中國科學院工程熱物理研究所( IET)結合近年來的研究成果和現場試驗及運行數據，進行了75 t/h、130 t/h、220 t/h、410 t/h和650 t/h CFB鍋爐數值模化工作，本文介紹模擬IET設計的某75 t/h CFB鍋爐燃燒系統的情況，將計算參數與設計參數進行對比，分析模型計算結果并從機理上分析結果的合理性。
1、75 t/h CFB鍋爐設計參數
IET 75 t/h CFB鍋爐爐膛高度為20. 32 m，下二次風離布風板的高度為2. 22 m，上二次風高度為4.52m。爐膛下部內襯耐磨材料，分離器采用高溫旋風分離器。一次風經布風板送入爐內，二次風又分為上下兩級，上二次風的位置被用來確定密相區的高度。爐膛過量空氣系數為0.2，其中一次風份額為0.55，空氣預熱溫度為180℃。計算中取密相區（也就是上二次風以下區域）小室數目10個，稀相區小室數目20個。煤的元素工業分析結果見表1，給煤的粒徑分布見表2。
2、計算結果及分析
假設揮發分在密相區內完全、均勻釋放，額定負荷下的一些計算結果見表3。
由表3可見，飛灰含碳量、灰渣含碳量、碳燃燒效率等均在合理范圍之內，另外，爐膛頂部煙氣出口溫度為875℃，而設計溫度為900℃，二者相差不多。總的來說，上述結果從定性的角度來看是合理的。CFB鍋爐模型對象的一個重要特性就是計算溫度、傳熱系數、物料濃度、氣體濃度等參數的分布特性。圖1給出了爐內溫度沿爐膛高度的變化情況。
從定性角度來看，CFB內溫度分布比較均勻。大量試驗表明，二次風的加入往往會引起局部煙氣溫度的升高。本文雖然沒有預測出這種趨勢，但從圖1可以看到，在爐膛高度(2.5~5.0)m之間溫度下降速度要比(5.0~7.5)m之間快。這說明二次風的加入確實延緩了附近區域溫度下降趨勢。
圖2給出了爐內反應釋熱速率沿爐膛高度變化情況。從該圖可以看出放熱速率存在2個極大值。1個位于給煤點附近，可以理解為給煤入爐后揮發分迅速釋放并燃燒從而放出大量熱量。而后，由于得不到足夠的氧氣，反應速率變緩。隨著上二次風的加入，補充了足夠的氧氣，因此反應加速，形成反應釋熱的另1個峰值，這也減緩了溫度的下降。
圖3、圖4分別給出了爐內顆粒流量及上下顆粒流量差沿爐膛高度的變化情況。從圖3可以看出，密相區內單向的顆粒流量非常高，進入稀相區之后顆粒流量急速下降。由于爐內溫度非常高，在900℃左右，這些顆粒會帶著大量的顯焓進入密相區中的某個小室。在這種情況下，該小室內的反應放熱僅占其總熱焓的很少一部分，因此燃燒放熱并不能明顯地改變此處的溫度。同樣道理，雖然二次風的加入加快了反應速度，但對溫度的影響較小。由于實際測量結果大多數是在實驗室規模下進行的，床內顆粒流量可能較小，因此二次風能夠較大地改變此處的溫度。另外，從圖4還可以看到，密相區內顆粒往上與向下流量之差為零，證明了密相區內是充分混合的這個基本過程。在稀相段，顆粒上下流量之差為一個常數。從顆粒總體質量平衡角度分析，這個差量約等于進入旋風分離器內的顆粒流量。從圖可以看出，在當前工況下，進入分離器的顆粒流量約為100kg/s。
圖5給出了平均空隙率沿爐膛高度的變化情況。可以看出，在布風板附近區域，顆粒空隙率受一次風的影響較大，顆粒較稀。但在密相區的大部分區域，空隙率比較一致，這也說明密相床內混合比較均勻。進入稀相區之后，空隙率急速上升，而顆粒濃度急劇下降。這點同顆粒揚析夾帶率的下降趨勢一致。可以看到，在某個高度以上，空隙率或揚析夾帶率基本上沒有變化。根據TDH（輸送高度）定義方法，可以據此確定這個特征高度。
圖6給出了氧氣、二氧化碳和水蒸氣的濃度變化情況。該圖較明顯地顯示了煙氣濃度隨鍋爐進風的變化情況。從圖可以看出，二氧化碳的濃度在高度方向基本上是上升的，而水蒸氣的濃度在進入稀相區之后基本上沒有變化。這可能同揮發分析出及燃燒模型有關，也可能同碳氫化合物的燃燒特性有關。因為，一般情況下，碳氫化合物從煤中析出后能夠迅速燃燒并消耗干凈，其產物之一為H，O。由于模型中假定揮發分在密相區均勻釋放，因此水蒸汽濃度分布同揮發分析出模型一致。CO，濃度的不斷增加，一方面是因為CO燃燒會持續較長的時間，另一方面焦炭在爐膛上部的燃燒也會增加CO，的排放。
圖7給出了CO濃度變化情況。從圖可以看出，CO濃度隨著爐膛高度的增加，先是迅速上升，在某個位置達到第1個峰值（該處對應著給煤點），說明揮發分在此大量析出。而后CO與氧氣反應被消耗。隨著高度的增加，CO由于得不到足夠的氧氣其濃度又會增加。直到上二次風加入后，其濃度才逐漸減小。在爐膛出口處，CO的濃度約為20uL/L，
圖8分別給出了氣泡相和乳化相中CO濃度的分布。從圖可以看出，二者之間區別較大。這說明對氣泡相和乳化相分別考慮氣體質量平衡是必要的。
圖9給出了稀相區中環行區厚度變化情況。可以看到，隨著爐膛高度的增加，環區的厚度逐漸變薄，最大環區的厚度約為210mm。
圖10給出了爐膛中傳熱系數的變化情況。由于床高2.0m以下區域布置有耐磨材料，該區域中的實際換熱系數應為上圖中的數值乘以系數0.6。從圖可以看出，密相床中的換熱系數約為240 W/(m2K)。在密相床以上隨著高度的增加，由于固體濃度開始隨高度急劇減小，隨后趨于平緩，所以換熱系數也有一個先急劇下降，然后又趨于平緩的過程。在爐膛出口處，總的換熱系數約為118 W/(m2K)。同時還可以看到，總傳熱系數主要隨對流傳熱系數而變化。這是因為爐內溫度均勻，輻射傳熱系數相對變化不大的緣故。
3結論
本文用所建模型預測了IET設計的某75 t/h CFB鍋爐的燃燒性能。從定性的角度來看，計算結果基本上是合理的。所預測的各參數變化趨勢基本上能夠從模型中得到解釋，驗證了模型與計算結果的一致性，富通新能源不但銷售生物質鍋爐，同時我們也銷售木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
