（化工过程机械专业论文）循环流化床锅炉内颗粒流动特性的实验研究.pdf

摘要 结合水煤浆悬浮流化的燃烧特点，研究了不同操作参数对循环流化床锅炉内颗粒 速度、浓度、压降分布的影响规律。结果表明：在流化风速等于2 5 7 m s ，循环质量流 率为0 5 8 k g ( m 2 s ) ，一次风量为4 8 0 m 3 h ，二次风量为3 1 3 i l l 3 h 时，循环流化床锅炉炉膛 内颗粒浓度分布、压降、流化状态、循环都达到一个较稳定的水平，由下而上呈现为鼓 泡区、快速流化区及顶部的涡流区，且呈现中心区域为上行流边壁为下行流的典型环核 分布。 分别采用p v 6 a 型颗粒速度测量仪、u 型管、毕托管对循环流化床锅炉稀相区内颗 粒速度、浓度、压降的分布进行了较为全面、详细的测定，定性的分析了几种操作参数 对压力场、流场和浓度场分布的影响。结果表明：流化风速决定炉膛内的压力分布，二 次风与一次风之比对炉膛内的压力影响微弱，立管是循环系统压力分布的一个平衡点， 它会自动调节堆料高度从而使系统达到新的平衡：二次风对稀相区下部颗粒速度的影响 最明显，随高度增加影响减弱，二次风与一次风之比越高颗粒速度分布越不均匀，二次 风的流入方向与开口位置也明显影响炉膛内速度、浓度的分布，质量循环流率增加颗粒 速度分布更趋均匀，但质量循环流量受平均流化气速影响较大；稀相区浓度为中间最低、 向边壁过度逐渐升高、在边壁处浓度陡然升高的内循环典型分布特征，边壁处的颗粒浓 度约是中间区域的1 2 1 7 倍，四个边角处颗粒浓度最大，随着高度的增加颗粒浓度略 有增加；炉膛内平均流化风速增大炉膛内的颗粒浓度也会增加，但是当炉膛内平均流化 气速超过v = 2 7 7 m s 时，风速增加浓度反而会略有下降。 关键词：循环流化床锅炉，操作参数，压降，颗粒速度，浓度 t h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no np a r t i c l e sf l o wc h a r a c t e r i nt h e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r c h e ns i n h u a ( m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i ny o u h a ia n da s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gj i a n j u n a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r - c o a l s l u r r yf l u i d i z a t i o n s u s p e n s i o nc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h ep a r t i c l ev e l o c i t ya n d c o n c e n t r a t i o na n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r t h er e s u l t ss h o w t h a tw h e nt h ef l o w s p e e dw a s2 5 7 m s ，t h eq u a l i t yo fc i r c u l a t i o nf l o wr a t ew a s0 5 8 k g ( m 2 s ) ，t h ef i r s ta i rf l o w w a s4 8 0 m 3 ha n dt h es e c o n d a r ya i rf o ww a s313 m 3 h ，t h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l ev e l o c i t ya n d p r e s s u r ed r o p ，f l u i d i z a t i o ns t a t ea n dc i r c u l a t i n gs y s t e mp r e s e n t e dam o r e s t a b l el e v e l t h e r ei s b u b b l i n gf l u i d i z e db e di nt h eb o t t o mz o n ea n df a s tf l u i d i z e dz o n ea l o n gt h eb e dh e i g h t ，a n da c o r e - a n n u l a rf l o wf r a m ew h e r et h em o v e m e n to fp a r t i c l ei nt h ec o r ea r e ai su p w a r da n d d o w n w a r da tt h ew a l la r e a u s i n g t h ep v 6 at y p ep a r t i c l ev e l o c i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，u t u b ea n dp i t o tt u b e ，t h e p a r t i c l ev e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e r w e r et h o r o u g h l ya n dc l o s e l ym e a s u r e da n dt h ee f f e c t so fo p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h e s e v a r i a b l e sw e r eq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nd e p e n d so n t h ef l u i d i z e da i rv e l o c i t ya n di ss l i g h t l ya f f e c t e db yt h er a t i oo ff i r s ta n ds e c o n d a r ya i r t h e s t a n d p i p ei st h ee q u i l i b r i u mp o i n to fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec i r c u l a t i o ns y s t e m ，w h i c h c a l l a u t o m a t i c a l l yc o n t r o lt h eh e i g h to fs t o c k p i l i n gs ot h a tt h es y s t e m c a l lr e a c ht h en e w e q u i l i b r i u m s e c o n d a r ya i ra f f e c t sg r e a t l yt h ep a r t i c l ev e l o c i t yi n t h eb o t t o ma r e ao fr i s e r s e c t i o nz o l l ea n dt h ei n f l u e n c ed e c r e a s eg r a d u a l l y 、柝t l lt h ei n c r e a s eo fh e i g h t t h eh i g h e rr a t i o o ff i r s ta n ds e c o n d a r ya i r , t h el e s sn o n - u n i f o r mo fp a r t i c l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni s a l s o ，t h e i n j e c t i n gd i r e c t i o na n d t h el o c a t i o no fs e c o n d a r ya i rc a l la f f e c tt h ev e l o c i t yi nt h ec f b b t h e h i g h e rm a s sc i r c u l a t i o nr a t e ，t h em o r eu n i f o r mp a r t i c l ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni s ，b u ti sa f f e c t e d g r e a t l yb yt h ep a r t i c l em e a nv e l o c i t y t h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nr i s e rs e c t i o n z o n es h o w sac o r e - - a n n u l a rf l o wf r a m ew h e r et h es o l i di sd e n s e ri nt h ea n n u l a rr e g i o nt h a n c o r er e g i o n t h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni nt h ew a l la r e ai s1 2 - 1 7t i m e sa sm u c ha si nt h ec o r e z o n e ，r e a c h e st h eh i g h e s tv a l u ei nt h ec o m e ro ft h ef u r n a c e ，s l i g h t l yi n c r e a s e 、i mt h e i n c r e a s eo fh e i g h ta n di sa f f e c t e db yt h ep a r t i c l em e a nv e l o c i t y w h e np a r t i c l em e a nv e l o c i t y i n c r e a s e ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na l s og r o w s ，b u tt h ev e l o c i t yc o n t i n u e si n c r e a s i n g ，p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nw i l ls l i g h f l yd e c r e a s e k e yw o r d ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r , o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，p r e s s u r ed r o p ，p a r t i c l e v e l o c i t y , d e n s i t y 1 v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 涛l 整k 日期：洳。罗年 6 月7日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 o9 弓年占月f 日 聃：7 多月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 水煤浆流化一悬浮高效洁净燃烧是一种集流化床燃烧与水煤浆悬浮燃烧为一体的 复合燃烧技术，具有煤种适应性强，低温稳定燃烧不易结焦，煤的燃烧效率高，燃烧过 程中直接脱硫，n o 。的生成低，降低气体污染物排放浓度等特点，在世界范围内得到了 广泛应用【1 2 引。水煤浆的流化一悬浮燃烧过程的本质是循环流化床燃烧技术。循环流化 床内典型的气固两相流动特性是非常重要的参数，它影响着辅机的能耗，床内吸热量， 温度分布，燃烧情况，床内载料量和磨损等。其原理是采用石英砂与石灰石作为媒体床 料，滴状水煤浆从燃烧室上部喷入，在温度8 5 0 - - , 9 5 0 0 c 的炽热床料作用下，进行异比重 流化床燃烧。水煤浆滴在床料的加热下，完成水分析出、爆破破碎、挥发分析出及着火 燃烧。烟气中的固体颗粒被设在燃烧室出口的分离回料装置分离、捕集，并通过分离器 下部的反料系统返回燃烧室密相去。这样，既减少了媒体物料与燃料的损失，又实现了 水煤浆颗粒团的循环燃烧。 良好的综合流体动力特性是合理设计循环流化床锅炉的基础。但由于影响循环流化 床内气固两相流动因素众多，同时气固两相流动自身复杂的流动特点和高温的运行环境 对测试手段又提出了苛刻的要求，迄今为止对循环流化床内气固流动的内在运动规律， 气固混合和离析特性、颗粒团形成和破碎过程，炉内颗粒粒径分布及浓度分布等的研究 工作仍在进行。由于循环流化床锅炉内部两相流动非常复杂，目前还没有成熟的理论指 导，而气固两相流动参数对流化床锅炉的设计、运行都非常重要。为了使水煤浆代油技 术得到更广泛的应用，对循环流化床锅炉内部流场进行深入研究是必要的。 本课题的研究目的是通过实验测量的方法对循环流化床内部的气固两相流场进行 研究，重点对颗粒速度、浓度进行测量，了解并找出床内颗粒在不同工况下的分布特征 及流动规律，为进一步优化锅炉设计、推广水煤浆流化一悬浮燃烧技术提供参考依据。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 循环流化床锅炉简介 循环流化床锅炉其内部燃烧是一种利用流化态燃烧的技术，使高速运行的烟气与其 所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的燃烧反应过程。同 时，在炉外利用旋风分离器将绝大部分高温的固体颗粒捕集，将这部分颗粒送回炉内再 次参与燃烧过程，如此反复循环地组织燃烧。所谓流态化指使细颗粒通过与气体或液体 的接触面而转变成类似流体的一种运行情况；当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗 粒上的重力与气流的拽力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有 类似于液体的性质；固体床本身会变得像流体一样这时固体床料已经被流态化了。 如果把气流流速进一步加大，气体会在已经流化的床料中形成气泡，从已流化的固 体颗粒中上升，到流化的固体颗粒的界面时，气泡会穿过界面而破裂，就像水在沸腾时 汽泡穿过水面而破裂一样。因此这样的流化床又称为“沸腾床”、“鼓泡床”。继续加大气 流流速，当超过终端速度，颗粒就会被气流带走，但如将被带走的颗粒通过分离器加以 捕集并使之重新返回床中，就能连续不断地操作，成为循环流化床【2 】。 循环流化床锅炉具有燃料适应性广( 流化床燃烧的床料包括化石燃料、废物和各种 生物质燃料) 、燃烧效率高、环境污染小、负荷调节性能好、锅炉燃烧强度大、炉内传 热能力强、灰渣能够充分地综合利用等优点，是国内外目前竞相发展的燃煤技术。 2 2c f b b 的国内外研究现状 2 2 1c f b b 炉膛内颗粒流动的特点 对循环流化床锅炉内部的流场分布，国内外学者普遍认为，循环流化床是由下部密 相区和上部稀相区两个相区组成的。下部密相区一般是鼓泡床或湍流床，上部稀相区则 是快速流化床。床层底部颗粒却是由静止开始加速，而且大量颗粒由底部循环回送，因 而床层下部是一个具有较高浓度的密相区，处于鼓泡流态化或者湍流流态化状态。而在 上部，由于气体高速流动，特别是循环流化床锅炉往往还有二次风加入，使得床层内空 隙率大大提高，转变成典型的稀相区。在这个区域，气流流速远远超过颗粒的自由沉降 速度，固体颗粒的夹带量很大，形成了快速流化床甚至密相气力输送。在下部密相区的 鼓泡流化床内，密相的乳化相是连续相，气泡相是分散相。当鼓泡床转为快速流化床时， 发生了转相过程，稀相成了连续相，而浓相的颗粒絮状聚焦物成了分散相。在快速流化 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 床床层内，当操作条件、气固物性或设备结构发生变化时，两相区的局部结构不会发生 根本变化，只是稀浓两相的比例及其在空间的分布相应发生变化【3 】。 ( 1 ) 循环流化床下部密相区颗粒速度分布规律 在循环流化床的下部，存在着一个颗粒加速区。在底部的布风板上，循环回床层的 固体颗粒在垂直方向的速度基本为零。流化气体介质从布风板高速流出，由于气固两相 间的曳力作用，使固体颗粒逐步加速，床层底部的曳力系数虽然较小，但变化梯度却较 大，因此颗粒加速度增加较快。沿着床层高度，固体颗粒的速度越来越快，到达一定的 高度后，曳力系数趋于稳定，颗粒的加速度也越来越小，直至达到零，颗粒速度保持不 变，这就形成了床层下部的颗粒加速区。 在轴向方向上，由于颗粒的湍动、混返以及运动的随机性，床层下部固体颗粒的速 度分布是不均匀的。在床层底部颗粒的加速度比较大，再往上加速度逐渐减小。到床层 足够高的位置，颗粒速度基本不变。在流化床层下部，颗粒速度的变化还与介质气体的 流速和颗粒循环流率密切相关。当颗粒循环流率一定时，随着气流速度加大，颗粒速度 也增加。当气流速度一定时，随着颗粒循环流率的增加，颗粒速度反而变小。 在径向方向上，在床层中心处颗粒向上运动的速度最大，沿着径向单调下降，直到 颗粒速度为零。在接近壁面处颗粒转而向下运动，壁面处颗粒向下运动的速度达到最大， 即颗粒速度的负值最大。这是环核结构的颗粒返流现象。 ( 2 ) 循环流化床上部的稀相区 循环流化床床层的中心区颗粒向上运动，颗粒速度较大，且在轴心颗粒速度达到极 大值。沿着径向颗粒速度逐渐减小，在靠近壁面处颗粒速度减小，颗粒主要向下运动。 在颗粒循环流率一定的条件下，当气流速度增大时，整个截面的颗粒速度也有所增大， 而且中心区增加的幅度较大。在气流速度一定的条件下，当颗粒循环流率增大时，床层 中心区颗粒速度随着增大，边壁区颗粒向下速度也略有增大。所以，随着气流速度或者 颗粒循环流率的增大，颗粒速度的径向分布越趋不均匀。 总之，几乎在所有的径向位置，都有颗粒的向上和向下运动。但是，中心区颗粒运 动主要向上，边壁区颗粒运动主要向下。在床层的不同高度上，颗粒速度也有变化。以 时均速度来比较，在下部密相区中心的向上速度比上部的稀相区的大。在边壁处，下部 密相区的时均颗粒速度接近于零，而上部稀相区的颗粒向下速度占主流。 3 第二章文献综述 2 2 2 影响c f b b 燃烧效率的主要因素 燃用不同煤种的循环流化床锅炉在设计及运行方面都有不同程度的差异：燃烧效率 还和循环倍率、床温、过量空气系数、流化风风速等因素有关：循环倍率越高，燃烧效 率也越高，脱硫效率也越高，但是当循环倍率超过3 以后，燃烧效率的提高并不明显； 床温对燃烧效率的影响较大，随着床温的升高，燃烧效率明显增加，床温的影响主要在 于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性，从而影响脱硫效率和脱硫 剂的利用率，从燃烧效率、c o 排放、n o x 排放等因素综合考虑，往往选择8 5 0 - - 9 0 0 ”c 之间的床温；过量空气系数对燃烧效率的影响不如床温大；传热系数随着床层颗粒浓度 的增加而增大，床层颗粒浓度是影响床层与床壁面间传热系数最重要的因素，床温大于 4 0 0 后，床温上升，床层与床壁面间传热系数明显增大，小粒径床料可获得比用大粒 径床料更大的传热系数：流化风速对燃烧效率也有影响，随着流化风速的增加，颗粒在 炉内的停留时间缩短，使燃烧效率有所下降，但总体上流化风速增加造成的燃烧效率下 降的倾向是很小的。设计良好的循环流化床煤的燃烧效率可达9 5 以上，甚至达到9 9 以上【4 j 。 2 2 3c f b 内颗粒流动特性的研究现状 国内c f b 内颗粒流动特性的实验研究方面：黄素华得出颗粒沿床层径向呈中间相对 较稀、周边相对较浓的环状流动状态，矩形截面边角处存在颗粒浓度的再分布过程，边 角处颗粒浓度是在同一截面上是最大值；路春美【5 j 认为流化床的边缘区域和中心区域， 向下运动的颗粒对混合起着更重要的作用，在其它区域向上运动的颗粒对混合起主导作 用；石惠娴1 6 1 通过对床内截面上的颗粒流动速度矢量场分析，得出循环流化床内部颗粒 的环核流动的典型特征；祁海鹰【7 】得出循环流化床顶部区域内颗粒基本向上运动的且大 部分颗粒间的速度差别比较小，边缘区域颗粒的速度小于颗粒分布较多区域内的颗粒速 度；田子平1 8 】得出流化床中心区域颗粒浓度较低，越往两侧浓度增加，两边基本上呈对 称分布；孙国刚【9 】得出在循环流化床稀相区两相流动中仍存在着不均匀的流动结构的结 论；黄卫星【1 0 1 得到的结论是颗粒浓度的径向分布不具有相似性，不仅与径向位置有关， 而且还与床层截面高度有关。 杨勇林【l l 】、漆小波【1 2 1 等的研究结果都表明：局部颗粒速度的径向分布呈现出不均匀 分布，在中心稀相区，颗粒主要向上运动，其时均速度约为表观气速的1 5 、5 倍：在环 隙区，颗粒大部分向下运动且速度较小。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 国外c f b 内颗粒流动特性的实验研究方面： j h p a r s s i n e n 、j - x z h u 1 3 1 得出在颗粒高质量流率情况下颗粒的速度沿径向分布的 更趋于不均匀，表观截面气速对颗粒速度分布的影响比颗粒质量流率大得多；k i m g r a n l yh a n s e n 1 4 1 得出循环流化床内颗粒的湍流速度为轴向时均速度的分布明显呈环核 型结构，轴向脉动均方根速度分布表明在整个床层截面上颗粒的湍流脉动强度都较高。 另外，在循环流化床内部两相流测试方面还有刘石【1 5 】得出了床内颗粒浓度分布及平 均颗粒浓度随时间的变化频谱特性；刘景源【1 6 】对流化床下料管密相区的颗粒流量进行了 测量；吕俊复1 7 1 对循环流化床锅炉床体内部贴近壁面的颗粒团运动和受力特点进行了分 析。白丁荣1 引、漆小波【1 2 l 等还研究了操作条件对局部时均颗粒速度径向分布的影响i 他们的结果表明：当表观气速u 。一定时，颗粒循环速率g 。增大使得边壁区的颗粒聚集 倾向明显增强，大量气体更加集中于中心区，进而使得颗粒在边壁处运动速度减慢，中 心区的颗粒速度增大，即颗粒速度径向分布随颗粒循环速率增大而愈趋不均匀；当g 。一 定时，u 。增大，各点的颗粒速度均随之增大，但中心区颗粒速度增大的程度大于边壁 区增大的程度。 他们的研究使我们对流化床内颗粒的流动特性有了大致的掌握，但仍然没有完整清 晰的描述出流化床内部内颗粒的流动特性，因此对进一步流化床内颗粒流动特性的研究 是必要的。 2 2 4c f b b 炉膛内压力及浓度分布的研究现状 循环流化床燃烧锅炉炉膛中的压降，对于气固流动和燃烧传热研究，以及锅炉的设 计和运行都具有重要的意义：第一，掌握床内气固流动状况及压降分布，便于流化床燃 烧的监视与调节；第二，压降分布与床内固体颗粒浓度分布紧密相关，而颗粒浓度是燃 烧传热计算的重要依据；第三，为空气动能计算提供通风耗能数据，并据此选择风机。 郝春林、杜少俊 1 9 1 得出随着风速的增加，床内压力下降，而压力降增加，压力梯度为向 上的趋势；朱廷钰、肖云汉、陈凡【2 0 】等认为固体颗粒循环速率和表观气速是影响压力分 布的两个重要因素：相同固体颗粒循环速率条件下，表观气速增大，床内压力降低，压力梯 度变小：李荫堂剐研究循环流化床中主床沿床高方向的压力损失，得出压降及其分布的 主要影响因素是气固携带比、气体空截面速度和颗粒浓度分布，其中颗粒浓度分布对压 降有重要影响，与颗粒性质和流动状况密切相关；王擎、骆仲泱、岑可法1 2 2 1 等对循环流 5 第二章文献综述 化床锅炉回路系统的压力平衡进行了理论分析，在循环流化床锅炉系统中一个基本规律 是循环回路所有部分的压降和等于零，当某一部分的压降发生变化时，其它部分的压降 随之发生变化，以维持整个循环回路的压力平衡。 受操作条件、气固物性、颗粒及气体的进出口结构、提升管直径及截面形状、提升 管高度、固体颗粒总存料量、内部构件、二次风等因素不同程度的影响，提升管内压力 梯度或颗粒浓度的轴向分布并不总是s 型分布：在床层底部不能形成浓相段时，s 型分布 就退化为指数型分布；当提升管出口为强约束型时，由于颗粒的反弹而在出口段形成了 一较高颗粒浓度的区域，从而使得颗粒浓度的轴向分布转变为c 型分布。 b a i 2 3 】等就颗粒直径和密度对截面平均颗粒浓度轴向分布的影响研究发现：与粗重 颗粒相比，在相同的操作条件下，细轻颗粒在提升管内沿轴向的分布更加均匀； m a s t e l l o n e 和触i l a 【2 4 】的实验结果表明：在相同的操作条件下，颗粒密度增加，床层底部 的颗粒浓度随之增大，而床层上部的颗粒浓度则相应减小：但是，当颗粒直径增大时， 颗粒浓度的轴向分布并没有明显变化；h o r i o 【2 5 1 的实验结果表明：提升管高度增加，从 浓相段与稀相段的转折点( i n f l e c t i o np o i n t ) n 提升管出口的距离保持不变。 2 3c f b 内流场测量技术的研究现状 目前国内外测量循环流化床内部两相流的方法主要分为接触法和非接触法测量两 种：接触法主要包括光纤探头测量技术、采样法等，非接触法有l d v 法、p i v 法、示 踪离子法等；非接触法测量精度高，对流场无干扰，但仅适合于细颗粒、低浓度测量： 接触法虽然精度较差，但由于其测量过程不受颗粒浓度的影响，可直接应用于高浓度流 场的测量。下面简单介绍一下各种测速方法的基本原理及其国内外对流场测试的研究情 况。 2 3 1 流化床内流场测量方法 ( 1 ) 光纤探头测量法【2 每3 5 】 光纤颗粒速度探头的工作原理就是用光纤之间的有效分隔距离除以所测的对应信 号时间差来得到颗粒的运动速度。典型的光纤探头是由3 束穿在不锈钢管内的光导纤维 组成( 如图2 1 所示) ，中间一束l 是用来传输入射光，当入射光照射到固体颗粒表面时， 就会在上面产生反射光，并被另外两束光纤a 、b 所获取，然后经过光电倍增管及放大线 路后送入微机进行处理。由于颗粒通过a 、b 有先后，故在a 、b 两通道上产生2 个在时间 上有先后的信号，此滞后时间即为该颗粒经过距离d ( a 、b 间的间距) 的渡越时间t ，由v = d t 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 即可求得颗粒的速度。 图2 - 1三光纤速度探头不恿图 f i g2 - 1s k e t c ho ft h r e ef i b e r sv e l o c i t ym e a s u r e m e n tp r o b e ( 2 ) 激光多普勒( l d v ) 技术 l d v ( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ) 测速技术利用多普勒原理测量颗粒的局部速度， 运动颗粒的散射光与入射光之间存在着一定的频率差，称为多普勒频移( 兀) 。激光多普勒 测速的基本原理如图2 2 所示，图中甜。为颗粒速度材在y 轴方向的分量，k 为双光束系统入 射光之间夹角的一半，九为介质中的激光波长。当给定光学系统中k 、九，则多根据多普 勒原理可导出频移厶与颗粒速度甜，成线性关系，即 厶：_ 2 s i n k lu ，i ( 2 1 ) ，d2 了一iyi l z lj 图2 - 2 激光多晋勒测速原理图 f i g2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r 激光多普勒测速仪的测量精度非常高，空间分辨率高、时间分辨率高，可以测得循 环流化床锅炉内局部颗粒运动的瞬时速度。此外，激光多普勒测速仪还具有测量体积小、 响应频率快、线性测量、对流场无干扰等优点。但在高颗粒浓度的测量环境下，例如在 循环流化床锅炉下部密相区和上部边壁区附近，系统的光路因受到高浓度颗粒的严重阻 挡而使测量无法进行，另外由于激光束容易受到大粒径颗粒的阻挡，故激光多普勒测速仪 不适用于测量较大颗粒的运动速度。 7 第二章文献综述 ( 3 ) 离子图像测速( p i v ) 技术【3 7 3 9 】 p w ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y ，粒子成像测速) 技术是在流动显示技术的基础上，结合 图像处理技术发展起来的一种颗粒速度测量技术。其基本原理是利用散入流场中的粒子 对流场运动的跟随性以及对光的散射作用，将粒子在不同时刻在流场中位置的光学成像 ( p 图像) 记录到感光胶片、录像磁带等介质上。根据记录下的粒子在不同时刻流场的位 置以及相应的位移，可得出粒子所在位置的流场速度，测量原理见图2 3 。 图2 - 3p 测速原理图 f i g2 - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r t i c l ei m a g ev e l o c i t y p 测量系统由示踪粒子发生系统、激光发射系统、图像记录系统和数据处理系统 组成。示踪粒子发生系统产生一定粒径且速度跟随性好的粒子，进入测量流场，随流体 运动，激光器按一定的频率发出激光脉冲，经透镜组形成片光源入射被测流场，c c d 相 机聚焦到光平面上，并记录每个激光脉冲的曝光结果。然后对连续曝光的两帧或多帧图 像进行互相关和快速傅立叶( f f t ) 处理，便可获得示踪粒子的速度。由于示踪粒子的良 好跟随性，示踪粒子的速度代表了流体速度。p w 流场测量技术突破了传统的流速测量 仪器( 如通常采用的多普勒流速仪l d v ) 只能进行空间单点测量技术的局限性，而且是无 接触式测量，具有实验速度快、效率高、可测的速度范围大、可对整个区域内的二维或 三维流场进行无干扰测量。 但将p i v 技术应用于循环流化床锅炉内颗粒速度测量时，尚存在些问题。首先， 在循环流化床锅炉下部密相区的高颗粒浓度情况下，由于c c d 相机所拍摄图像的清晰度 不够、颗粒重叠等原因，使得p 测量技术和图像分析方法很难应用到高颗粒浓度时的 情况其次，由于循环流化床锅炉内特殊的核心卜- 边壁区结构，其边壁区高颗粒浓度远高 于核心区域，当循环床内颗粒浓度高到一定的数量时，边壁区的颗粒浓度将成为激光片 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 光射入床内的主要阻力，同时也成为c c d 相机拍摄图像的主要遮挡物，使测量无法进行。 ( 4 ) 相位多普勒技术( p d p a 或p d a ) 相位多普勒p d a l 4 0 - 4 5 1 ( p h a s e d o p p l e rp a r t i c l ea n a l y z e r ) 技术发明于1 9 7 5 年，它的 产品诞生于上世纪8 0 年代末。所谓相位多普勒技术是利用随流体而运动的粒子同时测 量流体速度和粒子粒径的泛称，是一种两相流测量仪器。 相位多普勒粒子风速计的测速原理与l d a 或l d v 相同，就是利用测得的信号频率 来测量速度，其粒径测量原理则是利用测量信号的相位来测量粒径，其基本原理是利用 光线通过球形透明粒子所产生的光散射信号，其测量公式为： 妒2f (m)d。(2-2) 式中：伊为相位差，脚为粒子的折射系数，聊砂为某一转移函数，喀为粒子直径。我们 把上述相位多普勒粒子风速计称之为第一代相位多普勒粒子分析仪，或传统的相位多普 勒技术。 其主要缺点为：检测器之间的间隔受到接收透镜数值孔径的限制接受器的方位 被固定在接收系统之内，仰角只能靠替换接收镜来改变由单个参数，也就是离轴角度 来控制散射角系统设计是建立在老的2 0 世纪7 0 年代末8 d 年代初的技术基础上的 粒径测量范围在l o l a m - l m m 之间。 典型的p d p a 系统如图2 4 所示，其入射光路与l d v 相同，有一维、二维、三维 之分。接收光路则必须有两个以上的光接收器，以便获得相位差信号。 图2 4p d p a 测量系统图 f i g2 - 4m e a s u r i n gs y s t e mo fp h a s e - d o p p l e rp a r t i c l ea n a l y z e r 9 第二章文献综述 p d a 可同时测量粒子的速度、粒径和浓度参数，然而，同l d a 一样，从流场测量 方式来说，它们都是点测量方法，对空间结构变化的反映无能为力，这就对湍流研究中 核心的旋涡结构的研究带来障碍。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章实验装置、方法及内容 本文的实验共包括三个部分：第一部分为c f b b 循环回路稳定状态的测量实验，目 的是找到最佳稳定工况，以在其范围内进行实验测量：第二部分为c f b b 循环回路压力 分布实验，目的是实现对循环流化床锅炉内流场的控制，实现测量的条件：第三部分为 c f b b 炉膛内颗粒速度、浓度分布的测量实验。 本课题采取以实验为基础，理论分析为指导的技术思路，结合循环流化床锅炉运行 的特点：首先结合床料的粒径范围，寻找可使c f b b 稳定循环的床截面气速的操作范围， 然后针对对c f b b 控制的操作参数进行循环回路压力分布实验，最后在最佳操作范围内 改变操作参数，测量c f b b 炉膛内颗粒速度、浓度的分布。 3 1 实验装置 本实验主要由引风机、控制系统、通风管道系统、c f b b 炉膛、蜗壳式旋风分离器、 回料装置等组成，装置见图3 1 。 1 一次风口2 1 0 毕托管3 布风板4 加料口 5 激光探头6 炉膛7 p v 6 a8 电脑9 u 型管 压差计1 1 温度计1 2 引风机1 3 电动机1 4 变频调节器 1 5 旋风分离器1 6 立管1 7 回料阀 1 8 闸阀1 9 风箱 图3 1 实验装置示意图 f i g3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e m 整个实验装置为负压系统。床料由事先设置好的加料口加入，关闭回料阀，打开引 风机并调节至一定风量，床料在炉膛内被流化，粒径较大的颗粒由于受重力作用被扬起 后又回落到布风板，活动区域主要集中在下部密相区细小颗粒则由于曳力大于重力，部 第三章实验装置、方法及内容 分碰到顶壁后反弹沿边壁下落，大部分则被带入旋风分离器在这里被捕集送回反料阀， 再由松动风送入炉膛内完成一个循环，极细小的颗粒则由于旋风分离器捕集不到而被带 走排放到空气中：当立管中堆积一定高度的床料后，打开回料阀并调节其开度大小，使 整个系统处于稳定运行状态。实验装置各部分简要说明如下： 循环流化床锅炉模型：主要包括炉膛、旋风分离器、立管、回料阀等，是实验装置 的主体部分，实验模型以工业应用原型进行1 ：1 2 比例放缩，均为壁厚5 m m 的有机玻璃 制成，炉膛是截面尺寸为3 1 0 x 2 6 6 m m z ，高为2 1 5 0 m m 的长方体，采用蜗壳式旋风分离 器，l 型回料阀，网孔型布风板。 风机系统：主要由异步电动机和离心式通风机组成，电动机型号为y 1 3 2 s 2 2 ，功率 7 5 k w ，转速为2 9 0 0 r m i n ，离心式通风机风量为7 6 8 m 3 h 。 变频调速器：通过调节变频调速器来控制风机电动机的电源频率以达到可连续调节 风机的风量，频率调节范围为0 - 5 0 h z 。 通风管道系统：通风管道均采用内径缈= 1 6 0 m m 的管路。 测量系统：包括p v 6 a 型颗粒速度测量仪、u 形管、毕托管等；u 形管用以测量 c f b b 模型的压降，出口管道和一次风入口管道上安装毕托管，分别用来监测出口风量 和一次风入口风量。 实验用床料为经过筛分的石英砂，其粒度分布为宽筛分，中位粒径为1 2 0 , u r n ，最 大粒径为2 0 0 0 a n ，堆积密度1 3 6 7 k g m 3 ，真密度为2 5 0 0 k g m 3 ，如表3 1 。 表3 1 床料粒径分布 t a b l e 3 - 1t h ed i s t r i b u t i o no f p a r t i c l ed i a m e t e r 3 2 实验方法 3 2 1 使用p v 6 a 型颗粒速度测量仪测量炉膛内颗粒速度、浓度的分布 在现有的颗粒速度测量手段中，等速取样法和碰撞法都是间接的方法，测量误差较 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 大：高速摄影法对流场没有干扰，但图像分析困难，无法实现实时数据采集，测量对象 仅限于二维床中的颗粒或三维床中壁面附近的颗粒；激光多普勒速度仪测试精度较高， 且可测试颗粒瞬态速度，但是该设备系统复杂，价格昂贵，使用时技术要求高，且只适 用于颗粒浓度较低的情况；放射性颗粒跟踪技术对流场无干扰，但配套设备非常复杂且 昂贵，因而使用有限【椎5 1 1 。光纤颗粒速度探头的特点是使用简单、有较高精度且价格很 低，本实验使用的速度测量仪器是中科院过程所研发的p v 6 a 型颗粒速度测量仪。 p v 6 a 型颗粒速度测量仪是一种主要用于测量气固、液固两相流动系统中颗粒物料 运动速度的多相流检测仪器。可以测量：两相流动中颗粒运动速度的平均值，瞬时值及 其统计分布的测量；流动物料相对浓度c 及孔隙率的测量。 实验要测量的参数为炉膛内各点的颗粒速度巧、料腿内沙粒的堆积速度圪、浓度的 电压值、循环回路的压力p 、一次风入口管道上毕托管压差值廿l 及出口管道上毕托管压 差值蝇。 床料由事先设置好的加料口加入，关闭回料阀，床料在炉膛内被流化，调节变频器 将引风机调节到设定风量，打开回料阀并调节其开度大小，使整个系统处于稳定运行状 态；读取两毕托管上的压差值尸l 、必计算炉膛内炉膛内的流化风速、一次风和二次风 的比例，再调节鼓风机风量及一次风入口开口大小以使一次风和二次风的比例达到设定 值；打开测量系统，即运行p v 6 a 型颗粒速度测量仪测量控制软件，调节参数设置使得 探头选择为2 2 m m 、速度选择为2 m s 、滤波常数为3 2 k h z ，使得测量范围符合循环流化 床锅炉炉膛内被测参数的范围要求，将探头固定在坐标架上并伸入设置好的测量孔内， 调节探杆与炉膛内颗粒基本流向垂直，两通道方向与炉膛内颗粒流向基本平行；调节完 毕后由电脑采集数据保存以备处理。浓度的测量与速度的测量同时进行。 3 2 1 1 速度、浓度采样点的布置 本实验主要测循环流化床锅炉炉膛稀相区的速度场分布、浓度的分布，由于仪器可 以同时测量颗粒的速度值和浓度相对值，故测量点做了以下布置。 在炉膛边壁中心线上沿高度z 方向上设置了五个采样截面，以布风板所在的截面为 基准面，如图3 2 所示，距布风板的距离z 分别为：7 6 0 m m ，9 6 0 m m ，1 1 6 0 m m ，1 3 6 0 m m ， 1 6 4 5 m m ，用于测定速度在y 方向上的分布及浓度的分布，在边壁处附近由于颗粒速度 变化较大，因此测点的距离较小，测点距离孔边壁的距离为每增加2 0 m m 设一个测量点。 由于炉膛结构的非对称性，在右边壁的同样高度上开设五个采样孔，用于测定速度在x 1 3 第三章实验装置、方法及内容 方向上的分布及浓度分布，测点距开孔边壁处的距离为为每增加2 0 m m 设一个测量点。 l 翻5 1 3 6 0 1 1 6 0 z 7 n _ j 一 ， o j 图3 2 采样截面分布图 f i g3 - 2 l o c a t i o nm a po fm e a s u r i n gs e c t i o n 3 2 1 2p v 6 a 颗粒速度测量仪测速原理 p v 6 a 仪器测量颗粒运动速度的方法，是利用计算两通道信号互相关函数的方法， 得到互相关函数曲线最大值处的延迟时间t ，即物料通过一固定距离的时间，由v = l x 求出物料在该段距离内的平均运动速度。 p v 6 a 型颗粒速度测量仪采用光导纤维做为测量探头，根据被测物料粒度不同，将 两束1 3 m m 直径的光导纤维按一定间距排列，将光源由光导纤维尾端引入到光纤前端的 测量区域，光纤端面处物料的反射光再由同束光纤传回到仪器内的光电检测器，转换成 与物料浓度成比例的电压信号。当物料顺光纤束排列方向运动时，将产生两路波形相似， 而在时间上有一定延迟的的反射信号；对两