300 MW 循环流化床锅炉物料浓度和传热特性试验测试分析

徐 刚

（青海省特种设备检验所，青海 西宁810001）

随着人们对环境保护的重视程度不断提高以及能源用量的不断增加，要求为煤燃烧过程引入更加清洁高效的技术，实现煤燃烧发电效率的显著提升并减少污染物的排放量[1-6]。现阶段使用较多的煤洁净燃烧发电技术主要有：流化床循环燃烧发电、整体煤气化联合循环发电、 超临界燃煤锅炉蒸汽循环联合烟气脱硫脱硝、蒸汽联合循环发电等[7]。已经达到成熟应用水平的是循环流化床技术，已在国内获得了大量的推广应用，目前装机容量已高于其它所有国家CFB 容量的总和，可见CFB 技术对于国内的能源结构升级优化起到了非常关键的推动作用[8-10]。

对循环流化床锅炉的燃烧与热量传输过程进行分析时，需以气固流场特征与物料的浓度作为基础。同时，在研究循环流化床锅炉气固流场时通常都是建立在模型分析的基础上，因此在该领域研究过程中形成了多种数学模型并由许多学者开发了相应的应用软件[11-13]。考虑到锅炉内的气固两相流动属于一个复杂变化过程，同时受到气体、固体介质的共同作用，并且在不同的机理下也会形成不同的气固运动规律。对于上述情况，已经无法通过气固流动模型的更新来统一描述循环流化床的气固流场,不同的模型总是会存在一定的缺陷。现阶段形成的主流观点是，在循环流化床内形成了环-核流动的状态，同时会在核心区径向与轴向上都形成均匀的空隙率分布形态，离开壁面越近的部位，颗粒浓度也更大，这使得炉壁附近区域存在更大颗粒，这也成为了循环流化床锅炉的一个模型特征[14-15]。因此，在研究循环流化床锅炉传热过程时，必须根据颗粒的独特分布特征来分析壁面附近的颗粒运动形式。同时还需注意，结构设计与操作方式也会对循环流化床传热效果产生明显影响，程乐鸣等通过试验发现，以二次风口高度作为分界线，下部的密相区传热系数介于300～500 W/（m2·K）之间，上部区域的壁面传热系数介于150～250 W/（m2·K）之间[16-18]。

本文主要研究了300 MW 循环流化床锅炉密相区压降情况，由此得到密相区的颗粒浓度改变结果以及空隙率数据。

1 试验

1.1 锅炉结构及运行参数

本试验选择一台亚临界再热分叉腿型循环流化床锅炉作为研究对象，其容量为1 060 t/h，在满负荷状态下可以达到300 MW，同时在锅炉外部区域配备了4 台高温绝热旋风分离器，同时还为其配套了U 形返料器以及换热器。各项运行参数为：额定温度530 ℃，额定蒸汽压17.3 MPa，设计换热效率90%。炉膛的宽度、 深度与高度分别为15 050 mm、14 700 mm 与36 520 mm。将二次风的高度设定成5.2 m，通过两路到达炉膛下部区域的裤衩腿夹弄与二次风分风道，之后利用34 个支管经过上下两层结构到达炉膛。表1 给出了锅炉的具体结构与运行参数。

表1 锅炉的具体结构与运行参数

1.2 炉内压力测点分布

以二次风作为分界可以把上升管分成上部稀相区与底部密相区两个区域，并且在实际划分区域时也没有固定的高度值。有学者在研究二次风的过程中提出，二次风可以显著提高流化床密相区的固体颗粒浓度。本研究把二次风口下部区域设定为密相区。根据图1 可知，按照由上往下的顺序可以把炉内的压力测试点部位分成旋风分离器入口、炉膛中部、二次风出口与分叉腿布风板的上部区域。

2 结果分析

2.1 物料浓度结果分析

图1 压力测点布置示意图（单位：mm）

图2 不同负荷下的密相区压降变化曲线图

通过现场的DCS 系统获得各工况的测试数据，开展多组试验，依次降低试验坏点产生的影响，由此获得不同负荷下的密相区压降变化曲线（见图2）。不同的炉内压降对应的物料浓度也存在差异， 当炉膛负荷上升后，炉内将形成更多的物料量。当物料量相同时，流化风速提高后床层压降也会增大，表现为风速越大对应的颗粒浓度越低；当流速相同时，随着物料量的上升，床料的压降也会增大，产生更大的颗粒浓度，表明物料量与风速都会对颗粒的浓度产生影响。流化风速通常会达到一个极限流化能力，当物料量达到某一临界值后，流化效果会逐渐变差。

图3 显示了不同锅炉负荷下对应的炉内物料量浓度和流化风速间的关系。处于低负荷下的初始上升阶段时，风速和物料量都发生了快速上升，物料量增加值未超过流化风速极限，可以获得良好的流化效果，同时还有少数密相区物料被夹带到了稀相区中，使密相区的物料量发生了略微升高，但总体变化并不显著。到达某一负荷下时，当物料量上升后，流化风速并不能以同样速率增加，从而降低了流化效果，扬析夹带的效果减弱，将出现密相区物料量快速升高的现象，同时形成更高的颗粒浓度。因此，当负荷增大后，密相区的物料浓度表现为先增大后快速上升的变化规律。

图3 不同炉负荷下对应的炉内物料量浓度和流化风速间的关系图

从总体上分析可知，密相区的物料浓度不会超过125 kg/m3，最低可以达到100 kg/m3以上，在不同负荷下的物料量变化幅度基本为20～30 kg/m3，介于240～250 MW 之间，浓度快速升高，尤其是高负荷状态下上升情况最显著。图4 显示了不同风速下的密相区物料浓度变化情况。

图4 不同风速下密相区物料浓度变化图

2.2 传热特性结果分析

分别测试了负荷率52.7%、74.8%与93.1%的不同负荷条件下的炉内传热情况。以这些负荷下的平均床温与流化风速作为依据，不同炉高与负荷下环形区颗粒团壁面覆盖率与平均空隙率的变化情况见图5。

可以发现，当负荷增大后，将会引起炉内物料量的上升，达到更大的颗粒浓度，而环形区中的颗粒浓度也出现了上升的现象，同时空隙率降低并产生更多数量的颗粒团，显著提高壁面覆盖率；当炉高空隙率增大后，会引起环形区颗粒团的减少，从而降低壁面覆盖率。在所有负荷下，相同高度的空隙率变化会对份额改变产生明显影响，并且当高度增大后，影响程度会不断降低，同时还可以发现当负荷增大后，壁面覆盖率改变也更显著。当负荷率由75.8%增大到91.7%时，所有高度下的壁面覆盖率增大幅度都比负荷率由53.4%增大为75.6%时的变化幅度更小，这说明高负荷下的负荷变化对壁面覆盖份额的影响更小。

通过分析图6 结果可以发现，在CFB 炉高方向上，对流传热系数表现为不断降低的变化趋势，这是由于炉内的空隙率随着炉高的增大而增加，并且环形区的颗粒也会不断往下沉积，使上部环形区颗粒浓度不断降低，降低了颗粒覆盖壁面的均值，导致对流传热系数下降，此外还可发现当负荷上升后，炉膛各部位将达到更大的传热系数。

图5 不同炉高与负荷下环形区颗粒团壁面覆盖率与平均空隙率的变化图

图6 对流换热系数变化图

从图7 中可以看到稀相区的总传热系数变化情况，并表现为随炉膛高度的上升而减小，到达52.8%的负荷率时，传热系数减小了27.53%，当负荷率等于75.6%时，传热系数减小了26.42%，当负荷率达到93.1%时，传热系数减小了24.81%。

图7 总换热系数变化图

根据上述传热系数改变结果可以发现，当炉高增大后，循环流化床锅炉炉内传热系数不断减小，这是因为存在不均匀分布的床温结构所导致的结果，特别是负荷较低的情况下，稀相区上、下部之间会出现显著的温度差。因此，在较高的负荷下可以使炉内形成更均匀的温度分布状态，并形成更稳定的传热过程。

3 结论

（1）不同的炉内压降对应的物料浓度也存在差异，当炉膛负荷上升后，炉内将形成更多的物料量。当负荷增大后，密相区的物料浓度表现为先增大后快速上升的变化规律。密相区的物料浓度不会超过125 kg/m3，最低可以达到100 kg/m3以上，浓度快速升高，尤其是高负荷状态下上升情况最显著。

（2）当负荷增大后，将会引起炉内物料量的上升，达到更大的颗粒浓度，而环形区中的颗粒浓度也出现了上升的现象。在CFB 炉高方向上，对流传热系数表现为不断降低的变化趋势。随炉膛高度的上升，传热系数减小。当炉高增大后，循环流化床锅炉炉内传热系数不断减小。