内循环流化床冷渣器内颗粒混合特性数值模拟.doc

内循环流化床冷渣器内颗粒混合特性数值模拟摘 要本文分析了目前国内普遍使用的各种循环流化床锅炉冷渣器的特点，并且根据国内冷渣器的使用现状，选用简化的冷渣器模型作为研究对象，采用数值模拟计算方法，利用计算流体动力学(CFD)的FLUENT软件对渣器进行研究针对冷渣器内的气固两相流体动力特性，文中选用欧拉模型并结合颗粒动力学理论，研究冷渣器内颗粒流动与混合特性以及颗粒在冷渣器内的循环流动规律等;最后将计算结果与实验结果进行分析、比较和修正研究结果表明:此模型能够较好地反映冷渣器内部的气固两相流体动力特性，该研究结果为冷渣器结构的优化设计提供了可靠的依据，所得的数据和运行规律为冷渣器的可靠运行提供参考依据和操作指导关键词关键词：循环流化床 冷渣器 数值模拟 气固流动Circulating Fluidized Bed Ash Cooler Numerical Simulation of Particle MixingABSTRACTIt analyzes the features of many kinds of slag cooler of commonly used Circulating Fluidized Bed (CFB) boilers, and according to the domestic use of slag cooler status, uses a simplified model of slag cooler as the research object. The method of Numerical simulation and FLUENT software of CFD was used to research slag cooler. For the fluid dynamic characteristics of the gas-solid in slag cooler, it takes Eulerian model combined with the kinetic theory of granular flow (KTGF) to research the flow and mixing characteristics and circulation flow pattern of the particle in the slag cooler. Finally, the results show that this model can reflect gas-solid flow characteristics well in the slag cooler through comparing calculated results with experimental results. The results would provide a reliable basis for the optimization of the structure of slag cooler, the dates and operation discipline would provide reference parameters and operational guidance for credible working of slag cooler.Key Words: CFB boiler; slag cooler; numerical simulation; gas-solid flow第一章 引言1.11.1 选题背景和意义选题背景和意义能源工业是支撑国民经济可持续发展的基础性行业，关系到社会生产、人民生活和国家安全。

进入二十一世纪以来, 我国的工业化与城市化进程加快, 能源需求正以前所未有的速度增长 七五” 、“ 八五” 、“ 九五” 三个计划期, 我国能源消费量年均增长速度分别是6.5%,6.0%，-0.07% , 能源消费弹性系数始终小于“1 ” 进入“ 十五” 以后, 能源消费速度开始加快, 并且逐步超过同期国内生产总值的增长速度, 平均能源消费增长速度和平均能源消费弹性分别达到10%和1.052003年、2004年能源消费弹性系数高达1.53和1.592005年能源消费量为22.33亿吨标煤,是2000年的6倍, 能源消费绝对量增长了8.5亿吨标煤其中, 煤炭消费增长了64%, 石油消费增长了45%, 电力消费增长了85%[1]作为燃煤排放主要污染物的CO2导致全球的气候变暖，造成温室效应，SO2 带来全球大面积的酸雨，导致植被破坏等严重危害，这些均已引起全人类的关注[2-5]我国每年排入大气的87%的SO2和67%的NOX均来自煤的直接燃烧[6]，由此可见，煤的高效率、低污染燃烧技术对社会的可持续发展具有重要的意义循环流化床燃烧技术是近40年发展起来的一种高效、低成本的清洁燃烧技术，也是目前商业化程度最好的洁净煤燃烧技术，发展迅速。

它具有以下几个优点：（1）燃烧效率高，接近或达到同容量煤粉锅炉的效率水平；（2）燃料适应性强，不仅可以燃用烟煤等优质煤，而且可燃用各种劣质燃料，如褐煤、贫煤、洗中煤、泥煤、石焦油甚至工业废弃物和城市垃圾等；（3）符合调节比宽，在25%的额定负荷下仍能稳定燃烧；（4）负荷调节方便快捷，负荷连续变化速率可达（7%-12%）/min；（5）污染排放物少，低温燃烧及分级送风使NOX生成量少，可用石灰石做脱硫添加剂，低成本实现炉内脱硫；（6）灰渣便于综合利用[6]特别在燃用高灰份、低挥发份或高硫份等其它燃烧设备难以适应的劣质燃料以及低负荷要求较高的调峰电厂和负荷波动较大的自备电站中，循环流化床锅炉是最佳选择，是当前公认的燃煤技术的重大创新我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，发展高效、清洁的循环流化床锅炉，具有长远的战略意义综上所述，循环流化床比较适合我国国情，因此发展循环流化床技术有利于我国能源工业以至社会的可持续发展随着循环流化床燃烧技术的迅猛发展，对其高温炉渣的冷却热回收技术的研究日益得到国内外研究者的重视，冷渣器作为保证流化床锅炉安全、高效运行的重要部件，它的不正常工作是导致CFB机组停炉和减负荷运行的主要原因之一[7]。

冷渣器的开发应用;对降低高温炉渣的热污染;减轻排渣的劳动强度;回收高温渣的热量以及提高锅炉热效率都起到了重要作用尤其为燃用低热值、高灰份劣质煤的流化床锅炉配用合适的冷渣器就显的更加重要当循环流化床燃用石煤、煤研石等低热值、高灰分劣质燃料后，所排出的热渣量大，不仅造成了热损失同时也污染了环境它不仅恶化了运行现场的工作条件，灰渣中残留的硫、氮仍可以在炉外以SO2和NOx形式排放出来同时，高温热渣给运输和处理造成了困难;使得机械化操作难以进行一般循环流化床锅炉的底渣温度在800-950℃左右[8]，这不仅造成了大量的热损失，降低了锅炉效率，而且对环境也会造成一定的影响目前，冷渣器运行过程中普遍存在许多问题，如冷渣器进口堵塞，冷渣器内出现结焦，排渣温度高造成排渣口结焦或堵塞等这些故障与冷渣器内部的结构和流体动力特性有着密切的关系因此，对冷渣器内流体动力特性的试验研究以及模拟冷渣器内颗粒流动特性对于改善冷渣器性能，提高循环流化床锅炉热效率等有着重要意义1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状1.2.1 冷渣器研究现状与国外CFB锅炉运行情况相比，国内CFB锅炉底渣排放特点有:底渣排放量大，粒度及排放量变化范围大[9]。

目前，国内使用的冷渣器设备[10]主要有：风水联合冷渣器、滚筒冷渣器、钢带风冷式冷渣器、水冷螺旋式冷渣器等在国外，不少循环流化床电厂选用螺旋式冷渣器即水冷绞龙冷渣[11]，此类冷渣器材料选用较好但造价很高美国Foster Wheeler公司开发出流化床分选冷渣器，冷却效果较好，但存在埋管磨损问题；B&W公司正在研制开发的冷渣器与浙江大学首先提出的流化移动叠置式灰渣冷却技术的概念较为相似[12,13]下面，简单的介绍一下各类冷渣器的优缺点1）风水联合式冷渣器布置于炉膛两侧，整体采用绝热钢板结构，外部采用保温材料进行绝热处理，内部铺设耐磨耐火浇注料以防止灰渣磨损钢板风水联合式冷渣器优点主要包括：煤质适应性强，冷渣器的设计留有较大裕量；低速流化，使冷渣器始终保持在鼓泡床状态运行，可在保证换热前提下大大减弱材料的磨损，延长了冷渣器使用寿命；独立的流化风机和钟罩式风帽，冷渣器配有专用的罗茨风机，可保证冷渣器流化风具有稳定的压力和流量；倾斜的床面及多点排渣，冷渣器各风室底部耐磨耐火材料敷设成倾斜状，分别向排渣口倾斜3-4度，可使冷渣器底部的粗渣自动流向粗渣排渣口[14,15]但从长期的运行中发现，该冷渣器还存在许多问题：①灰渣复燃结焦；②对进渣粒度要求较严格(一般小于20mm 时排渣顺畅)，处理大渣的能力不够，有时会出现堵渣；③因细灰未能有效的被分离而导致热风管道堵塞；④床内埋管磨损；⑥送风系统设计不足，造成调节困难。

2）滚筒式冷渣器是目前国内使用较多的一类冷渣器这类冷渣器的冷却主体是由内外两个滚筒组成的双层密封套筒，中间的空隙通冷却水有的还在内筒的内壁上焊接固定的螺旋叶片，供物料导向前进冷渣器由电动机驱动做旋转运动，热渣进入内筒由螺旋叶片推动前进，同时与外筒逆流的冷却水接触降温冷却风是由出料口进入由入料口排出，逆向与热渣直接接触在风水联合的滚筒冷渣器中，冷却风一般是辅助性的[16]滚筒冷渣器也是目前比较适合我国国情的，用于CFB锅炉较多的冷渣设备，但主要用于中、小型CFB锅炉，出渣量小，出渣温度较高其特点包括：①安全可靠，设有低水压和超水温报警装置；②冷却能力强，灰渣的热回收率高达90%以上：③冷却水温升大，进出水温差达60℃；④调整负荷简单方便；⑤设备密封性好，极大的改善了工作环境；⑥低磨损，使用寿命长3）钢带冷渣器主要部件是超强钢带，它是由耐高温钢制成，并与其它部件密闭在壳体中冷却介质是冷却风，钢带兼具冷渣及输送功能整套系统的启动与停运由PLC控制，设置超温保护、零转速保护及电气设备保护钢带冷渣器的工作过程为：超强钢带由头部主动滚筒驱动，将热渣从入渣口输送到出渣口，与此同时与逆向的冷却风充分接触来降低灰渣的温度。

该类冷渣器一般分两级，每级可以由一条或多条钢带组成；每条钢带的出口处都设有紧急喷淋装置，防止底渣中可燃物含量超出设计值[14]钢带冷渣器主要靠国外引进，价格较高，目前国内很少使用这种冷渣器，据调查使用效果较好，确保了机组的稳定运行但风冷换热效果差，降低了锅炉热效率4）螺旋式冷渣器即水冷绞龙结构主要有单螺旋轴或多螺旋轴，冷却方式为外壳、叶片、和轴水冷，能够在输送过程中实现高温灰渣的间接冷却采用水冷螺旋式冷渣器除渣系统的主要优点是系统结构及控制简单，通过控制调速电机的转速来调节锅炉的排渣量；缺点主要是冷却能力小，对煤种的适应性差，设备抗热冲击能力差及磨损严重有的电厂将水冷螺旋式冷渣器和纯风冷冷渣器串联使用，取得了较好的效果，既解决了设备的热冲击问题，又提高了系统的除渣能力；但其系统结构及控制都比较复杂[17,18,19]此外，国外曾在80年代初提出并试验了许多越过高压力位差直接输送粒状固体的方法，但至今仍未成功压力下的排渣系统主要是应用在PFBC高温炉渣的排放方面英国Leatherhead PFBC的排渣冷渣系统，高温炉渣连续的由布风板底部的排渣管引出，依靠一气控排渣机构来控制排渣速率；热渣用气力输送方式，经过带水夹套的冷却管冷却后送入床料收集斗，再排入下面的变压锁斗卸压；上述方案的显著优点在于排渣锁斗在空间布置上拥有了很大的自由[20]。

德国Babcock PFBC的排渣系统，高温炉渣从流化床床层底部向下移动时，得到一小部分流化风和水冷壁的有效冷却，到出渣口处，渣温已冷至300℃左右；压力壳外有一个在加压环境下工作的叶轮加料器，用以控制排渣速率；冷渣排入锁斗系统，最后气力输送至灰仓；。