六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床試驗(yàn)研究

1、六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床試驗(yàn)研究超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)結(jié)合了循環(huán)流化床鍋爐燃料適應(yīng)性廣污染物控制成本低和超臨界蒸汽循環(huán)高發(fā)電效率等方面的優(yōu)勢,是潔凈煤技術(shù)發(fā)展的重要方向但隨著鍋爐容量和尺寸的增大,二次風(fēng)穿透不佳受熱面布置困難等問題隨之出現(xiàn)為此,中國科學(xué)院工程熱物理研究所和東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司提出了適用于600MW等級(jí)以上超(超)臨界循環(huán)流化床鍋爐的爐型六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床環(huán)形爐膛周界由內(nèi)環(huán)和外環(huán)膜式水冷壁圍合而成爐膛內(nèi)外環(huán)之間距離大幅度減小,可以解決二次風(fēng)的穿透問題;環(huán)形爐膛下部區(qū)域整體聯(lián)通,能避免不同床內(nèi)的壓力波動(dòng)引起的翻床現(xiàn)象;內(nèi)環(huán)大量增加了蒸發(fā)受熱面積,可將環(huán)形爐膛高度

2、控制在合理范圍內(nèi);同時(shí)內(nèi)環(huán)附近適合大量布置屏式受熱面,從而可以取消外置式換熱器,減少鍋爐的廠用電和運(yùn)行維修費(fèi)用,提高電廠的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床,一方面,其爐膛結(jié)構(gòu)區(qū)別于已有的矩形單爐膛和“褲衩腿”爐膛,爐膛內(nèi)的氣固流動(dòng)是否合理是該爐型能否用于循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵另一方面,并行多分離器間存在氣固流動(dòng)不均勻問題,威脅著鍋爐的安全運(yùn)行針對(duì)這一問題,Yue等對(duì)三分離器M型布置的循環(huán)流化床進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)三分離器的壓降和循環(huán)流率分布不均;Yang等研究表明,三回路循環(huán)流化床循環(huán)流率分布不均但爐膛內(nèi)各回路的壓力分布基本相同劉志成等對(duì)六分離器H型布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明分離器入口布置

3、方案會(huì)影響分離器入口顆粒濃度的分布;廖磊等針對(duì)六分離器H型布置結(jié)構(gòu),進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬,結(jié)果表明,6個(gè)旋風(fēng)分離器之間存在著循環(huán)流率分布不均現(xiàn)象,且表現(xiàn)出中間低兩邊高的分布規(guī)律Zhou等對(duì)六路“褲衩腿”爐膛循環(huán)流化床系統(tǒng)進(jìn)行了測量,結(jié)果表明氣固流動(dòng)不均勻主要發(fā)生在同側(cè)3個(gè)分離器之間,且中間位置分離器入口的顆粒速度較大而顆粒濃度顆粒質(zhì)量流率和循環(huán)流率較小但是以上的研究都是針對(duì)傳統(tǒng)單爐膛或“褲衩腿”爐膛,環(huán)形爐膛結(jié)構(gòu)由于爐膛內(nèi)環(huán)的存在,可能會(huì)影響物料在6個(gè)回路之間的分布,因此六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床其氣固流動(dòng)不均勻程度是否在可接受的范圍內(nèi)尚待研究筆者通過六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床的冷態(tài)試驗(yàn),

4、研究環(huán)形爐膛內(nèi)的氣固流動(dòng)和六回路間的氣固流動(dòng)不均勻特性,表明該爐型能滿足超臨界循環(huán)流化床鍋爐對(duì)氣固流動(dòng)的要求1試驗(yàn)裝置及方法六回路環(huán)形爐膛循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示循環(huán)流化床本體由環(huán)形爐膛6個(gè)高效旋風(fēng)分離器(依次編號(hào)為ABCGHI)6根返料立管6個(gè)“一進(jìn)出”型返料器等部件組成環(huán)形爐膛由外環(huán)壁面和內(nèi)環(huán)壁面相套構(gòu)成,中間環(huán)形區(qū)域?yàn)闅夤塘魍▍^(qū)域旋風(fēng)分離器入口通道的外側(cè)壁與環(huán)形爐膛外環(huán)壁面夾角為102流化風(fēng)分2路從爐膛短邊方向等量地通入風(fēng)室,布風(fēng)板采用風(fēng)帽布風(fēng),設(shè)計(jì)阻力為3kPa試驗(yàn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下:爐膛流通截面積/m2 1.18爐膛總高度/mm 8000旋風(fēng)分離器筒體直徑/mm 465試驗(yàn)所

5、用物料為石英砂,流化介質(zhì)為空氣石英砂的堆積密度1270kg/m3,真實(shí)密度2650kg/m3,中位粒徑d0.5為453m圖2所示為Master-size2000型激光粒度分析儀測得的試驗(yàn)物料的粒徑分布試驗(yàn)工況采用表觀氣速ug45.5m/s靜止料層高度Z300500mm試驗(yàn)中主要測量的參數(shù)是環(huán)形爐膛內(nèi)沿爐膛高度的壓差分布和各回路的循環(huán)流率沿爐膛不同高度(見表1),共布置9層壓力測點(diǎn)每層沿爐膛截面不同位置布置9個(gè)壓力測點(diǎn),依次標(biāo)記為abcdefghi,如圖1b所示采用壓差法計(jì)算獲得爐膛內(nèi)顆粒濃度忽略顆粒的加速度項(xiàng)及摩擦項(xiàng),只考慮顆粒重力項(xiàng)對(duì)壓差的作用 -P/Z=ss+g(1-s)g (1)式中:P

6、為沿爐膛高度方向壓差,Pa;Z為沿爐膛高度方向高度差,m;sg分別為顆粒真實(shí)密度和空氣密度,kg/m3;s為顆粒濃度;g為重力加速度,9.8m/s2循環(huán)流率采用積料法測量在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)瞬間關(guān)閉一個(gè)返料器的返料風(fēng),通過測量短時(shí)間t內(nèi)返料立管中料位的增加高度h,來計(jì)算該回路的循環(huán)流率Gs式中,b為顆粒堆積密度,kg/m3;d為返料立管直徑,m;h為顆粒在返料立管中的堆積高度,m;t為顆粒在返料立管中的堆積時(shí)間,s2試驗(yàn)結(jié)果分析2.1沿環(huán)形爐膛高度的顆粒濃度分布圖3為靜止料層高度Z為400mm流化風(fēng)速ug為5m/s時(shí),長邊中心b切角中心d和短邊中心e這3個(gè)特征位置的顆粒濃度沿環(huán)形爐膛高度的分布情況

7、從圖3可以看出,在爐膛底部區(qū)域,顆粒濃度約為0.15,為密相區(qū);隨著高度的增加,顆粒濃度逐漸減小顆粒濃度沿爐膛高度基本呈下濃上稀的指數(shù)型分布,與矩形單爐膛的分布趨勢一致,初步表明環(huán)形爐膛的整體氣固流動(dòng)狀態(tài)與傳統(tǒng)單爐膛沒有本質(zhì)區(qū)別從圖3還可看出,在爐膛底部,切角中心d處的顆粒濃度大于長邊中心b和短邊中心e的顆粒濃度原因是切角處為壁面效應(yīng)疊加區(qū),氣體流速較小,而爐膛底部顆粒濃度較高,導(dǎo)致顆粒在切角處發(fā)生一定程度的聚集矩形爐膛循環(huán)流化床中也存在角落處顆粒聚集的現(xiàn)象隨著爐膛高度的增加,bd和e三處顆粒濃度逐漸趨于一致,在切角處沒有明顯的聚集,原因是爐膛中上部的顆粒濃度顯著減小到接近爐膛出口的高度,切角

8、中心d處的顆粒濃度又大于短邊中心e的顆粒濃度,這是由于這個(gè)高度受爐膛出口效應(yīng)的影響,顆粒向出口處偏轉(zhuǎn),爐膛短邊的顆粒會(huì)向出口處運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致處于這一運(yùn)動(dòng)路徑中間的切角顆粒濃度大于短邊中心的顆粒濃度2.2操作條件對(duì)顆粒濃度軸向分布的影響操作條件主要包括流化速度ug和靜止料層高度Z圖4為靜止料層高度為400mm時(shí),不同流化速度下顆粒濃度的軸向分布由圖4可知,隨著流化速度的增大,爐膛底部密相區(qū)顆粒濃度減小,爐膛中上部和出口區(qū)域的顆粒濃度增大這表明流化速度越大,氣體的攜帶能力越強(qiáng),越多的顆粒被攜帶到爐膛上部這與周星龍等在六回路“褲衩腿”爐膛循環(huán)流化床得到的結(jié)論相同圖5為流化速度為5m/s時(shí),不同靜止料層高

9、度下顆粒濃度的軸向分布從圖中可以看出隨著靜止料層高度的增大,整個(gè)爐膛高度顆粒濃度均有所增大,但不同高度的增幅不同,高度越高增幅越小,到出口區(qū)域,顆粒濃度受靜止料層高度的變化影響較小2.3 六回路間循環(huán)流率的分布圖6為不同流化速度和不同靜止料層高度下,6個(gè)循環(huán)回路的循環(huán)流率分布情況從圖6可以看出,隨著流化速度的增大,各回路的循環(huán)流率均明顯增大,這與爐膛出口區(qū)域顆粒濃度隨流化速度增大而增大一致低流化速度(4m/s)下,各回路的循環(huán)流率不因靜止料層高度的增大而變化,說明低流化速度下,達(dá)到了飽和攜帶狀態(tài);流化速度較高(5m/s)時(shí),隨靜止料層高度的增大,各回路的循環(huán)流率有所增大,但增幅較小循環(huán)流率受靜

10、止料層高度影響較小與靜止料層的增大對(duì)出口區(qū)域顆粒濃度影響較小一致。六回路間循環(huán)流率的分布較均勻,沒有呈現(xiàn)明顯的“中間低兩邊高”或“中間高兩邊低”的分布規(guī)律定義6個(gè)回路的循環(huán)流率的相對(duì)偏差DEVGs來定量表征氣固流動(dòng)不均勻程度DEVGs=6max(Gs(i)-min(Gs(i)/Gs(i) (3)式中:Gs(i)為回路i(ABCGHI)的循環(huán)流率所有工況下,六回路間循環(huán)流率的相對(duì)偏差為2.5%4.4%,設(shè)計(jì)工況下(靜止料層高度500mm流化風(fēng)速5m/s)為4.5%雖然研究顯示流動(dòng)的不均勻性主要體現(xiàn)在同一側(cè)的3個(gè)分離器之間,但從圖6可以看出,爐膛兩側(cè)對(duì)稱回路(A和I,B和H,C和G)的循環(huán)流率并不

11、完全相同,這說明作為一個(gè)完整的循環(huán)流化床系統(tǒng),各循環(huán)回路均相互關(guān)聯(lián)2.4懸吊屏對(duì)循環(huán)流率分布的影響布置在環(huán)形爐膛內(nèi)環(huán)上部的懸吊屏可以有效增大爐膛內(nèi)的傳熱面積,與此同時(shí),懸吊屏也會(huì)影響爐膛內(nèi)氣固兩相流動(dòng)表2為靜止料層高度500mm流化風(fēng)速5m/s下無懸吊屏和內(nèi)環(huán)懸吊屏?xí)r,六回路間循環(huán)流率分布情況由表2可知,環(huán)形爐膛內(nèi)環(huán)長邊壁面懸吊屏對(duì)六回路間循環(huán)流率的大小和分布影響較小這是由于爐膛出口位于外環(huán)壁面,受出口效應(yīng)的影響,顆粒在向上運(yùn)動(dòng)的過程中,有向外環(huán)壁面出口集中的趨勢,而懸吊屏布置在內(nèi)環(huán)上部,對(duì)顆粒進(jìn)入爐膛出口的干擾較小,因此對(duì)循環(huán)流率的分布沒有明顯的影響3結(jié)論1)顆粒濃度沿環(huán)形爐膛高度的分布與矩形單爐膛相似,呈下濃上稀的指數(shù)型分布2)隨著流化速度的增大,爐膛下部密相區(qū)顆粒濃度減小,爐膛中上部和出口區(qū)域的顆粒濃度增大,各回路的循環(huán)流率均明顯增大3)隨著靜止料層高度的增大,整個(gè)爐膛高度的顆粒濃度都增大且高度越高處增幅越小;流化速度較低