技术 | 600MW CFB锅炉气固流动均匀性数值模拟与试验研究

2.2 颗粒轴向分布模拟结果与冷模试验结果对比

图 5 为不同负荷下的颗粒浓度轴向时均分布模拟计算曲线，作为对比，图中给出了 60m 冷模试验台在 4.16m/s 流化风速下实测的颗粒浓度沿炉膛高度的变化曲线。根据 Xu J 等对比实炉工况与冷模试验的方法，本文中 100%负荷模拟的炉膛的空截面风速为 3.83m/s，冷模试验的流化风速为 4.16m/s，相对偏差为 8.62%，物料初始高度分别为 795mm 与 1000mm，30m 至 55m 炉高的床层压降分别为 78.37Pa/m 与 80.81Pa/m，相对偏差仅为 3.11%，因此在距布风板 30 米以上区域的冷模试验结果可作为 100%负荷模拟轴向颗粒浓度分布趋势的参考值。

100%负荷模拟时的流化风速比冷模试验的流化风速低，因而在炉膛底部（z≤2.5m，z 表述为高度），模拟结果显示的颗粒浓度更高。在炉膛的稀相区，模拟工况的颗粒浓度几乎不变，但试验的颗粒浓度偏高且不稳定，根据周星龙等的模拟与试验，发现随着二次风率的降低，密相区的颗粒浓度减小而稀相区的颗粒浓度增加。本文模拟的二次风率为 52%，而冷模试验中流化风都是通过底部布风板进入，二次风率为 0，因此如图 5 可见，在密相区，模拟得到的颗粒浓度高于冷模试验值，而在炉膛上部稀相区，模拟的颗粒浓度值非常接近冷模试验结果。

对比模拟与冷模试验结果，两者的颗粒浓度都随高度趋于降低，变化趋势相似，颗粒浓度轴向分布皆符合“上稀下浓”分布。在裤衩腿以下（z≤8.6m）为密相区，颗粒时均浓度最高接近0.07，该浓度比实际炉膛运行值偏低较多，主要由于模拟的颗粒参数取样于参与外循环运行的颗粒，缺乏堆积于炉膛底部不参与外循环的粗颗粒，相比实际密相区燃烧情况可能有一定偏差。颗粒浓度在密相区的降低速率较快，在裤衩腿顶部已降至 0.006，在裤衩腿至炉膛出口段的稀相区，颗粒浓度约为 0.003。在 45m 高度至炉膛顶部处，大部分颗粒流至炉膛出口进入外循环，使得炉膛顶部的颗粒浓度降低至零。

对比不同负荷下的颗粒浓度分布，由图 5 可知，较低负荷下颗粒基本存积在炉膛 0.5m 以下区域，而在稀相区，100%负荷的颗粒浓度整体高于 75%负荷的颗粒浓度，轴向颗粒浓度分布与负荷呈正相关。

2.3 不均匀二次风分布时两侧炉膛颗粒浓度对比

图 6 为 75%负荷不均匀二次风分布时，距前墙 4 个位置的颗粒浓度分布，这些位置均位于悬吊屏外部区域，与炉膛出口相切，且未靠近二次风口。由图可见，在 75%负荷时炉膛边壁仍有下滑颗粒团，因此炉膛上部稀相区仍处于快速床状态。将图中 4 个位置的颗粒浓度取均值，得到不同高度的颗粒浓度在宽度方向的分布，即图 7。

由图 6 及图 7 可见，距布风板 2.5m 的裤衩腿区，受内下二次风射流的影响，在射流区域内颗粒浓度为 0~0.01，在区域外围浓度维持在 0.02左右，距侧墙 1m 内颗粒浓度高于 0.02，边壁附近存在物料堆积现象。可见内下二次风对于底层物料的扰动强烈，有利于强化给煤的扩散与燃烧。

距布风板 5m 的裤衩腿区为外二次风与内上二次风影响区域，此时裤衩腿中部颗粒浓度维持在 0.01 左右，由于两股二次风对冲，炉膛边壁颗粒浓度偏高。且外二次风风速为内上二次风的1.4~3.7 倍，导致裤衩腿内墙附近的颗粒浓度最高，为侧墙处的 4.7 倍。

在稀相区（z=10、35m），两侧炉膛的颗粒浓度分布均匀且趋势相近，说明在炉膛宽度方向上，不均匀二次风分布对于稀相区气固速度场分布特性的影响有限。

2.4 二次风均匀分布与非均匀分布悬吊屏区颗粒

浓度分布

图 8 对比了 75%负荷二次风不同分布下，距右侧墙 2m 处的颗粒轴向速度时均分布云图。可见在均匀二次风分布时，炉膛颗粒速度分布沿深度的均匀性较好，而在非均匀二次风情况下，颗粒速度分布均匀性较差，同时存在快速上升及下落的颗粒团。

图 9、10 分别为右侧炉膛在 45m 炉高处，沿深度方向的颗粒浓度与轴向速度时均分布。图中的颗粒浓度与速度为悬吊屏区内距侧墙 4 个位置取得的均值。

由图可见：1）在悬吊屏区内部，每两片悬吊屏中间区域的颗粒上行速度比边壁处高，悬吊屏壁面的边界层效应对于颗粒上行运动有阻碍作用，导致悬吊屏内部，中间颗粒浓度低而贴壁浓度高；2）在悬吊屏区外部，由于悬吊屏非对称布置的影响，右侧炉膛前、中、后部有分别形成“环核”结构的趋势，其特征都为中间颗粒浓度低而两边贴壁处高，同时中间颗粒速度高而两边低，符合“环核”结构的特征。

将右侧炉膛的悬吊屏分为悬吊屏 1 区和悬吊屏 2 区，悬吊屏外部分为炉膛前部、中部及后部，如图 9 所示。将各个区域的颗粒浓度及轴向速度取均值，得到图 11。

由图 11 可见，均匀二次风工况时颗粒分布较均匀，而非均匀工况下颗粒浓度的标准差为均匀工况下的 1.4 倍，说明非均匀二次风下的颗粒浓度值离散更大，沿深度方向分布的均匀性较差。

在均匀二次风工况下，由于炉膛上部悬吊屏为非对称结构，悬吊屏 1 区的占据的空间要小于悬吊屏 2 区，炉膛前、中部的“环核”结构距离更近，容易相互干扰，造成屏 1 区的平均颗粒浓度偏高，尤其是接近悬吊屏壁面的位置颗粒浓度更高。

在非均匀二次风工况下，由于炉膛前、后部6 个二次风口的风量比为 82：93，炉膛后部二次风风量偏高，因而炉膛后部扰动更剧烈，流化风易携带更多颗粒至炉膛上部，造成炉膛后部的平均颗粒浓度高于前部。另外加上悬吊屏非对称结构的影响，炉膛上部形成分散的“环核”结构，颗粒在近壁面处的颗粒低速区汇集，如图 10 所示，造成颗粒浓度分布在近壁面处偏高。

2.5 不同负荷下炉膛出口颗粒质量流率的比较

图 12 给出了炉膛在不同负荷下各循环回路的颗粒质量流率百分比的模拟计算值和实炉测量值。在 100%与 75%负荷二次风分布均匀时，炉膛中部出口颗粒质量流率低于炉膛前、后部的炉膛出口。实炉测量计算得到各炉膛出口的循环灰量，结果同样显示炉膛中部的出口灰量要低于炉膛四角的出口灰量，与 Jiang Y 等人的冷模试验结果的也基本相符。由图 9 可知，在均匀二次风分布时，炉膛上部前后墙的边壁处存在浓度较高的颗粒流，导致到达炉膛出口处，炉膛前、后部的炉膛出口颗粒质量流率更高。

在 75%负荷非均匀二次风分布时，炉膛前部和后部附近 12 个二次风口风量比为 169：193，炉膛前部二次风量偏低。计算结果表明炉膛前部有更多的颗粒没有到达出口即向下流动，如图 11所示，在炉高 45m 处炉膛前部的颗粒浓度整体低于后部，因此炉膛前部的颗粒出口质量流率比炉膛后部的颗粒出口质量流率小。

3结论

本文通过对不同负荷和不同二次风分布条件下 600MW 超临界 CFB 锅炉炉内气固流动的数值模拟研究，得到以下结论：

1）在均匀二次风分布时，炉内沿整个炉膛的颗粒浓度分布呈“上稀下浓”状态，模拟结果与60m 冷模试验结果基本相符。100%与 75%负荷下，颗粒浓度轴向分布趋势相近，颗粒浓度高低与负荷呈正相关。

2）75%负荷的模拟结果发现，沿炉膛前后墙即宽度方向，非均匀二次风分布主要影响裤衩腿区域的颗粒浓度分布，其中距炉膛边壁 1m 内颗粒浓度较高，非均匀工况沿宽度方向对稀相区的颗粒浓度分布特性的影响有限。沿炉膛侧墙即深度方向，均匀二次风分布下炉膛颗粒速度均匀性较好，而非均匀二次风分布时，颗粒浓度在炉膛深度方向的不均匀性较大。在悬吊屏区内部，贴壁处颗粒浓度高且速度低，中间颗粒浓度较低而颗粒速度较高。

3）不同负荷下，炉膛六个分离器的颗粒流率在均匀二次风下的分布特性相同，都是中间低四角高，与实炉各循环回路灰量测量值吻合；而在非均匀二次风下，由于炉膛前部风量较小，炉膛前部的颗粒出口质量流率比炉膛后部的颗粒出口质量流率小。

文献信息

刘名硕,卢啸风,王泉海,徐杰,严谨,许臻,周嗣林,雷秀坚,刘昌旭,谢雄.600MW CFB锅炉气固流动均匀性数值模拟与试验研究[J].中国电机工程学报,2019,39(02):543-549+651.