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CFB鍋爐爐膛內(nèi)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)研究

文檔作者：胡南1 郭兆君楊海瑞呂俊復(fù)2 裴育峰1 文檔來源：中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司 2．清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	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(xué)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(xiàn)標(biāo)志碼：A 學(xué)科分類號：470．30
CFB鍋爐爐膛內(nèi)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)研究
南1，
中國電力
郭兆君， 楊海瑞' 呂俊復(fù)2， 裴育峰1
工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春130021；
2．清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)
摘要：在300 MW單爐膛循環(huán)流化床(CFB)鍋爐按1／10比例縮小的實(shí)驗(yàn)裝置上，利用熱顆粒作
為示蹤顆粒，研究了流化風(fēng)速對密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)的影響．通過本文實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)中的理論分
析和大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合出新的橫向擴(kuò)散系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式，并采用此關(guān)聯(lián)式預(yù)測了大型CFB鍋爐
爐膛內(nèi)固體顆粒的橫向擴(kuò)散系數(shù)．結(jié)果表明：隨著流化風(fēng)速的減小，顆粒擴(kuò)散能力減弱，橫向擴(kuò)散系
數(shù)降低；不同尺寸、不同工況下的CFB鍋爐密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)為0．06～0．4 m2／s．
關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；橫向擴(kuò)散系數(shù)；密相區(qū)；流化風(fēng)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(kuò)散系數(shù)，1112／s
H?！o止床高，m
D——爐膛特征尺寸，m
d?！?，／,rn
佛——顆粒密度，kg／m3
風(fēng)——?dú)怏w密度，kg／m3
U。——流化風(fēng)速，m／s
U。?！钚×骰L(fēng)速，m／s
弘。——?dú)怏w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(fā)電廠設(shè)計方面的研究．電話(Tel．)：0431-85798602
E-mail：hunan@nepdi．net．
胡a
萬方數(shù)據(jù)
第3期胡南，等：CFB鍋爐爐膛內(nèi)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)研究
循環(huán)流化床(CFB)燃燒是高效、低污染的清潔
煤燃燒技術(shù)，其主要特點(diǎn)是鍋爐爐膛內(nèi)含有大量的
固體顆粒，在燃燒過程中被流化風(fēng)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(jù)爐膛內(nèi)
垂直方向的顆粒濃度分布差別，將爐膛分為底部密
相區(qū)和上部稀相區(qū)[1。2]．燃料通過密相區(qū)進(jìn)入爐膛燃
燒，因此密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散與混合的程度對燃燒
效率有至關(guān)重要的影響．
密相區(qū)顆粒混合與擴(kuò)散是流態(tài)化領(lǐng)域基礎(chǔ)研究
的重要問題之一．經(jīng)過幾十年的研究，人們已經(jīng)定性
地認(rèn)識了流化床內(nèi)顆?；旌蠙C(jī)理．通常認(rèn)為，影響密
相區(qū)顆?；旌系囊蛩匕w粒的粒度、密度、流化風(fēng)
速、床高和床截面積等因素．文獻(xiàn)中對擴(kuò)散能力的描
述采用橫向擴(kuò)散系數(shù)D。其定義與氣體分子的擴(kuò)
散系數(shù)十分相似．由于實(shí)驗(yàn)條件等因素的差異，不同
研究者得到的橫向擴(kuò)散系數(shù)D，，實(shí)驗(yàn)值分散在
0．000 1～o．1 m2／s[3_8]．但是已有文獻(xiàn)中關(guān)于流化
床內(nèi)密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散問題的研究大多局限于小
尺度實(shí)驗(yàn)裝置中，得到的定性及定量結(jié)果很難在大
型CFB鍋爐計算中直接應(yīng)用．
筆者在300 MW單爐膛CFB鍋爐按1／10比例
縮小的實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行固體顆粒橫向擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，利用
熱顆粒作為示蹤顆粒．通過本文實(shí)驗(yàn)以及文獻(xiàn)中的
大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了新的橫向擴(kuò)散系數(shù)計算關(guān)聯(lián)
式，并利用此關(guān)聯(lián)式預(yù)測了大型CFB鍋爐爐膛內(nèi)固
體顆粒的橫向擴(kuò)散系數(shù)．
1 密相區(qū)橫向擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)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(fēng)板、爐體、給
料系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)構(gòu)成，并沒有加裝分離器．流化氣
體通過過濾網(wǎng)排人大氣．實(shí)驗(yàn)裝置高3．0 m，截面尺
寸為0．8 m×1．2 m，布風(fēng)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(tǒng)如圖1(b)所示，由給料倉
和隔離閥構(gòu)成．一次實(shí)驗(yàn)注人10 kg溫度為120℃
的示蹤顆粒．實(shí)驗(yàn)過程中，在給定工況下流化床穩(wěn)定
運(yùn)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(nèi)的顆粒流化使其進(jìn)入爐膛．示
蹤顆粒質(zhì)量流量為1 kg／s．
爐膛內(nèi)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(fēng)板上
b)、一：平面測點(diǎn)
㈨)7其90婭萱(()r：、}7血】，I_'I|點(diǎn)
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(shè)示蹤顆粒注入點(diǎn)為原
點(diǎn)，寬度方向?yàn)閦方向，深度方向?yàn)閅方向．溫度測
點(diǎn)與原點(diǎn)的相對坐標(biāo)(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(diǎn)．
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒顆粒的粒徑分布范圍較大，
在o～8 mm內(nèi)，較大的顆粒在密相區(qū)無法被攜帶到
爐膛上部，因此與上部快速流態(tài)化不同，爐膛底部密
相區(qū)為鼓泡床的流化狀態(tài)[9。1 0】．經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得床料的
最小流化風(fēng)速為0．09 m／s．為了保證密相區(qū)為鼓泡
床流化狀態(tài)，同時減小流化風(fēng)對示蹤顆粒的影響，實(shí)
驗(yàn)中選取較小的流化風(fēng)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(jié)果如圖2所示．
從圖2可以看出，測點(diǎn)(0，0．250)的溫升明顯
高于其他測點(diǎn)，這是因?yàn)橐环矫媸聚欘w粒在擴(kuò)散過
程中，熱量被流化風(fēng)帶走，隨著擴(kuò)散距離的增加，溫
度迅速下降；另一方面，隨著顆粒向四周擴(kuò)散，距離
越遠(yuǎn)的測點(diǎn)，能夠擴(kuò)散到達(dá)的熱顆粒數(shù)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(kuò)散系數(shù)時，
需要考慮從熱顆粒開始注入時局部能量變化的動態(tài)
過程，具體計算方法可以參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)E43．圖
3給出了顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)隨流化風(fēng)速的變化．由
圖3可以看出，隨著流化風(fēng)速的減小，距離熱顆粒最
近的測點(diǎn)溫升幅度明顯增大，擴(kuò)散能力減弱，橫向擴(kuò)
散系數(shù)降低．
3 密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)
參考已有文獻(xiàn)的研究成果和相關(guān)總結(jié)，將顆粒
萬方數(shù)據(jù)
動力工程學(xué)報第36卷
(c)Ug一0．64 m／s
圖2 不同流化風(fēng)速下各個測點(diǎn)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(fēng)速／(m．s-1)
圖3顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)隨流化風(fēng)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(jié)果匯總于表1．由于實(shí)驗(yàn)
條件、統(tǒng)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(xiàn)通過總結(jié)給出了顆粒橫向擴(kuò)散系
表1顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)研究成果
Tab．1 Research results concerning lateral dispersion coeffi‘
cients
研究者實(shí)驗(yàn)臺流化床截面尺寸／m D。，／(m2·s_1)
注：1)1個數(shù)罕表不直徑；2)2個致字表不截面的長和覓．
數(shù)的計算關(guān)聯(lián)式，這些關(guān)聯(lián)式都是基于實(shí)驗(yàn)室尺度
的CFB裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成的，雖然計算結(jié)果
與類似文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)有一定的吻合度，但是是否可
應(yīng)用于大型CFB鍋爐的計算還有待商榷．一方面是
由于實(shí)驗(yàn)裝置的特征尺寸遠(yuǎn)小于CFB鍋爐實(shí)際尺
寸，另一方面，實(shí)驗(yàn)條件(包括流化風(fēng)速、顆粒性質(zhì)和
示蹤方法)也有很大差異．
Luecke等∞]在針對中小型CFB鍋爐的環(huán)核模
型中，取D。，一0，12 m2／s；劉道銀等[61通過計算，認(rèn)
為擴(kuò)散系數(shù)受到床寬的影響，大型CFB鍋爐中顆粒
的橫向擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，在0．1 m2 s
量級．基于前人研究成果，筆者認(rèn)為橫向擴(kuò)散系數(shù)受
到顆粒性質(zhì)(如粒度和密度)、流化風(fēng)速及靜止床高
等因素的影響，參考經(jīng)驗(yàn)公式[7’13’1“18]，將以上相關(guān)
物理量無量綱化，同時將橫向擴(kuò)散系數(shù)寫成無量綱
形式，則關(guān)聯(lián)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(shù)．
從前人實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流化風(fēng)速U
和密相區(qū)床高對橫向擴(kuò)散系數(shù)D。。的影響最為明
顯．隨著流化風(fēng)速和密相區(qū)床高的增大，擴(kuò)散能力顯
著增強(qiáng)．文獻(xiàn)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(jié)果表明，顆粒密度與橫向擴(kuò)散系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)
系，艿取值為負(fù)．隨著流化床截面尺寸的增大，擴(kuò)散
0
0
0
O
—I-s．，一＼巔懈衽輻匠羈
萬方數(shù)據(jù)
第3期胡南，等：CFB鍋爐爐膛內(nèi)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)研究
能力在一定程度上得到增強(qiáng)，但當(dāng)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(yīng)為0～1．基于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以上分析，通過
擬合得到如下關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)式計算結(jié)果與
文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示．由圖4可
以看出，大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果相近，少
數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果存在較大差異，這是
由于不同研究者的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理對最后結(jié)果
有較大影響．
對于100～600 Mw等級的CFB鍋爐，密相區(qū)
流化風(fēng)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(qū)顆粒橫向擴(kuò)散系
數(shù)為0．06～o．4 m2／s．
曼
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0 000
橫向擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果／(n1 1．S J
圖4橫向擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果的對比
Fig．4 Comparison of lateral dispersion coefficient between
experimental and calculated results
4 結(jié)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(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了固體
顆粒橫向擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)．通過本文實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)中的大量
實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了新的橫向擴(kuò)散系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式，并
采用此關(guān)聯(lián)式預(yù)測了大型CFB鍋爐爐膛內(nèi)固體顆
粒橫向擴(kuò)散系數(shù)．對于100～600 Mw等級的CFB
鍋爐關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果表明，不同尺寸、不同工況下的
密相區(qū)顆粒橫向擴(kuò)散系數(shù)為0．06t0．4 rn2／s．
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