循环流化床(CFB)技术是一种清洁燃烧技术，其炉膛内有明显的密相区和稀相区，密相区存在大量处于流态化的物料，携带大量固体颗粒的烟气经由炉膛出口进入过旋风分离器进行气固分离，固体颗粒回到炉膛进行循环燃烧，气体进入尾部烟道。CFB锅炉具有燃烧效率高，燃料适应性广，低温燃烧，NOx生成量少，可进行低成本的炉内脱硫等优点 。为了提高循环流化床锅炉的效率，大型化和超临界是大势所趋，但CFB锅炉的大型化并不是简单的几何放大，很多配套的设备都需要重新设计或改进，在这个过程中，出现了诸如双布风板的翻床、多分离器循环物料分配不均、二次风穿透深度不够、受热面热流分布等许多问题，国内外单位对此也进行了许多研究，例如清华大学设计的单布风板、四旋风筒、无外置床以及锯齿形水冷壁的简约型600MW超超临界CFB锅炉，华能集团清洁能源技术研究院设计的单炉膛、四旋风筒“H型”布置的700度350MW的超超临界CFB锅炉等。随着旋风分离器的个数增多，并且由单侧”M型”布置改为两侧并行布置，炉膛出口的物料分配变得不均匀，国内外许多研究人员通过实验或数值模拟的手段研究后都证实了这种不均匀性。循环物料分配不均匀会使分离器工作偏离设计工况，可能引起分离效率下降，飞灰含碳量升高，而且流量偏大的旋风分离器磨损更加严重。此外，不同的分离器返回炉膛的物料量不同，会引起炉膛内气固流场以及温度场的不均匀。因此循环流化床多旋风分离器并列布置导致的流量分配不均问题，在循环流化床的大型化过程中亟待解决。
1 模拟概况
1.1 锅炉介绍
本次数值模拟基于某660MW超临界CFB锅炉的实际尺寸构建模型。锅炉共有6个旋风分离器，呈“H型”中心对称方式，并列布置在锅炉两侧。炉膛下部采用双裤衩腿结构，有两排外二次风口，共20个，距离布风板高度为5.4m;四排内二次风口，共40个，上下各两排，每排10个，上排距离布风板高度5.4m，下排距离布风板高度2.5m。
1.2 锅炉几何模型和网格划分
炉膛裤衩腿密相区采用四面体网格，稀相区采用结构化六面体网格，炉膛出口进行网格局部加密。
图1是锅炉整体结构和网格划分情况示意图。
1.3 边界条件
气相采用速度入口边界条件，二次风率0.6，一次风速5m/s。炉膛出口采用outflow边界条件。颗粒采用patch方法设定初始堆积高度2m和体积分数0.6。壁面采用默认设置，碰撞恢复系数选0.9。
1.4 计算模型设置
本次计算采用欧拉双流体模型，将气体和颗粒看做一种拟流体并且在空间连续分布。湍流模型采用标准k-ε方程，气固曳力模型采用Gidaspow，无能量方程。颗粒粒径0.2mm，密度2600kg/m3，粘度1.02e-3m2/s。计算为非稳态、压力基。物料循环采用外循环UDF。
1.5 分离器布置方案
对炉膛的6个出口定义为：在图2至图5的俯视图中，从左向右，下边的3个为 a，b，c出口，上边的3个为d，e，f 出口。初始设计方案下，6个分离器中心对称布置，如图2所示，称之为方案1。图3～图5分别为另外3种可能的方案。方案2是轴对称方案;方案3是在方案2的基础上，将中间的分离器向x负方向平移1.5m;方案4是在方案2的基础上，将四角的分离器向中间平移1.5m。
2 模拟结果及分析
2.1 炉膛出口流量最大偏差
定义炉膛各出口中，颗粒流量最大和最小的出口，其颗粒流量百分比之差为炉膛出口颗粒流量最大偏差(以下简称“最大偏差”)。
由于模拟的过程是非稳态过程，只分析一个时刻的数据有较大随机性，故本文尝试对数据进行统计学方法处理。
对上述4种方案进行数值模拟后发现，时间达到20s时，6个出口烟窗的总流量基本稳定。因此从20s开始，每隔5s采样一次，到100s模拟结束为止，每种方案取样17组数据。对每种方案的17个不同时刻的最大偏差进行如下操作：
(1)求均值;
(2)计算每个时刻的最大偏差与均值的差并取绝对值;
(3)剔除(2)中最大值对应的时刻的数据。
将上述步骤进行3次，剔除3个误差最大的点，最终得到14个不同时刻的最大偏差。
图6～图9分别为4种方案剔除误差最大的3个点后的偏差散点图。
对每种方案的14个值求平均值，并将此平均值作为每种方案的最大偏差。最终计算得到的结果如表1所示。可知在方案3的布置方式下，6个分离器的分布相对更加均匀，中间的分离器与其两侧的分离器的间距很接近，出口颗粒流量最均匀。
2.2 炉膛出口颗粒浓度分布
图10～图13分别是某时刻4种方案在Z=45m截面的颗粒浓度分布。
4种方案有一个共同点，即大量颗粒聚集在分离器入口炉膛内壁面附近，而炉膛中心的颗粒浓度较小，这是因为在炉膛出口附近，烟气发生90°偏转分成6股，水平进入旋风分离器，大量细颗粒直接随烟气进入分离器，部分较重的颗粒碰撞炉顶后仍会进入分离器，少量较重颗粒在碰撞后会随炉膛内循环贴壁落回密相区。
另外，四角的4个分离器入口烟道的颗粒主要分布在烟道的直边侧，而直边和分离器侧面是相切的，这对通过离心力增大颗粒和分离器内壁的摩擦力，减小颗粒速度，最终实现对颗粒的捕捉的原理工作的旋风分离器而言，是有利的。而对于出口b和出口e对应的分离器入口，斜边侧的颗粒浓度更大，这对分离器的工作不利。
这样的情况会造成四角的分离器和中间的分离器流量相差较大。
2.3 炉膛各出口颗粒流量统计
图14和图15分别是4种方案下，炉膛各出口的颗粒流量百分比。观察发现，在4种方案下，每侧的3个出口中，中间的出口的流量少于两边的。这是因为中间的出口(b和e)对应工作条件不利的两个分离器，分离效率较低。这与2.2中对图10到图13的分析结果是一致的。
对比4种方案发现，方案2和方案4有流量明显偏高的出口，分别是出口f和出口c。方案1和方案3中的6个出口流量更均匀。
3 结论
本文利用Fluent软件对660MW超临界CFB锅炉的4种不同的分离器布置方案进行了数值模拟。4种方案分别是：初始设计方案(方案1);分离器轴对称布置(方案2);中间的分离器向x负向平移1.5m(方案3);四角的分离器向中间平移1.5m(方案4)。
(1)本文使用统计方法对数据进行了处理，尽量减小了非稳态过程带来的随机性。最终通过计算最大偏差，得到了出口流量分布更加均匀的方案3。
(2)观察炉膛出口颗粒浓度分布发现，四角的分离器入口烟道颗粒主要分布在烟道的直边侧，这对旋风分离器的工作是有利的。而每侧中间的分离器则相反，工作条件不利。这会造成中间的分离器的流量少于四角的分离器的流量。
(3)通过统计不同方案下炉膛六出口的颗粒流量，发现六分离器并行布置时，炉膛同侧的3个出口中，中间的出口颗粒流量小于两边的出口，这与结论2是一致的。
文献信息
赵晓山,赵立正,帅志昂,孙保民. 660MW超临界CFB锅炉分离器流量分配研究[J]. 电站系统工程,2017,33(01):1-4.
原标题：660MW超临界CFB锅炉分离器流量分配研究
