ）【Ｊ】．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。２００８，１８３（２）：２９０—２９６．【３］

ＨＡＩＪＬＤ

０，ＨＯＵＳＥ

ＪＩ．Ｔｒｅｅｓａｎｄｂｉｏｍａｓｓｅｎｅｒｇｙ：Ｃａｒｂｏｎ

ｓｔｏｒａｇｅａｎｄ／ｏｒｆｏｓｓｉｌ如ｅｌｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ叨．ＢｉｏｍａｓｓａｎｄＢｉｏｅｎｅｒｇｙ，

１９９４。６（１／２）：１１－３０．

【４】ＤＥＭＩＲＢＡＳＡ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓ．明．Ｅｎｅｒｇｙ

ＳｏｕｒｃｅｓＰａｒｔ

Ａ，

２００７，２９（６）：５４９—６１．【５】ＤＥＭＩＲＢＡＳ

Ａ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ｆｏｒｂｉｏｍａｓｓ

ｆｕｅｌ叨．Ｅｎｅｒｇｙ

ＳｏｕｒｃｅｓＰａｒｔ

Ａ，２００７，２９（４）：３０３—３１２．

【６１

ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｎｅｒｇｙＡｇｅｎｃｙ．Ｔａｓｋ３２：ｂｉｏｍａｓｓ

ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｅｏｆｉｒｉｎｇ：ａｎ

ｏｖｅｒｖｉｅｗ．［２００９－０２－Ｏｌ】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅａｂｉｏｅｎｅｒｇｙ．ｃｏｒｎ／

Ｍｅｄｉａｈｅｍ．ａｓｐｘ？ｉｄ＝１６．

图７炉膛高度方向上不同粒径颗粒消耗（），的质量份额

内容需要下载文档才能查看

50 MW生物质循环流化床炉膛燃烧二维模拟

作者：作者单位：

宋景慧， 汪涛， 高静， 肖显斌， 胡笑颖， 董长青， SONG Jing-hui， WANG Tao， GAO Jing， XIAOXian-bin， HU Xiao-ying， DONG Chang-qing

宋景慧,SONG Jing-hui(广东电网公司电力科学研究院,广东广州,510600)， 汪涛,高静,肖显斌,胡笑颖,董长青,WANG Tao,GAO Jing,XIAO Xian-bin,HU Xiao-ying,DONG Chang-qing(华北电力大学生物质发电成套设备国家工程实验室,北京,102206)工业炉

Industrial Furnace2013,35(3)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(6条)

1.DEMIRBAS A Global renewable energy resources 2006(08)

2.VELDEN M V.BAEYENS J.SEVILLE J P K The solids flow in the riser of a CFB viewed by Positron Emission ParticleTracking (PEPT) 2008(02)

3.HALL D O.HOUSE J I Trees and biomass energy:Carbon storage and/or fossil fuel substitution 1994(1/2)4.DEMIRBAS A Combustion of biomass 2007(06)

5.DEMIRBAS A Combustion system for biomass fuel 2007(04)

6.International Energy Agency Task32:biomass combustion and cofiring:an overview 2009

本文链接：http://wendang.chazidian.com/Periodical_gyl201303003.aspx