（热能工程专业论文）循环流化床锅炉出口区域颗粒浓度分布和运动特性的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 循环流化床锅炉内的气固两相流动特性是非常复杂和有其特色的，对它的 仔细分析和深入研究对掌握炉内燃烧和传热特性、正确进行循环流化床锅炉的 设计、运行和控制等具有重要意义。然而就目前的状况来说，相关的基础理论 研究工作滞后于锅炉燃烧实践的发展，对循环流化床锅炉内的气固两相流动特 性缺乏统一的细致深入的了解，甚至还存在一些不尽正确的研究成果和观点， 例如对于炉膛上部出口区域的颗粒浓度分布和运动的认识。 当前对于循环流化床锅炉内的流动形态，比较一致的看法是燃烧室下部是 由粗颗粒组成的密相区，处于鼓泡流化床状态。而对床层上部的流动形态，大 部分的观点认为是由细颗粒组成的稀相气力输送，因而不会有颗粒团的出现或 颗粒内循环的形成。还有一些学者通过对炉膛出口端头效应的研究，认为多数 情况下颗粒在此区域会冲撞到炉顶而在炉顶附近密集，形成颗粒浓度在炉膛内 的“c ”型分布。通过对实际的燃烧锅炉出口区域气固两相流动特性的深入分 析和研究，本文认为上述两种观点都有值得商榷之处，与锅炉运行实践工况有 一定的差距。 为此，本文有兴趣对该区域的气固两相流动特性进行重新审视和仔细研究。 根据有关实际锅炉的测量数据和特点，作者提出了自己关于循环流化床锅炉出 口区域颗粒浓度分布的新观点和颗粒团运动特性的新模型，认为实际循环流化 床锅炉的出口高度往往大于颗粒的减速段长度，在此区域颗粒的重力效应明显， 由于气流的转折作用，不同筛分的颗粒之间出现速度差，在上升与回落过程中 由于颗粒间相互作用很强，从而向出口区下部发生局部浓集现象，在炉膛出口 截面下半部分和后墙附近形成了颗粒团或颗粒带的下降流，因而颗粒在此区域 的浓度分布呈现上稀下浓的特性。 由于目前还少有文献报道专门对此区域进行研究，这一位置虽不引人注意 却在锅炉循环中占据重要地位。为了证明本文提出的关于循环流化床锅炉出口 区域气固两相流动新模型的正确性，作者应用数值模拟技术和实验方法等进行 了验证，结果表明了作者对此区域颗粒浓度分布和运动特性预测的正确性。 关键词：循环流化床锅炉，炉膛出口区域，颗粒浓度分布，气固两相流动 英文摘要 a b s t r a c t t h es t r u c t i o f g a s s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nc i r c u l a t i n gf h i i d i z e db e db o i l e r s f c f b b ) i se x t r a o r d i n a r i l yc o m p l e x i t ya n dd i s t i n c t i v e ad e t a i l e da n de l a b o r a t i v e r e s e a r c ho ni ti s i m p o r t a n tt ot l n d e r s t a n d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m b u s t i o na n d h e a i - t r a i l s f e ri nc f b b ，a sw e l la st oi t sc o r r e c td e s i g n i n g o p e r a t i o na n dc o n t r o l l i n g h o w e v e r ，t h ec o r r e l a t i v ef i m d a m e n t a lr e s e a r c h e sl a g g e db e h i n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m b u s t i o np r a c t i c e i t sd i f f i c u l tt of i n ds o m eu n i f i e do rc o m p l e t et h e o r yt o d e s c r i b et h ef l o wp a t t e r n si n s i d eac f b b ，e v e ns o m ea c h i e v e m e n t sa n dv i e w p o i n t s a r en o tc o r r e c t ，f o re x a m p l e ，t h eu n d e r s t a n d i n go ft h e p a r t i c i ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o na n df l o wa tt h et o p r e g i o na n dt h ee x i tz o n e 。 a tp r e s e n t ，t h ec o m m o n v i e w p o i n t so ft h ef l o ws 缸u c n l r ei nc f b bi st h a tt h e b o t t o mp a r tc o m p o s e do fc o a r s ep a r t i c l e sf o r r u sad e n s ep h a s ea n di nc o n d i t i o no f b u b b l i n gf l u i d i z e ds t a t e a st ot h et o pr e g i o n , m o s tp e o p l ed e e mi t ad i l u t er e g i o n a n di nt h ec o n d i t i o no f p n e u m a t i ct r a n s p o r t t h es i n g l ep a r t i c l ec a n tf o r i l lc l u s t e r s a n di n t e r c i r c u l a t i o nw l l ln e v e ra p p e a r m e a n w h i l e s o m ew o r k s f o c u s i n go nt h ee x i t e f f c c to fc f b bc o n c l u d et h a t p a r t i c l e s v e i l lc o l l i d ew i l lt h e t o pw a l la n dt h u s c o n c e n t r a t ea tt h i sr e g i o n ，e n g e n d e r i n ga c s h a p e dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nm o s t c i r c u m s t a n c e s 1 1 d u g l l a n a l y z i n g a n d i n v e s t i g a t i n g o ft h e g a s s o l i d f l o w c h a r a c t e r i s t i c si nt h i sr e g i o n , t h et h e s i st h i n k st h a tt h e s et w ok i n d so fp r e y a i l i n g k n o w l e d g eo nt h e e x i tz o n ei s d i s p a r i t yw i t ht h ep r a c t i c e sa n dr e q u i r e sf u r t h e r d i s c u s s i o n t l l i sw o r k s u r v e y sa n df o c u s e so n t h ec h a r a c t e r i s t i co f g a s s o l i d 俩o - p h a s ef l o w a tt h ee x i tr e g i o n a c c o r d i n gt ot h er e l a t e dm e a s u r e m e n td a t aa n d p r a c t i c e t h ea u t h o r p r o p o s e d an e wm o d e lo f p a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dc l u s t e r sm o v e m e n t a tt h ee x i tr e g i o ni nt h ec f b b c o n c l u d et h a tt h ep r a c t i c a lh e i g h to fe x i ti sh i g l a e r t h a nt h el e n g t ho f p a r t i c l ed e c e l e r a t i o nl e n g t h ，t h eg r a v i t ye f f e c to n p a r t i c l e sw i l lb e d r a m a t i c d h et ot h ed i r e c t i o nc h a n g i n go fa i r f l o w , t h ev e l o c i t yd i f f e r e n c eb e t w e e n d i f f e r e n ts i z e p a r t i c l e se m e r g e d d u r i n gt h ep r o c e s s o fr i s i n ga n d f a l l i n g ，t h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e n p a r t i c l e sl c a d st oi o c a lc o n c e n t r a t i o n , f o r m i n gad o w n w a r df l o w o fc l u s t e r sa tt h er e g i o nb e n e a t ht h ee x i ta n dn e a rt h eb a c kw a l l t h ep a r t i c l e sd i s p l a y ac h a r a c t e r i s t i co f u p p e r d e n s ea n db o t t o m - d i l u t ed i s t r i b u t i o n 1 1 1 eg a s - s o l i df l o w p a t t e r na tt h ee x i tr e g i o ni sv e r yi m p o r t a n t t ou n d e r s t a n d i n g t h ew h o l ec i r c u l a t i o ni nc f b b ，b u t u n f o r t u n a t e l yt h e r ea r ef e ww o r k sh a dd o n eo n t h i sp r o b l e mt i t ln o w i no r d e rt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h en o v e lm o d e lo nt h e g a s s o l i df l o ws t r u c t u r ea tt h i sr e g i o n , a u t h o ra p p l i e sb o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d s 乃er e s u l t sc o n f n r n e d 0 1 1 1 - c o n c e p t i o n o ft h e p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n df l o wc h a r a c t e r i s t i ca tt h ee x i tz o n e k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e db o i l e r s ，e x i t z o n e ，p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n ，g a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w - i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘芏或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壶向季签字日期：。口。；年心月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：曼向军导师签名： 勘激 签字日期：函。；年膳月7 e l 签字日期： 。弓年f 厶月，) 日 第一章绪论 1 1 流态化技术发展概述 第一章绪论 流态化( f l u i d i z a t i o n ) 是指固体颗粒在流体作用下的流动现象。人类应用流 态化技术的历史非常久远，早先的淘金、冶炼，甚至淘米、扬簸等都可看成是 流态化技术在生产和生活中的应用。目前公认的流态化技术首次较大规模的工 业应用始于1 9 2 6 年德国的w i n k l e r 气化炉凹 。1 9 4 2 年，由于第二次世界大战对 航空汽油需求的剧增，美国麻省理工学院和美孚石油公司开发出了第一代工业 流化催化裂化( f l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n g ，简称f c c ) 装置，对石油工业的发展起 了很大的推动作用口1 。四十年代中期，美国和加拿大等应用流态化技术进行黄 铁矿焙烧和石灰石的煅烧，被视为流态化燃烧技术的开始1 。近几十年来，流 态化技术的发展一日千里，其应用范围日趋广泛，目前已在化工、石油、冶金、 制药、动力、环保、材料等领域取得了引人瞩目的成就，广泛应用于化工生产 中的气固相催化反应、煤的气化与焦化、固体燃料的燃烧、物料的干燥、加热 与冷却、吸附与浸取、固体物料的输送等，成为一项跨学科发展的新兴技术。 目前，流态化技术在能源领域的典型应用就是循环流化床锅炉( 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 s ，简称c f b b ) 燃烧技术。循环流化床( c i r c u l a t i n gh u i d i z e d b e d ，简称c f b ) 是一种操作速度较高，并且有大量颗粒夹带的流化床，循环流 化床具有比传统密相流化床( 如鼓泡床、湍动床) 更高的气一固接触效率、更 为均匀的固体颗粒分布以及极少的气一固返混，因此被广泛应用于工业生产。1 近年来，循环流化床锅炉以其高效、低污染、燃料适应性广等诸多优点而日益 受到人们的重视，成为当前一项引人瞩目的清洁煤燃烧( c l e a nc o a lc o m b u s t i o n ) 技术。可以这么说，循环流化床锅炉燃烧技术的发展，对传统的煤燃烧技术和 电站锅炉的发展起了革命性的推动作用。由于循环流化床锅炉在动力行业的应 用日趋，弋泛，它已成为流态化技术发展的一个非常重要的组成部分。 早期的循环流化床锅炉属快速流态化，它借鉴了快速流化床的许多优点， 颗粒尺度较小而操作气速甚高，因此床内的颗粒浓度和循环量也比较大。此时 炉膛内会出现颗粒团的形成和环核流动等典型的快速床特征，床内气固之间湍 动混合作用强烈，非常有利于传热传质，其燃烧效率和脱硫效率等均优于鼓泡 床锅炉。 随着循环流化床燃烧技术的应用和发展，人们发现采用过细的燃料颗粒易 第一章绪论 造成旋风分离器内燃烧份额过大和超温结渣，于是增大了燃料粒度。较高的流 化速度和较高的固体浓度，给快速循环流化床带来了水冷壁及受热面容易磨损、 锅炉整体能耗过高等问题，为此气速也有所降低。如此变化之后，床内的流动 形态变化很大，从整体上来说己不属于快速流态化工况。因此，c f b b 虽然是由 c f b 发展而来，但经几十年的燃烧实践摸索和改进，已经在许多方面与化工行 业应用的循环流化床有了很大的不同，循环流化床锅炉内也形成了其独具特色 的气固两相流动特性。 1 2 循环流化床锅炉国内、外发展现状 1 2 1 国内发展现状 我国早在6 0 年代初就开始发展鼓泡床锅炉，对循环流化床锅炉的研究起 步较晚，但进步很快。9 0 年代我国循环流化床锅炉的生产和应用有了很大的发 展，截止2 0 0 0 年，已有8 0 0 多台循环流化床锅炉投入运行，其中最大的循环流 化床锅炉机组容量达到4 2 0 t h 。国家己将循环流化床锅炉大型化作为“八五” 及“九五”重点攻关项目，配3 0 0 m w 机组的循环流化床锅炉正在进行研制工作， 力争2 0 0 5 年形成生产2 0 0 3 0 0 m w 级循环流化床锅炉及辅助系统的生产能力。 目前，国内有近2 0 家循环流化床锅炉生产厂，许多高等院校、科研院所也正在 开展循环流化床锅炉理论和关键技术的研究。 近十年来，我国循环流化床锅炉的发展取得了可喜的进步，目前已经形成 了三种典型的循环流化床锅炉技术，它们分别是由清华大学与有关锅炉厂开发 的异型水冷分离循环流化床锅炉，中科院工程热物理所与有关锅炉厂开发的百 叶窗加旋风两级分离循环流化床锅炉，以及由华中科技大学与有关锅炉厂开发 的下排气旋风分离循环流化床锅炉。这三种锅炉的共同特点是锅炉结构紧凑， 呈典型的n 型布置，未采用冷灰仓：此外，都没有采用国外普遍采用的高温上 排气旋风分离器，而使用了它们各具特色的分离器。 1 2 1 国外发展现状”。 国外从7 0 年代开始进行循环流化床锅炉的半工业性实验研究，投入运行的 机组有2 0 0 多台，8 0 年代循环床技术得到快速发展，产品向大容量、高参数方 向发展，已投运的最大容量是6 7 0 t h ，正在研究1 0 0 0 t h 锅炉，其技术发展趋 势是简化结构；强化炉膛内部循环；去掉大尺寸的旋风分离器；利用“冷”灰 流返回的方法调节灰颗粒尺寸。 2 第一章绪论 当今国际上循环流化床锅炉结构设计特点可分为三大流派即：德国l l b 公 司的l u r g i 型循环流化床锅炉；美国f m 公司的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉； l b b 公司的c i r c o f l u i d 循环流化床锅炉。除此之外8 a t t e l l e 研究中心的m s f b 型、f w 公司的i n t r e x 型循环流化床锅炉也颇具特色。 自从流化床燃烧技术问世以来，经过不断完善与发展，循环流化床锅炉已 向清洁、高效和低成本迈进了一大步。 1 3 课题的选择及研究背景 1 3 1 选题的背景 作者就职的公司是一家锅炉专业生产厂家，为了顺应市场的要求决定开发 一种7 5 t h 循环流化床锅炉( 为方便叙述以下简称为7 5 t h c f b b ) 。为此作者进 行了初步设计，循环流化床锅炉有其独有的特点，炉内气固两相流动是非常复 杂和有特色的，对之有足够的认识是掌握炉内燃烧和传热特性的基础和前提， 而循环流化床锅炉炉膛上部出口区域是联接燃烧室，分离器和尾部烟道的重要 部分，对循环流化床锅炉内的燃烧和物料循环特性起着相当大的影响作用，在 此区域的气固两相流动特性将直接影响到分离器的设计和分离效率。同时，由 于传热的需要，循环流化床炉膛的出口区域还经常要布置过热器等受热元件， 因此对该区域内两相流体动力特性的理解直接关系到对这些锅炉受热面的防磨 性能的考虑，根据现在商用循环流化床锅炉炉膛内气固两相流动的特点，本文 以7 5 t h c f b b 出口区域为研究对象，对该区域内的气固两相流动特性进行重新 审视和仔细研究，在此基础上提出了自己关于循环流化床锅炉出口区域颗粒运 动特性的新观点和颗粒团运动的新模型，并运用数值模拟技术和实验方法进行 了验证。 1 3 2 拟开发7 5 t h o f b b 的初步设计 循环流化床锅炉的设计包括锅炉的炉型选择与整体布置，燃烧室的设计计 算，各段受热面的设计计算，布风系统的设计，颗粒分离与回送装置的设计， 烟风管道的阻力计算，受压元件的强度计算以及辅助设备的选择。其总体设计 程序与常规燃煤锅炉大致相同，但应注意到有物料循环燃烧的特点。 7 5 t h c f b b 的主要设计参数： 额定蒸发量： 7 5 t h额定蒸汽压力：3 8 2 m p a 第一章绪论 额定蒸汽温度：4 5 0 排烟温度： 1 4 0 锅炉热效率： 8 1 锅炉整体结构布置见图1 - 1 给水温度： 热空气温度 燃用煤种： 1 5 0 1 5 0 贫煤 l 一炉膛；2 一百叶窗分离器；3 一高温过热器；4 低温过热器；5 一省煤器 6 一空气预热器；7 一旋风分离器；8 一一级返料器：9 一二级返料器 图1 17 5 t h c f b b 整体布置图 1 主要设计参数的选择 ( 1 ) 流化速度和截面热负荷的选择”1 流化速度是循环流化床锅炉的重要特性参数。气固流化规律表明：当气体 和颗粒物料的特性一定时，就要求有一定的流化速度以维持床层的循环流动状 态。流化速度增加，能实现循环的颗粒粒径也增大，循环物料量也增多。流化 速度的选取是综合多方面因素而确定的。流化速度高，炉膛尺寸小，结构紧凑， 但将引起受热面磨损加剧。更为重要的是为了保证一定的烟气停留时间和满足 炉内布置足够的受热面，势必要增加炉膛高度，这样会增加钢材耗量和风机能 耗，可能会抵消由于炉膛变紧凑所带来的好处。 4 第一章绪论 截面热负荷即单位炉膛截面积所能产生的热量，是循环流化床锅炉设计中 的一个重要参数。对于具体锅炉，当燃料确定后，截面热负荷与流化速度是等 同的，选定了其中一个参数另一个也随之确定。7 5 t h c f b b 在综合考虑了各方面 因素后，流化速度选取为5 m s ，对应的截面热负荷为3 m w m 2 。 ( 2 ) 循环倍率的选择 循环倍率是单位时间内锅炉循环物料量与耗煤量之比。循环倍率的高低与 锅炉的燃烧、传热、污染控制和负荷调节等密切相关，是极其重要的设计参数。 影响循环倍率的因素有：燃煤和石灰石及其粒度分布、流化速度和分离器的分 离效率等。粒子平均粒径小、流化速度高、分离器效率高时，可以实现较高的 循环倍率。7 5 t h c f b b 燃用煤种为宽筛分( o l o m m ) 的贫煤，锅炉容量也相对 较小，故采用低循环倍率，选取为2 0 以下。 2 燃烧室的设计哺1 循环流化床锅炉设计和运行的成功主要取决于燃烧室的设计。 ( 1 ) 燃烧室横截面积的确定 7 5 t h c f b b 燃烧室为了使受热面布置方便采用矩形截面。燃烧室的横截面积 根据所选定的截面热负荷或流化速度与锅炉总的热容量确定。截面热负荷选定 为3 m w m 2 ，7 5 t h 折合热容量为7 5 * 0 7 = 5 2 5 m w ，炉膛截面积为5 2 5 - - 3 = 1 7 5 m 2 ，炉膛深度选为5 m ，宽度选为3 5 m 。 ( 2 ) 燃烧室高度的确定 燃烧室的高度是循环流化床锅炉设计的一个重要参数。为保证燃料的完全 燃烧，循环流化床锅炉燃烧室存在一个最小高度h 。i 。与煤粉锅炉不同，循环 流化床锅炉并不要求送入的燃料在依次通过炉膛时就实现完全燃烧。循环流化 床锅炉的入炉燃料颗粒筛分较宽，只有颗粒终端速度小于流化速度的细颗粒将 被气流携带出燃烧室，其余的大颗粒将停留在床内，具有足够的时间使其燃尽。 被气流携带走的颗粒中，粒径大于分离器临界分离直径d c 的那些颗粒被分离器 捕集，重新送入燃烧室内循环燃烧。因此，只有那些颗粒粒径d i 小于d c 的煤粒 要求在一次通过燃烧室时就能实现完全燃烧。所以，燃烧室高度h 应以确保一 次性通过燃烧室的细粒能燃尽为原则，即燃烧室最小高度。 在混合良好的情况下，粒子在燃烧室的停留时间t 可按下式估算： 第一章绪论 ，= 月g ， ( 1 1 ) 式中：g 。为物料的循环流率，k g ( m 2 s ) ：h 为燃烧室高度，m 。 在循环流化床锅炉中，细颗粒的燃烧处于动力的燃烧区，其燃尽时间t b 为 屯= 见d 。( 4 8 k 。c 。) ( 1 - - 2 ) 式中：p 。为炭粒的密度，k g m 3 ；c o 为燃烧室内氧的摩尔浓度，k m o l m 3 ，氧浓 度沿燃烧室高度按指数规律分布，作为近似估算，可取其平均值；k o 为化学反 应常数，m s ，可按k = 5 9 5 瓦e x p _ 1 4 9 2 乡q 乃j 计算( 其中：t p 为粒子热力学 温度，k ；r 为气体常数，等于8 3 t 4 k j k m 0 1 ) 。 如前所述，按t t b 及d i = d c ，由上述公式即可估算出燃烧室最小高度h m m 。 在循环床中，细煤粒的燃尽大约需要3 5 s ，7 5 t h c f b b 流化速度选取为5 r r d s ， 燃烧室高度约为2 0 m 左右。 ( 3 ) 出1 3 烟窗面积及高度的确定 出口区域布置有高、低温过热器，此区域烟气中含灰浓度较高且飞灰颗粒 较大，在满足传热的前提下烟气流速不能过高以防止受热面磨损，7 5 t h c f b b 选 取6 m s 。 出1 3 烟气流速按式l 一3 计算： 。：堡垒竺! ! 翌 2 7 3 f ( 1 3 ) 式中：b j 为锅炉计算燃料量，b j = 5 0 4 k g s ；v g 为理论烟气量，v g = 4 6 3 1 m 3 k g 口为平均烟温，1 9 = 8 8 5 c ；f 为出1 3 烟窗面积，f 值待定。 把上述己知条件代入l 一3 式可得，f = 1 6 5 m 2 ，锅炉宽度为3 5 m ，所以出口 高度为5 m 。 实际上，由于循环流化床中存在颗粒团流动、环一核流动以及颗粒之间的 相互作用等因素的影响，循环床中颗粒运动十分复杂，很难用简单的公式加以 描述。凹3 上述燃烧室的结构设计只能作为近似的估算，更精确的计算应根据相应 的计算模型和实验来验证。 6 第一章绪论 1 3 3 课题的研究背景 当前流态化技术的应用水平在一定意义上领先于流态化理论的发展。由于 流态化技术的应用领域很广、种类和型式繁多、发展速度很快及内在规律的复 杂性，目前尚缺少统一的模型或完备、系统的理论来解释整个流态化过程及其 行为，尽管每年来自各行各业的研究文献非常多，但也颇多片面的、互相矛盾 的资料。作为一门多学科交叉、互相渗透的基础学科，其中仍有许多问题有待 深入研究，因而流态化技术成为近几十年来比较活跃的研究领域之一。 由于流态化技术在化学工业上的应用范围最广、应用历史亦最为悠久，因 此该领域对于流态化的有关原理和理论的研究也比较深入和领先，其它许多领 域在应用流态化技术的过程中均借鉴了它们的研究成果。当前，循环流化床是 化工领域流态化技术研究的热门课题，多数循环流化床内的流化形态属于快速 流态化，由于它具有不存在鼓泡床中的定形气泡、气一固接触较好等优点，因而 在化工催化反应器中等得到了广泛应用，成为当前发展最快且研究最多的流态 化技术。 循环流化床锅炉内的气固两相流动特性是非常复杂的，目前我们对它的了 解还不甚清楚和深入，有关的基础研究工作方兴未艾。对于循环流化床锅炉内 的流动形态，现在比较一致的认识是床下部密相区处于鼓泡流化床状态，而对 床上部的气固流型则存在多神看法，大部分的观点都认为由于速度和浓度的降 低导致炉膛上部属纯稀相单颗粒行为，是远离饱和夹带条件下的稀相气力输送， 因而不会出现颗粒聚团现象。 另外，由于循环流化床锅炉燃烧技术在我国的应用时间还较短，相关的基 础理论研究工作稍显滞后，对炉内气固两相流动特性的理解在很大程度上借鉴 了循环流化床的许多研究成果，对循环流化床锅炉燃烧理论的发展起了很大的 推动作用。但是一些锅炉工作者在研究过程中没有意识到循环流化床锅炉的独 有特点，没有注意到c f b b 和c f b 之间的差别，因而将某些只有在快速循环流 化床中才能成立的认识套用于循环流化床锅炉，例如对于炉膛出口区域的气固 流动特性的认识，认为会因颗粒与炉膛顶壁的碰撞而形成在此区域颗粒浓度上 浓下稀的c 形分布。 然而，上述两种有关循环流化床锅炉上部出口区域气固流动特性的认识， 受到了锅炉燃烧实践的严峻挑战。在实际的锅炉运行和相关的热工测试中，人 们证实了炉膛上部颗粒团的存在，但并未观察到颗粒与炉顶相撞而形成出口区 第一章绪论 域颗粒浓度上浓下稀的c 形分布。 目前，人们的注意力大多都集中在炉膛燃烧室内或分离系统内的两相流动 特性上，对于炉膛上部转折区域和水平烟道部分的流体动力特性的研究甚少或 很少加以注意。 1 4 循环流化床( 锅炉) 出口区域颗粒浓度分布的研究现状 1 ，4 1 循环流化床出口区域颗粒浓度分布的研究现状 随着流态化技术的发展，人们在流态化理论的研究方面也取得了一些研究 成果：如流态化现象的区分、颗粒的分类及流化特性、鼓泡流化床模型及快速 流态化理论的建立等。尤其是对于快速循环流化床内的流动结构与模型，目前 己达成了一定的共识：如大的气固滑移速度：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，目前也已提出了 很多模型，人们比较统一的认识是循环流化床由一底部较浓的密相区和一上部 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，在已有的这些研究工作中，很少有模型涉及到对循环流化床出口区 域气固流动特性的专门研究。事实上，加入循环流化床的出口区域后必将对颗 粒浓度的轴向分布产生影响。对于循环流化床出口区域的颗粒运动和浓度分布 特性，目前仅有为数不多的一些研究成果。 s c h n i t z l e i na n dw e i n s t e i n ( 1 9 8 8 ) 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、而底部和顶部两端空隙率较低的反c 形分布( 图卜2 ) 。他们在实验中研究了如图卜2 ( a ) 所示的两种出口结构对空隙 率轴向分布的影响。当快速流化床出口端的结构采用直接将两相流弹射进入沉 降器或通过有导向挡板的短弯头进入分离器时，出口结构对两相流的约束作用 较小，床层上部空隙率的轴向分布基本不受出口结构的影响，呈上稀下浓式分 布。但如采用气垫直角弯头时，出口结构将对两相流有较强的约束作用。一般 在气速大于3 5 m s 时，气体通过气垫弯头由垂直运动急转成水平运动，而颗粒 在惯性作用下冲向气垫封头，运动受阻后折流向下，一部分颗粒被气流带出( 这 第一章绪论 部分颗粒带出速率等于快速流化床的颗粒循环速率) ，另一部分颗粒则沿床壁面 向下运动，并与向上运动的颗粒产生较强动量交换，逐步与气固主体运动相融 合，使颗粒浓度轴向分布逆转，呈现上浓下稀趋势。在远离气垫弯头的下方， 折流颗粒群的影响消失，这时全床整体出现中间空隙率高、两端空隙率低的反c 形分布。 1 出口弱约束 ，t u m i n 9 一b a c k t e 9 炯4 r e g i o n ；f m o r n e n t u r n e x c h o n i 口e 斗 t r a d i t i o 南 f 口s f l u d l z a t 南n 删。n l 2 出口强约束 ( a )两种典型的循环流化床出口结构形式 第一章绪论 下( 一) 图卜2 出口结构对空隙率轴向分布的影响 1 9 9 7 年，g r a c ejr ，a v i d a naa 和k n o w t o ntm 等人在其著作c i r c u l a ti n g f l u i d i z e db e d s 中，在归纳已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“。多数文献对两种典型出口：平滑出口( s m o o t he x i z ) 和突然出口( a b r u p te x i t ) 的研究结果趋势相同，都着重讨论了颗粒与床顶的撞 击现象和颗粒浓度在此区域的增浓效应。 j i + s m o o t h e x i tr 二 i 十a d l i i j p t e x l li 严 、 |一 kv 1。| - - 、j 、p 啊p 1 o24681 0 h e i g h ta b o v ed i s t r i b u t o rp l a t ex ， m 图卜3 出口几何结构对固体体积浓度的影响( b r e r e t o na n dg r a c e ，1 9 9 3 ) 1 0 n他泓屹 o n n n & n a n n 仅 ijuco茹冬芒m臼cod u|，一o协嚣llo协 第一章绪论 归纳起来，就目前作者所见到的各种有关快速循环流化床出口效应的研究 文献来看，绝大多数与上述研究结果定性相同或直接引用了他们的研究成果。 仔细分析不难看出，由于快速床内床料较细、气速较高，加之快速流化床出口 大多采用带有凸起的帽式结构，因此会有大量的细颗粒在高速气流的携带下冲 击到顶棚，形成在出口附近颗粒在顶壁浓集的上浓下稀的c 形分布。因此， 在快速流态化条件下，以上的这些研究成果无疑是正确的。 1 4 2 循环流化床锅炉出口区域颗粒浓度分布的研究现状 如前所述，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。在对循环流化 床锅炉出口效应的研究工作中，许多能源工作者也采用了化工循环流化床相类 似的研究思路。 白丁荣等( 1 9 9 1 ) “2 1 在对循环流化床锅炉内的气圃循环特性进行研究的过程 中，曾对出口效应有所涉及。他们注意到了循环流化床锅炉和化工循环流化床 反应器内气固两相流动特性的一些差别，如燃烧室截面很大、炉内浓度相对较 低、壁面效应较弱、颗粒沿边壁的返流只是相对较薄的一层。但还是认为床的 顶部结构与之密切相关，颗粒在床顶出口处由于流动转向而存在着减速过程， 沿床高的密度分布形成如图所示的c 形分布。 c n 燃烧窒琢 回体气体同侔 僻 图卜4出口结构内的颗粒运动和床内密度的c 形分布 在目前有关循环流化床锅炉出口区域颗粒浓度分布的认识上，已有的一些 第一章绪论 研究成果与快速循环流化床的结论大体相同，人们普遍认为颗粒在此区域的浓 度呈现上浓下稀分布的c 形分布。仔细分析不难发现，上面的这些研究工作都 是在光滑平壁、圆形截面、床的高径比( h d ) 较大的小尺度试验台上进行的，而 且试验工况大都接近快速流态化的条件，因而得出上述结论是不足为奇的。而 一个典型的循环流化床锅炉( 如7 5 t h c f b b ) 燃烧室具有以下特征：1 ) 炉膛的规 模尺度相当大，床的高宽比不大于1 0 ；2 ) 截面形状通常为长方形或正方形：3 ) 炉壁主要由膜式水冷壁构成：4 ) 与快速流化床相比，颗粒筛分较宽、气流速度 较低( 7 5 t h c f b b 流化速度5 m s ) ，正常运行时的循环倍率比较低( 7 5 t h c f b b 循 环倍率 2 0 ) ，炉膛内的流动特征有其独特性“。由于二者床层形状悬殊，因而 这些在小尺度试验设备中观察到的现象或得到的结论，外推到工业规模是不可 靠的。 事实上，在锅炉运行实践中，人们发现布置于水平烟道的管束和分离器的 入口通道却是下半部分磨损严重，而在上半部分却几乎观察不到磨损。这就说 明颗粒大部分是浓集于炉膛出口区域的下半部分，而在上半部分却很少有颗粒 流过，显然这是上述c 形分布的观点所不能解释的。 由此可见，目前对于循环流化床锅炉内流动特性的理解，很大程度上借鉴 了化工领域对于c f b 的研究成果。然而在此过程中，有的研究者对于循环流化 床( c f b ) 和循环流化床锅炉( c f b b ) 的概念未加以严格区分，没有意识到二者之间 存在差别，特别是大型炉膛出口绝对高度的差别，因而经常将某些基于快速循 环流化床( c f b ) 的研究成果混淆于循环流化床锅炉( c f b b ) ，结果出现一些与锅炉 燃烧实践相矛盾的观点。 1 5 本文关于c f b b 出口区域颗粒浓度分布的新观点 分析产生上述矛盾的原因，主要在于这些认识尚未意识到循环流化床燃烧 锅炉和化工上的快速循环流化床之间的差别，而正是这些差别造成了循环流化 床锅炉内独特的气固两相流动特性。 众所周知，早期的循环流化床锅炉属于快速流态化。由于快速流化床具有 颗粒细小而均匀( 窄筛分) 、气速较高等特点，因而床内颗粒浓度较高、传热和 传质效果很好，这也是为什么快速流态化初期应用于循环床锅炉燃烧引起广泛 注意的原因。然而随着循环流化床燃烧技术的应用和发展，人们发现细颗粒、 高气速和高浓度，给循环流化床锅炉带来了分离器内燃烧份额过大、受热面易 第一章绪论 磨损、锅炉整体能耗过高等问题 1 4 j 。为了扬长避短，目前国内外许多循环流化 床锅炉通过燃烧实践摸索己在各方面做了不少改进，比如降低流化速度、改变 颗粒筛分、改善锅炉结构等，此时炉内的气固两相流动特性与快速循环流化床 已有了很大差别，尤其是在炉膛出口区域颗粒浓度分布的特征上。 首先是在气速选择上，循环床锅炉内的流化速度比快速流态化时有所降低， 因此当颗粒到达炉膛床顶部出口附近时，己经基本失去气流的上举力，颗粒会 在炉膛折转处滞止浓缩。而在快速流化床中，颗粒在高速气流的携带下具有很 大的惯性，所以有可能直接冲击到顶棚。 其次在颗粒粒度的选择上，快速流化床中由于化工反应等的需要，要求颗 粒的比表面积尽可能地大，因此颗粒一般细小而均匀，而且由于催化反应或再 生反应等的特点，颗粒的筛分在整个流化过程中并无多大变化，因此所有颗粒 基本上一直处于快速流态化状态。而在循环流化床锅炉中，由于燃料制各系统 等的限制和保持一定的密相区燃烧份额、减少分离器内燃烧份额等的要求，入 炉煤粒一般具有较宽的筛分。同时在燃烧过程中，煤粉颗粒的尺寸也在不断地 发生变化。因此在循环流化床锅炉中，通常是较粗颗粒沉在底部形成鼓泡床， 而其上部颗粒的筛分范围也比快速流化床中要宽得多。由于速度的降低和颗粒 筛分放大，相当一部分颗粒或颗粒团以远低于床速的速度上升。因为大小不同 颗粒间的相互作用比同尺寸颗粒之间明显，此时大颗粒的尾涡对小颗粒有捕获 和减速作用。这种成团效应，使更多颗粒以低的速度向上运动。 第三是在结构设计和尺度上，循环流化床锅炉与化工领域得到广泛应用的 快速流化床也存在明显差别。化工快速流化床( 如f c c 装置) 般为圆桶形，床 的高径比比较大，而循环流化床锅炉的燃烧室通常截面形状为长方形或正方形， 床的高宽比不大于1 0 ，然而最重要的点是，一般循环流化床锅炉的规模尺寸 要比化工快速流化床( 如f c c 装置) 大得多，其燃烧室的外观体积往往是化工快 速流化床的数倍到数十倍，因而在炉室出口段，循环床锅炉有着绝对值相当大 的出口高度( 7 5 t h c f b b 出口高度约为燃烧室高度的1 4 ) 。这样一来，颗粒在 出口区域由于气流转折而产生的减速过程的影响将变小甚至消失，而重力效应 的影响将明显起来。由于循环床锅炉的出口高度很高，因而颗粒在气流的携带 下，可以一直上冲到垂直速度为零而将颗粒的动能转变为势能。随着减速过程 的结束，重力效应的影响凸现出来，颗粒由于失去向上动能而将在重力的作用 下开始向下回落。但是总的来看，颗粒最大的减速段长度与炉膛出口高度相比 仍然显得很小，多数颗粒能够上升的最大高度也达不到炉顶，宏观上表现为颗 第一章绪论 粒在炉膛出口的下半部分运动，而只有一些很细的颗粒才能够达到炉顶。因而 颗粒在炉膛出口垂直截面的浓度分布，将会呈现上稀下浓的特点。而在化工快 速流化床中之所以有出口效应，主要是与颗粒的减速过程尚未结束有关。化工 反应器或实验室规模的循环流化床试验装置，其尺度往往比实际的循环流化床 锅炉小许多，因而其出口附近的尺寸和空间也较小，颗粒在此区域往往减速过 程还没结束就已到达炉顶，从而与炉顶发生碰撞反射而在炉项附近浓集，形成 上浓下稀的分布。 由此可见，造成循环流化床锅炉出口区域颗粒浓度独特分布的关键，在于 实际锅炉往往具有相当大的出口高度。考虑颗粒的减速过程或碰壁效应在一个 大的空间高度内将没有多大意义，而此时似乎应该将更多的注意力放在对颗粒 重力效应的研究上。因而对于一个实际的燃烧室，不管它的出口结构是什么型 式，是平滑出1 3 也好、是凸起出口也好，只要其出口高度的绝对值足够大( 大于 颗粒的减速段长度) ，此时多数颗粒就不会碰击到炉顶，因而研究或者区分所谓 的“出1 3 效应”就没有任何意义。在以前有关循环流化床锅炉的研究工作中， 之所以出现对出口端头效应的研究，原因之一在于有些研究者受化工领域对于 快速流化床的研究结果影响颇深，其二在于他们的试验装置也类似化工快速流 化床而与流化床锅炉的实际比例相差悬殊，其三在于他们的试验装置规模较小， 因而