循环流化床锅炉炉膛热力计算

1、循环流化床锅炉炉膛热力计算程乐鸣，岑可法，倪明江，骆仲泱（浙江大学热能工程研究所，能源清洁利用与环境工程教育部重点实验室，浙江杭州310027）摘要：结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践的基础上, 提出一种循环流化床锅炉炉膛的热力计算方法，包括循环流化床锅炉炉膛的儿何 尺寸确定、炉膛热量平衡和炉膛传热计算。考虑循环流化床锅炉炉型不同，其热 力计算方法有所不同，该方法针对釆用高温分离装置的循环流化床锅炉，提出的 计算方法可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉型可在此基 础上根据具体炉型特点修改使用。关键词：循环流化床锅炉；锅炉设计；热力计算1引言循环流化床锅炉燃烧效率高

2、，污染排放低，燃料适应性广，被广泛应用 于蒸汽生产中。随着循环流化床锅炉的发展，其容量和规模都在增大。U前美国 在建的300 MWe循环流化床锅炉即将投入运行，600 MWe容量的循环流化床锅炉 也已在设计中。利用国内技术生产的35 t/h、75 t/h循环流化床锅炉有大量运 行，U前国内投入运行的最大循环流化床锅炉是高温高压420 t/h容量的锅炉， 高温高压450 t/h循环流化床锅炉也已在建，但运用的是国外技术。在循环流化床锅炉的开发与发展过程中，各设讣单位和锅炉制造厂家开 发岀各种炉型，针对各自不同的炉型釆用各自的热力讣算方法，即使是相同的炉 型设计方法也可能不同，各有特点。这与煤粉锅

3、炉和鼓泡流化床锅炉在设计过程 中有统一的热力计算方法可供参考不同。有关循环流化床锅炉热力计算方法在 文献中也少见发表。本文结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践 的基础上，建立了一种简单的循环流化床锅炉炉膛热力计算方法:曲。与一般沸腾燃烧鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉类型较多，炉型 不同，其热力计算方法有所不同。本方法针对采用高温分离装置的循环流化床锅 炉，提出的计算方法可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉 型可在此基础上根据具体炉型特点修改使用。典型的高温分离器型循环流化床锅 炉釆用髙温立式旋风分离器，安置在锅炉炉膛上部烟气出口处。离开炉膛的大部 分颗粒，山高温

4、分离器所捕集并通过固体物料再循环系统从靠近炉膛底部的物料 回送口送回炉膛。纟仇;温分肉器分离后的高温烟气则进入尾部烟道，与布置在尾 部烟道中的受热面进行换热后排出。讣算中未考虑添加石灰石的影响，若添加石 灰石，则入炉热量、灰浓度和烟气量等有变化，需修正。2循环流化床锅炉炉膛几何尺寸的确定2. 1 炉膛横截面积循环流化床锅炉炉膛一般山膜式水冷璧构成，其传热面积以通过水冷璧 管中心面的面积计算。若炉膛山轻型炉墙或敷管炉墙构成，则需考虑角系数的影 响。炉膛尺寸的确定主要包括炉膛密相区和稀相区的长、宽、高以及是否有 截面收缩等确定。炉膛横截面积的确定取决于床层运行风速或截面热负荷的选取。密相区 的运行

5、风速类似于鼓泡流化床。一般循环流化床锅炉稀相区运行风速在37 m/s 之间，考虑磨损的危险性和为降低风机能耗，可选取运行风速在46 m/s左右。 运行风速数值与燃料种类也很有关系。截面热负荷的选择与运行风速的选择是相 关的，实际上只要燃料和过剩氧量确定，运行风速与截面热负荷中只要一个参数 确定后，另一个参数也随之确定。截面热负荷一般可选择在34 MW/m'左右。2. 2 炉膛深度炉膛横截面积确定后，根据炉膛长宽比确定炉膛的长宽。炉膛的深度一 般不超过8m,以保证二次风的穿透，长宽比以1:1至2:1都是合适的。具体在 确定炉膛的长、宽比时，一般还应考虑尾部受热面的布置，使之相适应。2.3

6、 炉膛密相区高度若循环流化床锅炉有二次风，则其密相区与稀相区的分界面取二次风入 口高度平面。对于没有二次风或三次风的情况，或负荷变化较大时，若必为静 床料高，则其密相区高度饥纲可通过计算膨胀比斤迪得到他兄纺可用下式计算：当才池S严时,（V ）式中 为床层运行风速；为颗粒终端速度；4为颗粒平均粒径；耳为颗粒密 度。2. 4 炉膛高度循环流化床锅炉炉膛高度是循环流化床设计的一个关键参数。炉膛越高, 则锅炉钢架就越高，因而锅炉的造价也会提高。因此，在满足锅炉和炉膛的下述 要求下，尽可能地降低炉膛高度。一般地，炉膛高度应满足以下条件：（1）保证分离器不能捕集的细粉在炉膛内一次通过时能够燃尽；（2）炉膛

7、高度应容纳炉膛能布置全部或大部分蒸发受热面；（3）炉膛高度应保证返料机构料腿一侧有足够的静压头，从而使循环流化 床锅炉有足够的循环物料在循环回路中流动；（4）炉膛高度应保证脱硫所需最短气体停留时间；（5）炉膛高度应和循环流化床锅炉的尾部烟道或对流段所需高度相一致;（6）炉膛高度应保证锅炉在设计压力下有足够的自然循环。具体设计时，一般可根据常规循环流化床锅炉的炉膛高度确定一个数值,布置受热面是否足够，然后考虑分离器的切割直径，再根据上述（1）的要求考 虑固体颗粒的燃尽和其他的要求条件，使之满足上述要求，若条件容许偏高些为好。3 循环流化床锅炉循环倍率c循环流化床锅炉循环倍率是循环物料重量与计算给

8、煤重量的比值，其值 的选取比较经验，可参考表1。表1锅炉循环倍率项目较高脱硫效 率不考虑脱硫劣质燃料循环倍率"20 5010 201104 密相区和稀相区的燃烧份额d密相区和稀相区的燃烧份额受燃料粒径、煤种、流化风速、一二次风率、 床层温度等诸多因素影响，尤其是煤种的影响较大，如挥发份高易爆的煤在密相 区的燃烧份额会降低。在訂前缺乏数据的情况下，设计时可以参考有关不同煤种 的燃烧特性试验数据取值旧。一般地，固体颗粒粒径越大，燃烧份额相对增加。 如果采用宽筛分燃料，可以采用鼓泡流化床计算标准中推荐的方法并考虑一次风 率的影响而求取。5 炉底排渣量与飞灰量比炉底排渣量和飞灰量之比受许多因

9、素影响，其中随煤的特性、床内物料 粒径、和运行速度的变化较大，其取值相当经验，一般可在0.2-1间。6焙温表中炉膛内飞灰焙乙的计算在计算焙温表炉膛内的飞灰焙时，对于分离器前部分需考虑循环固体颗 粒的影响，其飞灰焙心以下式计算：黑100100 -C100式中 6和広分别为灰的比热和温度；血为煤收到基灰分；为飞灰份额；& 为炉膛出口飞灰含碳量；G为机械不完全燃烧损失。计算密相区的飞灰焰时，上 式中的G和应代以密相区岀口飞灰含碳量Ub和密相区机械不完全燃烧损失7密相区和稀相区热量平衡密相区的入炉热量Q：a = 2沢笃託:上细皿理+心式中 为锅炉输入热量；G为化学不完全燃烧损失；Q砒为炉底排渣

10、损失；X 为一次风率；甸为密相区岀口处的名义空气过剩系数；为理论冷空气焙，g 为分离灰焙。埋管受热面吸热量念式中 丿为保热系数；5为计算给煤量；厶彳为密相区烟气焙。 带入稀相区的热量0$100-40100-4(1-5)(100-03 -彳4)+ (1 - ZjA + “堪其中 D芯为稀相区漏风系数。 稀相区吸热量念：Q汝=少坊（。滞一丿滞）（8）式中 7?为烟气在稀相区的出口焰。8循环流化床锅炉炉膛传热计算8.1 炉膛下部密相区的传热计算循环流化床锅炉炉膛密相区的流体动力特性属紊流流态化，和鼓泡床密 相区相似，若循环流化床密相区中布置有埋管受热面，其传热计算可直接参照鼓 泡流化床中讣算传热系数

11、的方法进行方法。山于一般地循环流化床锅炉床内运行 风速比鼓泡流化床高，讣算时有关床层空隙率数值的选取应根据情况适当增大 叭& 2炉膛上部稀相区的传热计算8.2.1 壁面平均传热系数力循环流化快速床中，包括含分散固体颗粒（固体颗粒分散相）的连续上升 气流和相对密的颗粒团两部分。根据循环流化床的流体动力特性，可以将稀相区 横截面分为中心核心区和壁面环形区两部分。在核心区，颗粒在其中由下向上运 动，固体颗粒浓度较小；在床体壁面为密相环形区中，固体颗粒汇集成各种不同 的密相结构（颗粒团），颗粒团与固体颗粒分散相在其中交替地与床壁面接触， 沿传热壁面下滑、离散（图1）。注：人一壁面温度；Z环形区

12、温度：核心区温度；L密相区环形厚度；氐壁面环形区内的颗粒速度；比一核心区内的颗粒速度图1 连续上升的固体颗粒分散相和沿璧面下滑的颗粒团假定力“是被颗粒团覆盖的壁面面积的平均白分率，用人昨表示对流传热 系数，h表示辐射传热系数，则壁面的平均传热系数可表示为方5与h之和（对 于壁面来说忽略气相传热）:h =鶴利+% = %（鶴十）+Q - £）（嘉+如）（9）式中 入和怡分别为颗粒团与固体颗粒分散相的对流传热系数，力9和昆则分 别表示颗粒团与固体颗粒分散相的辐射传热系数。8.2.2颗粒团覆盖壁面的时均覆盖率«在任何时刻，循环流化床锅炉壁面的一部分被颗粒团所覆盖，其余部分 则暴露

13、在固体颗粒分散相中（图1）。颗粒团覆盖壁面的时均覆盖率几,可山下 式计算：（10）参数K的取值范Basuu建议取为0.5。程乐鸣等提出对于循环流化床密、稀 相区K值取不同数值。对于稀相区，推荐亞0.1；对于密相区，推荐胆0.25。此"1-空值仍需考察。壁面空隙率&为稀相区空隙率， , 一是稀相区固体颗粒浓度。弘为颗粒团中的空隙率，可取值为临界流态化下的空隙率值；Y 为固体颗粒相中固体颗粒的百分比，可取Y=e.8. 2. 3 循环流化床对流传热系数h®.对流传热包括颗粒团与颗粒分散相的对流传热两部分，根据（9）,对流传 热系数力沖以下式表示，(11)从=爲+0 一心叽

14、（1）颗粒团与壁面间对流传热系数颗粒团沿着壁面下滑，在与壁面接触一段时间后，颗粒团或者破裂消失 或者运动到别处。颗粒团与壁面接触时，其初始温度为床温，这样，颗粒团与壁 面间产生非稳态传热。快速床中颗粒团与壁面间的传热热阻主要有两部分，一是 与壁面的接触热阻，二是颗粒团本身的平均热阻（图2）。县面W翩粒团冗一WWVli （凭腕）谢（科砂图2 壁面与颗粒团间的传热假定传热只在水平方向山壁面传入颗粒团，而忽略竖直方向的任何传热 量，则壁面与颗粒团间的传热系数可用下式表示1/ + 1/ (式中 矗为壁面接触传热系数；人为常温壁面向均匀半无限介质的不稳态导热 过程中的有效传热系数。对于锅炉内的惜况，连续

15、传热面较长，颗粒团的贴壁时间就会长些。这 时与接触热阻相比，颗粒团中的非稳态导热阻较为車要，这就减弱了固体颗粒径 对传热系数的影响，对于颗粒团贴壁时间较短的情况，传热限于颗粒群的贴壁层。1）常温壁面向均匀半无限介质不稳态导热过程中的有效传热系数ht 若颗粒团与传热壁面的接触时间为tcs,则其平均传热系数为(13)式中 心为气一固颗粒团的有效导热系数。即Mickley和Fairbanks"根据颗 粒团理论推导所得。上式中，颗粒团与壁面的导热情况取决于其在壁面的停留时间贴壁的颗粒团在重力作用下加速下滑，同时受到壁面的阻力与向上气流的曳引力作 用。图1中，在壁面传热面的上部Z位置，形成一空

16、隙率为,温度为7；° (假 定与床温相同)的颗粒团，该颗粒团与壁面接触，沿壁面以“的速度下滑至Z 位置，在壁面上的特征停留长度为£“，这样，颗粒团的每一部分在壁面上的停 留时间纭就可以如下式计算：(14)式中 厶根据Wu等问的试验求出，鬲=兀規赞，其中企取边壁区固体颗粒 浓度，边二(1-“)与。弘是固体颗粒贴壁下滑速度，可取值为1.2 P.O m/so气一固颗粒团的有效导热系数K“,推荐采用Xavier和Davidson"提出 的下式来计算。& =疋 < 均0 28-0.75?吹1% -0 J05Hogl0 谀 ° / 兀)(15)

17、6; 一沖可Og佔式中兀和心分别为固体颗粒和气体的导热系数；苍为气体密度；G是气体比 热；弘-为临界流化速度。在公式适用范围内，该式与釆用其它方法计算的颗粒团的有效导热系数 基本一致，而采用该式的优点是该式还考虑了空气密度的影响。颗粒团密度 r=(l-e) recsrs,颗粒团比热C=(l-e) G+e“G。2)颗粒团与壁面间气膜传热系数h关于颗粒团与壁面传热系数h,可根据颗粒团与壁面接触间的相应气体 薄层厚度的热阻计算，颗粒团与壁面传热系数可用气体间隙厚度来计算：丄血(16)根据试验，在模型中选取参数庐2. 5。(2)固体颗粒分散相的传热系数h循环流化床锅炉的壁面并不总是与颗粒团接触的。在与

18、两颗粒团接触之 间，壁面与床中的上升气流接触，在上升气流中含有分散相的固体颗粒。对流传 热系数项中的固体颗粒分散相的传热系数怡的计算，选用Wen和Miller：is基于 稀相气-固混合物而导出的传热系数计算公式近似计算：03PY4 G J(17)式中 G为固体颗粒比热；皿,为固体颗粒分散相的密度，其值可经由 b+(l-力匕计算，G为固体颗粒的终端速度。8. 2. 4 循环流化床辐射传热系数hr辐射传热是循环流化床锅炉中传热的一种重要方式，尤其是在高温 (>700°C)和低床密度(30 kg/m')的情况下。循环流化床锅炉中的辐射传热包括 两部分，一部分主要来自与壁面接触

19、的颗粒团的辐射，另一部分是固体颗粒分散 相壁面的辐射。床层向壁面的总辐射系数根据式(9)：為=3心十卩-6)如(18)式中力“为来自与壁面接触的颗粒团的辐射：力&为固体颗粒分散相向壁面的辐 射。(1)固体颗粒分散相对壁面的辐射传热系数昆对于大型循环流化床锅炉，床吸收率刃可根据下式讣算冋：03(1-勺)巩(1-勺)8 J讣(19)式中 勺为颗粒表面的吸收率。对各相同性漫反射万=0.5,对漫反射颗粒方=0. 667o固体颗粒分散相的辐射传热系数九可以根据下式计算：h _ 恣-町)沧(阀+1息-1)4(20)式中 6为传热表面的吸收率；s为斯蒂芬-波尔兹曼常数；7；是稀相区床温； 人为表面温

20、度。(2)颗粒团对壁面的辐射传热系数方5颗粒团的辐射系数力y,可将式(20)中的内换成同样进行计算。颗粒 团的吸收率可由下式计算：(21)9结论本文结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践的基础上， 针对采用高温分离装置的循环流化床锅炉，提出一种简单的循环流化床锅炉炉膛 热力讣算方法，可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉型可 在此基础上根据具体炉型特点修改使用。参考文献1 工业锅炉技术手册层状燃烧和沸腾燃烧工业锅炉热力计算方法编写组 (Editorial group of technical handbook of industrial boilers Thermal

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