六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床实验研究

2023-05-10 14:56:27

循环流化床 (CFB) 燃烧技术因其燃料适应性广、排放控制成本低和相当高的效率在过去 30 年里得到快速发展，已成为热力和电力生产行业主流的洁净煤技术之一。为了进一步提高发电效率，CFB 锅炉不断朝着大容量、高参数的方向发展，目前已经达到超临界水平。超临界 CFB 锅炉由于尺寸很大，面临二次风穿透能力不足和炉膛受热面布置等问题。为此多数 600 MW 超临界循环流化床锅炉方案都采用了 “裤衩腿”炉膛加外置换热器的设计。 “裤腿”炉膛很好地解决了二次风穿透能力不足的问题，但是由于炉膛下部密相区被完全分隔为 2 个独立的支腿，当 2 支腿内流动存在差异时，可能会出现“翻床”现象，影响锅炉运行的安全性。外置换热器可以有效地解决受热面的布置问题，但其结构复杂、造价高，对电厂的运行可靠性和经济性有一定影响。

‍为了更好地解决超临界循环流化床锅炉的二次风穿透和受热面布置等问题，中国科学院工程热物理研究所提出了一种带水冷柱的循环流化床锅炉炉膛结构，如图 1 所示。在炉膛中布置由膜式水冷壁围合而成且贯穿整个炉膛高度的水冷柱，炉膛的流通截面为炉墙和水冷柱之间的环形区域。水冷柱上布置二次风口以保证二次风穿透炉膛中心，同时水冷柱与炉墙之间以及水冷柱之间留一定空间供密相区炉膛两侧床料扩散和床压自平衡；水冷柱提供了大量蒸发受热面，同时在其四周布置大量翼型受热面，来解决受热面布置问题。在此专利的基础上中国科学院工程热物理研究所提出了适用于 660 MW 等级超临界循环流化床锅炉的炉型——六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床。



炉膛内颗粒浓度的分布是循环流化床锅炉气固流动特性的宏观体现，是影响锅炉燃烧、传热的关键因素。双水冷柱炉膛其结构区别于传统的矩形单炉膛与“裤衩腿”炉膛，炉膛内的颗粒浓度分布是否合理，是该炉型能否用于循环流化床锅炉的关键。此外，该炉型结构也存在多分离器并联布置的情况。数值模拟、冷态试验研究和实际锅炉运行均表明，多分离器并联循环流化床各循环回路间存在气固流动不均匀现象，影响锅炉的安全运行。已有的研究尚没有得出可用以指导六分离器布置设计的原则，且多关注分离器之间的流动不均匀，对于炉膛内的流动不均匀涉及较少。基于此，本文针对六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床进行冷态试验研究，考察其炉膛内的颗粒浓度分布和各循环回路间的气固流动不均匀特性，为该炉型的循环流化床锅炉的设计和应用奠定基础。

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实验装置及方法
六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床冷态实验系统如图2所示。系统由循环流化床本体，鼓/引风系统和测控系统组成。炉膛高8m，外环横截面尺寸1546mm×955mm，水冷柱截面尺338mm×375mm，水冷柱间净空距离290mm。6个高效旋风分离器(依次编号为A、B、C、G、H、I)H型并联布置于炉膛外环壁面两侧，每个分离器连接一个“一进二出 ”型流动密封阀返料器。流化风分两路从炉膛短边方向等量地通入风室，布风板采用风帽布风，设计阻力为 3000Pa。

炉膛内颗粒浓度的分布是循环流化床锅炉气固流动特性的宏观体现，是影响锅炉燃烧、传热的关键因素。双水冷柱炉膛其结构区别于传统的矩形单炉膛与“裤衩腿”炉膛，炉膛内的颗粒浓度分布是否合理，是该炉型能否用于循环流化床锅炉的关键。此外，该炉型结构也存在多分离器并联布置的情况。数值模拟、冷态试验研究和实际锅炉运行均表明，多分离器并联循环流化床各循环回路间存在气固流动不均匀现象，影响锅炉的安全运行。
计算得到2层测点间的平均颗粒浓度，其中ΔP、Δh分别为2层测点间压差和高度差；ρs为颗粒的真实密度；g为当地重力加速度。

各回路的循环流率采用积料法进行测量。在系统稳定运行时瞬间关闭1个回路的返料风，通过测量物料在立管里的堆积速度来计算该回路的循环流率
式中：Gs为回路的循环流率，kg/s；ρp为物料的堆积密度，kg/m3；A为立管的截面积，m2；Δh为堆积高度，m；Δt为堆积时间，s。

实验物料采用与实际锅炉循环灰性质和粒度接近的石英砂为床料，其真实密度为2650kg/m3，堆积密度为1327kg/m3，颗粒中位粒径为260μm，粒径分布如图3所示。实验工况采用表观气速ug4~5.5m/s、静止床高hs300~500mm。

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实验结果分析
2.1 颗粒浓度沿炉膛轴向的分布
图4所示为颗粒浓度沿炉膛轴向的分布。从炉膛截面不同位置测得的颗粒浓度沿炉膛轴向的分布规律相同，并且与姚宣等在矩形单炉膛循环流化床实验台获得的颗粒浓度分布规律一致：颗粒浓度沿炉膛高度呈下浓上稀的分布；炉膛底部(h/H=0.1以下区域)颗粒浓度较大且下降较快为密相区，炉膛上部(h/H=0.21以上区域)颗粒浓度较小且下降缓慢为稀相区，密相区和稀相区之间为过渡区。这说明双水冷柱炉膛内的气固流动状态与矩形单炉膛相同，水冷柱的存在不改变炉膛内的气固流型。
2.2 循环流率分布和颗粒浓度横向分布
图5为6个回路间循环流率的分布情况。如图所示，循环流率呈现出明显的不均匀分布，并表现出如下特点：炉膛两侧对应回路(A和I，B和H，C和G)的循环流率大小接近，基本呈对称分布；炉膛同一侧3个回路中，中间回路(B、H)的循环流率小于两端回路(A和C、I和G)。这与廖磊、Zhou分别在六分离器并联布置的矩形炉膛循环流化床与“裤腿”炉膛循环流化床上得到的结果一致。此外，本研究还显示，受引风的影响，靠近尾部烟道的回路(C或G)循环流率大于远离尾部烟道的回路(A或I)。
图6为颗粒浓度在炉膛横截面不同区域的分布情况。在炉膛底部密相区，两水冷柱之间(e和f)的颗粒浓度和炉膛短边中心(d)接近，说明水冷柱间的物料也能正常流化；炉膛两侧对应区域颗粒浓度基本一致；炉膛同一侧，对应中间分离器位置处(b和h)的颗粒浓度小于对应两端分离器位置处(a、c和g、i)的颗粒浓度，且c(或g)处的颗粒浓度大于a(或i）处，这与循环流率的分布特点完全一致。可见，各回路间循环流率的差异是导致炉膛底部颗粒浓度分布不均的重要因素。
随着炉膛高度的增加，在炉膛中上部，炉膛横截面各区域的颗粒浓度趋于一致，原因可能是炉膛内强烈的气固混合逐渐消除了各回路返料不均造成的影响。到靠近炉膛出口的高度(h/H=0.87)，炉膛短边中心(d)与两水冷柱之间(e和f)的颗粒浓度较小，原因是气固流动受到炉膛出口效应控制，短边中心以及两水冷柱之间的固体颗粒均向长边出口集中；炉膛长边区域的颗粒也因出口的不对称重新分配，导致对应中间分离器位置处(b和h)的颗粒浓度小于对应两端分离器位置处(a、c和g、i)的颗粒浓度，Zhou等用光纤探针测量炉膛一侧3个出口区域的颗粒浓度也得到了相同的分布。

综上，6个循环回路间存在较为显著的气固流动不均匀现象，且不均匀性主要存在于炉膛同一侧的3个回路间，循环流率、炉膛底部颗粒浓度和炉膛出口附近颗粒浓度都呈现“中间低两端高”的分布特点。由此可见，六分离器并联循环流化床系统气固流动不均匀现象不仅表现在分离器之间，也存在于炉膛中，且分离器之间的气固流动不均和炉膛中的气固流动不均匀相互关联：即炉膛出口的不对称导致出口附近气固流动不均匀和分离器的循环流率不均匀，循环流率的不均匀又导致炉膛底部气固流动不均匀，而炉膛中上部由于强烈的气固混合流动较均匀。Yang等在三分离器并联布置循环流化床实验台得出回路间循环流率分布不均但炉膛内不存在气固流动偏差的结论，这可能是由于其循环流率的偏差很小，以至炉膛底部和出口附近区域气固流动的偏差未被发现。
2.3 表观气速和静止床高对循环流率分布的影响
图7为静止床高为400mm时，各回路的循环流率随炉膛表观气速的变化曲线。如图所示，随着表观气速增加，各回路的循环流率均显著增加，且各回路循环流率增加的幅度存在差异，靠近尾部烟道的回路(C和G)增幅最大，中间回路(B和H)增幅最小。因此随着表观气速的增加循环流率分布不均匀性增强，六回路间循环流率“中间小，两端大”的分布特点更加显著。

图8为表观气速为5m/s时，各回路的循环流率随静止床高的变化情况。从图中可以看出静止床高的变化不改变回路间循环流率的分布特点，对循环流率分布不均匀性的影响也很小。当静止床高从300mm增加到400mm时，各回路的循环流率均大
幅增大，但静止床高进一步增加到500mm时，各回路的循环流率增大幅度很小，说明此时接近该表观气速下的饱和携带状态(胡南等)。
2.4 双水冷柱对循环流率分布的影响
廖磊等以石英砂为床料对六分离器并联布置CFB进行了实验研究。与之相比，本实验同样用石英砂为床料，并且流化速度接近，六分离器的布置也相似，主要的区别在于其炉膛为传统的矩形炉膛而本实验为双水冷柱炉膛，如图9所示。相同的操作条件下，双水冷柱炉膛CFB与矩形炉膛CFB六回路间循环流率的分布几乎完全相同，说明炉膛中布置双水冷柱对六分离器并联布置循环流化床系统的气固流动不均匀性影响很小。

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结论
本文针对六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床研究了其炉膛内颗粒浓度分布和六循环回路间气固流动不均匀特性，得出了以下结论：

六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床其炉膛内颗粒浓度轴向分布与矩形单炉膛循环流化床系统类似，呈下浓上稀的分布。

在本文所示的分离器布置条件下，6个循环回路间存在明显的气固流动不均匀现象，且不均匀主要存在于同一侧的3个回路间；炉膛同一侧3个回路间，不仅循环流率表现为“中间低两端高”的分布，炉膛底部颗粒浓度和炉膛出口附近颗粒浓度也呈现同样的分布特点。

循环流率分布不均匀性随表观气速的增大而增强，受静止床高的影响很小。

炉膛中布置双水冷柱对六分离器并联布置循环流化床系统的气固流动不均匀性影响很小。

本文只是论证了特定分离器布置条件下六分离器间存在显著的气固流动不均匀现象，未来需要系统地研究六分离器的结构布置对其气固流动不均匀特性的影响，以改善六分离器间的气固流动不均匀性。


文献信息

帅大平,吕清刚,王小芳,宋维健,孙运凯. 六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床实验研究[J]. 中国电机工程学报,2016,03:723-728.


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2016年第2期《中国循环流化床发电》出版



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