超临界循环流化床锅炉技术有机地结合了循环流化床燃烧和超临界参数发电两种技术的优点,是我国洁净煤燃烧利用的发展方向之一。依托于国家十一五支撑项目“600MW超临界循环流化床锅炉本体设计及研制”子课题的资助,本文开展了超临界循环流化床锅炉数学模型和设计方案优化的研究工作。论文首先从讨论发展超临界循环流化床锅炉的必要性和可行性入手,综述了国内外超临界循环流化床锅炉技术及其数学模型的研究与发展现状。其次,依据大型超临界循环流化床锅炉的运行特性和最新研究进展,在现有适用于中小型循环流化床锅炉整体数学模型的基础上发展了适用于大型超临界循环流化床锅炉的整体数学模型。该模型由可以正确描述循环流化床锅炉炉内各物理化学过程的子模型及其他部件的子模型有机耦合而成,这些子模型包括炉内流体动力特性模型,煤燃烧模型,颗粒磨损模型,炉内传热模型,SO2生成和脱除模型,NO和N20的生成和脱除模型,分离机构、返料机构和外置式换热器等部件的子模型,及尾部受热面的换热模型等。同时,为了进一步正确描述煤颗粒在流化床燃烧过程中的破碎特性,本文在所建小型流化床反应器上开展了煤颗粒的灰分和粒径对灰渣形成特性的实验研究,并在所获实验结果的基础上,结合国内外的相关研究建立了流化床煤燃烧过程中的颗粒破碎模型。然后,采用一台300MW循环流化床锅炉的运行测试结果对所建立的大型循环流化床锅炉的整体数学模型进行了验证对比。结果表明,所建立的数学模型可以有效地预测大型循环流化床锅炉的运行与性能参数。在此基础上,应用所建立的总体数学模型对600MW超临界循环流化床锅炉六个不同的设计方案进行了模拟计算,并从主循环回路结构布置、主循环回路热负荷分配、炉内燃烧以及热力特性参数等方面,分析比较了密相区结构、分离器数量及布置、炉内受热面、外置式换热器、受热面系统等不同布置方案对锅炉性能参数的影响,从而得到了优化后的600MW超临界循环流化床锅炉的设计方案。该推荐方案为H型布置,单炉膛裤衩腿双布风板结构,锅炉左右两侧各布置3台高温旋风分离器,每台分离器下面连接一台外置式换热器,高温过热器布置在尾部烟道。最后,对所推荐的600MW超临界循环流化床锅炉的设计方案进行了满负荷及变负荷工况下的性能模拟预测,为600MW循环流化床锅炉下一步的研制和工业应用提供了指导。