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循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧效率高，污染物排放低，适宜燃烧劣质煤种，正向更高蒸汽参数、更高容量、更低排放的目标快速发展。四川白马电厂 600MW 超临界 CFB锅炉，是目前世界单机容量最大的 CFB 锅炉。相比 300MW 亚临界 CFB 锅炉，超临界锅炉炉膛截面增大一倍，炉内风煤混合均匀的挑战更大。已进行的实炉测试结果表明，炉内风煤混合均匀性和气固流动的混合强度需要进一步改善。

（来源：微信公众号“循环流化床发电” ID：xhlhcfd 作者：刘名硕）

截止目前，许多研究者针对 CFB 锅炉气固流动均匀性开展了大量研究。郭贞使用 CFD 软件模拟流化床底部 3 个水平截面的颗粒径向分布，与实验结果吻合良好。王超用双欧拉方法模拟600MW 超临界 CFB 锅炉的气固流场，二次风口风速取相同参数，结果炉内呈现颗粒浓度“上稀下浓”的分布，壁面的颗粒回流现象较为明显，六分离器的颗粒质量流率存在不均匀性，中间分离器入口颗粒质量流率高于两边的分离器。王虎通过实炉测试发现，600MW 超临界 CFB 锅炉中间分离器入口颗粒质量流率低于两边的分离器。Jiang Y运用欧拉-拉格朗日模型对六个旋风分离器并联的 CFB 冷模试验台进行气固流动数值计算，发现各旋风分离器的入口颗粒质量流率

虽然同样不均匀，但在燃烧室角落处四个旋风器的入口颗粒质量流率高于其他两个。以上针对CFB 锅炉气固流动的研究，其试验与模拟结果并不完全吻合，这是因为按比例缩小的冷模实验台与均匀边界条件的模拟工况不能反映炉内真实的气固流动特性。由于缺乏实炉测试数据的对照，对于不均匀二次风以及变负荷下炉内气固混合规律的研究还不够深入，不利于调整和改善超临界CFB 锅炉炉内的燃烧及传热均匀性。600MW 超临界 CFB 锅炉炉内气固流动复杂，分离器和循环回路受热面布置存在非对称性，运行中主要风煤参数也存在非均匀性，因此模拟的颗粒粒径和边界条件需要与实炉运行工况尽量接近，模拟结果才可能与实际炉膛运行结果相一致。在气固两相模拟方法中，使用欧拉-拉格朗日模型可模拟宽筛分粒径分布的颗粒行为，更符合实炉运行中煤与循环灰等物料的流动特性。目前该模型对工业级循环流化床锅炉进行气固流动模拟的可行性与准确性已经得到验证。

本文以白马 600MW 超临界 CFB 锅炉为研究对象，以白马实炉试验测量数据为基础，模拟分析锅炉在不同负荷、不均匀二次风下的气固流动分布，并与炉膛高度为 60m 的冷模试验台和实炉测量值进行对比，得出超临界 CFB 锅炉的气固流动分布规律，为改善大型 CFB 锅炉炉内气固混合与燃烧效率，以及研究开发 660MW 超超临界循环流化床锅炉提供参考。

1模拟与试验方法

1.1锅炉跳闸后补水冷却的影响

白马 600MW 超临界 CFB 锅炉的炉膛结构及各二次风口分布如图 1 所示。炉膛高 55m，前墙与后墙宽 15m，两侧墙深 27.9m，底部为“裤衩腿”结构，其中有 42 个二次风口：内上二次风喷口左右炉膛各 5 个，外二次风口和内下二次口左右各 8 个。炉膛中部有 7 片中隔墙受热面，左右两侧墙上部各 8 片悬吊屏受热面，与炉膛出口一样以轴对称形式布置。

1.2 模拟工况

模拟分为非均匀二次风工况与变负荷（100%与 75%负荷）工况。通过实炉测量各个二次风口的风速值，得到呈现非均匀分布的各二次风口的风速参数，如表 1（将炉膛从前墙到后墙的二次风口按 1-8 编号）。通过加装风门档板，将各层二次风风口风速调整均匀后，实测得到变负荷(100%与 75%负荷）工况下，外二次风、内上二次风和内下二次风各层的风速值，如表 2 所示。

模拟颗粒为循环灰，由四川内江白马电厂取样，测得其物理特性如下：颗粒密度为2680kg/m3，堆积密度为 1380kg/m3，平均粒径为129.6μm。循环灰粒径分布如图 2 所示。炉内初始循环灰床料高度设定为 1000mm。

1.3 模拟计算的物理模型及假设条件

通过 fluent 软件平台，采用欧拉-拉格朗日方法可耦合求解流体和颗粒的三维运动，其中流体基于 Navier-Stokes 方程，采用大涡模拟求解，颗粒相由MP-PIC数值方法来计算，气固流动模型方程通过WenYu/Ergun 模型耦合相间曳力，该曳力模型适合 CFB 锅炉炉内颗粒浓度差异大的曳力计算。

炉膛出口颗粒通过外循环返回炉内，以维持炉内物料平衡。无关性验证结果显示合理的计算颗粒数为 8.35e+5，计算网格数为 100 万，网格间距约 0.28m。模拟设定炉内为 890℃的均匀温度场。由于实际锅炉运行中受温度影响，一次风轴向膨胀加速，因此表2中一次风速已折算为890℃下的风速，同时二次风进入炉内后主要为径向扩散，因此仅对二次风口进行矫正处理。

1.4 冷模试验与实炉参数测量简介

炉膛高度 60m 的 CFB 冷模试验台是利用四川白马电厂现有的 CFB 锅炉钢架和平台扶梯进行搭建，由炉膛、分离器、立管、回料阀、布风板、给风系统和测量系统等组成，如图 3 所示。

炉膛轴向浓度分布通过压差法进行测量，共设 46 个压力测点：在距布风板 30m 以下，每 2m设置一个压力测点；距布风板 30m 以上，每 1m设置一个压力测点。通过测量两测点间压差，根据式（1），得到颗粒轴向体积浓度分布：

试验床料为石英砂，其物理性质如下：密度为 2660kg/m3，堆积密度为 1382kg/m3，平均粒径为 200μm。试验中流化风速为 4.16m/s，物料初始床高 795mm。

实炉运行条件下，各循环回路的灰量分配计算方法如下：测得各旋风分离器进出口的烟气成分，从而计算各循环回路的烟气量与各分离器内的燃烧量，最后通过旋风分离器内的物料平衡和热平衡，计算得到各循环回路的灰流量。

2模拟与试验结果对比及分析

2.1炉膛出口颗粒质量流率动态平衡

要合理分析运行中的炉内气固流动分布，需保证其气固流动达到动态稳定。可通过监测炉膛出口的颗粒质量流率随时间的变化加以判断。以100%负荷为例，如图 4 所示，当模拟到 40s 后，炉膛各出口的颗粒质量流率达到动态平衡。因此模拟结果取 40s~70s 时间段的时均值，用于分析炉膛内气固流动的分布特性。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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