（动力工程及工程热物理专业论文）大型cfb锅炉气固流动若干关键性技术研究.pdf

study on key technologies of the gas-solid flow in large-scale cfb boilers a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of engineering by chen jihui supervisor: prof. lu xiaofeng major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china. march 2008 中文摘要 i 摘 要 近年来，循环流化床(cfb)锅炉以其与煤粉锅炉相当的燃烧效率、低廉的脱硫 成本、较低的氮氧化物排放水平以及广泛的燃料适应性而得到迅猛发展。大容量 cfb 锅炉可以提高已有循环流化床发电技术的发电效率，使低成本燃煤污染控制 与高效发电结合，促进循环流化床燃烧技术在发电行业中的应用。 然而，在 cfb 锅炉大型化的过程中，还存在或面临着很多问题，如炉膛体积 增大与二次风穿透的问题、旋风分离器容量放大与分离器效率降低的问题、渣量 增加后冷渣器的处理能力及可靠性问题等。而且，其中的一些问题在现已投运的 cfb 锅炉中仍未得到很好的解决。 为此，本文以国内某 410t/hcfb 锅炉为原型，按 1:10 的几何比例，用有机玻 璃建立了一套循环流化床锅炉可视化冷模试验系统。在该试验系统上，首先对二 次风的喷射特性和新型旋风分离器的性能进行了试验研究和数值模拟。此外，在 对选择性流化床冷渣器的流动和排渣性能研究的基础上，设计开发了一种混流式 流化床冷渣器。最后，本文还对引进型 300mwecfb 锅炉的热平衡和物料平衡进 行了初步研究。论文的主要研究内容及创新点是： (1) 首次对 cfb 锅炉的二次风喷射问题进行系统的冷模研究 在对二次风所在截面物料浓度进行测量的基础上，采用热电偶网络感知热空 气射程的的方法，探寻了该截面处物料浓度随一次风速变化的趋势以及引入二次 风对物料浓度分布的影响。同时，详细研究了一次风速、二次风速、物料浓度和 二次风喷口直径对二次风射程的影响，并根据试验数据回归了冷态工况下二次风 射程的无量纲关系式。 (2) 考察了中心筒底部缩口斜切对旋风分离器性能的影响 对中心筒底部缩口斜切型旋风分离器的压降和效率进行了详细的试验研究和 数值模拟，得到了改进型旋风分离器在不同切口朝向时压降和效率的变化规律， 相关结果与传统直管型中心筒的旋风分离器进行了对比，并对该类型旋风分离器 的性能进行了综合评价。 (3) 系统研究了选择性流化床冷渣器的物料流动及排渣特性， 设计开发出混流 式流化床冷渣器 通过对选择性流化床冷渣器的物料流动及排渣特性进行系统的冷模试验研 究，首次发现了该类型冷渣器和炉膛所组成的系统的压力分布特性对冷渣器各仓 的床层压降及床料流动的影响规律。同时，在对现有各种流化床冷渣器的特点进 行分析和总结的基础上，设计开发了一种对宽筛分床料具有良好分选作用的新型 重庆大学博士学位论文 ii 混流式流化床冷渣器(已获实用新型专利授权)， 通过冷模试验证明了该流化床冷渣 器能够充分发挥现有各种流化床冷渣器的优点，避免大渣堵塞和冷渣器主排渣口 排不出渣的不正常现象的出现，降低冷渣器在实际运行中发生结焦的可能性。 (4) 首次对引进型 300mwecfb 锅炉的热平衡和物料平衡进行研究 首次以引进型(也是世界第一台)300mw 纯烧无烟煤循环流化床示范电站的现 场运行数据为基础，采用 visual basic 进行编程，对该 cfb 锅炉在不同负荷下 (290mw、300mw 和 320mw)的热平衡和物料平衡进行了初步研究，并通过计算 得到了锅炉总的热平衡关系以及各部分的循环灰量。相关结果为下一步的现场试 验研究奠定了基础。 关键词：关键词：循环流化床锅炉，二次风，旋风分离器，流化床冷渣器，热平衡 英文摘要 iii abstract circulating fluidized bed (cfb) boiler has been more rapidly developed in recent years because of its comparative combusting efficiency with pulverized-coal (pc) boiler, cheaper desulfurization cost, lower nox emission and wide fuel applicability. cfb with larger capacity can enhance the power generation efficiency of existing cfb technology, combine low cost pollution control of coal combustion with high power electricity generation and promote the application of cfb in power generation industry. however, there are some problems during the course of the large scale of cfb boiler, such as the problem of the bigger furnaces volume with the secondary air jetting distance, the problem of the bigger cyclone separators capacity with the lower separating efficiency, the problems of the disposing ability and dependability of ash slag cooler with the increasing of the ashs quantity, etc. moreover, several problems of them in the existing cfb boilers have not been well solved. in the present work, we set up a set of visual cold experimental apparatus with plexiglas according to a commercial 410t/h cfb boiler with a scale of 1:10. experimental and simulating study on the characteristics of the secondary air (sa) injection and the cyclone separator are carried out in the set-up. based on study of the performances of the flow and the slag discharge of selective fluidized bed ash cooler, we developed a novel mixing-type fluidized ash cooler. furthermore, a preparatory investigation on the heat balance and the material balance of a introduced 300mwe cfb boiler is performed. the main works and innovations in this paper include as following: (1) systemic cold study on the secondary air injection in cfb boiler based on measuring the solid concentration in the riser cross-section at the sa injection level, we have explored the trend of solid concentration changing with the primary velocity and the effect of secondary air on the solid concentration. besides, the influences of primary air velocity, secondary air velocity, solid concentration and jetting ports diameter on the sa injection distance are investigated in detailed, and a dimensionless equation relation about secondary air jetting distance for general cases is obtained by the regression of experimental data. (2) study on the effect of the bottom-contracted and edge-sloped vent-pipe on the performance of cyclone separators 重庆大学博士学位论文 iv the cold tests and simulations on the separation efficiency and pressure drop of a modified cyclone with a bottom-contracted and edge-sloped vent-pipe are researched in detailed. the changing rules of the separation efficiency and the pressure drop are obtained under the different directions of the cut, and the results are also compared with those of the traditional linear-pipe-shaped cyclone separators. inaddtion, we evaluated the performance of the novel separation cyclone. (3) systemic study on the characteristics of material flow and ash discharge in a type selective fluidized bed bottom ash cooler and having developed of a novel mixing flow fluidized bed ash cooler a systemic study on the characteristics of material flow and ash discharge in a type selective fluidized bed bottom ash cooler is carried out. the influence rules of the pressure distribution characteristics of the ash cooler furnace system on the pressure drop of the chambers and bed material flow is first described in this paper. besides, based on analyzing and summarizing the characteristics of the existing fluidized bed ash coolers, we developed a novel mixing flow fluidized bed ash cooler. this mixing flow fluidized bed ash cooler has a better selective action on wide screen sized bed material. and it can make full use of the advantages of the existing fluidized bed ash coolers, avoid these abnormal phenomena of the clogging of bigger slag and no slag discharging from main slag discharged hole, which can result in decreasing the possibility of agglomeration in the fluidized bed ash cooler. (4) study on the heat balance and the material balance of a introduced 300mwe cfb boiler based on the operating data of the first anthracite-fired 300mw cfb boiler in the world, a preparatory study on the heat balance and material balance of the boiler under different boilers loads (290mw, 300mw and 320mw) were carried out by use of visual basic. in addition, the total heat balance and the circulated ash flux of every part of the boiler are all obtained through calculation. the results may provide a base for our further test. keywords: cfb boiler, secondary air, cyclone separator, fluidized bed ash cooler, heat balance. 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 符号说明符号说明 . 1 绪绪 论论 . 1 1.1 发展循环流化床燃烧技术的必要性发展循环流化床燃烧技术的必要性 . 1 1.1.1 世界能源及环保现状 . 1 1.1.2 循环流化床燃烧技术的优点. 4 1.2 循环流化床燃烧技术的发展现状及大型化过程中存在的主要问题循环流化床燃烧技术的发展现状及大型化过程中存在的主要问题 . 5 1.2.1 循环流化床燃烧技术的发展现状 . 5 1.2.2 循环流化床锅炉大型化过程中存在的主要问题 . 8 1.3 本文的主要工作本文的主要工作 . 9 2 循环流化床试验系统概况循环流化床试验系统概况 . 11 2.1 试验系统主体结构试验系统主体结构 . 11 2.1.1 试验系统原型简介 . 11 2.1.2 冷模试验系统 . 11 2.2 试验装置辅助系统试验装置辅助系统 . 16 2.2.1 送风系统 . 16 2.2.2 量测系统 . 16 2.2.3 数据采集处理系统 . 18 2.3 试验系统特性的试验与分析试验系统特性的试验与分析 . 19 2.3.1 试验床料特性 . 19 2.3.2 炉膛布风板的空板阻力特性及布风均匀性 . 19 2.3.3 炉膛冷态流化特性 . 19 2.3.4 临界流化速度的计算 . 21 3 循环流化床二次风穿透特性的冷模试验研究及数值模拟循环流化床二次风穿透特性的冷模试验研究及数值模拟 . 23 3.1 循环流化床锅炉二次风的研究现状循环流化床锅炉二次风的研究现状 . 23 3.1.1 循环流化床锅炉二次风研究的主要参数 . 23 3.1.2 二次风对 cfb 气-固两相流体动力学的影响 . 25 3.1.3 二次风对 cfb 燃烧换热及气体排放的影响 . 28 3.1.4 cfb 二次风喷射的模型及数值研究 . 29 3.1.5 本章的研究意义和主要内容. 30 重庆大学博士学位论文 vi 3.2 二次风试验系统简介及研究工况安排二次风试验系统简介及研究工况安排 . 31 3.2.1 二次风喷口的设计 . 31 3.2.2 二次风压力和流量的测量 . 31 3.2.3 二次风射程的测量 . 31 3.2.4 二次风喷口所在炉膛截面物料浓度的测量 . 31 3.2.5 研究工况安排 . 32 3.3 cfb 二次风穿透特性的试验结果及分析二次风穿透特性的试验结果及分析 . 32 3.3.1 循环流化床锅炉炉膛物料浓度的测量结果与分析 . 32 3.3.2 循环流化床锅炉二次风射程的试验及结果分析 . 33 3.3.3 循环流化床锅炉二次风射程的理论逼近 . 36 3.3.4 误差分析 . 38 3.4 循环流化床锅炉二次风的数值模拟循环流化床锅炉二次风的数值模拟 . 38 3.4.1 数值计算的模型与方法 . 38 3.4.2 数值模拟结果以及与试验研究结果的对比分析 . 41 3.5 本章小结本章小结 . 45 4 中心筒底部收口斜切型旋风分离器性能的冷模研究中心筒底部收口斜切型旋风分离器性能的冷模研究 . 47 4.1 cfb 旋风分离器的研究及应用现状旋风分离器的研究及应用现状 . 47 4.1.1 循环流化床大型化进程中旋风分离器的发展 . 47 4.1.2 旋风分离器最新结构优化方案 . 49 4.1.3 本章的研究意义和主要内容 . 51 4.2 旋风分离器试验系统简介及研究工况安排旋风分离器试验系统简介及研究工况安排 . 52 4.2.1 中心筒底部收口斜切型旋风分离器结构简介 . 52 4.2.2 旋风分离器分离效率和压降的测量 . 52 4.2.3 研究工况安排 . 53 4.3 中心筒底部收口斜切型旋风分离器的冷模试验及结果分析中心筒底部收口斜切型旋风分离器的冷模试验及结果分析 . 53 4.3.1 分离器分离效率试验结果及分析 . 53 4.3.2 分离器压降试验结果及分析 . 55 4.3.3 误差分析 . 57 4.4 中心筒底中心筒底部收口斜切型旋风分离器的数值模拟部收口斜切型旋风分离器的数值模拟 . 57 4.4.1 数值计算的模型与方法 . 57 4.4.2 数值模拟结果及与试验结果的对比分析 . 59 4.5 本章小结本章小结 . 64 5 流化床冷渣器的冷模试验研究流化床冷渣器的冷模试验研究 . 67 5.1 引言引言 . 67 目 录 vii 5.1.1 cfb 锅炉冷渣器的作用 . 67 5.1.2 选择性流化床冷渣器的工作原理 . 67 5.1.3 本章的研究意义和主要内容. 68 5.2 选择性流化床冷渣器试验装置简介及研究工况安排选择性流化床冷渣器试验装置简介及研究工况安排 . 69 5.2.1 选择性流化床冷渣器冷模试验装置简介 . 69 5.2.2 冷渣器进渣管的布风 . 69 5.2.3 运行参数的测量 . 70 5.2.4 研究工况安排 . 70 5.3 选择性流化床冷渣器的冷模试验研究选择性流化床冷渣器的冷模试验研究 . 70 5.3.1 冷渣器布风板的空板阻力特性及布风均匀性 . 70 5.3.2 系统压力分布对冷渣器各室床层压降的影响 . 71 5.3.3 冷渣器各室的流化风速对各室床层压降的影响 . 72 5.3.4 冷渣器进渣管脉冲风量对排渣速率的影响 . 77 5.3.5 冷渣器各室的流化风速对排渣速率的影响 . 77 5.3.6 误差分析 . 80 5.4 选择性流化床冷渣器的数值模拟选择性流化床冷渣器的数值模拟 . 80 5.4.1 数值计算的模型与方法 . 80 5.4.2 数值模拟结果以及与试验结果的对比分析 . 82 5.5 选择性流化床冷渣器底渣流动特性研究结果的思考选择性流化床冷渣器底渣流动特性研究结果的思考 . 86 5.6 混流式流化床冷渣器的设计开发混流式流化床冷渣器的设计开发 . 87 5.6.1 现有流化床冷渣器的不足. 87 5.