循環流化床鍋爐燃燒特性與煤種關系的研究

劉運乾

摘要：在如今世界煤炭資源相對供應緊張以及經濟快速發展的情況下，循環流化床長期燃用設計煤種是很難實現的，對于煤種適應性廣的流化床來說也是一種性能浪費。多樣性的煤種會對循環流化床鍋爐的穩定和高效運行過程帶來很多值得商榷的問題。文章以我國煤種的實際多樣情況為依據，對煤種與循環流化床鍋爐的燃燒特性進行了相關的研究。這不僅可以提高電廠的經濟效益，也可以保證鍋爐的穩定運行。文章給選取煤種中典型的兩種煤，無煙煤和褐煤；首先對其煤種特點進行了介紹，然后對燃煤在循環流化床鍋爐內的燃燒建立數學模型進行分析，最后通過數值模擬和結果分析對循環流化床不同煤種對燃燒的影響進行了分析與研究。

關鍵詞：循環流化床鍋爐；燃燒特性；煤種關系

隨著經濟的發展，電力的需求在持續不斷的增長，甚至出現井噴式增長。考慮到我國的實際情況，煤炭資源消耗量巨大，資源相對緊張，一般的煤粉鍋爐很難長期穩定的使用設計煤種。因此，煤種適應性強的循環流化床鍋爐被越來越多的應用，目前循環流化床的應用呈逐年遞增的趨勢，循環流化床的應用朝著大型化、高參數發展。因此，聯系到我國實際煤種的多樣性運行情況，想要提升電廠的經濟效益和保證鍋爐的穩定運行，就要對煤種與循環流化床鍋爐的燃燒特性的關系進行研究。本文的研究對象是一臺300MW的循環流化床鍋爐，通過FLUENT軟件對煤種與循環流化床鍋爐燃燒特性進行模擬，然后對結果進行分析研究。

1 循環流化床鍋爐的國內外發展情況

循環流化床鍋爐是將燃料流化后進行循環燃燒的鍋爐。其主要是在20世紀發展起來的一種潔凈煤的燃燒技術其具有高效率、低污染的綜合性能特點。由于其在技術上具有的獨特性，在世界范圍內此領域的發展越來越迅速。循環流化床鍋爐的主要特點就是具有較高的脫硫效率、床溫均勻、燃料適應性廣和操作靈活的等優勢性能。

世界上第一臺商用循環流化床鍋爐于1979年在芬蘭誕生。發展到現今，循環流化床鍋爐的發展已經列入了美國的ASME標準，并逐漸向著高參數和大型化的發展邁進。而在我國，從20世紀90年代開始發展到今天，中國已經成為了世界上循環流化床鍋爐臺數最多和總蒸發量最大的國家，總運行臺數也已經超過了其他國家的運行臺數的總和，其發展的速度和成果都是顯而易見的。最值得肯定的是，我國在此領域已經逐漸擺脫了國外技術條件的限制，已經有了自主知識產權和自主研發的循環流化床鍋爐，在國內的應用非常廣泛。

2 循環流化床鍋爐燃燒特性與煤種變化的關系

負荷調節性能好、煤種適應性能廣是循環流化床鍋爐所具有的特點，但煤種變化會對其燃燒效率、爐內溫度及系統運行狀態等造成影響，偏離設計狀態。現選取無煙煤和褐煤作為兩種代表性煤種進行分析，研究不同煤種對循環流化床鍋爐燃燒特性的影響。

2.1 燃燒特點在不同煤種之間的體現

2.1.1 無煙煤燃燒的主要特點

無煙煤所具備的優點是煤齡長、碳化程度較高，因此其最后在應用過程中就具備著火溫度高、發熱量高、析出溫度高、燃燒時間長以及鍋爐的飛灰含碳量大等特點。當然，還有一個不足之處，當無煙煤在燃燒的過程中，由于其燃燒過程中產生的顆粒進行循環流化床以后，會由于爆裂而形成很多的粉末。受到化學動力學和擴散阻力的雙重控制下，無煙煤焦炭在其中的燃燒速率就會受到影響。越想要燃盡，就要加快燃燒的溫度。

2.1.2 褐煤燃燒的主要特點

褐煤資源在我國分布看來，一般都是老年褐煤，其主要具備的特點是固定碳含量低、發熱量低、高水分和高揮發分的特點。進入循環流化床內的褐煤顆粒，不僅容易著火燃燒，也容易結渣。水分首先被蒸發出來，然后繼續加熱到一定的溫度范圍內，這就會導致析出大量的揮發分， 繼而大量的熱量通過燃燒來釋放出來。但是依照前面所說的褐煤的特點，固定碳含量低，因此大顆的焦炭顆粒會在存有熱量的氛圍內發生化學反應，這就是擴散控制燃燒類型。

2.2 循環流化床鍋爐燃燒特性與煤種變化的關系

循環流化床鍋爐燃燒特性由于煤種變化造成的影響，可以從以下兩個方面來看：

2.2.1 影響了鍋爐的燃燒效率

對循環流化床鍋爐燃燒效率產生影響的因素包括燃煤的揮發分含量、結構特性、含碳量以及灰熔點等。比如一些燃煤存在揮發分含量較少的情況，本身析出內部的揮發分也很困難，所以就降低了其燃燒效率。至于那些褐煤燃料，由于其揮發分含量較高和松軟的結構，使得燃燒的效率得到了提高，繼而也就提高了循環流化床鍋爐的燃燒效率。

2.2.2 影響了鍋爐內的溫度分布

對于鍋爐內的溫度分布的影響因素，主要包含以下幾種：燃燒煤種的變化、燃燒中發熱量的變化、床溫的變化以及鍋爐內燃燒份額的變化。流化床的床溫一般控制在850～950℃，床溫太高達到灰熔點溫度會使得爐膛內產生結焦的風險。煤種的改變造成了燃燒過程整個不同，對于燃燒的配風、燃燒產生的灰渣量都不同，同時對于汽水系統的運行狀態也不同。

3 數學模型在循環流化床鍋爐內燃燒具體應用

當循環流化床鍋爐吸收進煤顆粒后，主要要經歷一個燃燒過程，即：加熱煤顆粒→揮發水分→析出揮發分→燃燒揮發分→燃燒焦炭等。

為了使得在循環流化床鍋爐中的燃燒可以得到更加方便的模擬，文章的針對點只考慮焦炭和揮發份的燃燒，而不對污染物排放對其的影響進行考慮。

3.1 析出和燃燒揮發份

溫度與析出揮發份的數量與速率有著緊密的關系。在循環流化床鍋爐中，影響其氧氣濃度的截面分布的因素就是揮發份的燃燒。其中，燃燒條件的函數就是揮發份析出的時間，下列公式可以將其表明：

其中，揮發份析出的時間用tv表示，常數用a表示，指數常數用n表示，顆粒給料時的直徑用dp表示。然后，用活化能分布模型來表示揮發份的析出量，通過不同反應活化能的單獨反應的積分可以將單位質量煤的揮發份析出量進行表述，主要的表達如式（2）所示：

其中，活化能分布的函數用f（E）表示，活化能用E表示，平均活化能用E0表示，而平均活化能E0的標準方差則是σ。

在煤燃燒的過程中，其重要的組成部分就是揮發份的析出過程，但是燃燒區域的研究就沒有想象中那么具體。一般來說，將揮發份在給煤點附近迅速析出并燃燒作為假設的揮發份析出燃燒區域。

3.2 焦炭燃燒

焦炭的完全燃燒需要一定的燃燒時間，然而焦炭顆粒通過循環流化床爐膛的總時間約為10秒，所以保證焦炭完全燃燒的時間在10秒以內，才能確保焦炭能夠完全燃燒。焦炭燃燒就是碳在氧氣的催化作用下轉化為二氧化碳，表達式如下：

但實際燃燒的過程并不像表達式這么簡單，焦炭在最初與氧氣的接觸過程中會燃燒產生一氧化碳，而一氧化碳與氧氣再繼續燃燒生成二氧化碳；第二種就是生成一樣化碳的同時又伴隨著二氧化碳的產生，而一氧化碳又繼續和氧氣發生反應，生產二氧化碳，但是全過程可以用一個綜合表達式表達燃燒的過程：

其中φ是機理因子，它決定了CO和CO2之間的比例。

通常，焦炭燃燒的速度與化學反應的速率，內部擴散率，和外部擴散率三個因素有關。所以在實際的循環流化床鍋爐的燃燒過程中，因為碳的性質不勻，對于碳所處的實際燃燒部位，我們通常認為細顆粒的在內部進行，大顆粒的在外部進行。

4 數值模擬與結果分析

以一臺300MW的循環流化床鍋爐為例，對褐煤燃料進行數值模擬，在運用FLUENT求解，來進行模擬研究與分析。

燃用褐煤時的模擬結果與分析：

溫度場的分布情況是我們首先要分析的問題，通過模擬分析可知，由于煤的顆粒濃度較高，內外的風速過快，入爐煤顆粒會充分燃燒，會出現較高溫度的高溫區域。而對于爐膛兩側，由于氧氣不充分，該區域會出現溫度較低的情況。

焦炭沒燃盡的情況也是一種我們研究中出現單位情況，分析追蹤一組煤顆粒的燃盡情況，發現這組顆粒在爐內10米處出現燃燒過程，在17米處燃燒結束，充分印證了燃燒的基本原理。該顆粒進入爐膛后充分展現出加熱干燥，燃燒，燃盡的情況，完美的展現了焦炭的燃燒過程。

混合分布的情況也是我們研究的一種情況，該混合分數的分布情況能最直觀的表現出燃燒過程中的連續和離散混合情況，通過分析觀察，在煤粉與進入密相區的氣體充分混合之后，混合分數明顯增大。

通過控制系統檢測到的分布情況與上述結果基本相同，模擬結果符合對燃燒溫度的設計。

5 結語

綜上所述，各種研究結果表明循環流化床鍋爐具有適應各種煤種的優點，但由于設計煤種的燃燒特性決定了鍋爐的運行特性，想要充分的發揮循環流化床的適應性強的特點，充分保證其燃燒效率，大幅度降低飛灰的含碳量，還是要針對燃用煤種進行燃燒分析，通過調節運行狀態的手段，保證燃燒達到高效穩定燃燒，以達到經濟運行。

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