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CFB鍋爐爐膛內顆粒橫向擴散系數研究

文檔作者：胡南1 郭兆君楊海瑞呂俊復2 裴育峰1 文檔來源：中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司 2．清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2024年08月08日
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第36卷第3期動力工程學報V01．36 No．3
2016年3月Journal of Chinese Society of Power Engineering Mar．2016
文章編號：1674—7607(2016)03—0168—04 中圖分類號：TK224 文獻標志碼：A 學科分類號：470．30
CFB鍋爐爐膛內顆粒橫向擴散系數研究
南1，
中國電力
郭兆君， 楊海瑞' 呂俊復2， 裴育峰1
工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春130021；
2．清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京100084)
摘要：在300 MW單爐膛循環流化床(CFB)鍋爐按1／10比例縮小的實驗裝置上，利用熱顆粒作
為示蹤顆粒，研究了流化風速對密相區顆粒橫向擴散系數的影響．通過本文實驗及文獻中的理論分
析和大量實驗結果，擬合出新的橫向擴散系數計算關聯式，并采用此關聯式預測了大型CFB鍋爐
爐膛內固體顆粒的橫向擴散系數．結果表明：隨著流化風速的減小，顆粒擴散能力減弱，橫向擴散系
數降低；不同尺寸、不同工況下的CFB鍋爐密相區顆粒橫向擴散系數為0．06～0．4 m2／s．
關鍵詞：循環流化床鍋爐；橫向擴散系數；密相區；流化風速
Experimental Study on Lateral Dispersion Coefficient of
SolId Particles in a CFB Boiler
HU Nanl，GUO Zhaojunl，YANG Hairui 2，LUJunfu 2，PEI Yufen91
(1．Northeast Electric Power Design Institute Co．，Ltd．，China Power Engineering Consulting Group，
Changchun 130021，China；2．Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of
Ministry of Education，Tsinghua University，Beij ing 1 00084，China)
Abstract：The effect of gas velocity on lateral dispersion coefficient in dense zone of a 300 MW single—fur—
nace CFB boiler was investigated in a 1：10 scale test setup by taking hot solids as the tracer particles．A
new correlation of dispersion coefficient was fitted through the data from current study and former investigation，
with which the lateral dispersion coefficient of solid particles in large CFB boilers was predicted．
Results show that the dispersion ability weakens and the lateral dispersion coefficient reduces with the rise
of gas velocity．For CFB boiler of different sizes．the lateral dispersion coefficient in dense zone lies in
0．06—0．4 m2／s under various working conditions．
Key words：CFB boiler；lateral dispersion coefficient；dense zone；gas velocity
符號說明
D，，——橫向擴散系數，1112／s
H。——靜止床高，m
D——爐膛特征尺寸，m
d。——粒徑，／,rn
佛——顆粒密度，kg／m3
風——氣體密度，kg／m3
U。——流化風速，m／s
U。。——最小流化風速，m／s
弘。——氣體黏度，Pa·S
收稿日期：2015—06—29 修訂日期：2015-07—13
作者簡介：胡南(1985一)，男，吉林長春人，博士，主要從事火力發電廠設計方面的研究．電話(Tel．)：0431-85798602
E-mail：hunan@nepdi．net．
胡a
萬方數據
第3期胡南，等：CFB鍋爐爐膛內顆粒橫向擴散系數研究
循環流化床(CFB)燃燒是高效、低污染的清潔
煤燃燒技術，其主要特點是鍋爐爐膛內含有大量的
固體顆粒，在燃燒過程中被流化風攜帶到爐膛上部，
顆粒濃度隨爐膛高度有顯著變化．通常根據爐膛內
垂直方向的顆粒濃度分布差別，將爐膛分為底部密
相區和上部稀相區[1。2]．燃料通過密相區進入爐膛燃
燒，因此密相區顆粒橫向擴散與混合的程度對燃燒
效率有至關重要的影響．
密相區顆粒混合與擴散是流態化領域基礎研究
的重要問題之一．經過幾十年的研究，人們已經定性
地認識了流化床內顆粒混合機理．通常認為，影響密
相區顆粒混合的因素包括顆粒的粒度、密度、流化風
速、床高和床截面積等因素．文獻中對擴散能力的描
述采用橫向擴散系數D。其定義與氣體分子的擴
散系數十分相似．由于實驗條件等因素的差異，不同
研究者得到的橫向擴散系數D，，實驗值分散在
0．000 1～o．1 m2／s[3_8]．但是已有文獻中關于流化
床內密相區顆粒橫向擴散問題的研究大多局限于小
尺度實驗裝置中，得到的定性及定量結果很難在大
型CFB鍋爐計算中直接應用．
筆者在300 MW單爐膛CFB鍋爐按1／10比例
縮小的實驗臺上進行固體顆粒橫向擴散實驗，利用
熱顆粒作為示蹤顆粒．通過本文實驗以及文獻中的
大量實驗結果，得到了新的橫向擴散系數計算關聯
式，并利用此關聯式預測了大型CFB鍋爐爐膛內固
體顆粒的橫向擴散系數．
1 密相區橫向擴散實驗裝置
實驗裝置為某300 Mw單爐膛CFB鍋爐按1／
10比例縮小的模型．模型由底座、布風板、爐體、給
料系統和過濾系統構成，并沒有加裝分離器．流化氣
體通過過濾網排人大氣．實驗裝置高3．0 m，截面尺
寸為0．8 m×1．2 m，布風板截面尺寸為0．34 m×
1．2 m，下部收縮段高0．8 m，如圖1(a)所示．
采用石英砂作為床料，平均粒徑為150弘m，密
度為2 600 kg／m3．采用與床料相同的顆粒加熱后
作為示蹤顆粒．給料系統如圖1(b)所示，由給料倉
和隔離閥構成．一次實驗注人10 kg溫度為120℃
的示蹤顆粒．實驗過程中，在給定工況下流化床穩定
運行5 rain后，將熱顆粒注人給料倉，然后密封倉
蓋．先打開隔離閥V—l，然后打開高壓空氣閥V一2，
高壓空氣將給料倉內的顆粒流化使其進入爐膛．示
蹤顆粒質量流量為1 kg／s．
爐膛內的溫度由熱電偶在線測量．熱電偶布置
如圖l(b)和圖1(C)所示．熱電偶布置在布風板上
b)、一：平面測點
㈨)7其90婭萱(()r：、}7血】，I_'I|點
I冬1 l 其90 7掩髓-J、苣I擘1
Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup
0．27 m處，為了表述方便，設示蹤顆粒注入點為原
點，寬度方向為z方向，深度方向為Y方向．溫度測
點與原點的相對坐標(z，Y)(總長度為1)分別為
(0，0)，(0，0．250)，(0，0．375)，(0，0．500)，
(o．08，0．500)，(0．17，0．500)和(o．25，0．500)，共
計7個測點．
2 實驗結果
CFB鍋爐爐內燃燒顆粒的粒徑分布范圍較大，
在o～8 mm內，較大的顆粒在密相區無法被攜帶到
爐膛上部，因此與上部快速流態化不同，爐膛底部密
相區為鼓泡床的流化狀態[9。1 0】．經實驗測得床料的
最小流化風速為0．09 m／s．為了保證密相區為鼓泡
床流化狀態，同時減小流化風對示蹤顆粒的影響，實
驗中選取較小的流化風速，分別為0．64 m／s、0．82
m／s和1．06 m／s，采集不同位置熱電偶溫升曲線，
結果如圖2所示．
從圖2可以看出，測點(0，0．250)的溫升明顯
高于其他測點，這是因為一方面示蹤顆粒在擴散過
程中，熱量被流化風帶走，隨著擴散距離的增加，溫
度迅速下降；另一方面，隨著顆粒向四周擴散，距離
越遠的測點，能夠擴散到達的熱顆粒數量越少，示蹤
顆粒濃度越低．
通過床料溫升曲線計算顆粒橫向擴散系數時，
需要考慮從熱顆粒開始注入時局部能量變化的動態
過程，具體計算方法可以參考文獻[3]和文獻E43．圖
3給出了顆粒橫向擴散系數隨流化風速的變化．由
圖3可以看出，隨著流化風速的減小，距離熱顆粒最
近的測點溫升幅度明顯增大，擴散能力減弱，橫向擴
散系數降低．
3 密相區顆粒橫向擴散系數
參考已有文獻的研究成果和相關總結，將顆粒
萬方數據
動力工程學報第36卷
(c)Ug一0．64 m／s
圖2 不同流化風速下各個測點的床料溫升曲線
Fig．2 Temperature rise curve of each measuring point at different
gas velocities
0．4 0．6 0．8 1．0 1．2
流化風速／(m．s-1)
圖3顆粒橫向擴散系數隨流化風速的變化
Fig．3 Lateral dispersion coefficient of solid particles VS．gas velocity
混合的主要研究工況及結果匯總于表1．由于實驗
條件、統計和計算方法等因素的差異，不同研究者得
到的D，，相差較大，分散在0．000 1～o．1 m2／s．
已有一些文獻通過總結給出了顆粒橫向擴散系
表1顆粒橫向擴散系數相關研究成果
Tab．1 Research results concerning lateral dispersion coeffi‘
cients
研究者實驗臺流化床截面尺寸／m D。，／(m2·s_1)
注：1)1個數罕表不直徑；2)2個致字表不截面的長和覓．
數的計算關聯式，這些關聯式都是基于實驗室尺度
的CFB裝置的實驗數據擬合而成的，雖然計算結果
與類似文獻中的數據有一定的吻合度，但是是否可
應用于大型CFB鍋爐的計算還有待商榷．一方面是
由于實驗裝置的特征尺寸遠小于CFB鍋爐實際尺
寸，另一方面，實驗條件(包括流化風速、顆粒性質和
示蹤方法)也有很大差異．
Luecke等∞]在針對中小型CFB鍋爐的環核模
型中，取D。，一0，12 m2／s；劉道銀等[61通過計算，認
為擴散系數受到床寬的影響，大型CFB鍋爐中顆粒
的橫向擴散系數應遠大于實驗室數據，在0．1 m2 s
量級．基于前人研究成果，筆者認為橫向擴散系數受
到顆粒性質(如粒度和密度)、流化風速及靜止床高
等因素的影響，參考經驗公式[7’13’1“18]，將以上相關
物理量無量綱化，同時將橫向擴散系數寫成無量綱
形式，則關聯式可寫為
D。一．．r(U。一U。f)d。＆]。v
(Ug—U。f)Hd 兀L 肛。-J一
(等)4(罷)7(紫)6
其中，口、p、y、艿和；(為待定系數．
從前人實驗和理論分析結果發現，流化風速U
和密相區床高對橫向擴散系數D。。的影響最為明
顯．隨著流化風速和密相區床高的增大，擴散能力顯
著增強．文獻中a取值范圍為一0．2～o．4，而口的取
值范圍為一o．5～o．5．Shi等n明與Berruti等[73的研
究結果表明，顆粒密度與橫向擴散系數呈負相關關
系，艿取值為負．隨著流化床截面尺寸的增大，擴散
0
0
0
O
—I-s．，一＼巔懈衽輻匠羈
萬方數據
第3期胡南，等：CFB鍋爐爐膛內顆粒橫向擴散系數研究
能力在一定程度上得到增強，但當截面尺寸增大到
一定程度后，這種影響將明顯減弱，因此y的取值范
圍應為0～1．基于本文實驗結果和以上分析，通過
擬合得到如下關聯式：
D。，一3．98×101(U。一U。f)Hd X
[盟坐,ug池]0。17(黔／15× L J ＼“。
(黟77(紫)。0·23 ㈤
為了考察式(2)的合理性，將關聯式計算結果與
文獻實驗結果進行對比，結果如圖4所示．由圖4可
以看出，大部分實驗結果與關聯式計算結果相近，少
數實驗結果與關聯式計算結果存在較大差異，這是
由于不同研究者的實驗方法和數據處理對最后結果
有較大影響．
對于100～600 Mw等級的CFB鍋爐，密相區
流化風速約為3～8 rn／s，爐膛特征尺寸為2～5 rn，
通過式(2)的計算，可以得到密相區顆粒橫向擴散系
數為0．06～o．4 m2／s．
曼
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橫向擴散系數實驗結果／(n1 1．S J
圖4橫向擴散系數實驗結果與關聯式計算結果的對比
Fig．4 Comparison of lateral dispersion coefficient between
experimental and calculated results
4 結論
利用熱顆粒作為示蹤顆粒，在300 MW單爐膛
CFB鍋爐按1／10比例縮小的實驗臺上進行了固體
顆粒橫向擴散實驗．通過本文實驗及文獻中的大量
實驗結果，得到了新的橫向擴散系數計算關聯式，并
采用此關聯式預測了大型CFB鍋爐爐膛內固體顆
粒橫向擴散系數．對于100～600 Mw等級的CFB
鍋爐關聯式計算結果表明，不同尺寸、不同工況下的
密相區顆粒橫向擴散系數為0．06t0．4 rn2／s．
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