循环流化床锅炉燃烧特性与煤种关系的研究
摘要：在如今世界煤炭资源相对供应紧张以及经济快速发展的情况下，循环流化床长期燃用设计煤种是很难实现的，对于煤种适应性广的流化床来说也是一种性能浪费。多样性的煤种会对循环流化床锅炉的稳定和高效运行过程带来很多值得商榷的问题。文章以我国煤种的实际多样情况为依据，对煤种与循环流化床锅炉的燃烧特性进行了相关的研究。这不仅可以提高电厂的经济效益，也可以保证锅炉的稳定运行。文章给选取煤种中典型的两种煤，无烟煤和褐煤；首先对其煤种特点进行了介绍，然后对燃煤在循环流化床锅炉内的燃烧建立数学模型进行分析，最后通过数值模拟和结果分析对循环流化床不同煤种对燃烧的影响进行了分析与研究。
关键词：循环流化床锅炉；燃烧特性；煤种关系
随着经济的发展，电力的需求在持续不断的增长，甚至出现井喷式增长。考虑到我国的实际情况，煤炭资源消耗量巨大，资源相对紧张，一般的煤粉锅炉很难长期稳定的使用设计煤种。因此，煤种适应性强的循环流化床锅炉被越来越多的应用，目前循环流化床的应用呈逐年递增的趋势，循环流化床的应用朝着大型化、高参数发展。因此，联系到我国实际煤种的多样性运行情况，想要提升电厂的经济效益和保证锅炉的稳定运行，就要对煤种与循环流化床锅炉的燃烧特性的关系进行研究。本文的研究对象是一台300MW的循环流化床锅炉，通过FLUENT软件对煤种与循环流化床锅炉燃烧特性进行模拟，然后对结果进行分析研究。
1 循环流化床锅炉的国内外发展情况
循环流化床锅炉是将燃料流化后进行循环燃烧的锅炉。其主要是在20世纪发展起来的一种洁净煤的燃烧技术其具有高效率、低污染的综合性能特点。由于其在技术上具有的独特性，在世界范围内此领域的发展越来越迅速。循环流化床锅炉的主要特点就是具有较高的脱硫效率、床温均匀、燃料适应性广和操作灵活的等优势性能。
世界上第一台商用循环流化床锅炉于1979年在芬兰诞生。发展到现今，循环流化床锅炉的发展已经列入了美国的ASME标准，并逐渐向着高参数和大型化的发展迈进。而在我国，从20世纪90年代开始发展到今天，中国已经成为了世界上循环流化床锅炉台数最多和总蒸发量最大的国家，总运行台数也已经超过了其他国家的运行台数的总和，其发展的速度和成果都是显而易见的。最值得肯定的是，我国在此领域已经逐渐摆脱了国外技术条件的限制，已经有了自主知识产权和自主研发的循环流化床锅炉，在国内的应用非常广泛。
2 循环流化床锅炉燃烧特性与煤种变化的关系
负荷调节性能好、煤种适应性能广是循环流化床锅炉所具有的特点，但煤种变化会对其燃烧效率、炉内温度及系统运行状态等造成影响，偏离设计状态。现选取无烟煤和褐煤作为两种代表性煤种进行分析，研究不同煤种对循环流化床锅炉燃烧特性的影响。
2.1 燃烧特点在不同煤种之间的体现
2.1.1 无烟煤燃烧的主要特点
无烟煤所具备的优点是煤龄长、碳化程度较高，因此其最后在应用过程中就具备着火温度高、发热量高、析出温度高、燃烧时间长以及锅炉的飞灰含碳量大等特点。当然，还有一个不足之处，当无烟煤在燃烧的过程中，由于其燃烧过程中产生的颗粒进行循环流化床以后，会由于爆裂而形成很多的粉末。受到化学动力学和扩散阻力的双重控制下，无烟煤焦炭在其中的燃烧速率就会受到影响。越想要燃尽，就要加快燃烧的温度。
2.1.2 褐煤燃烧的主要特点
褐煤资源在我国分布看来，一般都是老年褐煤，其主要具备的特点是固定碳含量低、发热量低、高水分和高挥发分的特点。进入循环流化床内的褐煤颗粒，不仅容易着火燃烧，也容易结渣。水分首先被蒸发出来，然后继续加热到一定的温度范围内，这就会导致析出大量的挥发分， 继而大量的热量通过燃烧来释放出来。但是依照前面所说的褐煤的特点，固定碳含量低，因此大颗的焦炭颗粒会在存有热量的氛围内发生化学反应，这就是扩散控制燃烧类型。
2.2 循环流化床锅炉燃烧特性与煤种变化的关系
循环流化床锅炉燃烧特性由于煤种变化造成的影响，可以从以下两个方面来看：
2.2.1 影响了锅炉的燃烧效率
对循环流化床锅炉燃烧效率产生影响的因素包括燃煤的挥发分含量、结构特性、含碳量以及灰熔点等。比如一些燃煤存在挥发分含量较少的情况，本身析出内部的挥发分也很困难，所以就降低了其燃烧效率。至于那些褐煤燃料，由于其挥发分含量较高和松软的结构，使得燃烧的效率得到了提高，继而也就提高了循环流化床锅炉的燃烧效率。
2.2.2 影响了锅炉内的温度分布
对于锅炉内的温度分布的影响因素，主要包含以下几种：燃烧煤种的变化、燃烧中发热量的变化、床温的变化以及锅炉内燃烧份额的变化。流化床的床温一般控制在850～950℃，床温太高达到灰熔点温度会使得炉膛内产生结焦的风险。煤种的改变造成了燃烧过程整个不同，对于燃烧的配风、燃烧产生的灰渣量都不同，同时对于汽水系统的运行状态也不同。
3 数学模型在循环流化床锅炉内燃烧具体应用
当循环流化床锅炉吸收进煤颗粒后，主要要经历一个燃烧过程，即：加热煤颗粒→挥发水分→析出挥发分→燃烧挥发分→燃烧焦炭等。
为了使得在循环流化床锅炉中的燃烧可以得到更加方便的模拟，文章的针对点只考虑焦炭和挥发份的燃烧，而不对污染物排放对其的影响进行考虑。
3.1 析出和燃烧挥发份
温度与析出挥发份的数量与速率有着紧密的关系。在循环流化床锅炉中，影响其氧气浓度的截面分布的因素就是挥发份的燃烧。其中，燃烧条件的函数就是挥发份析出的时间，下列公式可以将其表明：
其中，挥发份析出的时间用tv表示，常数用a表示，指数常数用n表示，颗粒给料时的直径用dp表示。然后，用活化能分布模型来表示挥发份的析出量，通过不同反应活化能的单独反應的积分可以将单位质量煤的挥发份析出量进行表述，主要的表达如式（2）所示：
其中，活化能分布的函数用f（E）表示，活化能用E表示，平均活化能用E0表示，而平均活化能E0的标准方差则是σ。
在煤燃烧的过程中，其重要的组成部分就是挥发份的析出过程，但是燃烧区域的研究就没有想象中那么具体。一般来说，将挥发份在给煤点附近迅速析出并燃烧作为假设的挥发份析出燃烧区域。
3.2 焦炭燃烧
焦炭的完全燃烧需要一定的燃烧时间，然而焦炭颗粒通过循环流化床炉膛的总时间约为10秒，所以保证焦炭完全燃烧的时间在10秒以内，才能确保焦炭能够完全燃烧。焦炭燃烧就是碳在氧气的催化作用下转化为二氧化碳，表达式如下：
但实际燃烧的过程并不像表达式这么简单，焦炭在最初与氧气的接触过程中会燃烧产生一氧化碳，而一氧化碳与氧气再继续燃烧生成二氧化碳；第二种就是生成一样化碳的同时又伴随着二氧化碳的产生，而一氧化碳又继续和氧气发生反应，生产二氧化碳，但是全过程可以用一个综合表达式表达燃烧的过程：
其中φ是机理因子，它决定了CO和CO2之间的比例。
通常，焦炭燃烧的速度与化学反应的速率，内部扩散率，和外部扩散率三个因素有关。所以在实际的循环流化床锅炉的燃烧过程中，因为碳的性质不匀，对于碳所处的实际燃烧部位，我们通常认为细颗粒的在内部进行，大颗粒的在外部进行。
4 数值模拟与结果分析
以一台300MW的循环流化床锅炉为例，对褐煤燃料进行数值模拟，在运用FLUENT求解，来进行模拟研究与分析。
燃用褐煤时的模拟结果与分析：
温度场的分布情况是我们首先要分析的问题，通过模拟分析可知，由于煤的颗粒浓度较高，内外的风速过快，入炉煤颗粒会充分燃烧，会出现较高温度的高温区域。而对于炉膛两侧，由于氧气不充分，该区域会出现温度较低的情况。
焦炭没燃尽的情况也是一种我们研究中出现单位情况，分析追踪一组煤颗粒的燃尽情况，发现这组颗粒在炉内10米处出现燃烧过程，在17米处燃烧结束，充分印证了燃烧的基本原理。该颗粒进入炉膛后充分展现出加热干燥，燃烧，燃尽的情况，完美的展现了焦炭的燃烧过程。
混合分布的情况也是我们研究的一种情况，该混合分数的分布情况能最直观的表现出燃烧过程中的连续和离散混合情况，通过分析观察，在煤粉与进入密相区的气体充分混合之后，混合分数明显增大。
通过控制系统检测到的分布情况与上述结果基本相同，模拟结果符合对燃烧温度的设计。
5 结语
综上所述，各种研究结果表明循环流化床锅炉具有适应各种煤种的优点，但由于设计煤种的燃烧特性决定了锅炉的运行特性，想要充分的发挥循环流化床的适应性强的特点，充分保证其燃烧效率，大幅度降低飞灰的含碳量，还是要针对燃用煤种进行燃烧分析，通过调节运行状态的手段，保证燃烧达到高效稳定燃烧，以达到经济运行。
參考文献：
[1]陆建军，马狮鹏.循环流化床锅炉的燃烧及传热特性[J].重型机械科技，2001（3）.
[2]清华大学公开课.循环流化床燃烧技术[Z].2010.
[3]于龙，吕俊复，王智微，岳光溪.循环流化床燃烧技术的研究展望[J].热能动力工程，2004（04）.
[4]张丽华，支元珍，袁金玉.燃用无烟煤的循环流化床锅炉的运行体会[J].发电设备，2003（03）.
[5]崔大伟.循环流化床锅炉床温控制策略优化[D].山西大学，2010.
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