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1、第二章 循环流化床锅炉流体动力特性24第二章第二章 循环流化床锅炉流体动力特性循环流化床锅炉流体动力特性循环流化床气-固两相流体动力特性是 CFB 锅炉性能设计、炉内传热研究及锅炉运行调试的基础。循环流化床的流体动力特性不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性，而且受设备的结构尺寸，包括床径、床高、进出口结构以及运行参数(如温度、压力)的影响，因此在锅炉设计和运行调试前有必要对 CFB 锅炉的流体动力学有所熟悉和研究。2.1 气固流态化形式气固流态化形式流态化用来描述固体颗粒与流体接触的一种运行形态，是一种使微粒固体通过与气体接触而转变为类似流体状态的操作模式。气固流态化大致可分为固定床
2、、鼓泡床、湍流床、快速床到气力输送几种形式，见图 2-1。图图 2-1 流态化过渡形式流态化过渡形式提高鼓泡床的运行风速，床层流动就转到湍流流化床流型，此时密相床层和悬浮段间的界面变得不很明显，颗粒的向上夹带量明显增加，如再进一步增加风速将会形成快速流态化状态。由于流态化转变是一个相当复杂的过程，不仅与装置本身有关，而且在很大程度上取决于运行工况的组织、流化颗粒物性等因素。即使对同一流化床装置，在所有运行工况及颗粒物性稳定的情况下，床层的不同区域亦会呈现出不同的流动型态。如传统的鼓泡流化床虽属低速流态化范畴，当燃用宽筛分煤粒时，呈现出底部布风板以上的密相鼓泡区和悬浮段的稀相气力输送区域。燃煤循
3、环流化床虽属高速流态化范畴，但由于底部床料的加速效应和大颗粒从底部循环回送，因而仍然存在着底部的密相区和二次风口以上的相对稀相区，并且在布风板和二次风第二章 循环流化床锅炉流体动力特性25口之间的区域基本上处于鼓泡流化床和湍流流化床状态，而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化床状态。快速流化床是流态化的一种形式，循环流化床锅炉所具有的许多优点，例如燃料适应性广、NOx排放量低、燃烧效率高、脱硫时石灰石利用率高和给料点较少等，其原因均是由于气固处于快速流态化运动状态。习惯上人们总是用风速来判别流化状态。当流化风速超过临界流化风速后，整个床层由固定床过渡到鼓泡床，再继续提高风速就过渡到湍流床和快速循
4、环流化床。快速流化床内存在着较大的固体颗粒返混，即存在强烈的颗粒内循环，这对延长颗粒的停留时间是有利的。由于内循环的存在，在炉内的固体物料浓度不仅沿高度(轴向)是变化的，沿径向也是变化的。内循环的存在也使炉内温度场趋于均匀。流体动力特性是非常重要的参数，它决定着辅机的能耗、床内吸热量、温度分布、燃烧情况、床内载料量和磨损等。良好的综合流体动力特性是合理设计循环流化床锅炉的基础。鉴于循环流化床技术的发展历史还很短，特别是煤燃烧领域所涉及的高温和大颗粒情况，从鼓泡流化床(慢速床)过渡到循环流化床(快速床)的流型转变规律以及循环流化床内的各种特征，目前研究的尚不完整，对它的认识还在不断深化中，故其研
5、究结果在应用中要注意分析。2.2 各类流态化的过渡准则各类流态化的过渡准则为了便于研究流态化过渡，首先研究循环流化床的颗粒分类。2.2.1 颗粒分类颗粒分类根据流态化经验，Geldart(1973)把固体颗粒概括分成如图 2-1 所示的 A、B、C 和 D 四类。图 2-2 是颗粒分类相对于气固密度差的曲线。在了解固体颗粒流态化表观上，分类是一种很重要的手段，因为在相近的操作条件下不同类的颗粒流动表现可能完全不同。某种固体颗粒是属于 A、B、C 还是 D 类，这主要取决于颗粒的尺寸和密度，同时也取决于流化气体的性质，因而与它的温度和压力有关。A 类颗粒(p=2500 kg/m3)一般在 301
6、00 m 范围内，气固密度差小于 1400 kg/m3，主要包括有裂化催化剂。早期的流态化研究工作都是以它们为主进行的。这类颗粒能很好地流化，但表现气速在超过临界流化速度之后及气泡出现之前床层会有明显的膨胀。很多循环流化床图图 2-2 颗粒分类颗粒分类第二章 循环流化床锅炉流体动力特性26系统采用 A 类颗粒，这类颗粒在停止送气后会有缓慢排气的趋势，由此可鉴别 A 类颗粒。B类主要是砂粒和玻璃球，这类颗粒粒度通常在 100500 m 范围内(p=2500 kg/m3)。气固密度差为 14004000 kg/m3。B 类颗粒床易于鼓泡，气速一旦超过临界流化速度，床内立即出现两相，即气泡相和乳化相
7、。它们能流化得很好，大部分锅炉都采用这类颗粒。C 类颗粒非常细，一般小于 30 m(p=2500 kg/m3)。它是具有粘结性的一类，特别易于受静电效应和颗粒间作用力的影响，很难达到正常流化状态。颗粒间作用力与重力相近。如果要流化 C 类颗粒，则需特殊的技术，否则常会造成沟流。常常通过搅拌和振动方式使之正常流化。D 类颗粒(p=2500 kg/m3)是所有颗粒中最粗的(500m)，通常达到 1 mm 或更大。虽然它们也会鼓泡，但固体颗粒的混合相对较差，更容易产生喷射流。它们需要相当高的速度去流化，通常处于喷动床操作状态。表 2-1 给出了不同类型的颗粒特性比较。表表 2-1 四类颗粒的特点四类
8、颗粒的特点类别CABD对于p=2500 kg/m3的粒度5 m0 49. .ttthS.hhSHHh.ReDDH将计算式(2-16)的数据代入式(2-17)，其中 h=20 m，得 St=0.177 m 。两个式计算结果有些出入。在做传热计算时，应选取沿整个高度的平均壁面层厚度。s2.7 内循环量与外循环量的关系内循环量与外循环量的关系尽管循环流化床是由分离器、立管和回料器而形成的固体颗粒外循环而得到的名称，而实验结果表明在一个稀相区的给定高度既可观察到向上的质量流，也可观察到向下的质量流，且其净的上流量与这些内部流量相比是比较小的。高固体颗粒内循环率是循环流化床锅炉的一个重要特性。对于位于布
9、风板上方 h 处的测量平面上图图 2-24 双环模型双环模型图图 2-25 3 个燃煤循环流化床设备中的固体颗粒循环率个燃煤循环流化床设备中的固体颗粒循环率第二章 循环流化床锅炉流体动力特性42的固体颗粒循环率比值 Z(h)可定义为总向下颗粒质量流与总向上颗粒质量流之比。s,downm &ups,m &它有助于在描述循环流化床的流体动力特性和传热特性时将颗粒的内循环考虑进去。图 2-25 表明如果内循环率表示成到分离器入口的无量纲距离的函数，则从 3 台锅炉上得到的数据相当一致。尽管锅炉的设计和操作条件有很大不同，将实验数据外推到旋风分离器入口处，可以发现大致有 Z(h)=0.2，这就是说，在
10、到达旋风分离器入口处的颗粒质量流中有20%返回向下流。如果延升顶部将有助于增加这个趋势。这对燃烧过程中的气固化学反应是有利的，因为它增加了颗粒在燃烧室内的停留时间，从而可提高燃烧效率。在图 2-24 中的测量值可用一个简单的经验关联式来描述，即(2-18)min,min,/ )(75. 02 . 0)(eeHhHhZ式中 He,min分离器入口下沿到布风板的高度。当然，该式仅对底部的密相区和喷射区以上的稀相区有效。根据内循环率的定义，可以有(2-19) )(1)(s ups,hZFGhm&式中 总向上的颗粒质量流量。ups,m &从方便计算内循环量出发，式(2-19)应改为总向下的颗粒质量流量
11、,(即内循环流量)，s,downm &这时式(2-19)应改为=GSF (2-s,downm &) 1)(11(hz19A)式中 单位炉膛截面的颗粒外循环流率；sGF炉膛截面积。由式(2-19A)可以求得内循环流量 ms,up与外循环流量F 的关系。100 MWe 级 CFB 锅炉sG耐火耐磨涂料一般敷设到 0.1 炉膛高度(He,min，mm)，从图 2-24 查得该处的 Z=0.85，则该处 的 ms,down按式(2-19A)求得为 6.66F；炉膛出口处的 Z=0.2，则该处的 ms,up按式(2-19A)求得sG为 0.25F。根据上述计算，从 0.15 高度处到炉膛出口处的平均内循
12、环量约为 3.5F，即sGsG内循环量约等于外循环量的 3.5 倍。这与 Basu 认为内循环倍率 Rin=(35)R，即内循环量为外循环倍率的 35 倍是一致的。实验表明，在循环流化床内，固体颗粒常会聚集起来成为颗粒团在携带着弥散颗粒的连续气流中运动，这在壁面处的下降环流中表现得特别明显。这些颗粒团的形状为细长的，空隙率一般在 0.60.8 之间。它们在炉子的中部向上运动，而当它们进入壁面附近的慢速区时，就改变它们的运动方向开始从零向下作加速运动，直到达到一个最大速度。所测量到的这个第二章 循环流化床锅炉流体动力特性43最大速度在 12 m/s 的范围之间。颗粒团一般并不是在整个高度上与壁面
13、相接触，在下降了13m 后就会在气体剪切力的作用下，或其它颗粒的碰撞下，发生破裂，它们也有可能自己从壁面离开。在大多数循环流化床锅炉中壁面不是平的。它们或是由管子焊在一起，或是由侧向肋片将相邻的两根管子联在一起。在每一个肋片处，由相邻管子构成深度为半个管子直径的凹槽。这将影响到颗粒在肋片上的运动。实验发现颗粒会聚集在肋片处，在那儿的停留时间要大于在管子顶部。 2.8 颗粒循环流率颗粒循环流率 Gs的确定的确定颗粒循环流率 Gs是表征颗粒循环量的一个参数，定义为单位炉膛截面(m2)的循环量(kg/s)。由于内循环量沿炉膛高度是在变化的，底部密相区大，上部稀相区则逐渐减小，故一般意义上的颗粒循环流
14、率指平均循环流率 Gs。循环流率的大小与颗粒密度p、空隙率和流化速度 u0有关。对于 100150 MWe 级流化床锅炉可参阅图 2-26。从图中看出，随着烟气速度的增加，循环流率也相应增加。一般所说的物料循环量均指外部物料循环量，即通过返料机构送回床层的物料量，实际上循环流化床锅炉有很大的内循环量。内循环量主要取决于床内构件及流体动力特性。内循环在提高脱硫、燃烧效率方面，其影响与外循环基本上是相同的，对平衡床内温度的影响与外循环不尽相同，但有一点是非常明显的，即内循环增大后，外循环可以适当地降低一些。循环倍率 R 的定义是进入旋风分离器入口处的循环流量 Glc与煤耗量 B+石灰石耗量 Bsh
15、之比，即(2-20)shlc BBGR 由式(2-20)可求得分离器入口处的循环物料量，即外循环物料量 Glc(2-21)(shlcBBRG颗粒内循环流率 Gs为炉内循环物料量与炉膛截面积之比，即(2-22)FGGpj s图图 2-26 颗粒循环流率与轴向烟气速度的关系曲线颗粒循环流率与轴向烟气速度的关系曲线第二章 循环流化床锅炉流体动力特性44由式(2-22)可求得炉膛颗粒内循环量 Gpj，(2-23)FGGspj对于 100 MWe 级 CFB 锅炉，假定 R=24，B=14.2 m/s，Bsh=0.65 m/s，则由式(2-21)可得外循环流量 Glc=24(14.2+0.65)=356
16、.4 kg/s。假定内循环流率 Gs=18，F=88 m2，则由式(2-23)得Gpj=1888=1584 kg/s。由此可得炉膛内循环平均流量 1584 kg/s，是炉膛出口处的外循环流量 356.4kg/s 的 4.5 倍。即内循环流率 Gs是外循环流率 Gs的 4 倍左右。这个结论与根据式(2-19A)计算所得结果基本一致。2.9 临界流化风速临界流化风速 umf的确定的确定通常将床层从固定状态转变到流化状态(或称沸腾状态)时按布风板面积计算的空气流速称为临界流化速度 umf，即所谓的最小流化速度。对于工业应用的燃煤流化床锅炉，其正常运行的流化速度均要大于 umf。岑可法等人针对宽筛分石煤燃料的冷态和热态试验结果，并结合国内外燃煤流化床的试验数据，提出了以下准则式(2-24)528. 0mf0882. 0ReAr式中
