蘭炭循環(huán)流化床鍋爐燃燒性能模型

李靜淵，柯希瑋，蔣 苓，黃 中，張 縵

(清華大學 能源與動力工程系，北京 100084)

0 引 言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，低階煤占我國煤炭儲量的55%以上[1]。近年來隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的不斷減少，低階煤以其豐富的資源儲備和低廉的價格在能源市場上占據(jù)重要位置。在眾多低階煤利用技術(shù)中，熱解分級利用技術(shù)是生產(chǎn)焦油的主要方式之一，但會產(chǎn)生大量半焦，稱為蘭炭，占原煤質(zhì)量的50%～70%[2]。蘭炭具有高固定碳、高比電阻、高化學活性等特點[3]，被廣泛用于冶金、化工電石、吸附等領(lǐng)域。但這些行業(yè)對蘭炭需求量有限[4]，如何高效利用過剩的蘭炭資源是實現(xiàn)煤炭梯級利用的重要一環(huán)。

考慮到蘭炭的低硫、高熱值特性，高效燃燒發(fā)電或供熱是規(guī)模化利用的最佳方式，目前主要有純?nèi)糩5-9]和摻燒[10-12]2條技術(shù)路線。由于蘭炭的揮發(fā)分低，導致著火困難、燃盡率低，應用于煤粉鍋爐存在一定困難。相比之下，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐更適合蘭炭的燃燒利用。

CFB鍋爐需要一定量的灰分構(gòu)成循環(huán)物料，而蘭炭灰分較低，相比常規(guī)高灰煤種，形成足夠的有效床料量存在一定困難[13]。近幾年CFB鍋爐技術(shù)快速發(fā)展，物料循環(huán)性能大幅提升，使用CFB鍋爐燃燒蘭炭成為可能。目前已有研究者在循環(huán)流化床試驗條件下對蘭炭進行研究。幺瑤等[14]利用循環(huán)流化床預熱燃燒試驗臺試驗，指出蘭炭循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運行的關(guān)鍵在于形成物料循環(huán)；鞏志強[15]通過0.3 MW試驗臺試驗，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)流化特性良好，可形成均勻溫度場，并指出燃燒溫度是影響飛灰含碳量的主要因素，此外還在2 MW循環(huán)流化床試驗臺上進行了脫硝試驗；張孝禹[16]在14 MW試驗臺上研究了給料量和過量空氣系數(shù)對蘭炭循環(huán)流化床鍋爐的影響，降低過量空氣系數(shù)可減少蘭炭燃燒時NOx排放。此外，電廠中曾嘗試CFB鍋爐摻燒蘭炭[17]。但由于對蘭炭CFB鍋爐整體運行情況還缺乏足夠的認知，筆者借助一維CFB模型，研究蘭炭CFB鍋爐的燃燒性能，著重探究分離器效率和給煤粒徑分布的影響，并與燃燒褐煤的循環(huán)流化床鍋爐進行對比。

1 一維循環(huán)流化床鍋爐模型

采用清華大學開發(fā)的一維循環(huán)流化床鍋爐模型[14,18-22]。該模型的基本思想為：對物理過程進行簡化處理，將流動計算與化學反應或能量平衡計算解耦，根據(jù)試驗簡化得到的半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式求解爐內(nèi)固體顆粒的濃度分布、循環(huán)流率等信息，從而描述穩(wěn)定運行時的宏觀狀態(tài)。同時忽略爐內(nèi)橫向氣體擴散，僅考慮軸向的流動和返混。此外，模型對實際鍋爐進行簡化，僅保留鍋爐爐膛、分離器、返料閥等主體部件，在模型中將鍋爐劃分為密相區(qū)、飛濺區(qū)、稀相區(qū)和分離器4部分，其中將爐膛劃分為若干個小室進行計算，并假設各小室內(nèi)部具有均一的速度、溫度、濃度等物理量。計算模塊共分為5個：灰平衡、煤熱解及煤顆粒平衡、焦炭反應及焦炭平衡、石灰石反應、均相反應。其中質(zhì)量平衡是模型的核心，包括煤、灰、焦炭等固體物料的質(zhì)量平衡和揮發(fā)分、燃燒產(chǎn)物等氣體組分的質(zhì)量平衡。

采用該模型計算可以獲得物料平衡結(jié)果以及熱態(tài)計算結(jié)果。在物料平衡結(jié)果中包括初始灰的顆粒分布，各粒徑灰分和焦炭的停留時間，飛灰、循環(huán)灰和底渣的粒徑分布，飛灰量、循環(huán)灰量和排渣量，各小室內(nèi)的流速、床壓、空隙率等；熱態(tài)計算結(jié)果主要包括脫硫效率，飛灰、底渣含碳量，分離器出口各種煙氣組分的濃度分布以及各小室反應的放熱量和溫度等。

2 模擬對象及參數(shù)

2.1 鍋爐對象選擇

選擇某116 MW循環(huán)流化床鍋爐為模擬對象。鍋爐結(jié)構(gòu)及模型結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示(P(T)表示壓力(溫度)測點)。鍋爐燃用的蘭炭粒徑為0～10 mm，循環(huán)流化床鍋爐所燃用的蘭炭的工業(yè)分析和元素分析見表1，蘭炭灰的成分分析見表2。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the semi-coke fired CFB boiler

由表1可知，蘭炭和原煤差別較大，蘭炭灰分較低，僅為12.03%，而固定碳含量高達66.23%，且熱值較高(25.04 MJ/Kg)。由表2可知，蘭炭灰中的主要元素為Ca、Si、S、Fe、Al等。

表1 蘭炭的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of semi-coke

表2 蘭炭灰的主要元素及成分Table 2 Major elemental components of ash

2.2 模擬參數(shù)選擇

循環(huán)流化床鍋爐最基本特征是有一定的床料來建立物料平衡，物料平衡是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，絕大多數(shù)床料來自于給煤的含灰組分，因此煤的成灰特性是物料平衡的重要參量[23-24]，也是模型中物料平衡模塊的重要輸入?yún)?shù)之一。有必要了解蘭炭的成灰和磨耗特性，根據(jù)蘭炭的成灰特性確定合理的給煤粒徑，使鍋爐爐膛內(nèi)形成合理的物料濃度分布，從而保證良好的燃燒效率。蘭炭中無矸石類顆粒，灰分均勻分布在煤顆粒中，蘭炭生產(chǎn)過程中經(jīng)過一次碎裂只是將較大的原煤變成較小的焦炭顆粒，蘭炭的成灰和磨耗特性與原煤相似，因此采用原煤的成灰數(shù)據(jù)代表蘭炭的成灰特性。

另一個重要的輸入?yún)?shù)為蘭炭的燃燒動力學參數(shù)，雖然已有許多針對蘭炭燃燒動力學的研究，但對于不同原煤以及制作工藝所得到的蘭炭燃燒動力學參數(shù)差異較大，需要通過試驗確定。本文采用熱重分析方法對蘭炭進行燃燒特性分析。根據(jù)程序升溫法得到反應活化能為71.45 kJ/mol。

為分析給煤粒徑對燃燒性能的影響，選取不同給煤粒徑分布進行模擬。煤經(jīng)破碎后的粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布[25]：

(1)

其中，P為質(zhì)量分布;d為顆粒粒徑;α為粒徑分布的離散程度，α越小說明粒徑分布范圍越寬，根據(jù)蘭炭顆粒的粒徑分布測試結(jié)果，確定α值為0.936 1；d′為特征粒徑，表示累計質(zhì)量分布達63.2%所對應的粒徑，代表整體粒徑分布的大小，選取不同d′構(gòu)造得到一系列給煤粒徑分布，并控制給煤粒徑在0～10 mm。

為探究分離器效率對蘭炭CFB鍋爐燃燒性能的影響，在不同的分離器效率下進行計算。分離器的分級分離效率簡化為

(2)

其中，κj為分離器對j檔顆粒的分離效率；dj為j檔顆粒的粒徑，d50和d99分別為飛灰的中位粒徑和切割粒徑，本文選取d99=5d50。計算中，設置3種工況：d50=10、15、20 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

循環(huán)灰和底渣的粒徑分布模型預測與現(xiàn)場取樣測量結(jié)果進行對比如圖2所示，爐膛內(nèi)溫度分布如圖3所示。可知在大粒徑范圍內(nèi)模擬值和實測值吻合良好，證明了模型的可靠性。蘭炭灰分低，灰顆粒粒徑分布較細，但該循環(huán)流化床鍋爐依然能夠長時間維持較好的物料循環(huán)性能，這得益于高性能的分離器和高自平衡的返料器，從而建立了相對穩(wěn)定的物料平衡。

圖2 循環(huán)灰和底渣粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of circulating ash and bottom ash

圖3 沿爐膛溫度分布Fig.3 Temperature distribution along the furnace height

值得注意的是，模擬結(jié)果顯示蘭炭燃燒過程中SO2排放量為0，通過對比蘭炭中S含量和灰分中S含量，發(fā)現(xiàn)幾乎所有S都以CaSO4等無機鹽的形式留在灰分中，說明蘭炭具有較強的自脫硫能力。

3.2 分離器效率的影響

分離器效率對燃燒性能的影響如圖4、5所示。分離器效率降低時，較細的灰顆粒因難以被捕捉而形成飛灰，飛灰整體粒徑分布向粗顆粒方向移動，飛灰中位粒徑由10 μm增加到50 μm。由于更多的灰顆粒形成飛灰，飛灰含碳量增加，而底渣含碳量無明顯變化。可用機械未完全燃燒熱損失Q4代表飛灰和底渣中含碳量，由于鍋爐飛灰量是底渣量的數(shù)倍，分離器效率降低時，鍋爐的機械未完全燃燒熱損失增加，燃燒效率下降。同時，由于飛灰量增加，循環(huán)流率下降，導致爐內(nèi)物料濃度降低，鍋爐傳熱能力下降，焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量難以被帶到爐膛上部，引起爐內(nèi)溫度分布不均，甚至局部超溫。因此，為滿足循環(huán)量需求，保證爐內(nèi)物料濃度分布合理，溫度分布均勻，提高鍋爐燃燒效率，要采用較高效率的分離器，建議d50取10 μm為宜。

圖4 分離器效率對燃燒效率的影響Fig.4 Effect of cyclone efficiency on combustion efficiency

圖5 不同分離器效率下沿爐膛高度方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution under different cyclone efficiency

3.3 給煤粒徑的影響

為驗證給煤粒徑對蘭炭CFB鍋爐燃燒性能的影響，設置4種不同粒徑分布，給煤1～4的粒徑分布逐漸向粗顆粒方向移動，不同給煤粒徑分布以及實際給煤分布情況如圖6所示。在分離器效率一定的情況下，如果減小整體給煤粒徑，爐內(nèi)灰顆粒平均粒徑減小，更多細顆粒被氣流帶到爐膛上部，參與循環(huán)的顆粒量略有增加，循環(huán)流率增加，如圖7所示。循環(huán)流率的增加使爐內(nèi)物料濃度增加，傳熱系數(shù)隨物料濃度的增加而增加，在負荷一定的情況下鍋爐釋熱量不變，傳熱系數(shù)增加會在一定程度上降低床溫。由于顆粒平均粒徑減小，飛灰因停留時間較短無明顯變化，而底渣由于排渣停留時間略有增加。

圖6 不同給煤粒徑分布Fig.6 Semi-coke particle size distribution

圖7 不同給煤粒徑下的鍋爐循環(huán)流率變化Fig.7 Circulation rate in different particle size distributions

在停留時間和溫度的綜合作用下，給煤粒徑減小，飛灰含碳量增加，底渣含碳量減少，總?cè)紵式档停鐖D8所示。

圖8 不同給煤粒徑下飛灰和底渣含碳量Fig.8 Carbon content of fly ash and bottom ash in different particle size distribution

此外，給煤粒徑變化也會影響NOx排放量。減小給煤粒徑使密相區(qū)顆粒粒徑減小，流經(jīng)乳化相的空氣量減少，強化還原性氣氛，同時稀相區(qū)顆粒濃度增加強化了顆粒團聚，達到強化還原性氣氛的作用。因此，減小給煤粒徑降低NOx排放，如圖9所示。發(fā)現(xiàn)減小給煤粒徑可降低NOx排放，但會導致燃燒效率略降低。

圖9 給煤粒徑對燃燒效率和NOx排放量的影響Fig.9 Effect of particle size distribution on combustion efficiency and NOx emission

給煤粒徑對燃燒效率的影響并不十分顯著，但對NOx排放量的影響較大。將實際給煤粒徑下的計算結(jié)果與給煤1～4進行對比，可考慮減小粗顆粒占比以減少NOx生成，同時減小0.5 mm以下細小顆粒來提高燃燒效率。

3.4 燃煤性質(zhì)的影響

蘭炭在燃料特性方面與其他常規(guī)煤種存在差異，為探究蘭炭循環(huán)流化床鍋爐的燃燒性能，另選取一印尼褐煤，揮發(fā)分為34.3%，將二者的燃燒情況進行對比，如圖10所示。在相同工況條件下，蘭炭循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)溫度高于燃燒褐煤，這主要是由于蘭炭固定碳含量較高、熱值較高。

圖10 不同燃料下鍋爐內(nèi)溫度分布Fig.10 Temperature distribution in CFB boiler burning different fuels

蘭炭和褐煤燃燒時的灰渣含碳量和污染物排放情況見表3。

表3 蘭炭與褐煤燃燒結(jié)果的對比Table 3 Comparison of semi-coke and lignite combustion

蘭炭燃燒時飛灰和底渣的含碳量高于褐煤，這是由于蘭炭燃燒反應活性低于褐煤，機械未完全燃燒熱損失可綜合表達灰渣含碳量，也代表了燃燒效率，蘭炭燃燒時燃燒效率低于褐煤燃燒。對比污染物排放量發(fā)現(xiàn)蘭炭燃燒時SO2排放量很低，幾乎沒有生成SO2，NOx排放量也遠低于褐煤，但仍需通過煙氣脫硝的方式來達到污染物排放的要求。

4 結(jié) 論

1)利用一維CFB鍋爐模型對蘭炭循環(huán)流化床鍋爐進行了模擬，重點分析了分離器效率、給煤粒徑對鍋爐燃燒性能的影響。發(fā)現(xiàn)分離器效率對鍋爐性能影響顯著，提高分離器效率增加循環(huán)量，可使床溫趨于均勻，建議飛灰中位徑在10 μm左右為宜。

2)基于蘭炭的成灰特性，設置不同給煤粒徑考察其對鍋爐燃燒性能的影響。降低給煤粒徑會使鍋爐燃燒效率略下降，同時NOx排放量明顯下降。建議在實際給煤粒徑分布的基礎(chǔ)上減小粗顆粒占比以減少NOx生成，同時減小0.5 mm以下細小顆粒來提高燃燒效率。

3)通過與燃燒褐煤對比，蘭炭在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中爐內(nèi)溫度高于褐煤，且灰渣含碳量較高。蘭炭燃燒時SO2、NOx生成量都較低，但需要通過煙氣脫硝的手段滿足污染物排放要求。