先进热能工程丛书--循环流化床锅炉数值优化设计与运行

1.作者专业——《循环流化床锅炉数值优化设计与运行》由我国知名院士岑可法院士领衔编著，是浙江大学热能工程研究所/能源清洁利用国家重点实验室十年来的工作总结，是对大型循环流化床锅炉数值模型研发与试验研究的基础上编著而成的。 2.内容详实——本书不仅包括数值模型研发和试验研究，而且包含国内外大型选好流化床的技术发展总结和问题总结，对认识循环流化床的症结所在，提高流化床锅炉运行效率和优化运行提供了可靠的参考。模型基础方面总结了循环流化床隔阂方面的基础模型和模拟应用，不仅可供动力、大型锅炉的研究、设计、运行管理人员参考，而且可以作为相关高校院所的师生参考。 3.数据可靠——本书内容包含实际运行中大型/超/超超临界循环流化床锅炉设计、运行中的问题进行了集中讨论，对其中的问题开展的数值计算内容研究、数据可靠，有较好的参考性。

经过三十余年的发展，中国循环流化床理论和技术已处于世界前沿。为实现国家能源高效清洁利用目标，大型/超/超超临界循环流化床锅炉需求持续发展成为了研究开发热点。
以往循环流化床锅炉研发设计优化运行较多在实验室试验、前人经验和实炉测试的基础上进行。随着国家对燃煤锅炉节能减排要求的日益提高，循环流化床锅炉要求容量更大、参数更高。在此过程中，参考信息较少、现场试验困难、费用高昂，发展实用于工业大型循环流化床锅炉的数学模型和数值模拟计算，采用计算机辅助试验方法分析、解决大型/超/超超临界循环流化床锅炉研发中出现的新问题是重要的发展方向和解决办法。本书的出版即针对该领域的工业应用和理论发展需求。
浙江大学循环流化床研究团队自20世纪80年代初以来一直在开展循环流化床理论和技术研究，1991年组织了中国循环流化床工业界培训会议，1994年翻译了世界上第一本关于循环流化床的专业书Circulating Fluidized Bed Boilers Design and Operations(《循环流化床锅炉的设计与运行》)，1998年撰写了《循环流化床锅炉理论设计与运行》专著，2003年编写了“循环流化床设计导则”，2005年组织承办了第8届国际循环流化床会议；近十余年来结合国家项目和市场需求，积极开展了超/超超临界循环流化床锅炉的理论和技术工作，特别是在长期试验和理论研发的基础上，针对大型循环流化床锅炉现场试验困难的问题，发展了适用于大型炉膛的循环流化床锅炉综合数学模型，采用数值模拟计算机辅助试验方法解决大型循环流化床锅炉研发、优化运行过程中的新问题。本书为浙江大学十年来大型循环流化床数值模型研发与数值试验研究的结果与积累。
本书不是一本关于数值计算方法的书籍，而是一本利用数值方法解决大型多颗粒循环流化床锅炉设计、运行中实际问题的书籍。在循环流化床气固流动、传热、磨损、燃烧、燃烧产物、受热面沾污结渣模型与模拟，大型循环流化床锅炉三维整体数值模型与二维当量快算数值模型的基础上，以不同循环流化床炉型(包括300MW，330MW，600MW，660MW和1000MW等循环流化床锅炉)为例，针对大型循环流化床大炉膛双布风板支腿密相区颗粒混合、床料平衡与控制、高炉膛气固浓度分布、二次风穿透、悬吊受热面表面颗粒流动、多分离器循环回路物料平衡、炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面热流分布、超临界水动力特性、回料系统受阻对炉膛运行影响等设计与运行中至关重要和必须解决的问题开展数值模拟、变参数数值试验，给出了问题的数值回答与讨论，为循环流化床锅炉设计、运行提供参考和思路。
考虑其实用性，本书作者就书稿大纲进行了认真的讨论。本书的特点是：①针对目前热点——超/超超临界参数大容量循环流化床锅炉研发中的新问题；②数值计算用于大型循环流化床锅炉设计与应用的最新成果；③浙江大学十年来大型循环流化床数值模型研发与数值试验研究的结果与积累；④基于计算机辅助实验探讨大型循环流化床锅炉研发中的热点、难点问题。
需要注意的是，不同的示例可能有不同的数据结果，这主要是因为各种计算条件、场景不同，也可能是关注的要点不同。
理论与技术知识发展无止境，本书无法涵盖读者关心的所有内容，如多粒径、多密度多元燃料炉膛扩散与燃烧，烟道出口连接方式对炉膛气固流场的影响，石灰石分级给入炉膛对燃烧产物的影响，外置式换热器中的流场等也都是大型循环流化床锅炉发展中的重要问题。读者可以参考书中解决问题的思路和方法解决新问题。
本书是作者和所在单位广大同事多年来紧密合作、共同研究的集体结晶。特别要感谢的是周星龙博士、夏云飞博士、许霖杰博士、季杰强博士，刘炎泉博士、王超硕士、邹阳军硕士、李立垚博士研究生，书中很多内容引自他们在浙江大学学习研究期间的杰出工作；要感谢蔡毅博士、聂立博士、黄晨硕士、黄勋硕士、吴灵辉硕士、丰凡硕士、彭宇硕士，是他们在浙江大学的辛勤研究与劳动，充实了本书的内容。在本书的撰写过程中，得到了浙江大学热能工程研究所循环流化床课题组同事和研究生们的大力帮助，感谢倪明江教授、骆仲泱教授、方梦祥教授、王勤辉教授、高翔教授、周劲松教授、王树荣教授、余春江教授、郑成航教授、肖刚教授、施正伦研究员、张维国工程师、龚玲玲、黄贵芝和王诗依等各位同事；还得到了东方锅炉股份有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海锅炉厂有限公司等锅炉公司的大力支持和帮助，特此感谢。没有大家的帮助，本书是不可能完成的。
书稿文字主要完成于2021年暑假和之后的这个学期，除了上课大部分时间都热衷于书稿的撰写，初稿完成后又进行了几次修改。在书稿的准备过程中，马张珂博士研究生、罗灌文博士研究生、张庆禹博士研究生和李坤博士研究生付出了时间和精力。
感谢本书的编辑，在她的督促和鼓励下，使本书的出版成为现实。
感谢国内外循环流化床理论和技术的研究人员和单位，很多的启发和引用来自他们的研究成果。
本书可供从事循环流化床锅炉和热能动力研究、设计、运行和管理的人员参考，也可作为高等院校有关专业研究生、大学生的参考资料。书末附有相关文献资料目录，供读者参考。
循环流化床理论和技术基于市场需求仍在迅速发展中，限于作者知识水平，书中难免有不妥之处；此外，书中涉及的模型、公式较多，符号表符号注释可能不全。为了方便读者，本书的彩图统一放在网上，通过扫描每章所附二维码可以免费下载本章彩图。希望对读者阅读理解有帮助。不尽之处，请批评指正。

著者
2022年1月于浙江大学求是园

《循环流化床锅炉数值优化设计与运行》是在浙江大学热能工程研究所/能源清洁利用国家重点实验室近十余年有关大型循环流化床锅炉数值模型研发和数值试验研究结果积累的基础上完成的学术专著。
本书主要包括三部分内容：一是国内外大型循环流化床技术发展和发展中的问题；二是模型基础，包括循环流化床气固流动、传热、磨损、燃烧、燃烧产物、受热面沾污结渣模型与模拟，大型循环流化床锅炉三维整体数值模型与二维当量快算数值模型；三是针对实际大型/超/超超临界循环流化床锅炉设计、运行中的问题开展的数值计算、结果与讨论。
本书可供从事循环流化床锅炉和热能动力研究、设计、运行和管理的人员参考，也可作为高等院校有关专业研究生、大学生的参考资料。书末有相关文献资料目录，供读者参考。

第1章大型循环流化床锅炉发展001
1.1大型循环流化床锅炉发展003
1.1.1国外大型循环流化床锅炉发展003
1.1.2中国大型循环流化床锅炉发展010
1.2大型循环流化床锅炉发展中的问题018
1.2.1炉内气固混合流动特性019
1.2.2床料平衡及翻床控制020
1.2.3多分离器循环物料分配特性020
1.2.4降低炉膛燃烧污染物021
1.2.5水冷壁磨损与防磨梁防磨021
1.2.6床存量、粒径对炉膛压降的影响021
1.2.7受热面热流分布特性022
1.2.8超临界循环流化床锅炉的水动力特性022
1.2.9回料系统受阻时对炉膛运行的影响023
1.2.10高碱煤燃烧碱金属迁移与受热面沾污023
1.2.11多元燃料燃烧023
1.2.12灵活性运行024
参考文献024

第2章循环流化床气固流动、传热、磨损模型与模拟028
2.1循环流化床气固流动模拟029
2.1.1半经验方法029
2.1.2数值模拟方法031
2.2循环流化床气固流动双流体模型035
2.2.1控制方程036
2.2.2本构方程037
2.2.3双流体模型的应用特点039
2.2.4高浓度气固两相流的气固曳力041
2.3循环流化床传热模型045
2.3.1传热系数的影响因素045
2.3.2床内气固间换热048
2.3.3气固对壁面间换热049
2.4循环流化床水冷壁磨损055
2.4.1水冷壁磨损机理及影响因素056
2.4.2水冷壁磨损及防磨梁057
2.4.3单颗粒撞击磨损模型和颗粒摩擦模型059
2.4.4理论多颗粒磨损模型065
2.4.5磨损经验公式/单颗粒磨损模型与DPM/DEM数值计算结合066
2.4.6能量耗散磨损模型和颗粒动力学磨损模型067
参考文献069

第3章循环流化床燃烧、燃烧产物和受热面沾污结渣模型与模拟077
3.1煤燃烧模拟078
3.1.1循环流化床炉内燃烧078
3.1.2煤燃烧模型发展079
3.1.3水分蒸发083
3.1.4挥发分析出083
3.1.5气相反应084
3.1.6焦炭燃烧085
3.1.7爆裂和磨损090
3.2燃烧污染物生成和控制092
3.2.1硫氧化物092
3.2.2氮氧化物094
3.3碱金属迁移与沾污结渣096
3.3.1沾污结渣机理096
3.3.2碱金属析出迁移100
3.3.3循环流化床碱金属迁移104
3.3.4碱金属析出模拟106
3.3.5沾污结渣模拟107
参考文献113

第4章大型循环流化床锅炉三维整体数值模型与二维当量快算数值模型127
4.1模型总体构架128
4.2流场模拟131
4.2.1模型封闭方程133
4.2.2组分输运方程135
4.2.3二次风口矫正135
4.2.4稳态判断与瞬时时均处理137
4.3煤燃烧模拟138
4.3.1水分蒸发模型138
4.3.2挥发分析出模型138
4.3.3气相均相反应模型139
4.3.4焦炭燃烧模型140
4.3.5燃烧产物生成与控制141
4.4气固传热模拟144
4.4.1颗粒团更新模型145
4.4.2辐射模型146
4.4.3热工水动力计算148
4.5水冷壁磨损151
4.5.1水冷壁磨损模型152
4.5.2水冷壁磨损模型计算参数157
4.6碱金属钠迁移模型159
4.6.1碱金属钠析出模型159
4.6.2气相碱金属钠均相反应160
4.6.3气相碱金属钠非均相反应162
4.6.4碱金属钠蒸气凝结模型163
4.6.5颗粒沉积模型164
4.6.6颗粒脱落模型167
4.7二维当量快算法与二维变参数分析168
4.7.1二维当量快算法168
4.7.2二维当量快算法计算域构建168
4.7.3二维当量快算法计算边界条件设定169
4.7.4二维当量快算法计算模型调整与验证169
参考文献172

第5章大型循环流化床气固流场与其设计、运行176
5.1循环流化床炉型与主回路气固流场177
5.1.1炉膛2侧墙布置6分离器主循环回路气固全流场177
5.1.2炉膛单侧墙布置4分离器主循环回路气固全流场185
5.1.3环形炉膛循环流化床锅炉炉膛气固流场190
5.2高浓度气固相中的二次风穿透特性195
5.2.1某300MW循环流化床锅炉的二次风穿透特性195
5.2.2炉膛2侧墙布置6分离器600MW循环流化床锅炉的二次风穿透特性201
5.2.3炉膛单侧4分离器循环流化床锅炉的二次风穿透特性205
5.3多分离器炉膛出口流率与气固均匀性206
5.3.1炉膛2侧墙布置6分离器206
5.3.2炉膛单侧墙布置4分离器207
5.4中隔墙布置对炉膛颗粒浓度分布的影响208
5.4.1中隔墙对炉膛颗粒浓度的影响209
5.4.2中隔墙左右侧气固相质量交换率212
5.5炉膛悬吊屏气固流场213
5.5.1某600MW循环流化床锅炉不同悬吊屏布置对炉膛流动特性的影响213
5.5.2某330MW循环流化床锅炉悬吊屏壁面颗粒流动特性及其运行参数影响215
5.6防磨梁对炉膛气固流场的影响218
5.6.1某330MW循环流化床锅炉防磨梁设置对炉膛气固流场的影响218
5.6.2某600MW循环流化床锅炉防磨梁设置对炉膛气固流场的影响227
参考文献228

第6章大型循环流化床锅炉受热面传热230
6.1330MW亚临界循环流化床锅炉231
6.2350MW超临界循环流化床锅炉236
6.3600MW超临界循环流化床锅炉241
6.3.1水冷壁传热系数分布242
6.3.2中隔墙传热系数分布244
6.3.3悬吊屏传热系数分布247
6.3.4锅炉炉膛受热面传热系数影响因素讨论248
6.4水冷壁防磨梁设置对传热的影响255
6.4.1气固流场257
6.4.2传热系数与热流分布257
6.4.3对炉膛温度的影响258
6.51000MW超临界环形炉膛循环流化床锅炉259
6.5.1炉侧传热结果260
6.5.2运行参数的影响263
6.6炉膛单侧墙布置4分离器660MW超超临界循环流化床锅炉267
参考文献268

第7章大型循环流化床锅炉燃烧、污染物生成与控制270
7.1炉膛内组分与温度场分布271
7.1.1300MW亚临界循环流化床锅炉271
7.1.2330MW亚临界循环流化床锅炉274
7.1.3350MW超临界循环流化床锅炉277
7.1.4炉膛2侧墙布置6分离器660MW超超临界循环流化床锅炉280
7.1.5炉膛单侧墙布置4分离器660MW超超临界循环流化床锅炉282
7.2基于二维当量快算法的参数优化286
7.2.1基准工况288
7.2.2过量空气系数影响291
7.2.3二次风比例影响293
7.2.4二次风高度影响294
7.2.5床温影响296
7.3二次风交变运行对炉膛燃烧与产物的影响297
参考文献300

第8章大型循环流化床锅炉运行问题数值分析讨论301
8.1双布风板/裤衩腿型循环流化床的翻床与控制302
8.1.1裤衩腿炉膛翻床特性302
8.1.2避免翻床的控制运行306
8.1.3裤衩腿运行平衡状态分析308
8.1.4裤衩腿循环流化床锅炉防止翻床的设计与运行平衡策略311
8.2床存量、粒径对炉膛压降的影响312
8.3多分离器循环回路回料失衡对气固流场的影响314
8.3.1单条循环回路中断受阻的影响316
8.3.2异侧两条循环回路中断受阻的影响317
8.3.3同侧两条循环回路中断受阻的影响317
8.4布风板布风对回料流率的影响319
8.5受热面磨损与防磨梁布置324
8.5.1某330MW循环流化床锅炉典型工况下水冷壁磨损速率分布特性324
8.5.2某600MW循环流化床锅炉加装防磨梁后的水冷壁磨损分布特性329
8.5.3大型循环流化床锅炉防磨梁布置建议332
8.6高碱煤燃烧碱金属迁移与受热面沾污334
8.6.1气固流场336
8.6.2气相碱金属钠分布336
8.6.3碱金属钠沉积速率337
8.6.4飞灰沉积速率339
8.6.5实测结果对比341
参考文献341

附录1符号说明343

附录2作者在本领域部分相关文献349