炉膛结构参数对CFB锅炉颗粒相浓度分布的影响研究

(潞安矿业集团公司五阳热电厂，山西长治046205)

0 引言

潞安集团五阳热电厂(4×75 t/h CFB锅炉)锅炉设计煤种为劣质煤，2015年后，电厂锅炉入炉煤质发生变化，锅炉灰分降低，发热量增加，锅炉循环倍率降低，炉出口温度降低(炉出口速度大约750℃)，锅炉出力大约55 t/h。通过改造五阳热电厂锅炉密相区结构，使锅炉密相区流化速度增加，密相区燃烧份额下降，稀相区燃烧份额增加，炉出口温度增加(炉出口速度大约900℃)，锅炉出力大约为70 t/h。

1 炉型介绍

图1 五阳热电厂锅炉结构图

潞安集团五阳热电厂的4台75 t/h CFB锅炉(型号：YG-75/5.29-M5)由山东济南锅炉厂生产，锅炉本体高22512 mm，炉深5290 mm，宽3170 mm，其结构如图1。锅炉采用双高温旋风分离，炉膛内部分布膜式水冷壁，尾部烟道设计有高温过热器、低温过热器、省煤器、一二次风预热器，锅炉设计参数如表1。密相区温度为1000℃～1050℃，分离器温度为1000℃左右，炉出口及水平烟道温度850℃～950℃，设计煤种如表1。

表1初始边界条件的数值设计

2 模型的建立

2.1 模型参数

潞安集团五阳热电厂4×75 t/h CFB锅炉二次风喷口分两层布置，具体的设计参数如图2。

图2 CFB锅炉锥段结构尺寸(原方案)

图3 两种改进型CFB锅炉锥段结构尺寸

2.2 网格划分

图4 锅炉结构网格划分图

CFB锅炉中部采用六面体网格，炉膛下部及上部采用四面体网格，二次风喷口及旋风分离器出口连接处采用加密处理，总网格数量为256431，具体如图4。

2.3 模型计算

2.3.1 Syamlal et al与Gidaspow et al动力粘度表达式选择

Syamlal et al表达式：

Gidaspow et al表达式：

Syamlal等研究学者所提出的动力粘度表达式对CFB锅炉的模拟更符合实际，而且，应用Syamlal模型得出的结论与CFB锅炉的气-固流动特性与颗粒特性吻合更好[1-4]。

2.3.2 气-固相间闭合关系

气-固相间的主要的曳力模型有：Wen and Yu模型、Syamlal and O’Brien模型和Gidaspow模型。

Syamlal and O’Brien曳力模型对CFB锅炉气-固两相流动更加准确，Gidaspow曳力模型更多的应用在稠密流化床模拟中，Wen and Yu曳力模型更多应用在稀相流动[5-12]。

2.3.3 数值模拟及边界条件

CFB锅炉数值模拟及边界条件见表2。

表2CFB锅炉模拟模型及参数

3 模型分析

根据图5、6可以得出：方案二密相区的颗粒物浓度最低，原方案的密相区的颗粒物浓度最高；方案二稀相区的颗粒物浓度最高，原方案的稀相区的颗粒物浓度最低。原因：方案一和原方案相比，降低了二次风喷口距离布风板的距离，提高了密相区的流化速度，使更多的颗粒物析出二次风平面进入稀相区，导致稀相区的颗粒物浓度提高；方案二与原方案相比，不仅降低了二次风喷口距离布风板的距离，还缩小了二次风喷口所在面积，使密相区的流化速度进一步提高，最终导致原模型的稀相区颗粒物浓度最低，密相区的颗粒物浓度最高，方案二的稀相区颗粒物浓度最高，密相区的颗粒物浓度最低。

图5 三种方案轴向不同高度颗粒物浓度分布

图6 轴向不同高度截面颗粒物浓度分布

4 3#炉改造实践及分析结果

4.1 3#炉改造分析情况

4.1.1 3#炉改造前后锅炉出力情况

根据图7可以得出：按照方案二改造情况，适当降低二次风距离布分板的距离同时缩小二次风所在面积，可以提高密相区的流化速度，使更多的颗粒物流入稀相区，锅炉的循环倍率增加，锅炉传热增强，炉出口温度提高，锅炉出力增强。

图7 3#炉锅炉改造前后锅炉出力对比图

4.1.2 3#炉改造前后炉膛差压变化情况

3#炉改造前后炉膛差压变化情况如图8。

图8 3#炉锅炉改造前后炉膛差压出力对比图

根据图8可以得出：按照方案二改造情况，适当降低二次风距离布分板的距离同时缩小二次风所在面积，可以提高密相区的流化速度，从而使更多的颗粒物流入稀相区(锅炉密相区燃烧份额下降)，使稀相区的炉膛差压增加。

4.1.3 3#炉改造前后炉出口温度变化情况

根据图9可以得出：按照方案二改造情况，适当降低二次风距离布分板的距离同时缩小二次风所在面积，可以提高密相区的流化速度，从而使更多的颗粒物流入稀相区(锅炉密相区燃烧份额下降)，炉出口温度增高，锅炉传热增加，锅炉出力增强。

图9 3#炉改造前后炉出口温度对比图

4.2 3#炉改结果

五阳热电厂3#炉改造前：

1)3#炉改造前锅炉锅炉出力56.2t/h；

2)3#炉改造前炉出口温度为866.55℃；

3)3#炉改造前炉膛差压为77.09Pa。

五阳热电厂3#炉改造后：

1)3#炉改造后锅炉锅炉出力69.0/h；

2)3#炉改造后炉出口温度为907.87℃；

4)3#炉改造后炉膛差压为827.89Pa。

5 结论

1)适当降低二次风喷口与布风板的距离(相同炉膛下部结构)，可以提高稀相区颗粒物的浓度，降低密相区的颗粒物浓度；适当缩小二次风所在平面面积(二次风所在平面距离布风板的距离相等)，可以提高稀相区颗粒物的浓度，降低密相区的颗粒物浓度。

2)通过改造潞安集团五阳热电厂锅炉密相区结构可以提高炉出口温度，炉膛差压明显提高，锅炉出力增强。