（热能工程专业论文）循环流化床循环物料流量在线测量方法试验研究.pdf

摘要 本文对一种基于热平衡理论的循环流化床锅炉高温循环灰流量在线 测量方法的可行性进行了较系统的冷态试验研究和热态试验验证。在自行 设计及建造的冷态循环流化床试验台及热态料腿试验台上，对冷态下循环 流化床气固运动特性、料腿内布嚣不同结构模拟测量元件条件下的气固流 动特性及热态下料腿内颗料传热特性、测量精度等进行了理论分析、计算 及试验研究。研究结果表明： 运行风速，颗粒循环流率，颗粒物性，床层高度，循环流化床进 出口形状等因素对循环流化床内空隙率的轴向分布和径向分布有影响；不 同形状、布置的模拟受热面对立管中的气固流动特性有影响，合理的形状 和布置方式将减小这种影响；上行松动风占总松动风近9 8 的份额，对立 管内的气固流动有重要作用。 采用本文所提出的基于热平衡理论的测量方法是可行的，测量循 环物料量的试验误差为8 1 2 ，小于1 5 ；管束换热系数与热物料流速 成正比，平均传热系数为6 8 0 w ( m ”c ) 。i 关键词：循环流化床 漉气固流动特性循环物料量 在线测量 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to nl i n ew h i c hb a s e do nt h eh e a tb a l a n c et h e o r i e sf o rt h e c i r c u l a t i n g f l o wr a t eo fh i g ht e m p e r a t u r ep a r t i c l e si n c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e dh a sb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h eg a s s o l i df l o wc h a r a c t e r i s t i c so fc f b a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ea r r a n g e m e n to f p i p e so ng a s s o l i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s i r lt h es t a n d p i p ea n dt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nt h es t a n dp i p eh a v e b e e na n a l y z e d ，c a l c u l a t e da n dt e s t e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e o p e r a t i n g f l u i d i z e d g a sv e l o c i t y ，t h e c i r c u l a t i n gf l o wr a t e ，t h ep a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h eh e i g h to fc f b ，t h es h a p e o fi n t a k ea n de x i to fc f b ，a n ds oo n ，w o u l dj n f l u e n c et h ev o i d a g es p r e a do f c f bt h ed i f f e r e n ts h a p ea n da r r a n g e m e n to fh e a tt r a n s f e rp i p e sw o u l da l s o i n f l u e n c et h e g a s s o l i d f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h e s t a n d p i p e a n dt h e p e r c e n t a g eo f t h eu p w a r dg a sw a s9 8 b e s i d e s ，t h em e a s u r e m e n tw a sf e a s i b l e ，a n dt h et e s td i f f e r e n c ew a s 8 1 2 ，l e s st h a nl5 t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tr a i s e dw i t ht h ep a r t i c l e s f l o wr a t e ，t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a s6 8 0 w m 2 0 c 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 d s t a n dp i p e g a s - s o l i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s c i r c u l a t i n gf l o wr a t e m e a s u r e m e n to nl i n e d p ps l e u s l u a u f g s u ， v f pm f f d df ，pg ue x t o m i n d d m q k a c p at am u c u t u t r u 符号说明 气固实际相对速度 分别是颗粒、流体的表观速度 分别是颗粒、流体的实际速度 空隙率 最小流化速度 最小流化空隙率， 振动的填充床空隙率 固体颗粒直径 固体颗粒密度 颗粒夹带的气体速度 在负压差作用下气固真实的相对速度 松动气速度 气体流动的表观速度 颗粒循环量 最小流化状态下的颗粒密度 摩擦曳力 气体密度 充气速度 最小松动风量 l 阀出口直径 高温循环物料流量 高温循环物料的换热量，包括散热 考虑立管中存在燃烧及空气上行流动等不正常传 热现象时的修正系数 测量区域截面形状的修正系数 高温循环物料的比热( k j k g o c ) ； 温度变化( o c ) ： 考虑立管中存在脉动等不正常流动现象时的修 正系数 湍流流态化的转变速度 终端沉降速度 输送速度 气体粘度 颗粒形状系数 临界雷诺数 阿弗加德罗数 最大空隙率 最疏松的堆积密度 床层高度压降 流化风量 松动风量 床内存料量 下行松动风量 上行松动风量 换热系数 热物料放热量 冷却水吸热量 。们，岫， 碰 中胁打。o吡瞻m叭啦。风叭 重庆大学硕士学位论文第1 章 绪论 第1 章绪论 1 1 引言 1 1 1 我国能源及环境污染现状 建国以来，随着国民经济的快速增长，我国电力工业正在突飞猛进地 发展，但由于能源结构的影响，火力发电仍占相当比重，煤炭仍然是主要 的动力燃料。工业生产的快速发展，同时也带来了严重的环境污染问题， 而污染源之一就是燃煤排放的c o ，s o ，n o x ，粉尘等废气。不光造成大 气污染，还形成“酸雨”腐蚀，严重影响人体健康和工农业生产。环境保 护问题已提上国民经济发展的议事日程，也是一个全球关注的问题，必须 得到全人类的足够重视。为了兼顾经济发展和环境保护，我们应该大力发 展清洁燃烧技术，减少燃煤所排放废气的污染。循环流化床燃烧技术具有 燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低等突出优点，是目前最有 商业推广价值的高效清洁煤燃烧技术。 1 1 2 循环流化床锅炉目前存在的主要问题 虽然近三十年来循环流化床燃烧技术得到迅速发展，国际上这项技术 在电站锅炉、工业炉和废弃物处理利用等领域都已得到广应用，国内研 究开发和应用也是方兴未艾。但是在实际工业应用还存在以下问题： 炉内热平衡及传热计算问题： 负荷调节及控制问题； 工业应用大型化问题： 辅机系统配套问题( 给料粒径，除渣负荷等) 。 以上问题都与炉内颗粒流动、循环灰流量等因素有关。 1 。1 3 研究循环灰流量在线测量方法的毖要性 循环流化床锅炉被认为是目前世界上煤种适应性最好，最便于控制污 染的燃煤锅炉，其运行中最具特色的就是高温灰料的循环流动。循环流动 的高温灰料，不仅可使灰料中的碳粒彻底燃烬，而且其流量大小还是维持 床温和保证炉膛传热的重要因素，也是锅炉设计和运行中必须控制的一个 重要参数。国内外的许多研究者都试图解决高温循环灰流量的在线测量这 一难题。 但是，长期以来，由于循环系统中高温固体颗粒运动状态的复杂性， 循环荻料流量的连续测量问题在世界各国都没有得到圆满解决，还处于探 重庆大学硕士学位论文第1 章 绪论 索阶段。国内外也还没有研制出这种高温循环灰流量的在线测量装置。由 于工业循环流化床锅炉中的循环灰流量无法进行在线准确测量，各国研究 者们不得不根据小型热态( 甚至是冷态) 试验结果来推测工业循环流化床 锅炉的实际循环灰流量，并根据这种推测来设计锅炉和指导锅炉运行，因 此难免存在由于推测不准而使锅炉达不到设计参数，或者使锅炉运行工况 严重偏离设计值的情况。国内早期投运的3 5 7 5 t h 循环流化床锅炉中， 约有2 3 达不到额定参数，循环灰量缺乏在线测量手段是问题的重要原因 2 一。 1 1 4 课题来源及意义 在重庆市科委中青年科技专家基金的支助下，重庆大学锅炉燃烧研究 室承担了循环流化床高温循环灰流量在线测量机理的研究课题。 本研究课题在前人研究的基础上，对高温循环灰流量的热平衡测量法 所用一次测量元件结构、形状、立管内气固流动规律进行了系统研究可 望一举攻克这一难题。一旦本测量方案得以完全实现，将是可以实际应用 于工业循环流化床锅炉现场的高温循环灰流量在线测量系统，它对我国的 能源工业的发展具有以下重大意义： l ：为运行人员提供一个重要的实时监测手段，对尽快掌握循环流化 床锅炉的运行技术具有重大意义。 2 ：对加快消化吸收国外先进循环流化床锅炉燃烧技术精华一实际循 环倍率、炉膛下部的温度平衡以及炉膛上部的飞灰浓度和传热系数等关键 技术，有极为重要的作用。有助于进一步加快我国工业循环流化床锅炉设 计、制造和运行技术的前进步伐。 3 ：当锅炉运行一段时间后，高温分离器内会出现结焦磨损漏风等非 正常现象( 目前世界上使用高温分离器的循环流化床锅炉几乎都存在这些 问题) ，影响分离效率，使锅炉运行不正常。高温循环灰流量在线测量系 统既可以帮助运行人员正确判断炉内燃烧工况，又可以帮助检修人员正确 判断检修部件和检查检修质量。 4 ：有助于形成一套商品化的产品系列，用于国内已投运的3 0 0 多台3 5 2 2 0 t h 容量的国产循环流化床锅炉和正在研制的首台国产4 l o t h 循环流 化床锅炉，也可用于其它引进的循环流化床锅炉，有非常好的经济效益。 1 2 国内外研究现状 在循环流化床系统中，固体颗粒是在上升管( 也叫流化床) 和立管( 电 称料腿) 中作循环运动的。所谓立管，就是管内的固体颗粒靠重力克服负 重庆大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 在循环流化床系统中，固体颗粒是在上升管( 也叫流化床) 和立管( 也 称料腿) 中作循环运动的。所谓立管，就是管内的固体颗粒靠重力克服负 压差向下流动，而流体可向上或向下流动的垂直圆管。图1 1 是典型的循 环流化床冷态试验台系统图。 ( 循环流化床冷态试验台系统图) l 一主床：2 一加料口：3 一布风板：4 一旋风分离器： 5 一料腿：6 松动风入口；7 一稳压罐；8 一空压机： 图1 1 立管是流化床实现物料输送、循环的关键部件，它在工业上有着广 泛的应用。循环流化床系统中立管的流动问题，目前已成为流态化理沦和 工程应用领域内的个重要的前沿研究课题。因此，立管内固体颗粒流量 的连续测量问题，也成为立管科研及工业应用上急待解决的问题，尤其是 在循环流化床锅炉中，实现高温循环灰流量在线测量，对搞好锅炉的设计、 运行有极重要的价值。为了能够实现循环颗粒流量的在线测量，首先必须 确切了解立管内的气固流动规律。目前，国内外有关学者围绕着立管内的 气固流动特性、传热特性以及立管内固体颗粒流量的测量问题，开展了较 深入的研究，取得了一些重要的研究成果，这些成果主要体现在以下几个 重庆大学硕士学位论文 第1 章 方而： 1 2 1 立管内的气固流动类型 立管内的流动可分为流化流动、非流化流动以及稀相流三种流动状态 ( j o n e sa n dl e u n g ， 1 9 7 7 ；l e u n ga n dj o n e s ，1 9 7 8 a e l ：k n o w l t o n 1 9 7 9 ，1 9 8 6 ：) 。 流化流动判据： v s l u 。f p 。f( 式1 1 ) 流化流动可细分为两种流型，其判据为：( l e u n ga n dj o n e s ，1 9 7 8 a 2 b 5 ) ( au ，a ) u s = 0 并结合气相连续波速u w 命名两种流动 ( 1 ) 浓相流化流动 ( au ，ae ) u s 0 或u w 0 ( 2 ) 稀相流化流动 ( au ，ae ) u s 0 或u w 0 非流化流动判据 ( 式1 3 a ) ( 式1 3 b ) ( 式1 4 a ) ( 式1 4 b ) v s l u m r e 。f( 式l ，5 ) 非流化流动可细分为两种流型：( k o j a b a s h i a n ，1 9 5 8c 6 ：；l e u n ga n d j o n e s ，1 9 7 8 al “，b i s ) ( 1 ) 填充床流动 v s l 8p ( 式1 7 ) 这种流动系统中，颗粒运动由颗粒间力和壁面摩擦力维持着。 ( 2 ) 移动床流动 0 v s l v 。f( 式l 8 ) 8 p 0 8 7 这种流动中，颗粒以稀相串流下行。 4 ”幻i ； 一 式式均 (d卸峙如 拈 重庆大学硕士学位论文 第1 章绪论 j u d da n dd i x o n ，1 9 7 6 8 ，1 9 7 8 9 ；j o n e s a n dl e u n g ，1 9 7 7 1 ；) 当立管较长时，一般处于非流化流动状态，循环流化床锅炉的回料腿 就属于这一情况，并且属于移动床流动状态。因此，本课题主要研究立管 中呈非流化、移动床流动状态时，固体颗粒流量的连续测量问题。 1 2 2 立管气固下行移动床流动规律 随着垂直气固下行流动在工业中的广泛应用，国内外的研究者已对负 压差移动床的气固流动作了大量研究，张济宇，杨贵林“们和董众兵“1 ”1 等人在前人研究的基础上，进一步研究了移动床的气、固流动和压降特性， 描述了这一流动的基本规律。 在颗粒下行的立管中，气固混合流动主要由气固实际相对速度v 。， 决定，其定义如下： v s l = us ( 1 一e ) 一uf =vs v ， ( 式1 1 3 ) 其中，us ，u ，分别是颗粒、流体的表观速度，vs ，v ，分别 是颗粒、流体的实际速度，e 为空隙率。 在移动床流动中： o v s ， v 。f( 式l i8 ) 8 p m f( 式l 。9 ) = f ( v s l ) ( 式1 1 0 ) 其中，v 。，= u 。，e 。，是最小流化速度，e 。r 是最小流化空隙率，ep 是振动的填充床空隙率。 在这种流动系统中，颗粒间几乎无相对运动( j o n e sa n dl e u n g ，1 9 7 7r l ：； l e u n ga n dj o n e s ，1 9 7 8 a ：k n o w l t o n ，1 9 7 9o “，1 9 8 6 ：) 。k n o w l t o n 和 j i r s a n ( 1 9 7 8 1 引) 提出一线性关系式，来估计移动床流动在不同v s ，下的 空隙率。 = p + ( e 。f 一8p ) v s l v 。f ( 式1 1 4 ) z h a n g ( 1 9 9 i 3 ) 在上式基础上进一步进行了研究，提出了自己的e 计算式： e = 8p 十( 一8p ) v s l v m f ( v s l o 7v 。f )( 式1 1 5 a ) = 。f ( 0 7v f v s l v 。f )( 式1 1 5 b ) y o o n 和k u n i i ( 1 9 7 0c 1 5 1 ) ，z h a n g ( 1 9 7 2 “3 ) 分剐采用气体示踪法研究 了非流化流动中气体的走向。他们的研究表明，气体走向随立管底部压力 而改变，并提出了理想的立管长度可以形成所需的压力场，而且阻止间隙 气体的流动。 重庆大学硕士学位论文 第1 章绪论 董众兵等人 1 2 3 对循环流化床下料管中颗粒浓相流动及气体流动 规律分别作了研究： ( 1 ) 对固体颗粒浓相流动，他们的研究表明： a ：在下料管中颗粒浓度沿轴向，径向不存在分布； b ：颗粒在下落过程中作活塞流动； c ：颗粒浓度只与v s 、d p 、ps 有关，并得到关联式： e = 1 5 0 f r “( ps p ，) o 8 5 ( 式1 1 6 ) ( 2 ) 对气体流动，他们的研究表明： 负压差下气固下行流动，气固相对于器壁均有净移动，气、圃间 又有相对速度，床中的空隙率随气、固相对流动而变化，在垂直下料管中， 气体速度由以下几部分组成： a ：颗粒夹带的气体，与颗粒运动方向一致，速度表示为u e ； b ：在负压差作用下，使气体产生向上的气固真实的相对速度为u s l ； c ：在下料管侧面垂直加入的松动气，与颗粒同向，表示为u a ； 在三者共同作用下，一f 料管中气体流动的表观速度u f 表示为： u f = u e + u s l + u a( 式1 17 a ) 定义向下流动为“+ ”，向上流动为“一”，则用标量表示： u f = u e u s l + u a( 式1 17 b ) m a t s e n ( 1 9 7 3 1 7 ) 提出颗粒夹带气体是以最小流化状态夹带下行， 即：u e = 。fg s p m f ( 式1 。1 8 ) 其中：g s 是颗粒循环量： pm f 一是最小流化状态下的颗粒密度； v s l = v s v f = u s ( 1 e ) 一u f e 将u s l 和u e 代入u f 式，得： u f u s 一e 。fe ( 1 一e 。f ) 一u a ( 1 一)( 式1 2 0 ) v f v s 1 一一( 1 一e ) 。f ( 1 一f ) 一v a( 式1 2 1 ) 由上式可见，气体速度由颗粒速度、空隙率及松动气三者来决定。 ( 3 ) 建立了循环流化床下料管中气固流动方程 国内外的研究者对立管中气圃流动作了大量的分析研究，对立管中 气固流动方程的建立作了很大的贡献，也获得许多结果。 适用于移动床的压降方程： h a n c h e r 和j u n y ( 1 9 5 9e l s ) 通过力的平衡分析，提出了一般的压 降方程： d p d z f dg c d v pg g = 0( 式1 2 2 ) 其中：f d 摩擦曳力，由气固实际相对速度决定。 在气固两相系统中，气体密度pf ，气体与壁面摩擦力可不计。( y o o n 6 重庆大学硕士学位论文第1 章 绪论 方程中的空隙率e 被视为常数ep ，但e 实际随v s l 变化而改变。 ( k n o w l t o na n dh i r s a n ，t 9 7 8 1 “：z h a n g ，e t ，a l ，1 9 8 9 a 1 ，l 9 9 0 b 2 0 1 ) 。 12 3 工业立管流动的稳定性 含有立管的工业过程时常由于立 管操作的突然的不稳定，而使整个过程 发生波动，甚至使运行过程中断，因此， 很多研究者对立管流动的稳定性问题作 了深入的研究。 。 图1 2 心引给出了循环流化床回路的 物料循环和压力分布简图。 在整个系统中，立管上部压力最 低，立管下部压力最高，物料经立管从 压力最低点回到压力最高点，必需有动 力源。在c f b 锅炉物料循环系统中，动 力源是由立管提供的。 由压力平衡( p 巴苏“) ： 通过立管的压力= 通过( l 阀+ 炉 膛+ 旋风分离器) 的压降 即：p l2 = a p 2 3 + p 3 4 + p 5 l ( 式1 2 5 ) 说明：与系统相应的部件是各种非机械 阔或机械阀，这里我们只讨论在c f b 锅 炉上应用广泛的l 型阀。 g s p a t ie n c e 【2 23 等人认为在垂直 料腿f ，流体质量流速与压降呈正比线 性关系。阀的上下压力梯度反向时常被 认为是流动形式不稳定性的判据，因为 这种情形会导致气体的倒流，造成严重 后果。 6 54 。 。 流化风 墨主二二。 322 2 o h ( m ) 充气压力p ( d 夺： o 立管压力分布p ( p a ) 图l2 物料循环和压力分布简图 在工业立管的操作中，最理想的操作状态是在最小流化条件下，气一 固两相流动，固体循环量为最大，并且建立在立管底部以上一个高压。正 常立管操作，需要满足三个条件( z e n z ，1 9 8 6 2 3 ) 。 下行颗粒必须有效松动，产生其全部的流化压头，合理的压力分 布。阀门上部压力必须大于阀门下部的压力： 为了克服气体的压缩，一定量的松动风应沿立管加入： 7 重庆大学硕士学位论文第1 章绪论 立管中应形成可移动的限制物，其截面积小于阀门的开度。 若不能满足其中任何一条件，将导致压力梯度的反向，从而引起流动 形式的不稳定性。 影响立管流动稳定性的还有滞留气泡的因素。滞留气泡会阻碍固体的 流动，减小压力梯度和颗粒在立管中的密度。( m a t s e n ，1 9 7 3 m ： k n o w l t o n ，1 9 8 6 h 1 ；z e n z ，1 9 8 6 2 引) 均分别对气泡产生的机理作了研究。 从稳定操作的角度出发，立管流动理想的固体粒子应该满足( 董众兵 ) ： um b um f 尽可能大，亦即气泡流化范围大； 大的床膨胀，充气时变化慢，具有较大的可控性； 小的最大稳定气泡尺寸。 当立管卸料开始出现不稳定，周期性脉动现象时，流率不稳定性将会 发生( k u oa n ds o o n ，1 9 6 0 0 2 “；z h a n ge t a l ，1 9 8 6 2 s j ：) 郑洽余( 1 9 9 3 旧引) 等人通过对i 型闺内气固两相流体流动特性的研 究表明，对竖直管段流动稳定性问题有如下结论： 下降管长度以及下降管中物料存量对竖直管段中固体物料流动的 稳定性有很大的影响； 当固体流率超过一定值后，阀压降与流率的关系呈线性变化，当 达到+ 个最大值后，随固体流率增大，阀压降反而减小： 对一定高度的固体物料层，当对应外部充气量很大时，由于外部 充气点处的压力超过定值，使其与料腿上部间的压差超过了该物料层的 重量，从而使料腿中的物料发生流化或其它不稳定流动。 虽然人们在理论上对立管流动的稳定性作了大量的研究，但由于工 业操作工况的复杂性，因此还需要在实际操作中逐步摸索经验，以达到立 管的长期稳定运行。 1 2 4 松动风的影晌 在一长立管中，压力变化对气体速度的影响是不可忽视的。为了抵 消这种影响，时常在立管等长距离点注入松动风，其作用是改变立管不同 位置的气体流量，来补偿压力改变所引起的气体体积流量的变化。 在c f b 锅炉上，以前大约5 0 用的是l 阀，l 阀是一种非机械阀，它 是通过充气点加入的松动风来实现固体物料的输送和料量的调节，并满足 工业立管克服负压差达到系统压力平衡的要求。但是如果松动风量不适 当，往往会导致气泡、气节、架桥、流型转变等不稳定现象。l e u n g ( 1 9 7 8 2 5 1 ) 等人讨论了工业立管设计中气固流动为移动床所需要的松动风量的计 算方法。k n o w l t o n 和h i r s a n ( 1 9 7 8 3 1 ) 对i 。阀的调节特性进行了广泛的 重庆大学硕士学位论文第1 章绪论 试验研究，表明l 阀具有良好的调节特性，可快捷、方便地实现锅炉的负 荷调节。但如何设计这一调节特性，目前尚无较好的定量计算式。g e l d a r t 2 8 等人给出了下列关系式： g s g d = 3 3 5 4 ue x t um f 一2 9 6 5( 式1 2 6 ) 此式为线性关系式，实际上，充气量q ( ue x t ) 与固体流率间的关系 并非线性( k n o w l t o n ，1 9 7 8 1 3 3 ) 。刘景源( 1 9 9 3 2 鲥) 等人在深入分析了调 节特性诸因素的基础上，得到了如下结论： 充气量增加到一定值时，才有固体颗粒流动，此时风量称最小松 动风量0 m i f l l 阀固体流率m s 与外部充气量q 之问的关系式； m s pg d du = 2 2 9 ( q - - q in ) d du 15 0 ( pp pg ) ( d p d d ) “6 ( 此式适用于g e l d a r tb 类粒子) 最小松动风量之关系式： q m l i i = 1 l lpg 。92 d v 2 2d d l 2 5 m s ( 式l f2 8 ) 图1 3 是m s 与q 的关系： l 阀的下料管不被流化时，才是可 调的。此时下料管内物料为移动床，产 生一个料封，以使物料由低压送入流化 床底部的高压处。当下料管被流化后， 充气就难以控制固体流率。 牛长山( 1 9 9 3 27 ) 等人分析了立管 内料高及回料充气量q 对窜气量的影响。 图13m s 与q 的关系曲线 在立管内料高不高时，开始时随料高增加，气体开始向上流动，然 后减少，当料高大于一定值后，气体开始向下流动，当料高进一步增大， 窜气量接近一极限值。 在立管工作范围内，随充气量增加，窜气量也增加，但大都是气体 向下流动，只有在回料量很小的情况下，才向上流动。 对于松动风加入的最佳位置，k n o w l t o n 和h i r s o n ( 1 9 7 8 【】33 ) 建议将 充气点设于下料管上距水平管2 倍于l 阀直径处。当然，对不同的非机械 阀，松动风加入点各不相同，现只对广泛应用于c f b 锅炉上的l 阀作了介 绍。 重庆大学硕士学位论文第1 章 1 2 5 循环流化床非流化下料管内竖及水平管传热的试验研究 虽然循环床已广泛应用于能源、石油和化工等领域，循环床内的气固 流动和传热特性已有了大量的研究，取得了很多的成果，但有关循环床下 料管内的传热特性研究报道还不多见。因为c f b 锅炉中在下料管中流动的 是高温循环灰，这部分热量随锅炉容量的增大而可以被用于更加有较地调 节床温和负荷。目前已有资料表明( 孙孝兰，1 9 9 3 阳0 ) 在c f b 锅炉返料腿 中布置受热面，可以提高锅炉参数，控制回料温度，提高工作可靠性，防 止返料器内有可能出现的粘结现象，并利用受热面较高的传热系数来节省 钢材。 孙孝兰等人( 1 9 9 3 3 叫) ，蒋勇等人( 1 9 9 4 ”3 ) ，刘景源等人( 1 9 9 5 3 23 ) 分别就返料腿中的物料循环量、颗粒直径、流化速度、传热管( 埋管) 在 返料腿中的位置等参数，以及物料比热容、空隙率等参数对传热系数的影 响作了较系统的试验研究。 他们均采用了类似的试验方法，即在返料腿中布置电加热管来加以 研究( 孙孝兰，刘景源采用负压差顺重力竖直布置，蒋勇采用正压差顺 重力水平布置) ，他们得到的结果如下： 循环量m s 对平均传热系数的影响是： ( 1 ) 在负压差下，返料腿中料层与竖直单管壁的平均传热系数随循 环量增加而增大。 孙孝兰、刘景源均认为在返料腿中的传热过程是从换热面向单个粒 子的非稳态导热，然后逐渐传开。传热是在分散的颗粒间进行，颗粒与 传热表面问的一薄层空气是主要热阻。而固体嗷热，传热系数主要依赖 于气体的导热率和固体的比热，传热系数的变化取决于传热表面附近颗 粒和气体的流体力学行为。如果循环量增大( 即颗粒浓度增大) ，颗粒的 扰动就增大，减少了空气与传热管壁之间的热阻。 ( 2 ) 在正压差下，床层颗粒质量流率是影响传热效果的主要因素， 压力作用则是通过改变床层颗粒质量流率及气体渗流率和热容来影响传 热系数的。在高压差下、大气固质量流率下操作时，气固移动床与埋管 的瞬态传热速度较大，相应的温度松弛时间很小。 颗粒直径d p 对传热系数的影响 颗粒在相同浓度和流化速度下，颗粒粒径越小，颗粒与传热表面碰 撞次数越多，且传热面积n n 大，因而强化了传热。( 程朱鸣等1 9 9 1 ) 故d d 越小，平均传热系数越大。 流化速度u 对平均传热系数的影响 由于流化速度增大，循环量增大，加强了物料的扰动，同时物料运 i o 重庆大学硕士学位论文 第l 章绪论 动速度加快，传热增强，所以平均传热系数增大。 物性对平均传热系数的影响 比热容小的物料，升温快，传热强烈，故传热明显提高。 平均传热系数随传热管在料腿中的位置而变化 主床的物料经过分离器后到返料腿，返料腿中水平截面上的颗粒局部 浓度是不均匀的，观察到靠近料腿壁面的颗粒浓度明显地大，因此，平均 传热系数随传热管靠近料腿壁面而增大。 竖直放置电加热管，沿管长的局部传热系数分布 在刘景源的试验中，局部传热系数随颗粒流速的增大而增大，且沿管 长方向而逐渐减小，即当新颗粒刚接触管壁时，两者温差大，传热强烈， 当颗粒沿管壁下降时，颗粒不断吸热升温，传热逐渐减小，在试验中得到： 当颗粒下降到某一点后，即0 2 0 4 l 处，传热趋于平稳。 水平放置电加热管，沿管周长的局部传热系数分布 在蒋勇的试验中，从埋管前沿点p = o o 开始，局部传热系数随周向角 b 的增加逐渐减小，相应于“颗粒边界层”的初始发展区，随后由于p = 6 0 0 9 0 0 之问埋管表面附近颗粒的较高流速，使局部传热系数又有所回升，随 着“颗粒边界层”的迸一步发展，局部传热系数再次减小，此后的下游区 先是由于颗粒横向混合运动使局部传热系数上升尔后则由于后缘点近 颗粒脱离造成低密空隙区，使局部传热系数下降。试验中还发现，对于 较细的埋管。( 外径1 4 m m ) ，下游区没有发现颗粒横向混合使局部传热系 数上升的情况。 1 26 一次测量元件对测量的影响 在立管内气固非流化移动床为活塞流( j o n e sa n dl e u n g ，l9 8 5 3 。) ， 管内物料流速均匀且等于管内平均流速，对直径与长度相比很小的管子 来说，试验管对其扰动较小，但就某一测试段来说，测量元件对流动及 传热均会有影响。( 毕晓涛，1 9 9 0l 3 “：孙孝兰，1 9 9 3 3 ：蒋勇，1 9 9 4 3 ； 刘景源，1 9 9 5 3 5 1 ) 。目前这方面专门的报道很少，只能从少量研究报告加 以分析而得到一些经验。 在料腿中平均传热系数随w 、u 、c v 、d p 、d 。变化而变化，主要的原 因是加强了颗粒之间的扰动，强化了传热。因为平均传热系数沿管径向 是逐渐减小，沿轴向是逐渐增大( 孙孝兰，1 9 9 3 3 ；刘景源，1 9 9 5 3 5 1 ) 。 循环床非流化返料管内竖管传热试验( 刘景源，1 9 9 5 3 副) 表明，在测量 管上装上扰流圈，能加强颗粒的扰动，强化传热，而且沿径向不同高度 装上扰流圈，可以使传热系数沿管径向得到强化，并且发现，扰流圈的 宽度和个数对传热的强化均有影响，且在流速小时，强化作用大。蒋勇 重庆大学硕士学位论文第1 章 绪论 ( 1 9 9 4 n ，1 ) 的试验结果表明，水平埋管的管径对传热也有不同程度的影 响，太大，太小的管径均不合适，但他没有推荐适当的管径参数。 上述结论对我们在试验段中布置换热器的方式有指导意义。 1 2 、7 目前循环物料流量的测量方法 在循环床料腿中是气固两相移动床流动，对管道内固体和气体流量 的同时测定，在工业生产的规模上还没有得到完全解决，但是已经提出 了几种仪表应用在中间试验的规模上，并取得了不同程度的成效( j 戴 维森，d 哈里森”“) 。 美国烟煤研究所( b i r u m i n o u sc o a lr e s e a r c h ) 在中试规模上制 作了孔板和喷嘴两种流量计串联置于管道中，这种仪器在0 7 5 4 0 英 寸管线上作过试验，但在直径1 6 2 0 英寸管线上的工业规模仪表，以测 量粉燥锅炉中煤粉的进煤速率，此仪表被证明是不成功的。 彼斯金( 吉布逊i 9 6 6 3 副) 所提出的导光纤维探头，用以测量同体 流量，在进行了小规模试验后，没有关于放大试验韵报道。 美国矿物局，西弗吉尼州摩根城煤炭研究中心的研究人员提出一 种悬浮流量计( 吉布逊t 9 6 3 7 1 ) ，它是将一根应变元件与文丘里流量计 相串联而成，可用作图法绘出气体流量和气固比，美国f o x b o r oc o m p a n y 在1 9 6 6 年开始试制种靶式漉量计，类似于应变仪，但上述仪表的试验 管道均是在0 7 5 4 0 英寸范围。吴文渊( 1 9 9 3 3 9 1 ) 等人也进行了类似 研究，推出了应力一应变型传感器。但不适用于热态高温环境。 还有一常见方法是在循环回路中安装蝶阀。当蝶阀关闭后，其上 堆积一定体积的物料，记录所需时间，同时测量堆积段所产生的压差， 进而得到颗粒的循环量，虽然这种测量方法简单、操作方便，但是堆积 段的压差较难准确获得，从而影响了测量的准确性，并且不能连续测量。 也有人通过测量示踪粒子的平均速度来计算得到颗粒循环量 ( a u b r e y ，m i l l e ra n dd g i d a s p o w n 叫) ，但需昂贵的摄录设备，测量费时， 且无法在热态下使用，测量结果也不够准确。 有人将循环物料放出系统称重( r w s t o n e b r i d g e “) 这种方法使 回路设计复杂化，操作不便，放出物料又影响了循环床内流动工况。 刘景源等人( 1 9 9 5 23 ) 研制了颗粒叶轮流量计用于测量循环流化 床物料循环流率。他们的方法是将一时轮置于管道中，以叶轮的转速和 管内物料体积流率为线性关系作理论根据，此方法灵敏度高，对颗粒流 动影响小，且可在线测量，但由于是在冷态下作的试验，对高温循环灰 的环境下的工作，没有见到进步的报道。 压降法，则是分别测量流化床出口与旋风分离器入口之问的气固 重庆大学硕士学位论文第1 章绪论 两相流动压降和相同流速下的单相( 气相) 流动压降，应用两相流动理 论，求解出固体颗粒的浓度，从而得到固体颗粒的循环量。此方法在理 论上是可行的，但由于流化床运行时压降波动较大，因而有较大的测量 误差。 电导法是将电导仪用以测量料腿中心处物料流速，再采用重量法 标定而得，此方法由于不能实现在线连续测量，而不能应用于电站锅炉 现场。 热平衡法。b u r k e l l 等h 7 1 和c o u t u r i e r 等 4 8 1 都对此方法进行过研 究。该方法在固体颗粒循环回路的立管上设置一受热面，测量出此受热 面的吸热量，并测出固体颗粒在受热面前后的温度差，利用热平衡方法 即可求出固体颗粒循环物料量。 对于受热面的设置可以有不同的方法，b u r k e l l 等采用了水夹套的形 式，此形式不会干扰立管内颗粒的流动，但由于立管内颗粒的流动为拄 塞流，颗粒径向的换热较小，所以会造成固体颗粒在径向的温度梯度， 从而使颗粒流量测量不准。c o u t u r i e r 等设计了一种双管套筒的换热器， 冷却水从外套管进，由内管出，为了沿径向均匀冷却固体颗粒，并且使 换热元件对立管内固体颗粒流动的扰动最小，换热管以螺旋方式拉稀插 入立管，冷却水可以分组引入换热器。 采用热平衡法测量固体颗粒流量的方法可以实现在线测量，测量时 无需标定，可以应用于大容量装置，运行可靠，运行范围较宽。 由上述的测量方法可见，除了热平衡法以外，目前还没有一种适用 于循环流化床锅炉高温循环灰流量在线测量的较好方法。即使是热平衡 法，前人也只考虑了小管径的情况。目前大型循环流化床锅炉的立管直 径在1 米以上，显然不能布置一个1 米见方的换热装置在锅炉立管内 否则会对立管内高温固体颗粒的热工参数带来较大影响。如何在只测量 立管内局部区域换热量的条件下，连续获得整个立管内固体颗粒流量， 是我们要解决的根本问题。只有解决了这个问题，我们的研究结果才有 可能应用于大型循环流化床锅炉上。( 我们的上述设想与b u r k e l l 和 c o u t u r i e r 的不同，且在1 9 9 3 年，我们申请这一课题时，还未见有类似 报道) 。 1 2 8 目前存在的问题 虽然对立管流动和传热特性，以及对循环物料的测量的研究进行了 许多，但对于工业实践，我们发现还存在一些问题，主要表现在如下方 面： 由于立管内的传热特性研究还不多，因此需要理论化、系统化地 重庆大学硕士学位论文第1 章绪论 深入研究。 在立管中置入一次测量元件，对立管流动及传热特性的影响仅局 限于试验上的现象分析，缺乏理论上的研究。 目前立管流动的研究几乎都是在冷态下进行，对于更贴近工业实 际的热态工作环境下的研究不多见。由于c f b 锅炉循环灰有7 0 0 0 c 8 0 0 0 c 高温，所以很多物性参数均有变化，温度的影响应予以考虑，如： g s p a t i e n c e 等认为气、固摩擦系数对压降的影响与温度有关。 目前循环物料或气固两相流动的测量方法均有不同程度的缺陷， 要么不适用于热态下工作，要么不能在线测量，因此需要研究既能适应 热态工作，又能在线测量的新型测量工具。 在热态下，加入立管的松动风对立管内气固流动的影响与冷态下 的影响肯定不同，是否会引起高温循环物料的燃烧，使管内发生粘结， 影响管内气固流动。以及窜气对一次测量元件的影响等，均需进一步研 究。 1 2 9 我们的任务 针对目前循环流化床高温循环物料流量在线测量所存在的问题，我 们将对以下方面加以试验研究； 建立c f b 冷态试验台，进行冷态气固流动特性试验。 ( 1 ) 比较在立管内置入测量元件与不测量元件对整个立管流动的影 响，对是否会引起立管内速度分布不均，以及颗粒浓度分布的不均匀， 测量段压降的影响等问题加以研究。 ( 2 ) 研究加入松动风后对气固流动的影响。 ( 3 ) 观察在立管内置入测量元件后立管流动的流型变化，为测量元 件形状的设计作准备。 设计并建立热态验证试验台，进行热态验证试验。 ( 1 ) 在热态立管内设计并布置一小型换热器。 ( 2 ) 在热态试验台上进行传热试验，验证我们提出的技术方案的可 行性。为进一步的研究作准备。 1 2 1 0 我们的技术方案 在立管中水平布置换热器，连续测量高温颗粒流经换热器前后的 热量变化和冷却水温度的变化，由热平衡方程计算出其高温颗粒的流量。 m = a k q c p t + a i d( 式1 2 9 ) 式中：m 一高温循环物料流量( k g s ) ； q 一高温循环物料的换热量，包括散热( k j s ) ； 1 4 重庆大学硕士学位论文 第1 章绪论 k 一考虑立管中存在燃烧及空气上行流动等不正常传热现象时的修 正系数； a 一测量区域截面形状的修正系数； c p 一高温循环物料的比热( k j k g 。c ) ： t 一温度变化( 。e ) ； 【i 一考虑立管中存在脉动等不正常流动现象时的修正系数； 将测量信号通过a d 转换后，接入计算机进行计算处理，将结果显示 在计算机屏幕上。试验时，在回料系统上安装一旁路，在一定时间内将循 环物料切换至旁路，采用称重法对热平衡方程式计算出的循环物料流量进 行验汪。 本文只讨论冷态试验及热态验证试验的结果。 重庆大学硕士学位论文第2 章试验装置及试验概况 第2 章试验装置及试验概况 2 1 试验研究目的 2 1 1 冷态流动特性试验目的 针对我们提出的c f b 锅炉循环物料量测量方法，为保证测量准确性 和减少对锅炉运行的影响，拟通过冷态试验研究，达到以下目的： 通过对返料腿中布置不同模拟受热面( 一次测量元件) ，在不同操 作工况下的试验研究，寻找出在返料腿中的最佳模拟受热面结构及布置方 式，以尽量减少一次测量元件对料腿中原有气固流动特性的影响。 通过对上行松动风与下行松动风在料腿中的分配及其影响因素的 研究，求得不同一次测量元件结构及试验工况下的上行风比例，以便为热 态下的测量提供上行风带来的燃烧发热的份额修正( 或者是修正公式中的 某系数) 。 通过对整个c f b 冷态系统的试验研究，进一步弄清c f b 系统的整 体流动特性与料腿中的流动特性的相互关系，为不同炉型工业应用提供基 础数据。 2 1 2 热态验证试验目的 根据冷态流动特性试验的结论，我们做了热态验证试验，以达到以下 目的： 在冷态试验基础上，通过热态试验验证本测量方法的测量精度， 论证本方法的可行性。 在热态下研究一次元件平均换热系数，为将来的大型化设计提供 依据。 2 2 试验装置 2 2 1 冷态试验装置概述 循环流化床冷态试验装置由送风系统、循环流化床主床、旋风分离器、 返料系统、监_ 9 i | i 系统等五部分组成，其工作原理图见图1 1 。 流化气体( 空气) 由气源( 压气机) 经稳压罐稳压和流量计计量后送 入等压风室，通过风室的均压，又经过布风板的细化均流进入流化床内， 重庆大学硕士学位论文第2 章试验装置及试验概况 使炉内床料( 飘珠或石墨粒子) 流化起来，逐步加大进入床内的空气流速 ( 操作风速) ，床料和空气形