循環(huán)流化床（CFB）技術是一種清潔燃燒技術，其爐膛內有明顯的密相區(qū)和稀相區(qū)，密相區(qū)存在大量處于流態(tài)化的物料，攜帶大量固體顆粒的煙氣經由爐膛出口進入過旋風分離器進行氣固分離，固體顆?；氐綘t膛進行循環(huán)燃燒，氣體進入尾部煙道。CFB鍋爐具有燃燒效率高，燃料適應性廣，低溫燃燒，NOx生成量少，可進行低成本的爐內脫硫等優(yōu)點 。為了提高循環(huán)流化床鍋爐的效率，大型化和超臨界是大勢所趨，但CFB鍋爐的大型化并不是簡單的幾何放大，很多配套的設備都需要重新設計或改進，在這個過程中，出現了諸如雙布風板的翻床、多分離器循環(huán)物料分配不均、二次風穿透深度不夠、受熱面熱流分布等許多問題，國內外單位對此也進行了許多研究，例如清華大學設計的單布風板、四旋風筒、無外置床以及鋸齒形水冷壁的簡約型600MW超超臨界CFB鍋爐，華能集團清潔能源技術研究院設計的單爐膛、四旋風筒“H型”布置的700度350MW的超超臨界CFB鍋爐等。隨著旋風分離器的個數增多，并且由單側”M型”布置改為兩側并行布置，爐膛出口的物料分配變得不均勻，國內外許多研究人員通過實驗或數值模擬的手段研究后都證實了這種不均勻性。循環(huán)物料分配不均勻會使分離器工作偏離設計工況，可能引起分離效率下降，飛灰含碳量升高，而且流量偏大的旋風分離器磨損更加嚴重。此外，不同的分離器返回爐膛的物料量不同，會引起爐膛內氣固流場以及溫度場的不均勻。因此循環(huán)流化床多旋風分離器并列布置導致的流量分配不均問題，在循環(huán)流化床的大型化過程中亟待解決。

　　1 模擬概況

　　1.1 鍋爐介紹

　　本次數值模擬基于某660MW超臨界CFB鍋爐的實際尺寸構建模型。鍋爐共有6個旋風分離器，呈“H型”中心對稱方式，并列布置在鍋爐兩側。爐膛下部采用雙褲衩腿結構，有兩排外二次風口，共20個，距離布風板高度為5.4m;四排內二次風口，共40個，上下各兩排，每排10個，上排距離布風板高度5.4m，下排距離布風板高度2.5m。

　　1.2 鍋爐幾何模型和網格劃分

　　爐膛褲衩腿密相區(qū)采用四面體網格，稀相區(qū)采用結構化六面體網格，爐膛出口進行網格局部加密。


　　1.3 邊界條件

　　氣相采用速度入口邊界條件，二次風率0.6，一次風速5m/s。爐膛出口采用outflow邊界條件。顆粒采用patch方法設定初始堆積高度2m和體積分數0.6。壁面采用默認設置，碰撞恢復系數選0.9。

　　1.4 計算模型設置

　　本次計算采用歐拉雙流體模型，將氣體和顆?？醋鲆环N擬流體并且在空間連續(xù)分布。湍流模型采用標準k-ε方程，氣固曳力模型采用Gidaspow，無能量方程。顆粒粒徑0.2mm，密度2600kg/m3，粘度1.02e-3m2/s。計算為非穩(wěn)態(tài)、壓力基。物料循環(huán)采用外循環(huán)UDF。

　　1.5 分離器布置方案

　　對爐膛的6個出口定義為：在圖2至圖5的俯視圖中，從左向右，下邊的3個為 a，b，c出口，上邊的3個為d，e，f 出口。初始設計方案下，6個分離器中心對稱布置，如圖2所示，稱之為方案1。圖3——圖5分別為另外3種可能的方案。方案2是軸對稱方案;方案3是在方案2的基礎上，將中間的分離器向x負方向平移1.5m;方案4是在方案2的基礎上，將四角的分離器向中間平移1.5m。

　　2 模擬結果及分析

　　2.1 爐膛出口流量最大偏差

　　定義爐膛各出口中，顆粒流量最大和最小的出口，其顆粒流量百分比之差為爐膛出口顆粒流量最大偏差（以下簡稱“最大偏差”）。

　　由于模擬的過程是非穩(wěn)態(tài)過程，只分析一個時刻的數據有較大隨機性，故本文嘗試對數據進行統計學方法處理。

　　對上述4種方案進行數值模擬后發(fā)現，時間達到20s時，6個出口煙窗的總流量基本穩(wěn)定。因此從20s開始，每隔5s采樣一次，到100s模擬結束為止，每種方案取樣17組數據。對每種方案的17個不同時刻的最大偏差進行如下操作：

　?。?）求均值;

　　（2）計算每個時刻的最大偏差與均值的差并取絕對值;

　?。?）剔除（2）中最大值對應的時刻的數據。

　　將上述步驟進行3次，剔除3個誤差最大的點，最終得到14個不同時刻的最大偏差。

圖6——圖9分別為4種方案剔除誤差最大的3個點后的偏差散點圖。

　　對每種方案的14個值求平均值，并將此平均值作為每種方案的最大偏差。最終計算得到的結果如表1所示?？芍诜桨?的布置方式下，6個分離器的分布相對更加均勻，中間的分離器與其兩側的分離器的間距很接近，出口顆粒流量最均勻。

　　2.2 爐膛出口顆粒濃度分布

圖10——圖13分別是某時刻4種方案在Z=45m截面的顆粒濃度分布。

　　4種方案有一個共同點，即大量顆粒聚集在分離器入口爐膛內壁面附近，而爐膛中心的顆粒濃度較小，這是因為在爐膛出口附近，煙氣發(fā)生90°偏轉分成6股，水平進入旋風分離器，大量細顆粒直接隨煙氣進入分離器，部分較重的顆粒碰撞爐頂后仍會進入分離器，少量較重顆粒在碰撞后會隨爐膛內循環(huán)貼壁落回密相區(qū)。

　　另外，四角的4個分離器入口煙道的顆粒主要分布在煙道的直邊側，而直邊和分離器側面是相切的，這對通過離心力增大顆粒和分離器內壁的摩擦力，減小顆粒速度，最終實現對顆粒的捕捉的原理工作的旋風分離器而言，是有利的。而對于出口b和出口e對應的分離器入口，斜邊側的顆粒濃度更大，這對分離器的工作不利。

　　這樣的情況會造成四角的分離器和中間的分離器流量相差較大。

　　2.3 爐膛各出口顆粒流量統計

　　圖14和圖15分別是4種方案下，爐膛各出口的顆粒流量百分比。觀察發(fā)現，在4種方案下，每側的3個出口中，中間的出口的流量少于兩邊的。這是因為中間的出口（b和e）對應工作條件不利的兩個分離器，分離效率較低。這與2.2中對圖10到圖13的分析結果是一致的。

　　對比4種方案發(fā)現，方案2和方案4有流量明顯偏高的出口，分別是出口f和出口c。方案1和方案3中的6個出口流量更均勻。

　　3 結論

　　本文利用Fluent軟件對660MW超臨界CFB鍋爐的4種不同的分離器布置方案進行了數值模擬。4種方案分別是：初始設計方案（方案1）;分離器軸對稱布置（方案2）;中間的分離器向x負向平移1.5m（方案3）;四角的分離器向中間平移1.5m（方案4）。

　　（1）本文使用統計方法對數據進行了處理，盡量減小了非穩(wěn)態(tài)過程帶來的隨機性。最終通過計算最大偏差，得到了出口流量分布更加均勻的方案3。

　?。?）觀察爐膛出口顆粒濃度分布發(fā)現，四角的分離器入口煙道顆粒主要分布在煙道的直邊側，這對旋風分離器的工作是有利的。而每側中間的分離器則相反，工作條件不利。這會造成中間的分離器的流量少于四角的分離器的流量。

　?。?）通過統計不同方案下爐膛六出口的顆粒流量，發(fā)現六分離器并行布置時，爐膛同側的3個出口中，中間的出口顆粒流量小于兩邊的出口，這與結論2是一致的。