增压流化床燃烧作为一种重要的洁净煤利用技术, 正受到广泛的关注. 在我国,第1 座15 MW增压流化床中试电站已在江苏徐州贾汪建成, 并投入试运行; 大型增压流化床燃烧锅炉的引进也在洽谈中. 无论是技术引进还是自行开发, 对于详细了解增压流化床燃烧锅炉的运行特性及其动态变化规律都是非常重要的. 通过数学模型来集成、总结试验装置上获得的数据、规律和现象, 并应用于现有设备和系统的改进以及未来大型化的开发无疑都是一个经济而且有效的方法.
为此, 本文以贾汪电厂60 t•h - 1增压流化床为对象, 进行了动态数学模型研究. 针对对象特点,进行研究其主要目标如下.
(1) 反映沿轴向的温度分布特性. 建模研究对象是一个增压鼓泡床, 由于流化风速低, 在实际运行中, 其底部密相床和上部稀相段间存在较大的温度梯度.
(2) 模拟部分氧气通过气泡短路通过密相床上方, 从而未能参加密相床内燃烧反应的“氧气短路”现象
(3) 建立床料的“快加快排”这种增压流化床特有的负荷调节方式的模型描述方法, 并对其对增压流化床动态特性的影响进行研究.
1 流化床分布参数特性的模拟方法
如前述, 本文研究的增压流化床处在鼓泡床运行状态, 沿炉膛高度方向上, 流化床的温度、固体浓度、传热系数等参数呈现较大的分布性. 为反映这种分布性, 本文借鉴“小室模型”思想, 即沿着炉内固体和气体的主要流动方向, 把炉膛离散为若干个平衡空间, 从而获得各种参数的分布情况.
为实现计算精度和计算速度的统一, 并为今后模型的实时计算打下基础, 本文采用了分“小室”和分“段”结合的离散化方案, 如图1 所示. 沿高度方向上, 炉膛首先划分为31 个小室, 用于细致计算炉内不同位置处的流动和传热特性, 以提高计算精度; 其次, 将若干个小室分别组合为一定数目的段, 用于物质和能量平衡计算. 由于段的数目小于或等于小室数目, 而且在满足精度的基础上分段数目可以根据应用目的灵活调整, 因此模型计算速度可以比单纯建立小室平衡大大提高, 而且具备了较大的灵活性.
Fig. 1 Classification of cells and sections of PFBC furnace
图1 所示为增压流化床小室及分段划分示意图, 整个炉膛分为N 段, 其中密相床是第1 段,悬浮空间分为N - 1段, N 为可变常数. 悬浮段中,假定气体充分混合, 因此采用平均氧气浓度来进行燃烧和物质平衡计算. 而在密相床中, 区分了气泡、气泡晕和乳化相3 个相区, 并以各相区为控制体, 分别建立了考虑相间物质交换的氧质量平衡方程. 这样做的目的主要在于反映“氧气短路”现象.
2 增压流化床动态数学模型
本模型考虑了增压流化床内发生的流动、燃烧、传热等主要过程, 并按其发生的先后次序、重要程度、彼此间因果关系等关联在一起, 构成了增压流化床整体数学模型. 上述过程的机理描述可参本节将重点介绍动态模型的建立方法.
在详细分析和考查增压流化床的动态变化机理的基础上, 本文认为, 其动态特性可以用4 个动态平衡来描述, 它们分别是固体物料平衡、氧质量平衡、碳质量平衡和能量平衡.
2. 1 固体物料质量平衡方程
动态固体质量平衡关系用于描述循环流化床内固体物料的动态积累和平衡的过程. 增压流化床内的固体物料包括灰颗、石灰石颗粒和焦炭颗粒.固体物料平衡指的是进出某一控制体的固体颗粒的动态平衡关系.
对于图2 所示的第1 段物质平衡示意图, 可以列出其动态固体物质平衡如下
上式中需要指出的是, 炉底排渣量D 、床料快加速率Wsin和床料快排速率Wsout均是外界可以主动操作的变量. 也正因为如此, 本模型能够模拟炉底排渣以及床料快加快放对动态过程的影响.
2. 2 动态碳质量平衡方程
流化床内存在着大量的未燃尽固体碳, 本文将其称为“残碳”, 并且定义在一定控制体内的所有固体碳质量与固体物料总质量的比值为“残碳含量”. 本模型中, Rc 是控制体内全部残碳的总反应速率, 因此较好地反映了流化床燃烧的本质特点.动态过程中, 由于物流的变化和碳燃烧反应的变化, 炉膛内的残碳质量处在一个不断积累与消耗的过程中, 因此残碳的绝对质量及其含量是不断变化的. 建立碳质量动态平衡方程的目的是要得到炉膛
内的残碳含量及其变化规律.
2. 3 氧气质量平衡方程
相对于能量平衡及碳质量平衡过程而言, 氧气质量平衡是一个快过程, 因而可以近似用静态方程来表示. 密相床的氧气平衡如图3 所示, 假定挥发分全部在乳化相中瞬时燃烧.
2. 4 能量平衡方程
建立能量平衡方程的目的是要通过能量的输入输出关系来确定炉膛内的温度及其分布. 在忽略段内气体内能变化, 并且假定各段内气体和固体具有相同温度的条件下的碳燃烧放热项依然存在, 亦即流化床内的燃烧依然在继续. 这同实
际观察到的流化床的运行现象一致, 说明模型正确反映了流化床的燃烧机制.
3 模型校验
为校验所建模型的正确性, 本文以60 t•h - 1增压流化床锅炉为对象, 进行了稳态计算.图4 所示为稳态计算得到的沿床高方向压降分布型线与实测压力点的对比. 从图上看, 炉膛压降主要集中在密相床和密相床面以上的过渡区, 模型计算结果和实验数据基本吻合.
表1 所示为在基本相同的蒸汽压力条件下稳态计算结果与实际运行数据的对比. 由于实际试验工况没有达到完全稳定的运行状态, 实验数据有一定的波动. 但总的来说, 模型的计算结果与实验数据的趋势是一致的.
上述对比表明, 本模型的计算结果是合理的,而且具有一定的定量准确性.
4 动态计算示例及分析
如前所述, 由于引入了动态残碳质量平衡和动态物料质量平衡机制, 因此, 本文建立的动态模型
不仅可以计算给风、给煤单独(或协同) 变化时的动态变化过程, 也可以计算通过“快加快排”床料来迅速改变负荷的动态过程. 限于篇幅关系, 此处仅给出一个计算示例, 以说明本模型具有计算动态过程的能力.
图5～图8 为以不同速率快速排渣时的增压流化床内主要参数的动态变化过程, 图中曲线1 、2和3 分别代表以60 、50 和40 t•h - 1速率排渣. 由图可见, 快速排渣时, 密相床高度基本以正比于排渣速率的速率下降, 相应地, 流化床对外传热量也迅速减小. 由于炉膛内总床料质量减少, 碳的质量百分含量有所上升(但这并不代表炉膛内总碳质量增加) . 由于大量高温物料被排出炉外, 短时间内密相床温度出现下降现象, 但随后, 随着对外传热量的减少, 炉膛温度出现上升趋势, 温度甚至比变化前还要高. 这种变化趋势是合理的, 原因在于外界加入的能量(给煤量) 未变, 而对外传热量却减小了.
建立了增压流化床动态数学模型, 其特点可归纳如下:
(1) 采用分小室和分段结合的离散化方法, 使得所建模型可以反映沿炉膛高度方向上温度的分布特性, 同时也提高了模型计算速度;
(2) 采用将密相床分为3 个相区并考虑相间传质的模型机制, 解决了“氧气短路”现象的模拟问题, 使得模型具有模拟密相区燃烧氛围变化的能力;
(3) 建立了燃烧放热量与总残碳质量关联以及残碳动态平衡机制, 较本质地反映了流化床的燃烧机制;
(4) 建立了固体物料动态平衡机制, 使得模型具有模拟“快加快排”这种增压流化床特有的运行方式的能力.