（动力工程及工程热物理专业论文）燃煤锅炉水冷式除渣系统含渣水的蒸发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 蒸发是广泛存在于各工程和技术领域的重要的一种相变现象，发生在燃煤锅 炉水冷式除渣过程中的蒸发过程，由于其工质的特殊性和环境条件的复杂性，现 有的理论和方法难以对蒸发量进行准确预测。含渣水的蒸发不仅影响着除渣系统 的平衡温度和补水量等重要参数的确定，还是系统优化设计的理论基础，研究除 渣过程的蒸发规律在工程上有重要的意义和应用价值。 燃煤锅炉水冷式除渣过程中有三种蒸发方式：猝发式蒸发、自然蒸发和条件 蒸发。采用实验方法研究了渣量、渣温以及冷却水温度等对猝发式蒸发量的影响， 建立了各影响因子的函数模型，并通过多元非线性拟合得到了在冷却水温3 5 6 5 、 渣温5 0 0 1 0 0 0 范围内计算猝发式蒸发量的实验关联式，其相关系数为0 9 2 。实 验研究了含渣水表面的蒸发速率( 自然蒸发速率) ，分析了表面水温和相对湿度对 蒸发速率的影响，得到了表面水温2 5 7 5 、相对湿度4 0 9 0 范围内，常压无风 条件下计算含渣水表面蒸发速率的实验关联式，其相关系数为0 9 6 。通过对比实 验，发现含渣水和纯水表面蒸发速率存在差异，实验探讨了造成这种差异的原因， 以及含渣水中离子浓度对表面蒸发速率的影响，从热力学角度出发，用阴阳离子 改变表面自由能观点对实验结果进行了解释。利用除渣系统运行时的质量平衡和 能量平衡关系研究了关断门内水面的蒸发( 条件蒸发) 规律，将炉底水面单位面 积的蒸发速率看作与关断门外含渣水表面单位面积蒸发速率成倍数关系，通过现 场测试、理论推算和现场验证的方法，初步讨论了条件蒸发的蒸发规律，得到了 一种计算炉底条件蒸发的方法。 关键词：除渣系统，猝发式蒸发，自然蒸发，表面蒸发 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t e v a p o r a t i o np h e n o m e n o nh a sb e e ns t u d i e dz e a l o u s l yf o rm a l l yy e a r sb e c a u s eo fi t s e x t e n s i v e 锄ds i 印i f i c a n ti nv 撕o u sf i e l d so fe n g i n e 嘶n ga 1 1 dt e c l l l l 0 1 0 9 y h o w e v e r ，w e s t i l lh a v ed i m c u l t yi np r e c i s ep r e d i c t i n gt h ee v a p o r a t i o nr a t ew h i c ht a k e sp l a c ei nt h e w a t e r _ c o o l e dd e s l a g g i n gs y s t 锄o fc o a l 一f i r e db o i l e r ，u n t i ln o w w h e nh i 曲一t e m p e r a t u r e s l a g f e l li n t o s u b m e r g e ds l a gc o n v e y o r ，i th 叩p e n e dw i mc o o l i n gw a t e rs t r o n g l y i n t e r a c t i n g ，a n dt 1 1 e np r o d u c e dm es l a gw a t e r s l a gw a t e re v 叩o r a t i o nh a sa ni m p o r t a n t i m p a c to nc a l c u l a t i n gt h eb a l a n c et e m p e r a t u r ea n dt h es u p p l e m e n t a r yw a t e rc a p a c i t yo f d e s l a g 百n gs y s t e m ，a n da l s oi t st h em e o r e t i c a lb a s i so ft h es y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h e r e f o r e ， i t s n e c e s s a r y a i l d m e a i l i n g 如l t or e s e a r c hm ee v a p o r a t i o n1 a wo f w a t e r c o o l e dd e s l a g g i n gs y s t e m t h e r ea r em r e ef o n so fe v 叩o r a t i o ni nw a t e r - c o o l e ds l a gh a n d i n gs y s t e m ，b u r s t e v a p o r a t i o n ，s l a gw a t e rs u r f a c ee v 印o r a t i o na 1 1 dc o n d i t i o n a le v 印o r a t i o n e x p 耐m e n t s w e r ec o n d u c t e dt or e s e a r c ht h ee f r e c to ft h e 锄o u n to fs l a g ，t h es l a gt e m p e r a t u r ea 1 1 dm e c o o l i n gw a t e rt e m p e r a l eo nt h eb u r s te v a p o r a t i o n b y t 1 1 ee x p 谢m e n t ，ak i n do fi m p a c t f a c t o r sf u n c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a 1 1 dt h ec 0 0 1 i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea n dt h es l a g t e m p e r a t u r em n c t i o nw e r er 印r e s e n t e da sm ee x p o n e n t i a lf o m ，a 1 1 dt h es l a g 锄o u n t 向n c t i o nw a sr e p r e s e n t e da sal i n e a rf o m f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o nw a s f o u n db yt h en o n l i n e a rm u l t i p l e r e 黟e s s i o n w h i c hc o u l d a c c u r a t e l yp r e d i c t t h e e v 印o r a t i o nw h e nc o o l i n gw a t e rt e i n p 咖r eb e 帆e e n3 5 a i l d6 5 ，a 1 1 d s l a g t e m p e r a m r ew a s i nm er a n g eo f 5 0 0 1 0 0 0 ，a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e 瓶c i e n tw a so 9 2 i t h a sb e e nc o n d u c t e da i l o t h e rs e to fe x p e r i m e n t st os t u d yt h ee 骶c to ft h es u r f a c ew a t e r t e m p e r a t u r ea n dt l l er e l a t i v eh u m i d i t y ( r h ) o nt h es l a gw a t e rs u r f a c ee v a p o r a t i o nr a t e u n d e rm ec o n d i t i o nw i t h o u tw i n d u n d e rm ew i n d l e s sc o n d i t i o n ，a 1 1 0 t h e re x p e r i m e n t a l c o r r e l a t i o nw a so b t a i n e dt of o r e c a s tt h es l a gw a t e re v a p o r a t i o nr a t ei nm ew a t e r - c o o l e d s l a gh a l l d i n gs y s t e m ( s u r f a c ee v a p o r a t i o l l 2 5 7 5 ，r h = 4 0 9 0 ) ，m ec o r r e l a t i o n c o e m c i e n tw a s0 9 6 as e to fc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r es o m ed i 虢r e n tb e t w e e n s l a gw a t e ra 1 1 dp u r ew a t e rs u r f a c ee v a p o f a t i o n ，b ya n a l y z i n gt h ei m p a c to fi o n c o n c e n t r a t i o ni ns l a gw a t e ro ne v a p o r a t i o nw es o u 曲to u tm er e a s o n f r o mt h e t h e m o d ) ，1 1 a m i cp o i n to fv i e w ，i o n sc h a j l g et h es u m c e 仔e ee n e 玛yo fs l a gw a t e ra i l d i n n u e n c et h ee v 印o r a t i o nf i n a l l y b a s e do nt h em a s sb a l a i l c ea i l de n e r g yb a l a n c eo ft h e i l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s y s t e m ，ar e l a t i o n s h i po ft h ew a t e rs u r f a c ee v a p o r a t i o nr a t eo ft h e 向m a c eb o t t o mp e r u n i ta r e aa n dt h es l a gw a t e rs u r f a c ee v 印o r a t i o nr a t eo u t s i d et h es h u t o f fg a t ep e ru n i t a r e aw a sf o u n d b yt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n to fd e s l a g 百n gs y s t e m ， an e ww a yw a se x p l o r e dt o p r e d i c tt h ee v 印o r a t i o nr a t eo ft h e如m a c eb o t t o m ( c o n d i t i o n a le v a p o r a t i o n ) k e y w o r d s ： d e s l a g g i n gs y s t e m ， b u r s t e v 印o r a t i o n ， n a m r a l e v 印o r a t i o n ， s u r f a c e e v a p o r a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 主要符号说明 主要符号说明 水的定压比热容 材( 堙q 含渣水的定压比热容 灯( 堙- q 含渣水的汽化潜热 u 培 单位质量渣量猝发式蒸发量 姆姆 含渣水的表面蒸发速率 堙( m 2 j ) 】 条件蒸发速率【堙( m 2 - s ) 冷却水温函数 渣温函数 渣量函数 理论情况下，单位时间单位面积的蒸发流率 堙( m 2 s ) 实际情况下，单位时间单位面积的蒸发流率 堙( m 2 s ) 累计蒸发量 堙】 猝发式蒸发总流量 堙s 关断门外蒸发流量 堙s 炉底水面蒸发流量 培j 除渣系统各部分热量，用对应下标表示 材 相对湿度 ，计算时用小数表示】 含渣水表面温度 蒸发系数 凝结系数 蒸发界面的水汽压差【办p 日 单位面积上组分珀勺过剩量 v i w w e 0 6 ；： 舭 名 f f k m m 胸 k q r 吒 出 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 本章首先介绍了锅炉除渣的发展历程，分析了水冷式除渣过程的三种蒸发方 式，对各蒸发方式的研究现状进行综述，在此基础上提出了本文的主要研究工作。 1 1 研究背景 1 1 1 除渣技术的发展 排渣系统是电站燃煤锅炉正常运转十分重要的辅系统。在早期，电厂对环境 保护的要求不严格，电厂除渣主要采用冲渣工艺，先后经历了人工推渣、皮带机 输送、链带运渣等阶段，这一时期的除渣工艺劳动强度大、磨损率高且检修量大； 到2 0 世纪5 0 年代，水力冲渣工艺因其劳动强度小、磨损少、检修量小以及干净 卫生等优点而被广泛采用。图1 1 是水力冲渣的系统布置图。 栅栏 图1 1 冲渣系统布置图 f i g 1 1l a y o u to fc i n d e rn u s h i n gs y s t e m 水力冲渣系统一般由灰渣池、清水池、循环泵( 一运一备) 、冲渣引水管道、 渣沟等组成，周围设置储灰渣场地。系统运行时需要保证足够的水量，水量决定 除渣效果，当时电厂一般按1 ：2 0 3 0 的灰渣与水的比计算冲渣水量，且水资源不回 收利用，系统耗水量很大【lj 。 随着节能环保要求的提高，自2 0 世纪8 0 年代起，电站主要采用以渣浆泵、 脱水仓等设备为主体的水力除渣技术，渣浆泵、脱水仓等组成一个闭式循环系统， 这一系统十分复杂，占地面积大，虽然一定程度上减少了耗水，但也存在能耗高、 维护量大等问题。到了9 0 年代末期，随着大型水浸式刮板捞渣机的出现，使得渣 水循环系统由大容量间断运行变为小容量连续运行得以实现，上述问题得到了有 效改善，因而得到迅速的推广。目前，在大中型固态排渣煤粉炉的排渣系统中， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 这种系统被广泛采用。为了减少污水排放、避免水资源的浪费，需要把除渣冷却 水澄清冷却后循环使用，要求电厂建造与之配套的相关水处理设施。在水冷式机 械除渣中，目前常见的渣处理方式有三种【2 j ： 刮板捞渣机连续排渣碎渣机一带式输送机一贮渣仓一装车外运 刮板捞渣机一碎渣机一渣浆泵一脱水仓一装车外运 刮板捞渣机连续捞渣脱水一贮渣仓一装车外运 常见的渣水处理方式也有三种： 溢流水池一浓缩机一捞渣机 溢流水箱一过滤器一板式换热器一捞渣机 沉淀池一澄清池一自然冷却一捞渣机 图1 2 给出的是一种典型的水冷式除渣工艺流程。 一一一要竺竺l 由 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 1i 琢澄矾汞l 图1 2 典型的水冷式除渣工艺流程 f i g 1 2t h et y p i c a lp r o c e s so fw a t e r c o o l e dd e s l a g g i n g 锅炉落渣首先排入刮板捞渣机，在刮板捞渣机内遇水冷却后，由刮板直接将 湿渣输送至渣仓，渣仓定时排空，由运渣车将渣送至灰场。为保证高温渣的冷却 和粒化效果，现有规程约定捞渣机冷却水温不超过6 0 ，为了维持槽体的水温， 捞渣机一般采用溢流方式运行。刮板捞渣机的溢流水由溢流水泵输送至高效浓缩 机澄清冷却，经除渣水池，由排污泵、除渣水泵等打回捞渣机循环使用，冷渣过 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 程损失的水由补水口补入，整个系统基本处于一个连续的动态平衡状态，刮板捞 渣机、高效浓缩机、排污泵等设备组成一个闭式循环系统。每台锅炉配置一台刮 板捞渣机，布置上一般将斜升段加长并使之倾角较大，以便从刮板捞渣机捞起的 湿渣在进入渣仓前有较长时间脱水，减小刮板捞渣机出渣的含水率 3 】。 水冷式除渣工艺有着明显的优点，即对不同锅炉、不同煤质产生的渣量以及 锅炉的结焦性有较广泛的适应性。但实际上，为维持捞渣机槽体的水温，除渣系 统循环渣水量长期超过设计值运行，使脱水仓、高效浓缩机的浓缩效果变差，溢 流水泵、排污泵等供水渣含量大，严重冲刷管路和阀门；泵阀门的密封效果降低， 水池淤积严重，明沟堵塞频繁，这不仅影响了除渣系统的稳定性运行，还使得运 行维护工作量加大。不仅如此，高效浓缩机、排污泵等设备投资高、耗能高的缺 点也一直被诟病。 随着节能、节水和环保要求的提高，风冷干式排渣技术开始逐渐被关注。干 式排渣技术是在2 0 世纪8 0 年代中期由意大利m a g a l d i 公司发展起来的，目前 意大利近8 0 的电厂除渣采用该项技术，1 9 9 9 年国内首台干排渣机组在三河电厂 一期2 3 5 0 m w 机组投运，运行状况良好。 空气 i 空气： i 图1 3 干式除渣工艺流程 f i g 1 3t h ep r o c e s so fd r ) rs l a gr e m o v a l 常规的干式排渣系统主要由炉底渣破碎、冷却输送、储渣、卸渣、仪表及电 气控制等系统组成，主要使用炉渣破碎设备( 通常采用集关断、破碎功能为一体 的液压关断门) 、干式排渣机( 由钢带输送机和刮板输送机组成，分上下两层布置) 、 重庆大学硕士学位论文l 绪论 碎渣机( 由耐热耐磨高铬合金制作，具有自动反转等保护功能和卡阻警报装置) 、 后续转运设备( 一般采用斗式提升机，主体和传动部分均采用全封闭结构) 以及 储渣设备( 渣仓) 和卸渣设备( 由大出力的加湿搅拌机和干灰散装机组成) 【4 j 。 图1 3 给出的是风冷式钢带排渣机除渣系统的工艺流程图。 炉底的渣经过渡渣斗和液压关断门落在钢带排渣机的输送钢带上，自然空气 在锅炉炉膛负压作用下通过传送带板问缝隙与高温渣进行热交换，高温渣在传送 带上再次燃烧、冷却，冷却后的炉渣进入碎渣机，破碎后的渣经二级钢带输渣机 及斗式输送机输送至渣仓，最后装车外运，整个除渣系统连续运行。 干式排渣技术以空气为冷却介质，与水力除渣相比，既节约了水资源，又没 有污水排放；输渣碎渣过程是在整体密封的空间完成，没有烟气、灰渣的泄漏， 现场没有水飞溅；灰渣中未完全燃烧的碳在冷却风的作用下会再次燃烧，燃烧释 放的热量以及高温渣中所含的热量会有部分被冷风重新吹回炉膛，提高锅炉效率； 此外，由于不使用冷却水，没有循环水运行，不仅减少了泵的投资，而且工作环 境整洁卫生。 研究表明，干式排渣进入锅炉炉膛的空气约为锅炉燃烧总空气量的1 5 】，小 于锅炉允许的漏风系数，干式排渣一定程度上提高了锅炉效率。李秀国 2 】实验研究 了漏风系数和漏风温度对锅炉效率的影响，当漏风系数为1 ，漏风温度在1 4 0 1 6 0 之间时，锅炉效率会提高；漏风温度为2 2 0 时，漏风系数小于4 ，锅炉 效率会略微提高。但实际运行时，多数电厂锅炉的漏风系数较大，采用干式除渣 技术实际上降低了锅炉效率。 近年来煤炭资源紧张，锅炉燃煤多为混合煤，煤质的变化往往使排渣量大于 设计值，在大渣量的工况下干式排渣机的排渣温度很难达到设计值，造成干渣机 故障频发，运行可靠性降低；因灰熔点低或燃烧温度较高，锅炉冷灰斗底部结焦 严重，大渣对干排渣设备损坏较大；此外，斗提机叶片变形、干式排渣机钢带卡 涩等也是干式排渣中常见的问题。 综上所述，目前存在两种主流的除渣技术，一种是以水浸式刮板捞渣机为主 要设备的水冷式除渣技术，另一种是以干式排渣机为主要设备的风冷干式排渣技 术。两种技术特点鲜明，各有优劣。相比较而言，干式排渣技术在实际运行中对 锅炉效率产生了影响，存在较大的缺陷，水冷式除渣不会影响锅炉效率，其不足 之处主要是溢流水的处理和循环使用。 1 1 2 课题背景 。 2 0 0 6 年1 1 月华能沁北电厂一期2 6 0 0 m w 机组进行了除渣系统控制和运行方 式的改造，去掉了原系统的渣水处理系统，采用维持捞渣机水封水位运行的方式， 正常运行时刮板捞渣机不溢流。图1 4 给出的是这种无溢流系统的工艺流程简图。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ：事故 ! l 溢流 ! l 怔丑一圈一竺竺一 图1 4 无溢流系统工艺流程 f i g 1 4t h ep r o c e s so fn o o v e r f l o ws y s t e m 采用水冷式刮板捞渣机无溢流的除渣工艺时，排渣通过排渣口，直接进入有 水封的渣水上槽体内急冷粒化，通过刮板捞渣机将渣输送到渣仓；冷渣和排渣过 程水的汽化损失通过自动补水系统补充，以维持正常水位，同时通过补水可以降 低渣槽中的平衡温度。补水同时可用作捞渣机驱动链条冲洗水、捞渣机导轮轴封 水和紧急补水口补水等，在采用干式轴封的导轮时无轴封水。为应对结焦大渣块 落下对捞渣机水槽水位形成大的波动，在室外渣仓下布置污水池( 容积可适当加 大) ，接纳渣仓的析水和刮板捞渣机的非正常溢流水( 通过明沟自流进入污水池) ， 通过布置在污水池中的排污泵，将水送入刮板捞渣机。沁北电厂除渣系统改造至 今，运行状况良好，节能节水。与原系统相比，无溢流系统可为单台6 0 0 m w 机组 节约运行维护费用约5 0 万年。 无溢流的水冷式除渣系统具有明显的先进性，它不但对锅炉结焦有广泛的适 应性，而且运行时不会影响锅炉的效率。该系统正常运行时没有溢流水，系统不 需要配置溢流水泵、高效浓缩机等设备，不仅减少了初投资，降低运行能耗，而 且节水效果显著。由于去掉了渣水处理系统，使得整个除渣系统占地面积大大减 小，同时也提高了运行环境的质量。 无溢流的除渣系统若要安全稳定的运行，最重要的是要满足系统的热量平衡 和水的质量平衡，即进入系统的热量，能通过热传导、对流、辐射等方式及时带 出系统；系统损失的水( 包括随湿渣带走的水量和蒸发汽化量) 能及时被补入。 进入系统的热量主要包括高温渣带入的热量、炉膛辐射热量和补水热量，热量的 输出主要通过湿渣带走、蒸发汽化吸热以及自然散热等方式。2 0 0 9 年作者对沁北 电厂群2 炉除渣系统进行了热量平衡测试，测试结果见表1 1 。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 注：热量平衡计算以0 为基准。 从表中的测试结果可以看出，蒸发吸热量占总输出热量的近8 0 ，是系统热 量输出最主要的途径，水蒸发吸收大量热量，同时影响了捞渣机槽体渣水的温度， 因此蒸发成为无溢流除渣系统热量平衡的关键。系统采用维持水位方式运行，要 求补水量比较精确，而蒸发汽化量的多少直接决定了补水量的大小，所以蒸发也 是系统质量平衡的关键。由此可知，蒸发状况不仅影响除渣时捞渣机槽体的渣水 平衡温度，也决定了系统的补水量，因此捞渣机工作环境中水的蒸发是理论研究 无溢流水冷式除渣系统的关键，除渣过程蒸发规律的研究不仅可以为无溢流水冷 式除渣技术提供理论支持，对该系统的推广应用也具有重要的现实意义。 1 2 相关研究 水冷式除渣过程水分的蒸发可分为三种方式：猝发式蒸发、自然蒸发和条件 蒸发。 猝发式蒸发。高温炉渣落入捞渣机的冷却水中，随渣带入大量热量，使与渣 接触的水体短时间内急剧升温，产生局部沸腾，引起冷却水短时间的剧烈蒸发， 称为猝发式蒸发。猝发式蒸发的本质是冷却水水体的过冷沸腾。 自然蒸发。刮板捞渣机槽体水分的蒸发还有一部分来自关断门外，这部分水 面暴露在空气中，其蒸发只受自然环境影响，因此把关断门外含渣水水面的表面 蒸发称作含渣水的自然蒸发。自然蒸发的本质是含渣水的表面蒸发。 条件蒸发。除猝发式蒸发外，关断门内的水面还存在另外一种形式的蒸发， 这部分水面正对炉膛底部，水面蒸发受到炉膛燃烧、落渣和猝发式蒸发等诸多因 素的影响，因此把炉膛底部水面的蒸发称为条件蒸发。 1 2 1 猝发式蒸发研究现状 水冷除渣过程的猝发式蒸发类似于淬火工艺中淬火冷却介质急速沸腾产生大 量气泡的过程。高温的固相介质与冷的液态工质接触，通过气泡的形成、成长和 运动将工质由液相转化到气相，期间伴随着剧烈、复杂的传热传质过程，猝发式 重庆大学硕士学位论文1 绪论 蒸发的本质是水的急速过冷沸腾过程。 1 9 3 1 年，j a l 【o b 掣6 j 对沸腾换热进行了系列实验研究，根据实验现象提出了沸 腾工质过热度和液体沸腾时的换热方式等问题，对后来的研究有指导性的意义。 1 9 3 5 年，n a l ( i y 锄a j 研究了大容积沸腾问题，把加热金属丝浸入大容积液体中进 行实验，得到了著名的沸腾换热曲线，这条曲线一直沿用至今。 陈焕倬 8 】等对淬火过程中的急速沸腾做了相关实验研究，将加热到高温的金属 铂丝突然浸入实验工质中急速冷却，研究了几种工质在瞬时加入大的热负荷时的 急速沸腾现象。根据以水为工质时的沸腾曲线，把急速沸腾过程分为四个阶段： 起始沸腾阶段、膜态沸腾阶段、部分膜态沸腾阶段和核态沸腾阶段。由于铂丝温 度很高，起始沸腾时产生大量的气泡，热流密度可达2 0 1 0 。7 w 触2 ；膜态沸腾阶段 气泡的生长速度很快，铂丝四周形成了稳定的气膜，这一阶段沸腾换热系数基本 保持不变，到部分膜态沸腾结束时，热流密度到达了3 2 1 07 w m 2 ；核态沸腾是铂 丝换热的主要形式，沸腾换热系数继续增加，直到核态沸腾结束，气泡产水量逐 渐减小。何鹤林【9 】对淬火过程的换热系数的计算进行了理论研究，根据已有的淬火 冷却特性曲线，建立数学模型，可计算换热系数，计算结果能较好的满足计算机 模拟淬火过程时的边界条件。把炉渣颗粒看做多孔介质，郁伯铭【l0 的分形介质传 热传质研究与此较接近，他根据分形理论和数学模型，推导了池沸腾的分形分析 解，得到了沸腾表面的热通量分形模型。 传质方面，孙长爿j 等分析了液体中气泡上升式的传质过程，并对此建立数 学模型得到了数值解，认为气泡上升过程中也存在蒸发，并根据假设给出了气泡 界面的理论蒸发速率；杨宁生【1 2 数值研究了液体蒸汽向单气泡传质的过程，理论 上定量描述了在气液界面液体蒸发的影响下单气泡在液相中的传质过程。 气泡产生受多种因素影响，研究者们提出了多种空泡份额的计算模型，主要 有b a n k o f f 的变密度模型、z u b e r - f i n d l a y 的漂移流模型、l e v y 的动量交换模型、 s m i t h 的等速模型以及z i v i 的最小熵生成模型。一般认为过冷沸腾分两个阶段，开 始的时候是过冷沸腾，随着液态工质被加热，后面的沸腾过程为饱和沸腾，因而 把过冷沸腾分两个区，第一区气泡增长较慢，基本呈线性，空泡份额较小，第二 区的空泡份额增长较快。第一区的空泡份额计算方法主要有b o w r i n g 法和r 0 u h a n i 法；第二区的空泡份额计算方法除b o w m g 法和r o u l l a n i 法外，还有灿姗a d l e v y 法、s o z i y e v 法和b 印t o j i o m e 螽法【1 3 】。由于过程复杂，基于不同假设的各种模型与 实际情况均有差别，尽管研究者考虑的原则基本一致，但不论在模型计算和实验 结果之问，还是在各计算模型之问，都存在较大的差别。 实际上，白1 9 3 5 年b e c k e r a 等【1 4 1 5 】提出纯液体中气泡的产生和核化的初步理 论以来，各国学者对沸腾现象做了大量的研究，研究内容和方向颇为广泛。主要 重庆大学硕士学位论文1 绪论 包括：对沸腾现象即沸腾时气泡的形成、成长及运动条件和规律的研究；对沸腾 换热机理的分析，包括对热流密度、沸腾换热系数、沸腾换热实验关联式等的研 究；对不同条件下沸腾换热的研究，包括常温常压下的沸腾换热以及近临界、超 临界状态下的沸腾换热；对不同条件、不同装置下汽液两相流的研究，包括流动 现象、换热规律等研究。到目前为止，沸腾换热研究已经积累了大量的研究成果， 这些成果在实际工程应用中起到了至关重要的作用，但由于沸腾现象的复杂性和 目前测试手段的局限性，对沸腾的机理、换热过程及计算等多方面问题都存在争 议，对沸腾产生气泡量或蒸发量的计算，也没有统一的认识。 1 2 2 表面蒸发研究现状 经典的蒸发理论认为，在表面温度为乃的液面上向压力为p 。为温度为t 的空 间产生纯饱和蒸气，蒸发流率可看作从液相到气相运动的分子质量流率，- 与从气 相到液相运动的分子质量流率九之差，即： 厶刎寸州羔) 0 5 ( 隽一静 式中：m 为摩尔质量，尺是气体常数，乃是液体温度，岛为对应该温度下的饱和 蒸汽压。 经典的蒸发理论中引入了如下的假赳1 6 【1 7 】：蒸发气体是理想气体，满足理想 气体状态方程；分子速率满足热力学平衡状况下的m a x w e u 速率分布规律；碰撞 界面的分子能完全凝结或蒸发，界面上没有分子反射现象；蒸发和凝结过程相对 独立，互不干涉。然而，实际上能全部满足上述假设的蒸发过程几乎没有，用上 面的公式预测蒸发流率，往往与实际情况不符。鉴于此，经典理论引入蒸发系数眈 和凝结系数口来表征理想假定偏离实际状况的程度。 蒸发系数= 薤丽两蠢磊嚣著窑曩磊豸 凝结系数= 砸弦葡蠹篱嚣嚣享影署季 引入蒸发系数、凝结系数后，实际的蒸发流率可修正为： 丘彻，2 ( 篆) 0 5 ( 吒劳一呸老) 上式即是工程实际中常用到的h e n z k n u d s e n l a i l 即吣i r 17 】公式，为方便应用，实际 计算经常假设蒸发系数与凝结系数相等。公式中含有、口。两个未知数，对蒸发 流率的预测还依赖于蒸发系数、凝结系数的研究。 对蒸发、凝结系数的研究方法主要有两种，统计理论研究和实验研究。 理论研究分基于热力学平衡条件下的统计理论研究和基于分子偏离m a x w e l l 速率分布情况的研究。基于热力学平衡条件研究的学者们在推导蒸发、凝结系数 重庆大学硕士学位论文l 绪论 时几乎都会用到过渡态理论 16 1 。1 9 4 8 年，p e l l l l e r 1 8 【1 9 1 首次推导了蒸发、凝结系数 的过渡态统计理论表达式，并于19 5 2 年在论文中对蒸发系数进行了过渡态理论统 计分析；1 9 6 2 年d a l l o n 2 0 】根据蒸发过程分子的内能变化推导了蒸发、凝结系数的 统计表达式；1 9 6 4 年k 0 c h u t o v a 2 0 】从分子势能出发，理论统计计算了凝结系数； 2 0 0 0 年t s 唧t a 和n a g a y 锄a 2 l 】在研究中忽略分子的旋转和振动，提出了蒸发凝结 系数的过渡态表达理论，即 旷旷吾e 卅砻 吃列c 2 万e x p ( 一亩j 并用两种不同的过渡态分子自由容积的近似矿+ = 胪和矿+ = 0 5 ( y + + y g ) 来计算凝 结系数。 s c l l r a g e 1 7 】研究了准平衡条件下分子净质量流率对分子速率偏离m a x w e l l 速 率分布的影响，推导了准平衡条件下蒸发、凝结流率的计算公式，同时k u c h e r o v 和r i k e n 西a z 【2 2 】也对这种情况的研究做出了相同的结论；l a b u l l t s o v 提出了非平衡条 件下蒸发、凝结流率的计算式： 一去c 静5 c 吒老一吒旁 m = 一i i l 口= 一口。= 2 一o 7 9 8 口、2 刀r、。丁。z 该式被称为h e n z k n u d s e n l a b u n t s o v 【2 3 j 公式。 与理论研究同步，大量的实验研究结果相继发表。有的学者对汞、甘油、c c l 4 、 b f 3 、c h 3 0 h 等物质的蒸发系数做了实验研究，但大部分研究者都是针对水的蒸 发进行实验研究。1 9 2 5 年r i d e a l 【1 1 7 采用恒温槽内的u 形管中的液体向真空蒸发的 方法( 即自由蒸发的测量方法) 测定了水的蒸发系数，在2 5 3 0 的温度范围内， 水的蒸发系数为o 0 0 3 7 o 0 0 4 2 ；1 9 3 5 年a l t y 和m a c k a 一2 4 利用毛细玻璃管末端形 成的液滴向真空中蒸发，测得了水的蒸发系数为o 0 0 6 1 0 0 3 9 2 ，实验的温度范围 为1 0 3 3 2 2 。1 9 4 0 年p m g e r 【1 7 2 4 1 将高于饱和温度的水加热蒸发，测定蒸发系 数，实验时需要通过凝结或泵送的方式改变蒸发气体的压力，使气液界面之间保 持一个稳定且较小的压力差，以获得稳定的相变驱动力，这种方法称为准稳态测 量法，利用这种方法p m g e r 测得了1 0 0 下水的蒸发系数为o 0 2 ；1 9 5 3 年h a m m e c k e 和k a p p l e r 1 7 】 2 4 1 也用准稳态法测得2 0 下水的蒸发系数，其值为o 0 4 5 ；1 9 7 1 年 c a 瑚m e n g a 【2 4 】用准稳态法在大的静止表面上进行实验，测得2 4 3 0 时，水的蒸 发系数为o 0 0 2 。1 9 7 0 年，m a a 【2 5 】通过喷射使恒温蒸发液无旋进入蒸发腔进行实验， 在蒸发腔内对运动液体做恒温处理，以减小蒸发对液体温度的影响，实验测得o 8 下水的蒸发系数为1 ，这种方法称为运动表面蒸发法，1 9 7 3 年l e v i n e 2 6 采用该方 法让液滴向饱和蒸汽空间蒸发，测得2 0 2 8 时水的蒸发系数为1 。1 9 9 9 年f a i l g 、 w 缸d 2 7 】【2 8 】、b e d e a u x 和k j e l s t m p 2 9 】用准稳态法进行了低温实验，用直径为2 5 4 m 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和8 1 3 m 的热偶线测量界面温度，得到了一1 4 5 - 0 2 下水的蒸发系数大于1 。 01 02 03 04 05 06 07 0 t e m p e r a t u r e ， 图1 5 水的蒸发系数与温度的关系 f i g 1 5t l l er e l a t i o n s h i po fe v a p o r a t i o nc o e m c i e n ta i l dt e i i l p e r a t u r e 比较不同实验者的研究方法和结果，发现采用自由蒸发方法获得的蒸发系数 数量级为1 0 1 0 ，而准稳态测量法的实验结果跨越两个数量级；即使同一温度下， 由于测量方法的不同，获得的实验结论也相差甚远。此外，不同测量方法在温度 的测量上也存在差异，比如自由蒸发采用液体体相温度，而准稳态法有些采用表 面温度。因此，以上研究的结果用于预测蒸发量速率偏差较大，对工程上的应用 造成很大困难。 实践中的蒸发比实验室的蒸发环境复杂的多，蒸发规律多用蒸发量或蒸发速 率与影响因素的关系来描述。1 8 0 2 年d a l t o n 3 0 】首次提出了描述水面蒸发量与气象 因素的模型： e = 厂 ) p e 指水表面蒸发量，厂( “) 是风速函数，e 表示对应蒸发表面温度下的水汽压力与 空气露点温度下对应水汽压力之差。1 9 3 1 年c r o h w e r 研究发现在其它条件完全相 同的条件下，蒸发速率随大气压力稍有变化： = 0 4 ( 1 + 7 1 1 0 3 “) p e 表示蒸发速率，“是风速。1 9 4 8 年，h l p e l l i i l a i l 利用农场中的实验结果，验 证了d a l t o n 的模型： 毛= 0 3 5 ( 1 + 9 8 1 0 3 “) p 其结果与c r o h w e r 公式基本一致。目前我国在水文气象预测上采用较多的就是 d a l t o n 模型，厂( 甜) 多采用线性风速函数。 1 0 重庆大学硕士学位论文l 绪论 工程应用中，也把蒸发系数用蒸发速率与水汽压差的比值来表示，即： 仅e = e o 1 9 9 9 年毛世刚3 1 】圈实验研究了水面蒸发系数与风速、水汽温差之间的关系， 并于2 0 0 7 年与陈惠泉【33 j 在环境参数可控的风洞中进行了系列实验，得到了风速 o 4 1 州s 、表面水温1 0 4 5 、环境温度6 3 0 条件下的蒸发系数表达式： 口。= ( 2 7 7 + 1 5 6 “2 + 0 2 5 丁) o5 1 0 1 蒸发系数吼的单位为m m d 五幽，丁是水汽温差。2 0 0 1 2 0 0 7 年间，闵骞 3 4 。3 6 】 提出了多种水面蒸发计算模型，最终确定了以水汽压差、水汽温差、相对湿度和 风速为影响因素的4 因子的水面蒸发计算模型： 磊= p 厂( 丁，“) 2 0 1 0 年，耿江涛、李相一 37 等实验研究了非自然条件下的水的表面蒸发速率，在 温度为2 0 9 0 、相对湿度3 0 9 5 、风速1 1 0 州s 、压力1 1 0 5p a 4 1 0 5 p a 的条件下，水的表面蒸发速率实验关联式为： e o = n t bp c u dr e 式中：口= 0 0 0 9 4 2 4 、6 = 1 6 1 9 3 2 2 、c = 一0 5 0 2 1 9 8 、d = o 6 3 9 7 4 8 、e = 一1 0 3 2 6 8 2 ， 是实验关联式的回归系数，该式的复相关系数为0 9 9 。 基于d a l t o n 模型的水面蒸发系数的研究，已有的计算模型均采用温度、压力、 风速、湿度等物理量直接做运算，目前还没有有关水面蒸发系数的无因次计算模 型。 不管是理论统计方面还是实验研究方面，学者者们已经得到了大量的关于水 的蒸发规律的研究结论，有些结论还在工程实践中得到广泛应用。总结分析前人 对水蒸发的研究，理论推导或实验室实验的研究者多数以纯水为研究对象，水文 气象的研究者多数以江河湖泊、水库等自然水体为研究对象，也有以纯水为对象 在蒸发皿中实验研究的。但对于水冷式除渣系统中运行的含渣水，这种特殊而又 广泛存在的水体蒸发的研究，目前还没有相关的报道。 1 2 3 条件蒸发研究现状 发生在炉膛底部水面的条件蒸发，受到辐射、负压、扰动等多种因素的影响， 蒸发条件比较复杂。 华敏【38 】等实验研究了太阳辐射对纯液体蒸发行为的影响，得出了太阳辐射对 液态苯、甲苯和乙醇蒸发时表面温度的影响；殷金英【39 】等用数值模拟的方法研究 了深空环境下辐射对液滴相变的影响，发现液滴粒径越小其冷却速度越大。负压 对蒸发的影响的研究主要针对闪蒸问题，即液体在真空环境中的蒸发，张峰榛 4 0 】 等模拟了连续液柱在真空环境的表面蒸发现象，得到了液柱断裂的判据，并分析 了绝热闪蒸时气液界面的温度情况分布。d o m b r o v s 和s a z l l i n 【4 2 】等研究了液体加 热与蒸发过程中的辐射吸收模型，提出了柴油蒸发的辐射吸收计算模型；孙风贤、 王银燕 4 3 】数值研究了辐射与对流耦合加热作用下正十二烷的蒸发特性，采用内部 重庆大学硕士学位论文1 绪论 均匀吸收和表面吸收两种辐射模型相结合的方法，分析了不同辐射和对流条件下， 蒸发率与液滴温度和粒径的关系，发现两种加热方式的温度强度相同时，辐射对 蒸发的影响较小，而当对流温度相对较弱时，辐射对蒸发的影响就会很大。 目前对多因素耦合作用下蒸发的研究，研究者们多倾向于对蒸发过程和蒸发 行为分析，而对多因素耦合作用下蒸发速率或蒸发量的计算没有提出具体的方法， 工程中一般只能根据经验估算来预测蒸发量。 1 3 本文的主要工作 基于上述对三种蒸发方式研究现状的分析以及工程实践的需要，本文进行了 以下主要内容的研究： 含渣水是水冷式除渣系统的一种特殊工质，作者首先对含渣水的密度、平均 比热容以及汽化潜热等物理性质进行实验研究。 实验研究高温炉渣水冷时的猝发式蒸发情况，采用控制变量法探讨渣量、渣 温、冷却水温度等对猝发式蒸发的影响，并通过对实验数据的拟合得到计算猝发 式蒸发量的实验关联式。 采用控制变量法实验研究含渣水的表面蒸发规律，分析常压无风条件下表面 温度、相对湿度、含渣水浓度等对表面蒸发的影响，得到含渣水表面蒸发速率的 实验关联式。对比含渣水和纯水的表面蒸发速率，对两者表面蒸发速率产生差异 的原因给出热力学的解释。 发生在炉膛底部水面的条件蒸发难以在实验室中模拟实现，因而采用现场实 测和理论推算相结合的方法，探讨条件蒸发的蒸发规律，探寻可用于工程的条件 蒸发量计算关系式。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 含渣水的物性 2 含渣水的物性 在水冷式机械除渣过程中，高温炉渣落入捞渣机槽体中冷却，冷却后的炉渣 通过刮板输送至渣仓，高温炉渣水冷后捞渣机槽体中的冷却水称为含渣水。本章 以陕西国华锦界电厂6 0 0 m w 机组除渣系统的含渣水为实验对象，研究了该含渣水 的密度、比热容以及汽化潜热等物性参数。 2 1 含渣水的界定 煤粉燃烧后炉渣成分复杂，主要化学成分为s i 0 2 ( 4 0 5 0 ) 、a 1 2 0 3 ( 3 0 3 5 ) 、f e 2 0 3 ( 3 1