（热能工程专业论文）出口特性对循环流化床锅炉内循环影响的实验研究.pdf

太原理工大学硕七研究生学位论文 出口特性对循环流化床锅炉 内循环影响的实验研究 摘要 循环流化床燃烧技术以其高效率( h i g he f f i c i e n c y ) 、低污染( l o w e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ) 、良好的经济性( e c o n o m i c s ) 成为引人注目的能 源“三e ”利用技术，在锅炉中得到广泛的应用。本论文在介绍循环流化 床锅炉的特点及炉内气固流动特性的基础上，针对目前实际循环流化床 锅炉存在的床温控制、细颗粒的停留时间及气固横向混合等主要问题及 其工程对策的缺陷，试图通过实验研究探索一种更简单的方法来增加颗 粒的内循环以解决这些问题。 本文作者在自行设计和建立的循环流化床锅炉实验系统中，研究了 多种循环流化床锅炉出口结构在不同操作条件对床内流动特性的影响， 探寻了一种建立循环流化床锅炉物料内循环的方法。通过实验研究和理 论分析计算，从气固两相流动机制方面充分揭示了循环流化床锅炉出口 结构影响物料内循环的机理。 实验结果表明，循环流化床锅炉出口结构是影响床内流动特性的一 个重要参数。采用光滑出口时，床密度呈上稀下浓的传统分布；对于平 直出口和凸起出口，床密度分布呈上浓下稀或两端浓中问稀的分布特征， 而且随着凸起高度的增加，出口结构对床内流动特性的影响增强。当凸 起高度达到颗粒运动所能达到的最大高度时，这种影响消失。 本论文还分析了操作参数对循环流化床床密度的影响。随着表观气 速的增加和颗粒循环流率的减少，床密度减小，但床密度的分布形式不 会改变。实验结果表明，对于凸起出口，可以消弱由于表观气速增加而 太原理工大学硕士研究生学位论文 带来的不利影响。 研究结果表明，在循环流化床锅炉运行条件下，选择合理的循环流 化床出口结构，可以在远离饱和夹带的情况下，增加循环流化床出口甚 至全床的床密度，以增强气固横向混合和颗粒的内循环。颗粒内循环的 增强，使得合理的循环流化床锅炉出口结构具有初级分离器的功能，便 于控制床温并延长颗粒在床内的停留时间。此外，初级分离器的功能还 可以降低对外分离器的要求，减轻外分离器的负担，增加外分离器的使 用周期。 为了验证实验结果，作者还分析了循环流化床锅炉出口区域颗粒的 运动情况。在分析运动颗粒受力情况的基础上，计算了运动颗粒的终端 速度及在出口区域的速度，进而估算运动颗粒在出口区域所能达到的最 大高度。计算结果表明，床内表观气速越大，颗粒在出口区域所能达到 的最大高度越大，与实验结果一致。 关键词：循环流化床锅炉，出口结构，流动特性，表观气速，床密度 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ee n de f f e c t o nt h el n t e r n a lr e c y c l i n go f 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 s a b s t r a c t c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d s ( c f b ) i sb e i n g w i d e l yu s e di nb o i l e r sf o ri t sh i g he f f i c i e n c y , l o we n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d g o o de c o n o m i c s t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d sa n dt h eg a s - s o l i dt w o p h a s eh y d r o d y n a m i c s t oa i ma tt h e m a i np r o b l e m so fi n d u s t r i a l c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e r sa n dt h e s h o r t c o m i n g so fe n g i n e e f i n gc o u n t e r m e a s u r e s ，t h ea u t h o re x p l o r e st oe n h a n c e t h ei n t e r n a lr e c y c l i n gw i t hs i m p l ew a y s t oe s t a b l i s ham e t h o do fe n h a n c i n gt h ei n t e r n a lr e c y c l i n g ，t h ea u t h o r d e s i g n st h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fac i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e ra n d s t u d i e st h ei n f l u e n c eo f t h ee x i ts t r u c t u r e so nt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ti sd i s c l o s e dt h a t t h ee x i tc o n f i g u r a t i o n sa f f e c to ni n t e r n a lr e c y c l i n go ft h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e di nt h ea s p e c to f t h eg a s s o l i dt w o - p h a s ef l o wm e c h a n i s m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tb e de x i t c o n f i g u r a t i o n sg r e a t l y i n f l u e n c et h eh y d r o d ，r n a m i c si nt h ec 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 u s i n ga s m o o t he x i t ，t h eb e dd e n s i t yi sd i l u t ei nt h eu p p e rp a r ta n dd e n s ei nt h eu n d e r p a r t a sf o rt h eu n s m o o t he x i t s ，t h eb e dd e n s i t yd i s t r i b u t i o ni sa sf o l l o w i n g s ： d e n s ei nt h eu p p e rp a r ta n dd i l u t ei nt h eu n d e rp a r t ，o rd e n s ei nt h eu p p e rp a r t a n du n d e rp a r t w h e nt h ea b r u p th e i g h ti n c r e a s e s ，t h eh y d r o d y n a m i c sw i l lb e a f f e c t e dg r e a t l y h o w e v e r , t h ei n f l u e n c eo ft h ea b r u p th e i g h td i s a p p e a r si ft h e a b r u p th e i g h ta t t a i n st h em a x i m u mr e a c h a b l eh e i g h tf o rt h ep a r t i c l e sa tt h e i l l 太原理： 大学硕士研究生学位论文 e x i t t h et h e s i sa n a l y z e st h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ni n f l u e n c eo nt h eb e dd e n s i t y d i s t r i b u t i o n w h e nt h e s u p e r f i c i a lv e l o c i t y i si n c r e a s e da n dt h es o l i d c i r c u l a t i n gm a s sf l u xi sr e d u c e d ，t h eb e dd e n s i t yd e c r e a s e sa n di t s p r o f i l e d o e s n tv a r y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea b r u p te x i tm a y r e d u c et h ea d v e r s ef a c t o rd u et ot h ei n c r e a s eo f t h es u p e r f i c i a lv e l o c i t y 1 1 1 e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t b yu s i n gt h e r e a s o n a b l ee x i t s t r u c t u r e s ，t h eb e dd e n s i t yi n c r e a s e si nt h eu p p e rp a r tu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e f a rf r o mt h es a t u r a t i o ne n t r a i n m e n t t h el a t e r a lm i x t u r ea n dt h ei n t e m a l r e c y c l i n ga r ee n h a n c e d t h er e a s o n a b l ee x i ts t r u c t u r em a y b er e g a r d e da sa p r e l i m i n a r ys e p a r a t o rb e c a u s eo ft h ee n h a n c e di n t e r n a lr e c y c l i n g s oi t i s c o n v e n i e n tt oc o n t r o lt h eb e dt e m p e r a t u r ea n di n c r e a s et h ep a r t i c l er e s i d e n c e t i m ei nt h eb e d o nt h eo t h e rh a n dt h eb u r d e no ft h eo r i g i n a ls e p a r a t o ri s r e d u c e d t ov e r i f yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h et h e s i ss t i l la n a l y z e st h ep a r t i c l e m o v e m e n ta n dt h es t r e s sa tt h ee x i to ft h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d t h e p a r t i c l et e r m i n a lv e l o c i t ya n de x i tv e l o c i t ya r ec a l c u l a t e d f u r t h e rt h ea u t h o r e s t i m a t e st h em a x i m u mr e a c h a b l eh e i g h ta tt h ee x i t t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s s h o wt h a tt h ef a s t e rt h es u p e r f i c i a lv e l o c i t yi s ，t h eh i 【g h e rt h em a x i m u m r e a c h a b l eh e i g h tf o rt h ep a r t i c l e s k e yw o r d s ： c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d b o i l e r , e x i t s t r u c t u r e ， h y d r o d y n a m i c s ，s u p e r f i c i a lv e l o c i t y , b e dd e n s i t y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 ，：表观气速，m s “。： 颗粒在出口区域的速度，m s u ：颗粒终端速度， m s 最小流化速度， 颗粒循环流率， 颗粒粒径， 颗粒密度， 气体密度， 床层颗粒堆积密度， 气体粘度， 阿基米德数 临界雷诺数 终端沉降雷诺数 v i i m s k g m 2 s pm k g m 3 s 向 向 向 昭 鼹 昭 ： ： ： ： ： m f q 以 砟 以 岛 肼 加 k 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 循环流化床锅炉的发展及特点 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。煤炭在我国经济社会发展中占有极其 重要的地位，各行各业都要消耗煤炭，并且绝大部分的煤炭直接用于燃烧，而煤炭燃 烧是造成环境污染的主要来源。可以设想，如此多的燃煤污染源必然导致大范围的室 内和室外大气污染，造成环境的恶化，威胁着人类的生存与发展。因此，实现煤的高 效、低污染燃烧有着非常重要的意义。 循环流化床燃烧技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的清洁燃烧技术，是解决燃煤而 产生的污染问题的主要方法之一。 1 1 1 循环流化床锅炉的发展( 1 】1 2 】 1 9 2 1 年1 2 月德国人温克勒发明了第一台流化床，该流化床使用粗颗粒床料。1 9 3 8 年1 2 月麻省理工学院的刘易斯和占里兰发明了快速流化床。循环流化床真正成为具 有工业实用价值的新技术是在2 0 世纪5 0 一6 0 年代。6 0 年代末，德国鲁奇公司( l u r g i ) 发展并运行了l u r g i v a r 循环流化床锅炉的氢氧化铝焙烧反应器。1 9 7 9 年芬兰奥斯 龙( a h l s t r o m ) 公司生产了2 0 t h 的循环流化床锅炉。1 9 8 2 年德国鲁奇( l u r g i ) 公司 第一台5 0 t h 的商用循环流化床锅炉投入运行，这标志着作为煤燃烧设备的循环流化 床锅炉诞生了。通常把鼓泡床锅炉( 又称沸腾床) 称为第一代流化床锅炉，循环流化 床锅炉称为第二代流化床锅炉。两者之间既有联系，又有差别。随后，循环流化床燃 烧技术得到迅速发展。目前国外的主要开发研制单位和生产厂家有德国鲁奇公司、芬 兰奥斯龙公司、美国巴特尔研究中心、美国福斯特惠勒公司、德国巴布科克和斯坦 缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司。 我国循环流化床燃烧技术的发展相对较晚，但进步很快。早在2 0 世纪6 0 年代初 就开始发展鼓泡流化床锅炉，1 9 8 1 年国家计划委员会批准的“煤的流化床燃烧技术 研究”课题，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。直到1 9 8 9 年1 1 月，第一台由中国科学院与济南锅炉厂共同研制的3 5 t h 循环流化床锅炉在山东 太原理： 大学硕士研究生学位论文 明水电厂投入运行。近几年国内在开发和研制循环流化床锅炉技术方面发展迅速。中 国科学院、清华大学、浙江大学、西安热工研究院、西安交通大学、哈尔滨工业大学、 华中科技大学等科研单位和高校与锅炉厂合作开发和研制出多种技术的3 5 t h 、6 5 t h 、 7 5 t h 、1 2 0 t h 、2 2 0 t h 中压、次高压及高压循环流化床锅炉。1 9 9 1 年，锦西热电厂的 7 5 t l l 循环流化床锅炉投入运行。1 9 9 2 年哈尔滨锅炉厂与美国p p c 公司合作设计和生 产国内首台2 2 0 t h a 循环流化床锅炉。到目前为至，已经投运的最大机组是四川内江的 进口4 1 0 t h ( 1 0 0 m w ) 奥斯龙循环流化床高压电站锅炉。 1 1 2 循环流化床锅炉燃烧系统 循环流化床锅炉是一种燃用化石燃料来生产蒸汽的装置。锅炉炉膛在特殊的流体 动力特性下运行：颗粒被以超过平均粒径终端速度的气流输送通过炉膛，同时又有足 够的颗粒返混以保证炉膛内的温度分布均匀。 循环流化床锅炉燃烧系统如图卜1 所示。离开炉膛的大部分颗粒由分离器捕集， 并以足够高的速率从靠近炉膛底部的回送口再循环送入炉膛，使炉膛内的颗粒返混维 持在最低程度。燃烧一次风通过布风装置送入炉膛，二次风则在布风装置以上的一定 高度从侧墙送入炉膛。燃料在炉膛中燃烧产生热量，一部分由布置在炉膛内的水冷或 蒸汽冷却受热面所吸收，余下部分则被对流受热面所吸收。 循环流化床锅炉的燃烧系统可分为两部分。第一部分是固体物料循环回路，由以 下设备组成： 1 、炉膛或快速流化床； 2 、气固物料分离设备( 旋风分离器或惯性分离器) ； 3 、固体物料再循环设备： 4 、外置换热器( 有的循环流化床锅炉中没有该设备) 。 第二部分是对流烟道。对流烟道布置有过热器、省煤器和空气预热器，烟气的余 热在对流烟道中被吸收。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图卜1 典型的循环流化床燃烧系统 f i g 1 - lt y p i c a lc o m b u s t i o ns y s t e mo f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 1 1 3 循环流化床锅炉的主要优点 流化床技术起源于化工行业，在电站锅炉上的应用仅有4 0 年左右的历史。循环流 化床( c f b ) 锅炉以其高效率( h i g h e f f i c i e n c y ) 、低污染( l o w e n v i r o m e n t a l p o l l u t i o n ) 、 良好的经济性( e c o n o m i c s ) 成为引人注目的能源“三e ”利用技术，在锅炉行业得到 了广泛的应用。尤其是近十年来，循环流化床锅炉机组大型化发展也取得了突破性的 进展。 循环流化床锅炉虽然问世较迟，但运行实践表明，它在实用性、经济性和低污染 方面具有独特的优势，并且兼有煤粉燃烧和常规流化床燃烧的优点。主要体现在以下 几个方面【l 】【3 】： 1 、燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中，新加入燃料按质量 百分比计仅占床料的1 一3 ，其余是未燃尽焦炭和不可燃的固体颗粒，比如脱硫剂、 灰渣或砂。这些炽热物为新加入燃料提供了稳定充足的点火热源。此外，循环流化床 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很快 与大量灼热床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而床层温度没有明显降低， 这是循环流化床锅炉既可以燃用优质煤，也可以燃用各种劣质燃料的主要原因。 2 、燃烧效率高 国外循环流化床锅炉，燃烧效率一般高达9 9 。我国自行设计、投运的循环流化 床锅炉燃烧效率可高达9 5 - - 9 9 ，其主要原因是煤燃尽率高。煤粒燃尽率分三种情 况分析：较小的颗粒( 小于0 0 4 m m ) 随烟气一起流动，在飞出炉膛前可以完全燃尽， 在炉膛高度有效范围内，它们燃烧的时间是足够的；对于较大一些的煤粒( 大于 0 0 6 m m ) ，在燃烧室内停留较长，只有当通过燃烧或相互摩擦、碎裂、直径减小时， 才随烟气逸出；对于中等粒度的颗粒( o 0 4 m m - - 0 0 6 r a m ) ，循环流化床锅炉通过分 离装置将这些颗粒分离下来，送回燃烧室进行循环燃烧，给颗粒燃尽提供了足够时间， 以达到燃尽的目的。运行锅炉的实测数据表明，循环流化床锅炉的炉渣可燃物含量仅 为1 一2 ，锅炉效率可达8 8 - - 9 0 。 3 、高效脱硫 循环流化床低温燃烧的特点使其能够与多数天然石灰石的最佳燃烧脱硫温度相 一致。脱硫剂化学当量比( 钙硫比) 为1 5 2 5 时，循环流化床锅炉可以达到9 0 的 脱硫效率，而鼓泡流化床锅炉和其他燃烧方式的锅炉则很难达到该指标。 与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。为了使氧化钙( 石灰石煅烧后的产 物) 充分转化为硫酸钙，烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和 尽可能大的反应表面积。事实上，越小的颗粒越能得到高的利用率。鼓泡流化床锅炉 中，气体在燃烧区域的平均停留时间为1 s 一2 s ，在循环流化床锅炉中则为3 s 一4 s 。循 环流化床锅炉中石灰石颗粒粒径通常为0 1 m m o 3 m m ，而鼓泡流化床锅炉中则为 o 5 m m l m m 。0 1 m m 颗粒的反应比表面积是l m m 颗粒的数十倍，再加上石灰石颗粒 也参与循环，可反复使用。因此，无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫的脱硫率，循 环流化床锅炉比鼓泡流化床锅炉优越。 4 、n o x 排放低 由于循环流化床锅炉采用低温燃烧和分级燃烧，低于燃烧化学当量的一次风从炉 膛底部加入，这样析出的燃料氮不能充分与氧反应产生氮氧化物，二次风在炉膛底部 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 还原区的上部加入，使过量气达n 2 0 ，燃料氮已转化为分子氮，在还原区以上形成 n o x 的机会也较小；循环流化床锅炉床温在8 0 0 。c 一9 0 0 。c 范围内而煤粉炉的炉膛温度 在1 4 0 0 。c 一1 6 0 0 0 c ，因此循环流化床锅炉n o x 排放量大大低于煤粉锅炉，完全满足环 保要求。 5 、燃烧强度高，炉膛截面积小 循环流化床锅炉的截面热负荷约为3 m w m 2 - - 6 m w m 2 ，接近或高于煤粉炉。同 样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 3 倍。 6 、调峰性能好 循环流化床锅炉在无助燃油的情况下，最低负荷可以达到额定负荷的2 5 一 3 0 ，负荷变化速率可达每分钟4 - - 5 ，其调峰性能好。 7 、燃料制各和给煤系统简单 循环流化床锅炉入炉燃料颗粒一般在1 0 m m 以下，石灰石颗粒在l r n m 以下，比煤 粉炉的煤粉颗粒粗得多，不需要磨煤机，只需要破碎系统。因此，循环流化床锅炉可 以集中给料，系统简单，一个给料点可满足约1 0 0v h 锅炉蒸发量需要，有利于锅炉大 型化。 ，8 、灰渣综合利用率高 循环流化床锅炉灰渣未经过高温熔融过程， 好的水泥活性混合料或其他建筑材料。 另外，以循环流化床燃烧技术为基础的煤气 一种主要清洁燃烧技术。 且灰渣可燃物低( 小于5 ) ，是很 燃气联合循环还被认为是本世纪的 1 1 4 循环流化床锅炉运行中存在的缺点 最近几年的发展和实践证明，循环流化床锅炉也有其自身的缺点，有待于进一步 研究解决，主要体现在f 】【4 】： 1 、运行可靠性较差 从目前国内已运行的循环流化床锅炉来看，普遍存在着受热面磨损快、给煤和回 料不畅、冷渣器故障等多方面问题，这些问题不可能在短时间内全部解决，今后还有 很多工作要做。而煤粉锅炉技术早已成熟，3 0 0 m w 煤粉炉发展也有数十年历史，各 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 项性能与国际先进水平基本相当。因此，循环流化床锅炉可靠性和长期连续带负荷能 力比煤粉炉差。 2 、投资成本和运行费用高 由于循环流化床锅炉的炉膛内温度比煤粉炉要低得多，在相同锅炉容量下，循环 流化床锅炉所耗钢材要比煤粉炉大得多，其制造成本也高。就目前3 0 0 m w 机组锅炉 而言，循环流化床锅炉比没有脱硫系统的煤粉炉的投资增：n n 7 0 0 0 万元左右人民币。与 煤粉炉相比，循环流化床锅炉投资成本和运行费用较高。 3 、机组大型化存在的问题 在循环流化床锅炉的大型化方面，还面l 瞄着很多技术问题，我国尚处于引进的起 步阶段，没有投运的经验，需要较长时间的消化吸收过程。要真正开发研制出国产 2 0 0 m w 和3 0 0 m w 以至于更大容量的c f b 锅炉，还有以下很多问题值得进一步探索和 研究： ( 1 ) 机组容量增大后带来的锅炉放大问题； ( 2 ) 关键部件如外置式换热器等设计、布置、运行等问题； ( 3 ) 进一步降低污染物( 如s 0 2 、n o x ) 的排放问题； ( 4 ) 煤种的适应性问题； ( 5 ) 进一步提高运行水平的问题； ( 6 ) 配套辅机设备的问题。 1 2 循环流化床锅炉目前存在的问题及工程对策 上述分析表明，作为新一代高效、低污染、清洁燃煤技术，与层燃炉和煤粉炉相 比，循环流化床锅炉有着比较突出的优点并得到了迅速发展。但是，也存在着亟待解 决的缺陷和不足。 1 2 1 循环流化床锅炉目前存在的问题 从流态化工况看，循环流化床锅炉内分成两个区域，即床上部的稀相区和床下部 的浓相区。由于循环流化床锅炉采用平均粒径较粗的宽筛分燃料颗粒，相应于采用的 表观气速，床下部的粗颗粒因刚刚超过临界速度仍处于鼓泡床或湍流床，一般不敷设 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 埋管。床上部的细颗粒因已超过表观气速而处于快速床或气力输送，蒸发受热面分布 在炉膛中上部，使得循环细颗粒的浓度分布以及在床内的运动特性很大程度上影响着 炉内的传热过程。全床流型为二者的叠加。 需要说明的是，我国循环流化床锅炉颗粒循环流率较小，上部一般为气力输送， 颗粒行为基本上仍以单颗粒的形式，很难形成环形流。随着循环流化床燃烧技术的发 展和演变，目前循环流化床( c f b ) 锅炉存在的主要问题是： 1 、床温控制 循环流化床锅炉由于没有埋管，而不象鼓泡流化床锅炉那样容易控制床温。对于 没有外置换热器e h e ( e x t e m a lh e a te x c h a n g e ) 的循环流化床锅炉，循环物料接近或 超过炉内床温而不具备控制床温的能力，导致燃烧室温度过高，造成n o 。和s o 。的 排放增加。 2 、细颗粒在炉内的停留时间 循环流化床锅炉燃烧室上部为远离饱和夹带的稀相气力输送，物料难以聚集成为 粒子团，无法形成内循环，使得细颗粒停留时间短，飞灰含碳量高，燃烧效率降低， 控制s o ，排放所消耗的c a 的利用率降低。 3 、床内气固横向混合 在循环流化床锅炉的操作条件下，床内气固两相横向混合较差，使床内温度难以 维持均匀分布。 因此，为了使循环流化床锅炉运行在适当的温度范围内，又不降低燃烧效率，以 保证循环流化床锅炉的性能，从工程角度迫切需要解决以下问题： 1 、增强循环流化床内循环颗粒浓度，以增强传热和控制床温的能力； 2 、延长细颗粒在床内的停留时间，以提高燃烧效率； 3 、增强气固横向混合，以维持床内温度均匀分布。 1 2 2 解决循环流化床锅炉目前存在的主要问题所采取的措施 实际上，循环流化床内循环颗粒浓度增加也可以延长细颗粒在床内的停留时间， 并增强气固横向混合，也就是说上述三个问题是一致的。通常增加循环流化床内物料 浓度的方法有： 7 太原理： 大学硕士研究生学位论文 l 、增强颗粒的外循环( 炉外循环) 循环流化床锅炉的外循环是指含碳颗粒由炉外分离器分离后，经物料回送系统送 回炉内燃烧，即可提高分离器的效率增加颗粒回送量1 5 】。由于增加了复杂的物料 回送系统，使得： ( 1 ) 设备投资、运行、维护费用大大增加； ( 2 ) 风机压头增加，消耗过多的能量； ( 3 ) 对于没有外置换热器的循环流化床锅炉，循环物料已不具备控温能力； ( 4 ) 炉内外受热面磨损严重； ( 5 ) 特别是高温旋风分离器体积庞大，磨损严重，造价高，难以克服细颗粒在 旋风分离器内再燃、结渣等问题。 循环流化床锅炉一个重要发展方向就是简化锅炉结构，改进或采用新型低阻力、 小尺寸分离器。瑞典s t u d s v i k 能源技术公司开发的迷宫式分离器、清华大学开发的s 型平面流分离器等都是在这个方面有意义的尝试和努力。然而，单从增强炉外循环的 角度出发，具有一定的局限性。为此需要减小中间环节，寻求一个更经济更有成效的 途径。 2 、增强颗粒的内循环( 炉内循环) 所谓炉内循环是指含碳颗粒一炉内燃尽，颗粒内循环是指壁面附近从炉顶到炉底 的下降颗粒层( 图l - - 2 ) 。该下降颗粒层的温度介于床温和壁温之间，可以作为传热 介质把热量从向上流动的颗粒传递到壁面，而当它下降到床底部时，又可以作为冷却 剂来控制床温。 目前，国内外许多学者致力于研究如何增强颗粒内循环： ( 1 ) 在悬浮段中加入切向二次风1 6 j ，颗粒在离心力作用下被分离向壁面并沿壁 面向下流动，形成颗粒内循环，从而有效地控制细颗粒被带出( 图1 3 ) 。这种方法 的射流在炉内衰减快，气固流场布置复杂，局部磨损加大。有研究表明，选择合理的 二次风喷嘴角度，对控制颗粒带出和实现颗粒内循环有良好的效果【7 1 。 ( 2 ) 在循环流化床锅炉的炉膛上部装置三漩涡分离器，即主漩涡室、端部漩涡室 和第三漩涡室( 图1 - - 4 ) 。主漩涡室分离出来的物料进入第三漩涡室后回主床燃烧， 端部漩涡室分离出来的物料直接回主床燃烧。可见，第三漩涡室能有效地降低主漩涡 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 室分离出来的物料的二次夹带，而端部漩涡室能较大幅度地提高细颗粒的分离效率。 这种方法比较适用于小容量循环流化床锅炉。 i - x 乞e r n a t r o c y c j e f 1 u c9 8 s a 主r w a e 1 , - w a ll t u i 摊 t b t s ! w 图1 2 循环流化床内循环和热传递的概要简图 d o w n y e r f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n t e m a lr e c y c l ea n dh e a tt r a n s f c ri nc f bb o i l e r ， 1 蛤墓弧2 璀翱撵，髯扭投渤第一f ：旋辫妻 曩三麓鼍童 之移汉1 瓣气出口乳按功凡 图1 3 循环流化床的内循环 图l 一4 三个漩涡室 f i g 1 - 3f l u i d i z e db e dw i t hi m e m a lc i r c u l a t i o n f i g 1 - 4t h r e ev o r t e xs e p a r a t o r s 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 在炉膛下部加装构件f 8 】【9 1 ，物料形成三个床内循环，即炉室中央区内( a 区) 双环状内循环；环绕隔板形成的( b 区) 的又一层内循环；炉膛外旋风分离器下含碳 灰回送的外循环( 图1 5 ) 。日本e b a r a 公司的这种内循环床锅炉将燃烧过程和传热 过程分开，两侧传热室内为移动床，解决了埋管的磨损问题。这种方法比较适合于小 容量循环流化床锅炉，对大容量循环流化床锅炉，受热面基本布置在上方，使构件不 能调控。 ( 4 ) 在炉膛出口加装u 型槽式分离器( 图1 - - 6 ) 8 】【9 】【1 们。b & w 的内循环炉就是在 炉膛出口加装两种u 型槽式惯性分离器，当炉内含尘气流撞击n u 型槽后能量消失， 固体颗粒沿槽下滑，经料斗和出流口直接返回炉膛上方，形成炉内颗粒再循环。这种 方法结构简便，内循环量大。 图1 5 三个循环 f i g 1 5t h r e er e c y c l e s 图1 - 6u b e a m 分离器 f i g 1 _ 6u b e a ms e p a r a t o r 由此可见，各种方法都是基于将分离器置于燃烧室内。虽然体积紧凑，占地空间 小，但是分离器长期在炉内高温的恶劣条件下工作。这样要求分离器的材料既要耐高 温，又要耐高浓度颗粒的磨损，使其寿命和价格成为关键问题。 鉴于上述情况，需要探索一种更简介的方法来增强颗粒内循环。前期初步研究表 明，循环流化床锅炉出口几何结构对床内的颗粒分布有很重要的影响。对于床高与床 径之比小于1 0 ( 属于短管) 的实际循环流化床锅炉，此时更不能忽视出口结构的影响。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 循环流化床锅炉出口结构对流化床流动特性影响的研究 随着流态化技术的发展，人们在流态化理论的研究方面取得了一些研究成果：流 态化现象的区分、颗粒的分类及其流化特性、鼓泡流化床模型及快速流态化理论等。 尤其是对于快速循环流化床内的流动结构与模型，目前已达成了一定的共识：大的气 固滑移速度、颗粒团聚物的形成、环一核流动、壁面附近固体颗粒的返混、颗粒浓度、 气体及颗粒运动速度在轴、径向不均匀分布等。对于循环流化床内颗粒浓度沿轴向床 高的分布特征，人们普遍认为循环流化床由底部较浓的密相区和上部相对较稀的稀相 区组成，整个床层呈现上稀下浓的分布规律。 然而，对于循环流化床锅炉出口区域的浓度分布和颗粒运动特性，目前仅有为数 不多的一些研究成果。事实上，循环流化床锅炉的出口必将对颗粒浓度的轴向分布产 生影响。 ) 3 c k r 壶 一 ，f ? 忐j 矗m ；日 李： 籼 |i 1 扛掰鹈约寐21 1 t 【：_ l 缀约求 a 两种典型的循环流化床出口结构形式 太原理工大学硕士研究生学位论文 膏。( ) 酾 1 0 霉阳 b 出口结构对轴向孔隙率分布的影响 图卜7 s c h n i t z l e i na n dw e i n s t e i n 的研究结果 f i g 1 7e x p e r i m e n t a lr e s u a sb ys c h n i t z l e i na n dw e i n s t e i n s c h n i t z l e i na n dw e i n s t e i n 【i i 】等人在研究循环流态化气固流型及传递规律的过程 中，对循环流化床的入口和出口效应进行了研究。他们研究了如图1 - - 7 a 所示的两种 出口结构对空隙率轴向分布的影响，实验中发现出口结构对于截面平均空隙率的轴向 分布有重要影响。当快速流化床出口具有较强约束时，可以出现床层中部空隙率较高、 底部和顶部两端空隙率较低的反c 形分布( 图l 一7 b ) 。 j i n 1 习研究了图1 8 所示的两种循环流化床出口几何结构对于截面平均空隙率轴 向分布的影响。在不同操作条件( 床内气流速度和物料循环流率) 下，两种出口几何 结构的实验结果如图1 9 所示。研究发现，在出口为弱约束( 图1 - - 8 1 ) 时，空隙 率呈传统的上稀下浓分布。但是当出口具有较强约束( 图1 - - 8 1 1 ) 时，颗粒由于惯性 冲向床顶，在床上部减速或滞止，使床密度明显回升，出现了床层中部空隙率较高， 而顶部空隙率较低的现象。这种影响范围很大，甚至可达全床。 1 9 ， s 3 j 太原理工大学硕士研究生学位论文 f i g u r e2 e x i ts ；r u c t u r eo ff 弛 i r i g h t a n g l eb e n dw i t hg u i d i n g b a f f l e f a i r c u s h i o nb e n d a t u r n i n g - b a c kr e g i o n b r e g i o no f m o m e n u m e x c h a n g i n g o fs o l i d c t r a d i t i o n a lf a s tf l u i d i z a t i o n r e g i o n 图l 一8j i n 研究的出口几何结构 f i g 1 8e x i tg e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o n sb yj i n n卟433ms 。q ，2 4 摹 | t l ；：；：7 二。工。m ，- 2 ；f 一 耋 ： 乏 一 争 ：。c 。口。一： o o 8 0 ，o 80 a 气速对床内轴向空隙率分布的影响 1 3 o ， ： ， s 7 ， o 查堕望三奎兰堡主婴壅生堂笪笙塞一 ； j 、多、产 j 弋 刈： 毪 、l 每 寸 k ； 气? 薹： 1 j a i l竹 - m “ 工 岬 忡。州 1一蓉0 。，三 。“，而t i t ，l i “唪 1 1 j i q 讲l h “。州 已一 洲j 州 j “q 膳上 ，一 0 k ，“，一 2：j 声， j 五 ， 毒 哼 产 t l 。 b 固体循环流率g s 对轴向空隙率分布的影响 2 t 1 0 ，： 2 o l 口f c 不光滑出口对不同床高的径向空隙率分布的影响 图i 一9j i n 的实验结果 f i g 1 - 11e x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yj i n m i c h a e l g s c 眦i n 【13 1 ，q y z h e n g t l 4 1 ，和l r g l i c k s m a n s 等就图l l o a 弄f l b 所示的出口几何结构对床内流动特性的影响得出了类似的结果，即在采用非光滑出口 时，床密度分布出现了床中部较低，而床底部和顶部较高的c 型分布，并不呈现常规 的s 型分布和e 指数型分布。进一步研究指出，采用非光滑出口时，在炉顶形成的密相 悬浮区可以减小上升颗粒的动量，从而减轻循环流化床锅炉顶部的磨损。由于靠近壁 面的气流速度太低，使悬浮粒子沿壁面下降，增强了炉内传热。此外，床顶部密度回 升，颗粒易成团并沿壁面返回床内，形成内循环，使得进入旋风分离器的颗粒浓度降 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 低，也减轻了旋风分离器的磨损。这些都是随内循环增强而带来的益处。 g r a c ejr ，a v i d a na a 和k n o w t o nt m 【16 j 等人在归纳己有的有关颗粒在出口区域 运动情况的研究成果时，也发表了同样的见解。多数文献讨论了两种典型出口下颗粒 与床顶的碰撞现象和颗粒浓度在此区域的增浓效应，研究结果趋势相同。 a ne n k e ”】研究了具有不同突起高度和出口角度的床顶结构对壁面附近颗粒下 降流动的影响深度即回流长度的影响。结果表明，在相同操作系统条件下，光滑出口 对流化介质和固体颗粒的导向作用，使大部分固体颗粒随流化气体进入分离器，回流 长度要短得多。但是突起高度越高，一般回流长度也越长。 f a l l i n g 5 0 l i dl a y e r s i d ew a l l s o l i d g a s s o l i d a b 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 1 0 z h e n g 的试验结果 f i g 1 1 0e x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yz h e n g 许多学者进一步研究和探索了出口几何结构对床内流动特性1 1 8 1 1 9 】1 2 0 1 ，尤其是对 颗粒内循环的影响。从对上述文献的分析中认识到，循环流化床内气固流动特性在很 大程度上取决于床的出口结构。长期以来，各国学者们对循环流化床内空隙率的分布 特性有各种报道，其主要原因就在于研究者各自所用实验台的出口几何结构不同。 1 4 本论文的主要工作 循环流化床锅炉的基础理论研究工作相对滞后于锅炉燃烧实践的发展，其许多概 念源于化工领域循环流化床研究成果的启发。许多研究者对出口结构对床内流动特性 的研究作了一些初步探索，但所有的实验结果都是基于圆形床或床的截面积较小，操 作参数也趋于化工设备的大循环颗粒流率工况。这些实验结果用于指导循环流化床锅 炉的设计和运行是不够的。 为了使实验条件更接近于实际的循环流化床锅炉的条件，因此本次实验采用方形 床，并且床的截面积也较大，操作参数接近循环流化床锅炉的实际工况，能更好的反 应实际情况。本文作者通过实验的方法研究以下内容： l 、在前人研究工作的基础上设计循环流化床锅炉的出口结构； 2 、研究循环流化床出口结构对床内流动特性的影响； 3 、通过对颗粒的受力分析，揭示颗粒在出口区域的运动机理。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章循环流化床气一固两相流体动力学特性 循环流化床内的流体动力特性决定着锅炉的运行风速、变工况的极限、辅机的能 耗、床内温度分布、床内存料量和受热面磨损情况等，所以循环流