胡　南，　郭兆君，　楊海瑞，　呂俊復(fù)，　裴育峰

(1. 中國電力工程顧問集團東北電力設(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實驗室， 北京 100084)

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CFB鍋爐爐膛內(nèi)顆粒橫向擴散系數(shù)研究

胡南1，郭兆君1，楊海瑞2，呂俊復(fù)2，裴育峰1

(1. 中國電力工程顧問集團東北電力設(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實驗室， 北京 100084)

摘要：在300 MW單爐膛循環(huán)流化床(CFB)鍋爐按1/10比例縮小的實驗裝置上，利用熱顆粒作為示蹤顆粒，研究了流化風(fēng)速對密相區(qū)顆粒橫向擴散系數(shù)的影響.通過本文實驗及文獻中的理論分析和大量實驗結(jié)果，擬合出新的橫向擴散系數(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)固體顆粒的橫向擴散系數(shù).結(jié)果表明：隨著流化風(fēng)速的減小，顆粒擴散能力減弱，橫向擴散系數(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； 橫向擴散系數(shù)； 密相區(qū)； 流化風(fēng)速

符號說明：

Dsr——橫向擴散系數(shù)，m2/s

Hd——靜止床高，m

D——爐膛特征尺寸，m

dp——粒徑，μm

ρp——顆粒密度，kg/m3

ρg——氣體密度，kg/m3

Ug——流化風(fēng)速，m/s

Umf——最小流化風(fēng)速，m/s

μg——氣體黏度，Pa·s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)進入爐膛燃燒，因此密相區(qū)顆粒橫向擴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?；旌吓c擴散是流態(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)定性地認識了流化床內(nèi)顆?；旌蠙C理.通常認為，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.文獻中對擴散能力的描述采用橫向擴散系數(shù)Dsr，其定義與氣體分子的擴散系數(shù)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(shù)Dsr實驗值分散在0.000 1～0.1 m2/s[3-8].但是已有文獻中關(guān)于流化床內(nèi)密相區(qū)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(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(jié)果，得到了新的橫向擴散系數(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)固體顆粒的橫向擴散系數(shù).

1密相區(qū)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(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)排入大氣.實驗裝置高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 μm，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.一次實驗注入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(wěn)定運行5 min后，將熱顆粒注入給料倉，然后密封倉蓋.先打開隔離閥V-1，然后打開高壓空氣閥V-2，高壓空氣將給料倉內(nèi)的顆粒流化使其進入爐膛.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1(b)和圖1(c)所示.熱電偶布置在布風(fēng)板上0.27 m處，為了表述方便，設(shè)示蹤顆粒注入點為原點，寬度方向為x方向，深度方向為y方向.溫度測點與原點的相對坐標(biāo)(x,y)(總長度為1)分別為(0, 0)，(0, 0.250)，(0, 0.375)，(0, 0.500)，(0.08, 0.500)，(0.17, 0.500)和(0.25, 0.500)，共計7個測點.

(a)實驗裝置(b)y-z平面測點(c)x-z平面測點

圖1實驗裝置示意圖

Fig.1Schematic diagram of the experimental setup

2實驗結(jié)果

CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒顆粒的粒徑分布范圍較大，在0～8 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)[9-10].經(jīng)實驗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，實驗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(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(fēng)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(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[3]和文獻[4].圖3給出了顆粒橫向擴散系數(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溫升幅度明顯增大，擴散能力減弱，橫向擴散系數(shù)降低.

3密相區(qū)顆粒橫向擴散系數(shù)

參考已有文獻的研究成果和相關(guān)總結(jié)，將顆?；旌系闹饕芯抗r及結(jié)果匯總于表1.由于實驗條件、統(tǒng)計和計算方法等因素的差異，不同研究者得到的Dsr相差較大，分散在0.000 1～0.1 m2/s.

(a) Ug=1.06 m/s

(b) Ug=0.82 m/s

(c) Ug=0.64 m/s

Fig.2Temperature rise curve of each measuring point at different gas velocities

圖3　顆粒橫向擴散系數(shù)隨流化風(fēng)速的變化

已有一些文獻通過總結(jié)給出了顆粒橫向擴散系數(shù)的計算關(guān)聯(lián)式，這些關(guān)聯(lián)式都是基于實驗室尺度的CFB裝置的實驗數(shù)據(jù)擬合而成的，雖然計算結(jié)果與類似文獻中的數(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(fēng)速、顆粒性質(zhì)和示蹤方法)也有很大差異.

表1顆粒橫向擴散系數(shù)相關(guān)研究成果

Tab.1Research results concerning lateral dispersion coefficients

研究者實驗臺流化床截面尺寸/mDsr/(m2·s-1)Berruti等[7]0.271)0.0002～0.0020Xiang等[8]2.60×1.602)0.0010～0.0100Salam等[11]0.90×0.152)0.0005～0.0020Bi等[12]0.50×0.102)0.0004～0.0016Xiao等[13]2.50×0.152)0.0400～0.4000楊海瑞等[14]0.90×0.102)0.0040～0.0120Schlichthaerle等[3]1.00×0.302)0.1200Niklasson等[15]1.70×1.702)0.1000Chirone等[16]0.371)0.0100～0.1000Winaya等[17]0.16×0.042)0.0002～0.0003劉道銀等[6]0.30×0.202)0.0002～0.0024本文0.34×1.202)0.0020～0.0060

注：1)1個數(shù)字表示直徑;2)2個數(shù)字表示截面的長和寬.

Luecke等[5]在針對中小型CFB鍋爐的環(huán)核模型中，取Dsr=0.12 m2/s；劉道銀等[6]通過計算，認為擴散系數(shù)受到床寬的影響，大型CFB鍋爐中顆粒的橫向擴散系數(shù)應(yīng)遠大于實驗室數(shù)據(jù)，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(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)驗公式[7,13-14,18]，將以上相關(guān)物理量無量綱化，同時將橫向擴散系數(shù)寫成無量綱形式，則關(guān)聯(lián)式可寫為

(1)

其中，α、β、γ、δ和χ為待定系數(shù).

從前人實驗和理論分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流化風(fēng)速Ug和密相區(qū)床高對橫向擴散系數(shù)Dsr的影響最為明顯.隨著流化風(fēng)速和密相區(qū)床高的增大，擴散能力顯著增強.文獻中α取值范圍為-0.2～0.4，而β的取值范圍為-0.5～0.5.Shi等[19]與Berruti等[7]的研究結(jié)果表明，顆粒密度與橫向擴散系數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，δ取值為負.隨著流化床截面尺寸的增大，擴散能力在一定程度上得到增強，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γ的取值范圍應(yīng)為0～1.基于本文實驗結(jié)果和以上分析，通過擬合得到如下關(guān)聯(lián)式：

(2)

為了考察式(2)的合理性，將關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果與文獻實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出，大部分實驗結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果相近，少數(shù)實驗結(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驗方法和數(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 m/s，爐膛特征尺寸為2～5 m，通過式(2)的計算，可以得到密相區(qū)顆粒橫向擴散系數(shù)為0.06～0.4 m2/s.

圖4　橫向擴散系數(shù)實驗結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果的對比

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(jié)果，得到了新的橫向擴散系數(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)顆粒橫向擴散系數(shù)為0.06～0.4 m2/s.

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Experimental Study on Lateral Dispersion Coefficient of Solid Particles in a CFB Boiler

HUNan1,GUOZhaojun1,YANGHairui2,LüJunfu2,PEIYufeng1

(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, Beijing 100084, China)

Abstract：The effect of gas velocity on lateral dispersion coefficient in dense zone of a 300 MW single-furnace 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

文章編號：1674-7607(2016)03-0168-04

中圖分類號：TK224

文獻標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.30

作者簡介：胡南(1985-)，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；

收稿日期：2015-06-29

修訂日期：2015-07-13

E-mail:hunan@nepdi.net.