300 MW 循環(huán)流化床鍋爐物料濃度和傳熱特性試驗(yàn)測試分析

徐 剛

（青海省特種設(shè)備檢驗(yàn)所，青海 西寧810001）

隨著人們對環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高以及能源用量的不斷增加，要求為煤燃燒過程引入更加清潔高效的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤燃燒發(fā)電效率的顯著提升并減少污染物的排放量[1-6]。現(xiàn)階段使用較多的煤潔凈燃燒發(fā)電技術(shù)主要有：流化床循環(huán)燃燒發(fā)電、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、 超臨界燃煤鍋爐蒸汽循環(huán)聯(lián)合煙氣脫硫脫硝、蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等[7]。已經(jīng)達(dá)到成熟應(yīng)用水平的是循環(huán)流化床技術(shù)，已在國內(nèi)獲得了大量的推廣應(yīng)用，目前裝機(jī)容量已高于其它所有國家CFB 容量的總和，可見CFB 技術(shù)對于國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)升級優(yōu)化起到了非常關(guān)鍵的推動作用[8-10]。

對循環(huán)流化床鍋爐的燃燒與熱量傳輸過程進(jìn)行分析時(shí)，需以氣固流場特征與物料的濃度作為基礎(chǔ)。同時(shí)，在研究循環(huán)流化床鍋爐氣固流場時(shí)通常都是建立在模型分析的基礎(chǔ)上，因此在該領(lǐng)域研究過程中形成了多種數(shù)學(xué)模型并由許多學(xué)者開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件[11-13]?？紤]到鍋爐內(nèi)的氣固兩相流動屬于一個復(fù)雜變化過程，同時(shí)受到氣體、固體介質(zhì)的共同作用，并且在不同的機(jī)理下也會形成不同的氣固運(yùn)動規(guī)律。對于上述情況，已經(jīng)無法通過氣固流動模型的更新來統(tǒng)一描述循環(huán)流化床的氣固流場,不同的模型總是會存在一定的缺陷?，F(xiàn)階段形成的主流觀點(diǎn)是，在循環(huán)流化床內(nèi)形成了環(huán)-核流動的狀態(tài)，同時(shí)會在核心區(qū)徑向與軸向上都形成均勻的空隙率分布形態(tài)，離開壁面越近的部位，顆粒濃度也更大，這使得爐壁附近區(qū)域存在更大顆粒，這也成為了循環(huán)流化床鍋爐的一個模型特征[14-15]。因此，在研究循環(huán)流化床鍋爐傳熱過程時(shí)，必須根據(jù)顆粒的獨(dú)特分布特征來分析壁面附近的顆粒運(yùn)動形式。同時(shí)還需注意，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與操作方式也會對循環(huán)流化床傳熱效果產(chǎn)生明顯影響，程樂鳴等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以二次風(fēng)口高度作為分界線，下部的密相區(qū)傳熱系數(shù)介于300～500 W/（m2·K）之間，上部區(qū)域的壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)介于150～250 W/（m2·K）之間[16-18]。

本文主要研究了300 MW 循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)壓降情況，由此得到密相區(qū)的顆粒濃度改變結(jié)果以及空隙率數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 鍋爐結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)

本試驗(yàn)選擇一臺亞臨界再熱分叉腿型循環(huán)流化床鍋爐作為研究對象，其容量為1 060 t/h，在滿負(fù)荷狀態(tài)下可以達(dá)到300 MW，同時(shí)在鍋爐外部區(qū)域配備了4 臺高溫絕熱旋風(fēng)分離器，同時(shí)還為其配套了U 形返料器以及換熱器。各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)為：額定溫度530 ℃，額定蒸汽壓17.3 MPa，設(shè)計(jì)換熱效率90%。爐膛的寬度、 深度與高度分別為15 050 mm、14 700 mm 與36 520 mm。將二次風(fēng)的高度設(shè)定成5.2 m，通過兩路到達(dá)爐膛下部區(qū)域的褲衩腿夾弄與二次風(fēng)分風(fēng)道，之后利用34 個支管經(jīng)過上下兩層結(jié)構(gòu)到達(dá)爐膛。表1 給出了鍋爐的具體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)。

表1 鍋爐的具體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)

1.2 爐內(nèi)壓力測點(diǎn)分布

以二次風(fēng)作為分界可以把上升管分成上部稀相區(qū)與底部密相區(qū)兩個區(qū)域，并且在實(shí)際劃分區(qū)域時(shí)也沒有固定的高度值。有學(xué)者在研究二次風(fēng)的過程中提出，二次風(fēng)可以顯著提高流化床密相區(qū)的固體顆粒濃度。本研究把二次風(fēng)口下部區(qū)域設(shè)定為密相區(qū)。根據(jù)圖1 可知，按照由上往下的順序可以把爐內(nèi)的壓力測試點(diǎn)部位分成旋風(fēng)分離器入口、爐膛中部、二次風(fēng)出口與分叉腿布風(fēng)板的上部區(qū)域。

2 結(jié)果分析

2.1 物料濃度結(jié)果分析

圖1 壓力測點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

圖2 不同負(fù)荷下的密相區(qū)壓降變化曲線圖

通過現(xiàn)場的DCS 系統(tǒng)獲得各工況的測試數(shù)據(jù)，開展多組試驗(yàn)，依次降低試驗(yàn)壞點(diǎn)產(chǎn)生的影響，由此獲得不同負(fù)荷下的密相區(qū)壓降變化曲線（見圖2）。不同的爐內(nèi)壓降對應(yīng)的物料濃度也存在差異， 當(dāng)爐膛負(fù)荷上升后，爐內(nèi)將形成更多的物料量。當(dāng)物料量相同時(shí)，流化風(fēng)速提高后床層壓降也會增大，表現(xiàn)為風(fēng)速越大對應(yīng)的顆粒濃度越低；當(dāng)流速相同時(shí)，隨著物料量的上升，床料的壓降也會增大，產(chǎn)生更大的顆粒濃度，表明物料量與風(fēng)速都會對顆粒的濃度產(chǎn)生影響。流化風(fēng)速通常會達(dá)到一個極限流化能力，當(dāng)物料量達(dá)到某一臨界值后，流化效果會逐漸變差。

圖3 顯示了不同鍋爐負(fù)荷下對應(yīng)的爐內(nèi)物料量濃度和流化風(fēng)速間的關(guān)系。處于低負(fù)荷下的初始上升階段時(shí)，風(fēng)速和物料量都發(fā)生了快速上升，物料量增加值未超過流化風(fēng)速極限，可以獲得良好的流化效果，同時(shí)還有少數(shù)密相區(qū)物料被夾帶到了稀相區(qū)中，使密相區(qū)的物料量發(fā)生了略微升高，但總體變化并不顯著。到達(dá)某一負(fù)荷下時(shí)，當(dāng)物料量上升后，流化風(fēng)速并不能以同樣速率增加，從而降低了流化效果，揚(yáng)析夾帶的效果減弱，將出現(xiàn)密相區(qū)物料量快速升高的現(xiàn)象，同時(shí)形成更高的顆粒濃度。因此，當(dāng)負(fù)荷增大后，密相區(qū)的物料濃度表現(xiàn)為先增大后快速上升的變化規(guī)律。

圖3 不同爐負(fù)荷下對應(yīng)的爐內(nèi)物料量濃度和流化風(fēng)速間的關(guān)系圖

從總體上分析可知，密相區(qū)的物料濃度不會超過125 kg/m3，最低可以達(dá)到100 kg/m3以上，在不同負(fù)荷下的物料量變化幅度基本為20～30 kg/m3，介于240～250 MW 之間，濃度快速升高，尤其是高負(fù)荷狀態(tài)下上升情況最顯著。圖4 顯示了不同風(fēng)速下的密相區(qū)物料濃度變化情況。

圖4 不同風(fēng)速下密相區(qū)物料濃度變化圖

2.2 傳熱特性結(jié)果分析

分別測試了負(fù)荷率52.7%、74.8%與93.1%的不同負(fù)荷條件下的爐內(nèi)傳熱情況。以這些負(fù)荷下的平均床溫與流化風(fēng)速作為依據(jù)，不同爐高與負(fù)荷下環(huán)形區(qū)顆粒團(tuán)壁面覆蓋率與平均空隙率的變化情況見圖5。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷增大后，將會引起爐內(nèi)物料量的上升，達(dá)到更大的顆粒濃度，而環(huán)形區(qū)中的顆粒濃度也出現(xiàn)了上升的現(xiàn)象，同時(shí)空隙率降低并產(chǎn)生更多數(shù)量的顆粒團(tuán)，顯著提高壁面覆蓋率；當(dāng)爐高空隙率增大后，會引起環(huán)形區(qū)顆粒團(tuán)的減少，從而降低壁面覆蓋率。在所有負(fù)荷下，相同高度的空隙率變化會對份額改變產(chǎn)生明顯影響，并且當(dāng)高度增大后，影響程度會不斷降低，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)荷增大后，壁面覆蓋率改變也更顯著。當(dāng)負(fù)荷率由75.8%增大到91.7%時(shí)，所有高度下的壁面覆蓋率增大幅度都比負(fù)荷率由53.4%增大為75.6%時(shí)的變化幅度更小，這說明高負(fù)荷下的負(fù)荷變化對壁面覆蓋份額的影響更小。

通過分析圖6 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在CFB 爐高方向上，對流傳熱系數(shù)表現(xiàn)為不斷降低的變化趨勢，這是由于爐內(nèi)的空隙率隨著爐高的增大而增加，并且環(huán)形區(qū)的顆粒也會不斷往下沉積，使上部環(huán)形區(qū)顆粒濃度不斷降低，降低了顆粒覆蓋壁面的均值，導(dǎo)致對流傳熱系數(shù)下降，此外還可發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)荷上升后，爐膛各部位將達(dá)到更大的傳熱系數(shù)。

圖5 不同爐高與負(fù)荷下環(huán)形區(qū)顆粒團(tuán)壁面覆蓋率與平均空隙率的變化圖

圖6 對流換熱系數(shù)變化圖

從圖7 中可以看到稀相區(qū)的總傳熱系數(shù)變化情況，并表現(xiàn)為隨爐膛高度的上升而減小，到達(dá)52.8%的負(fù)荷率時(shí)，傳熱系數(shù)減小了27.53%，當(dāng)負(fù)荷率等于75.6%時(shí)，傳熱系數(shù)減小了26.42%，當(dāng)負(fù)荷率達(dá)到93.1%時(shí)，傳熱系數(shù)減小了24.81%。

圖7 總換熱系數(shù)變化圖

根據(jù)上述傳熱系數(shù)改變結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐高增大后，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱系數(shù)不斷減小，這是因?yàn)榇嬖诓痪鶆蚍植嫉拇矞亟Y(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的結(jié)果，特別是負(fù)荷較低的情況下，稀相區(qū)上、下部之間會出現(xiàn)顯著的溫度差。因此，在較高的負(fù)荷下可以使?fàn)t內(nèi)形成更均勻的溫度分布狀態(tài)，并形成更穩(wěn)定的傳熱過程。

3 結(jié)論

（1）不同的爐內(nèi)壓降對應(yīng)的物料濃度也存在差異，當(dāng)爐膛負(fù)荷上升后，爐內(nèi)將形成更多的物料量。當(dāng)負(fù)荷增大后，密相區(qū)的物料濃度表現(xiàn)為先增大后快速上升的變化規(guī)律。密相區(qū)的物料濃度不會超過125 kg/m3，最低可以達(dá)到100 kg/m3以上，濃度快速升高，尤其是高負(fù)荷狀態(tài)下上升情況最顯著。

（2）當(dāng)負(fù)荷增大后，將會引起爐內(nèi)物料量的上升，達(dá)到更大的顆粒濃度，而環(huán)形區(qū)中的顆粒濃度也出現(xiàn)了上升的現(xiàn)象。在CFB 爐高方向上，對流傳熱系數(shù)表現(xiàn)為不斷降低的變化趨勢。隨爐膛高度的上升，傳熱系數(shù)減小。當(dāng)爐高增大后，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱系數(shù)不斷減小。