循环流化床垃圾炉气相湍流流动的数值计算

序号名 称符号单 位1.试验煤质资料1收到基碳Cad %2收到基氢Had %3收到基氧Oad %4收到基氮Nad %5收到基硫Sad %6全水分Wad %7收到基灰分Aad %8收到基高位发热量Qg kJ/kg 9收到基低位发热量Qad kJ/kg 10入炉煤量Mbokg/s2.试验石灰石成分1碳酸钙CaCO3%2碳酸镁MgCO3%3氢氧化钙Ca(OH)2%4氢氧化镁Mg(OH)2%5水分Water %6其它others %7石灰石耗量Mshskg/s3.大气条件1干球温度t g ℃2湿球温度t s ℃3大气压力P air kPa 4空气的绝对湿度φ％5空气的绝对湿度d airkg/kg 干空气4.基准温度1一次风量Q F1Nm 3/s 2二次风量Q F2Nm 3/s 3一次风机出口温度T F1℃4二次风机出口温度T F2℃5进口空气温度T air ℃6基准温度T 0℃7排烟温度T py ℃8底渣温度T dz℃1预热器出口氧量O 2%2预热器出口二氧化碳CO 2%3预热器出口一氧化碳CO%5.烟气特性 循环流化床锅炉效4排烟中二氧化硫浓度SO21%5预热器出口氮N2%6空预器出口过量空气系数αpy-7排烟中二氧化硫的质量含量SO22mg/m31飞灰比率afh%2底渣比率alz%3飞灰可燃物Cfh%4底渣可燃物Clz%7.蒸汽流量1主蒸汽流量(出口流量)D kg/h2设计额定蒸汽流量De kg/h输入热量计算1输入热量Q r kJ/kg1.1入炉煤低位发热量Q ad kJ/kg1.2燃料物理显热Q rx kJ/kg1.2.1基准温度T0℃1.2.2燃料比热C r kJ/（kg·K）煤的干燥基比热Crg kJ/（kg·K）灰的比热C h kJ/（kg·K）可燃物质比热C r kJ/（kg·K）煤的可燃基挥发份V r％煤的干燥基灰分A g％煤的温度T r℃煤的应用基水分W Y％1.3外来热源加热空气带来的热量Q wl kJ/kg1.3.1环境温度T℃1.3.2高压流化风量Q gy kg/s1.3.3冷渣风量Q lz kg/s1.3.4高压流化风机出口温度T gy K1.3.5冷渣器风机出口温度T lz K1.3.6基准温度下的空气定压比热容C0g kJ/（kg·K）1.3.7高压流化风机出口温度下的空气比热容C gy kJ/（kg·K）1.3.8冷渣器风机出口温度下的空气比热容C lz kJ/（kg·K）1.4燃油雾化蒸汽带入的热量Qwh kJ/kg2脱硫相关1石灰石中碳酸钙分解率βfj％2Ca/S摩尔比K glb－3脱硫效率ηtl％3.1SO2理论计算排放值SO20mg/m33.2排烟中实测值折算到αpy 时的排放值SO2mg/m36.灰渣比率3.3αpy＝1.4时的烟气量V gy,1.4m3/kg(V0gy)c m3/kg 按实际燃烧掉的碳计算的理论燃烧干烟气按应用基实际燃烧掉的碳的理论空气量(V0gk)c m3/kg 4单位燃料脱硫后硫酸钙的生成量A CaSO4％5单位燃料脱硫石灰石未反应的CaO含量A CaO％单位燃料脱硫入炉石灰石含量百分率b CaCO3％6单位燃料脱硫石灰石未分解的CaCO含量A wfj％37单位燃料脱硫石灰石带入的杂质百分率A zz％8投石灰石后的灰百分含量Ajs％各项损失计算一排烟热损失q2％1干烟气带走的热量Q2gy kJ/kg1.1排烟温度T py℃1.2基准温度T0℃1.3干烟气从T0到T py的平均定压比热C p·gy kJ/（m3·K）1.3.1T O温度下CO2的定压比热C T0p·CO2kJ/（m3·K）1.3.2T O温度下O2的定压比热C T0p·O2kJ/（m3·K）1.3.3T O温度下N2的定压比热C T0p·N2kJ/（m3·K）1.3.4T py温度下CO2的定压比热C Tpy p·CO2kJ/（m3·K）1.3.5T py温度下O2的定压比热C Tpy p·O2kJ/（m3·K）1.3.6T py温度下N2的定压比热C Tpy p·N2kJ/（m3·K）1.3.7CO2从T0到T py的平均定压比热C p·CO2kJ/（m3·K）1.3.8O2从T0到T py的平均定压比热C p·O2kJ/（m3·K）1.3.9N2从T0到T py的平均定压比热C p·N2kJ/（m3·K）1.4每千克燃料燃烧生成的干烟气体积V gy m3/kg1.4.1按实际燃烧掉的碳计算的理论燃烧干烟气(V0gy)c m3/kg1.4.2燃料应用基实际烧掉的碳质量百分率C r y％灰渣中平均碳量与燃煤灰量之比率C s％1.4.3按应用基实际燃烧掉的碳的理论空气量(V0gk)c m3/kg2烟气中含水蒸气的显热Q2H2O kJ/kg2.1干烟气从T0到T py的平均定压比热C p·H2O kJ/（m3·K）2.2烟气中水蒸气的容积V H2O m3/m32.2.1空气的绝对湿度d k kg/kg干空气2.2.2就地大气压Pact Pa2.2.3在T0温度下的水蒸气饱和压力(P b)0Pa2.2.4空气的相对湿度φ％二可燃气体未完全燃烧热损失q3％三固体未完全燃烧热损失q4％四散热损失q5％1锅炉额定蒸发量D e t/h2锅炉实际蒸发量D t/h3额定蒸发量下的散热损失q5e％五灰渣物理热损失q6％1飞灰比率a fh%2底渣比率a lz%3飞灰温度Tfh℃4底渣温度T lz℃5飞灰比热C fh kJ/（kg·K）6底渣比热C lz kJ/（kg·K）六石灰石脱硫热损失q7% 1Ca/S mol比K glb－2石灰石中碳酸钙分解率βfj％3脱硫效率ηtl％说明、计算公式或来源结 果原煤化验33.8原煤化验 1.69原煤化验 2.16原煤化验0.7原煤化验 1.5原煤化验 5.4原煤化验5513340原煤化验12958现场计量显示45.55石灰石化验9400000现场计量显示3.493396.1200.009现场显示87.07现场显示105.47现场显示17.41现场显示6.34(Q F1*(273+T F1)+Q F2*(273+T F2))/(Q F1+Q F2)-273 5.00同上 5.00显示136.3显示92.25省煤器出口+0.3 4.3参考估值10参考估值0.008锅炉效率计算表参考值计算0.026 100－O2－CO286αpy=21/(21-O2) 1.25748503 SO2＝SO21*1000*2.86743.6取值60取值40化验3化验 1.9Q r=Q ad+Q rx+Q w1+Q wh12975.19854原煤化验12958 Q rx＝C r（T r－T0）10.95.00C r＝C r g*（100－W Y）/100+4.1868*W Y/100 1.06 C r g＝0.01*(C h*A g+C r(100-A g))0.88 C h=0.71+5.02*T h/100000.78 C r＝0.84+37.68*10-6(13+V r)*(130+T r) 1.00原煤化验（以煤的干燥无灰挥发份）16.00原煤化验55.00测量15.00原煤化验(以煤的全水分计算) 5.40 Q wl=(Q gy*(C gy*T gy)+Q lz*(T lz*C lz)-(Q gy+Q lz)*C0g*(273+T0))/M bo 6.298541005测量5测量计算（1.293*1.92Nm3/s） 3.66测量计算（1.293*9.04Nm3/s）0显示加折算354.30查表计算 1.006查表计算 1.01060没有0取值95 K glb＝M shs*CaCO3*32/100/S ad/M bo 1.53646835ηtl=(SO20-SO2)/SO20*10064.23676494 SO20=2*S ad*104/V gy,1.41867.572077 SO2=SO22*αpy/1.4667.9041916Vgy=(V0gy)c+(1.4-1)(V0gk)c 3.962363805 (V0gy)c＝1.866*(C ad+0.375S ad)/100+0.79*(V0gk)c+0.8N ad/100 2.847890005 (V0gk)c＝0.089*(C ad+0.375S ad)+0.265H ad-0.3333O ad 2.7861845A CaSO4=0.0425*ηtl*S ad 4.0950937652.145352868A CaO=(1.75*S ad/100*(K glb-ηtl/100)-b CaCO3/100*(1-βfj)*CaCO3/100*56/100)*100b CaCO3=3.125*K glb*S ad/CaCO3*1007.661909989A wfj=b CaCO3*(1-βfj/100)CaCO3/1000.360109769A js＝(A ad+A CaSO4+A CaO+A wfj+A zz)61.6005564（Q2gy＋Q2H2O）/Q r*100 4.7205025Q2gy＝V gy C p·gy（T py－T0）556.7443192显示13816C p·gy＝C p·co2*CO2/100+C p·O2*O2/100+C p·N2*N2/100 1.338485289C T0p·CO2=1.5991+1.072*10-3*T0 1.616236C T0p·O2=1.30586+8.22434*10-5*T0 1.307175894C T0p·CO2=1.29465+7.31852*10-6*T0+1.79523*10-7*T02 1.294813054C T0p·CO2=1.5991+1.072*10-3*T py 1.746898C T0p·O2=1.30586+8.22434*10-5*T py 1.317209589C T0p·CO2=1.29465+7.31852*10-6*T py+1.79523*10-7*T py2 1.295662065两者求和平均 1.681567两者求和平均 1.312192742两者求和平均 1.295237559 Vgy=(V0gy)c+(αpy-1)(V0gk)c 3.4094345782.725022369 (V0gy)c＝1.866*(C r y+0.375S y)/100+0.79*(V0gk)c+0.8N y/100+0.7*S ad/100*(βfj K glb-ηtl)/100 C r y＝C ad－(A ad+A CaSO4+A CaO+A wfj+A zz)*C s/10032.17966526C s＝a lz*C lz/(100-C lz)+a fh*C fh/(100-C fh) 2.6303897772.658066018 (V0gk)c＝0.089*(C r y+0.375S ad)+0.265H ad-0.3333O y+0.0167*S ad*ηtl/100Q2gyH2O＝V H2O C p·H2O（T py－T0）55.75025227由附录C查取 1.50420.30379556V H2O＝1.24*((9*H ad+W ad)/100+1.293*αpy(V0gk)c d k+b CaCO3*Water/104+D wh/B)d k＝0.622*φ(P b)0/100/(P act-φ(P b)0/100)(查表)0.009测量96800 (P b)0=611.7927+42.7899T0+1.6883T02+1.2079*10-3T O31733.583458测量15q3＝Vgy（126.36*CO）/Qr*1000.026562439q4＝337.27*A js*C s/Q r 4.211806821q5＝q5e*D e/D0.516119054锅炉规范1070000表盘显示653047按国标附录F0.3150.516496602q6＝A js*(a lz*(T lz-T0)C lz/(100-C lz)+a fh*(T fh-T0)*C fh)/(100-C fh))/Q r5545按排烟温度138测量92.25按附录C查取(0.71+5.02*10-4*T fh)0.779276按附录C查取(0.71+5.02*10-4*T lz)0.7563095 q7＝S ad(57.19*K glb*βfj-152ηtl)/Q r-0.16372916计算 1.53646835取值95计算64.23676494。

基金项目:国家自然科学基金(50576106)收稿日期:2008-01-18 修回日期:2008-02-27第26卷 第3期计 算 机 仿 真2009年3月文章编号:1006-9348(2009)03-0272-04循环流化床气固两相流动模拟白志刚,杨 晨(重庆大学动力工程学院,重庆400044)摘要:循环流化床已被广泛用于能源、化工、环保等工业领域,但由于流化床内两相流动、传热及化学反应的物理机理和作用规律复杂性,目前为止对流化床的认识还远远不能令人满意,因此了解流化床内流动机理对循环流化床的设计和运行有深远的指导意义。

针对循环流化床燃烧技术,建立了描述其炉内气固运动特性的三维数学模型,用F l uen t 软件作计算工具,利用欧拉双流体模型(EULER I AN-EULER I AN)对流化床内的颗粒浓度分布、颗粒速度分布和床内压力分布等进行了三维数值模拟,计算结果表明:在床内固体颗粒浓度中心区域低、近壁面高的环核结构,固体颗粒在横截面上存在由核心区向环形区的内循环运动,在相同流化风速度下,沿床高压降随循环物料的增加而变大,在相同的物料循环量,沿床高压降随着流化风速的增加而减小。

关键词:循环流化床;气固运动特性;数值研究中图分类号:TK16 文献标识码:ANu m erica l Si m ulati on of Gas -Soli d F l ow i n CFBBA I Zh i-gang ,YANG Chen(Pow er Eng i neer i ng Co llege ,Chongqi ng U nivers it y ,Chongqi ng 400044,China)ABSTRACT :C ircu lati on fl u i d i zed bed (CFB)has been used i n m any fie l d such as energy ,che m ical eng i neeri ngand env iron m ent etc .Bu t the understand i ng o f flui d ized bed is i n a l aggard place because o f the comp licated m echa n is m and i nteracti on a m ong hydrodyna m i cs ,heat transfer and combustion ,so t he understandi ng of co m pli cated hydro dynam i cs in CFB reactor is s i gnificant to the design and ope ration o f CFB.An Eu l e r t w o-flui d model is estab lished to s i m u l a te the gas-partic l e t urbu l ent flo w i n a CFB reactor wh i ch adopts t he techno l ogy o f co m busti on to re tro fit i n th i s pape r .The model is coded to s i m u l a te the t hree-di m ensiona l fl ow i n t he CFB by m eans of FLU ENT CFD soft ware and the affec tion o f the so lid phase concentra tion d i str i bu tion .The so li d phase ve l oc ity and pressure distr i bution of CFB are st udied and ana lyzed .The resu lts show tha t the fl ow pa ttern i n t he secti on of a CFB consists o f a core-annu l a r fl ow reg i m e i n w hich the so li d density near the wa ll reg i on is higher than that i n the cen ter o f the reactor ;t he pa rtic l es m ove fro m the center to t he annu lar zone i n the sa m e section ;at the fi xed fl u i d i zed a i r ve l oc ity ,t he press ure drop in the reactor i ncreases w ith the i ncrease o f c i rculati ng m ass and the pressure drop i n t he reactor decreases w it h the i ncrease o f t he flui d ized a ir veloc it y w it h t he sa m e c irculati ng m ass .KEY W ORDS :Characteristics o f gas-soli d flo w;N u m er ica l si m ulati on1 引言能源与环境是当今世界发展的两大问题,而石油资源日益紧张,使世界各国将能源结构的比例从燃油(天然气)向煤转移,我国是产煤大国,已经探明的煤的储存量达到八亿多吨,目前一次能源消耗中煤炭占76%,在可见的今后若干年内还有上升的趋势,而且这些煤炭中又有84%是直接用于燃烧的,但其燃烧的效率不高,并且燃烧所排出的大气污染物还没有得到有效的控制,可见发展高效的清洁煤燃烧技术是亟需解决的问题。

循环流化床燃烧技术循环流化床燃烧(CFBC）技术系指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾状态下,即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术.循环流化床锅炉脱硫是一种炉内燃烧脱硫工艺，以石灰石为脱硫吸收剂，燃煤和石灰石自锅炉燃烧室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入.石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳。

气流使燃煤、石灰颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床，燃煤烟气中的SO2与氧化钙接触发生化学反应被脱除。

为了提高吸收剂的利用率,将未反应的氧化钙、脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用.钙硫比达到２～２．５左右时，脱硫率可达９０％以上。

流化床燃烧方式的特点是：１．清洁燃烧，脱硫率可达８０％～９５％，NO x排放可减少５０%；２．燃料适应性强,特别适合中、低硫煤；３.燃烧效率高，可达９５％～９９%;４．负荷适应性好。

负荷调节范围３０%～１００%.循环流化床锅炉主要由燃烧系统、气固分离循环系统、对流烟道三部分组成。

其中燃烧系统包括风室、布风板、燃烧室、炉膛、给煤系统等几部分;气固分离循环系统包括物料分离装置和返料装置两部分；对流烟道包括过热器、省煤器、空气预热器等几部分.循环流化床锅炉属低温燃烧。

燃料由炉前给煤系统送入炉膛，送风一般设有一次风和二次风，有的生产厂加设三次风，一次风由布风板下部送入燃烧室,主要保证料层流化；二次风沿燃烧室高度分级多点送入，主要是增加燃烧室的氧量保证燃料燃烬;三次风进一步强化燃烧. 燃烧室内的物料在一定的流化风速作用下,发生剧烈扰动，部分固体颗料在高速气流的携带下离开燃烧室进入炉膛,其中较大颗料因重力作用沿炉膛内壁向下流动，一些较小颗料随烟气飞出炉膛进入物料分离装置，炉膛内形成气固两相流，进入分离装置的烟气经过固气分离，被分离下来的颗料沿分离装置下部的返料装置送回到燃烧室,经过分离的烟气通过对流烟道内的受热面吸热后,离开锅炉。

因为循环流化床锅炉设有高效率的分离装置,被分离下来的颗料经过返料器又被送回炉膛，使锅炉炉膛内有足够高的灰浓度,因此循环流化床锅炉不同于常规锅炉炉膛仅有的辐射传热方式,而且还有对流及热传等传热方式,大大提高了炉膛的传导热系数,确保锅炉达到额定出力.循环流化床锅炉概述循环流化床锅炉是一种高效、低污染的节能产品.自问世以来，在国内外得到了迅速的推广与发展.但由于循环流化床锅炉自身的特点，在运行操作时不同于层燃炉和煤粉炉，如果运行中不能满足其对热工参数的特殊要求，极易酿成事故。

第三章循环流化床锅炉气固两相流基础理论循环流化床锅炉中的气—固两相流流体动力特性是学习其燃烧特性和传热特性的基础。

为了叙述方便和更好地理解本章及以后章节的内容，首先简单介绍一下循环流化床锅炉涉及的部分概念和定义。

第三节流化床基本原理一、颗粒流态化的概念1．流态化现象当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流化现象。

2．流态化的定义当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象或者当固体颗粒与气体或液体接触时固体颗粒转变成类似流体状态，这种状态称为流态化。

3．流化床的流体力学性质流化床流态化后，具有与流体一样的性能，主要表现在以下几方面。

（1）浮力定律。

密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。

（2）液面特性。

床表面保持水平，形状保持容器的形状。

（3）小孔射流。

在流化床侧面开孔，流化床固体物料像流体一样射流，离床层上表面越近，射流距离越小；越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出去。

（4）连通效应。

几个流化床底部联通后，床层高度自动保持同一水平高度。

气体流化床的拟流体性质见图3—4图3—4 气体流化床的拟流体性质气固流化床类似流体的性质还有：①在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重要；②密度高于床层表面密度的物体在床内会下沉，密度小于床层表面密度的物体会浮在床面上；③床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。

一般的液—固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化。

而一般的气—固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成汽包经床层短路逸出，颗粒则被分成群体做湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。

燃煤循环流化床锅炉靠空气或烟气流化颗粒状物料，属气—固流态化范畴，也即属于聚式流态化。