張 曜，林 晨，于 娟，馮 帆，張忠孝

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引 言

NOx的生成控制與流化床流化特性及氣固流動有關。爐膛壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度的分布對循環(huán)流化床的運行有重要影響。爐內(nèi)壓降過大會增加能耗及風機負荷，不利于鍋爐高效穩(wěn)定運行；循環(huán)流率在一定程度上能反映爐膛內(nèi)的流化狀態(tài)，如鼓泡流化床的循環(huán)流率為0，快速流化床的循環(huán)流率根據(jù)具體情況變化，但過大的循環(huán)流率對分離器要求很高且勢必造成床料損失；而合理的物料濃度分布既可以滿足鍋爐的負荷需求，也能減少鍋爐受熱面的磨損[1-2]。因此，爐膛壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度的分布是評價循環(huán)流化床的運行性能的重要指標。

流化風速、床料粒徑、床料總量、二次風射流等因素對循環(huán)流化床的流化特性有重要影響。殷上秩等[3]研究表明，控制物料循環(huán)流率一定時，各截面上的表觀顆粒體積分數(shù)隨流化風速的增加逐漸減??；表觀顆粒體積分數(shù)上小下大的不均勻性隨流化風速的增大而逐漸減弱。李國勝等[4]通過計算發(fā)現(xiàn)床料粒徑減小時，密相區(qū)顆粒濃度減小，稀相區(qū)顆粒濃度增大，床料顆粒在爐膛軸線方向分布更為均勻。Issangya等[5]發(fā)現(xiàn)床料量增大使各截面上的表觀顆粒體積分數(shù)均增加。上升管底部先形成表觀顆粒體積分數(shù)較大的區(qū)域，并且隨著床料量繼續(xù)增大，此區(qū)域逐漸向更高的位置延伸。陳繼輝等[6]進行了試驗研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)爐膛物料濃度隨一次風的變化而變化，二次風的引入顯著改變爐膛內(nèi)物料濃度的分布，二次風射程隨風速增加近似成冪函數(shù)增加。循環(huán)流化床二次風的主要作用是補充燃料燃燒所需空氣，并加強爐內(nèi)物料的擾動。但目前二次風射流普遍存在穿透深度不夠，導致氧氣分布不均，特別是爐膛中心區(qū)域缺少燃燒空氣的問題[7]。由此可見，考慮流化風速、床料粒徑、床料總量、二次風射流等因素的影響對循環(huán)流化床的研究尤為重要。

前人研究大多使用窄篩分床料顆粒，且較多針對傳統(tǒng)的墻式布置二次風，鮮有學者綜合研究中心布置二次風的穿透性能及其對爐膛流化特性的影響。因此，本文在自行搭建的流化床冷態(tài)試驗臺上，研究了中心布置二次風及寬、窄篩分的床料對二次風穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響。研究結果可為循環(huán)流化床的熱態(tài)試驗的運行提供參考。

1 試驗系統(tǒng)

循環(huán)流化床冷態(tài)實驗臺系統(tǒng)如圖1所示。為便于觀測物料流化現(xiàn)象，爐膛管由有機玻璃加工而成，管內(nèi)徑50 mm，管外徑60 mm，管總長1 500 mm。定義爐管最下方法蘭所在的平面為坐標零點，豎直向上為正方向。為測量管內(nèi)軸向方向的壓力變化，管壁側(cè)面共開18個3 mm壓力測孔，在5～40 cm內(nèi)，每隔5 cm布置一個測孔，在40～140 cm處，每隔10 cm布置一個測孔。在20、140 cm處，布置可拆卸的回料法蘭及出口法蘭，便于增添物料、連接分離器、收集循環(huán)物料等操作。二次風噴嘴通過不銹鋼管連接，從爐管中心向壁面噴射。噴嘴共有4個直徑為3 mm的噴口，在水平面內(nèi)均勻分布，噴射方向為爐管徑向。

圖1 循環(huán)流化床冷態(tài)試驗臺系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of cold-state circulating fluidized bed experimental system

2 數(shù)據(jù)處理方法

為了研究中心布置二次風和寬、窄篩分的床料對二次風穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響，需要先制定相關的數(shù)據(jù)處理方法定量描述二次風穿透性能、物料循環(huán)效率和顆粒濃度的分布。

試驗開始前，先在布風板上放置一定高度的床料，開啟風機調(diào)整至設定風量，依次測量爐膛各高度的壓力及二次風射流平面內(nèi)的溫度；之后將分離器后的回料管接至收集裝置中，收集一定時間內(nèi)被帶出爐膛的物料，對收集到的物料進行稱重測量。根據(jù)收集到的物料質(zhì)量、爐膛內(nèi)徑及收集時間，通過式(1)計算出物料循環(huán)流率Gs。

(1)

式中，mc為收集到的物料質(zhì)量，kg；S為爐膛截面積，m2；Δt為收集時間，min。

對測得的壓力數(shù)據(jù)進行處理，在忽略顆粒加速以及氣固與壁面間的摩擦所導致的壓力損失情況下，可以得到爐膛軸向的表觀顆粒體積分數(shù)[10]。

(2)

式中，ΔP為測點間的壓降，hPa；ΔZ為相應測壓點間的高度m；ρp為石英砂的密度，kg/m3；ρg為空氣的密度，kg/m3；εs為表觀顆粒體積分數(shù)，%。

她皺了一下眉頭，半真半假地說，為什么一定要受戒啊，好端端的頭皮上燒那么多的洞，該有多痛啊。再說，也難看死了。要是傷口化膿，成了癩瘌頭怎么辦？他笑了起來，說那不會的。她想了一會兒，幽幽地道，還是不要受戒的好。

3 結果與討論

3.1 二次風射流對流化特性的影響

3.1.1二次風占比的影響

循環(huán)流化床實際運行過程中，負荷不變的前提下，常通過保持總供風量一定，調(diào)節(jié)一、二次風的比例來優(yōu)化燃燒過程[11]。

固定總風量為10.5 m3/h，在距離爐膛底部15 cm處噴射二次風，不同二次風占比(SAR)的顆粒體積分數(shù)軸向分布如圖2所示?？芍趪娚涠物L時，爐膛35 cm以上區(qū)域，3條曲線的顆粒濃度差異不大，且在90 cm后衰減為0。在35 cm以下的密相區(qū)，二次風占比越大，顆粒濃度也越大，這與孫紹增等[12]試驗結果相符。Arena等[9]通過墻式布置二次風試驗試圖解釋這一現(xiàn)象：一方面，由于總供風量固定，二次風率的增大必然伴隨著一次風量的下降。一次風對下部顆粒的攜帶能力減弱，造成更多的床料在爐膛底部堆積；另一方面，二次風的存在等效于一個爐膛內(nèi)的構件，對其下方上行的顆粒具有隔斷返混的作用，隨著SAR增大，其剛性和穿透性增加，這一影響不斷增強，造成更多顆粒被阻斷在下部并積累。所以，二次風射流會增大其噴射高度附近的顆粒濃度，且SAR越大，顆粒濃度的增長越明顯。

圖2 不同SAR下爐膛表觀顆粒體積分數(shù)軸向分布Fig.2 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction under different SAR

3.1.2二次風射流深度的影響因素

不同總風量下，二次風射流的溫度衰減曲線如圖3所示。可知SAR相同(23%)時，3條曲線的衰減規(guī)律類似。當二次風射流到達距噴嘴7.5～9.0 mm時，無量綱剩余溫度θ即衰減至0.5，所對應的射流穿透率為0.30～0.36。θ的衰減曲線呈先快后慢的趨勢。總風量增大時，二次風射流穿透率有微小增加，這主要是因為一、二次風量都有相應的增加。爐膛內(nèi)的風速加快，會使得更多的床層顆粒被氣流攜帶至爐膛中上部區(qū)域，二次風噴射位置的顆粒濃度降低，二次風所受阻力略有減少。二次風占比固定時，改變總風量對二次風的穿透性能影響不大。

圖3 不同總風量下二次風射流的溫度衰減曲線Fig.3 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different total air volumes

總風量10.5 m3/h時，不同二次風占比下射流的溫度衰減曲線如圖4所示?？芍S著二次風占比的增加，射流深度明顯提升，射流穿透率從SAR=0.23的0.3上升至SAR=0.33時的0.84，SAR繼續(xù)增長至0.41時，射流穿透率達到0.97。隨著SAR增加，射流深度增大的原因主要是：一方面，總風量固定時，增加二次風比例，二次風的風速增加，一次風的風速降低，二次風射流用來克服主氣流卷吸作用的能量消耗大幅減少，因此射流深度增加；另一方面，具有上行作用的一次風風速降低后，其攜帶固體顆粒的能力下降，二次風噴射位置的固體顆粒濃度降低，二次風對抗固體顆粒的能量損耗降低。這2方面因素使得二次風射流能力增強。

圖4 不同SAR下二次風射流的溫度衰減曲線Fig.4 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different SAR

不同二次風速射流的溫度衰減曲線如圖5所示。可知射流深度隨著二次風速的增大而明顯增大，但增長逐漸放慢。當風速從20 m/s提高至28 m/s時，射流穿透率從0.30增至0.74，漲幅達到0.44；風速從28 m/s提高至34 m/s時，射流穿透率增至0.88，漲幅為0.14；當二次風速繼續(xù)增至40 m/s時，射流穿透率增至0.94，漲幅僅為0.06。在其他條件不變的情況下，增加二次風速相當于增大了二次風的動能，使其有更大的能量對抗固體顆粒和上行一次風的阻力。曹昊等[13]通過模擬計算也發(fā)現(xiàn)射流穿透深度與噴口直徑、射流速度成正比。

圖5 不同二次風速射流的溫度衰減曲線Fig.5 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different secondary air velocities

圖6 不同二次風噴射高度下的射流溫度衰減曲線Fig.6 Temperature attenuation curves ofsecondary air jet with different injection heights

3.2 床料粒徑對流化特性的影響

在其他條件一致時，床料粒徑直接影響循環(huán)流化床的傳熱傳質(zhì)特性、物料循環(huán)流率、爐膛壓降等重要參數(shù)。小粒徑的床料對應較低的終端速度，其更容易被流化風夾帶至爐膛出口，進入旋風分離器參與爐外循環(huán)；大粒徑床料則更傾向于停留在爐膛內(nèi)，參與爐內(nèi)循環(huán)。

以往學者的研究大多基于窄篩分的床料粒徑。但實際流化床運行中，選用的床料粒徑分布較寬。所以首先對窄篩分粒徑的床料進行研究，在此基礎上，探究寬篩分床料對流化特性的影響，比較兩者異同。

3.2.1窄篩分床料粒徑的影響因素

不同窄篩分床料在1 m/s流化風速下的爐膛壓力降曲線如圖7所示。可知隨著顆粒粒徑減小，爐膛整體的壓降上升，且壓降趨于平穩(wěn)的高度不斷上升，256 μm顆粒在20 cm后壓降幾乎不變，181 μm床料在50 cm后趨于平穩(wěn)，而128 μm顆粒壓降隨著爐膛高度的增加仍不斷增大。

圖7 不同窄篩分床料的爐膛壓降曲線Fig.7 Chamber’s pressure drop curves of different narrow distributed particle diameters

窄篩分床料爐膛軸向的表觀顆粒體積分數(shù)分布如圖8所示?？芍S著石英砂粒徑的減小，顆粒體積分數(shù)在爐膛的底部及中上部均有明顯提高。這說明更多的顆粒能夠隨流化風的揚析被帶到爐膛外，進入分離器參與爐外循環(huán)。相應的，物料循環(huán)流率急劇增加，從256 μm顆粒無法帶出爐膛，循環(huán)流率為0，上升到181 μm顆粒的0.5 kg/(m2·min)，再急劇增加至128 μm顆粒的6.1 kg/(m2·min)，循環(huán)流率的增幅變大。

圖8 不同窄篩分床料爐膛表觀顆粒體積分數(shù)軸向分布Fig.8 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction with different narrow distributed particle diameters

結果表明，在一定的流化風速下，物料循環(huán)流率對顆粒粒徑的變化極為敏感。楊新等[14]研究表明石英砂床料粒徑減小時，流化床的循環(huán)流率增大，粒徑增大時則相反。

3.2.2寬篩分床料粒徑的影響因素

實際循環(huán)流化床運行中均采用寬篩分的床料。粗顆粒在爐膛下部形成鼓泡床或湍動床，細顆粒在爐膛上部的自由空域形成快速床[15]。爐膛中的顆?？煞譃閮深悾狠^細的顆粒可參加循環(huán)并直接影響爐膛上部受熱面換熱，稱為有效床料；較粗的顆粒始終停留在爐膛底部無法被氣體夾帶，稱為無效床料[16]。2種顆粒缺一不可，粗顆粒可促進燃料著火和保證停留時間，但過多的粗顆粒會大幅增加風機功耗和爐膛底部磨損[17]。而細顆粒則影響爐膛中上部稀相區(qū)的傳熱、傳質(zhì)及燃燒。細顆粒增多會提高稀相區(qū)顆粒聚團出現(xiàn)的概率，產(chǎn)生周期性的聚并和破裂，延長顆粒的停留時間，提高可燃物的燃盡率[18]。但細顆粒濃度過大同樣會造成二次風機的功耗增大、二次風穿透性能降低、爐膛中心區(qū)域氧量減少、爐膛受熱面磨損等問題。

因此本文采用3種寬篩分床料，研究其流化特性。寬篩分顆粒的粒徑分布見表1。

不同寬篩分床料的爐膛壓降曲線如圖9所示?？芍獙捄Y分床料在流化風速1.7 m/s下，壓力降曲線和窄篩分床料的趨勢明顯不同。1號床料具有最細的平均顆粒粒徑及最高的細顆粒占比，所以爐膛的壓降最大，且隨高度不斷上升，至爐膛出口仍未平穩(wěn)。2號床料的平均粒徑雖然小于3號床料，但3號床料300 μm以下細顆粒數(shù)量比2號床料多，造成3號床料的爐膛整體壓力降大于2號。

表1 寬篩分床料顆粒粒徑分布

圖9 不同寬篩分床料的爐膛壓降曲線Fig.9 Chamber′s pressure drop curve with different wide distributed particle diameters

不同寬篩分床料爐膛表觀顆粒體積分數(shù)軸向分布如圖10所示?？芍骰L速一定時，擁有最細平均顆粒和最大細顆粒占比的1號床料，其顆粒濃度在爐膛軸向各高度處都明顯大于2、3號床料。雖然2號床料平均粒徑明顯小于3號床料，但2、3號床料的顆粒濃度分布較為接近，甚至3號床料的整體顆粒濃度分布略大于2號床料。這是由于試驗風速下，<300 μm粒徑的顆粒都有機會被攜帶至爐膛出口。3號床料<212 μm細顆粒占比與2號同為15%，但<300 μm細顆粒占比較2號更多，造成整體更大的顆粒濃度分布。同時1號床料的循環(huán)流率遠大于2、3號；但2號和3號的物料循環(huán)流率接近，且3號略大于2號。

圖10 不同寬篩分床料爐膛表觀顆粒體積分數(shù)軸向分布Fig.10 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction with different wide distributed particle diameters

總的來說，與窄篩分床料不同，決定寬篩分床料的爐膛壓降、顆粒濃度分布和物料循環(huán)流率等參數(shù)的重要因素還有床料組分中細顆粒占比。通過試驗現(xiàn)場觀測結果，可以推斷粗、細顆粒的作用相對獨立。粗顆粒只能聚集在爐膛底部，形成鼓泡床或湍動床，而細顆?？梢噪S流化風的揚折作用，在爐膛上部形成快速床，進而被攜帶出爐膛。

4 結 論

1)本文研究了中心布置二次風和寬窄篩分的床料對二次風穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響規(guī)律。二次風射流會增大其噴射高度附近的顆粒濃度，且二次風占比越大，顆粒濃度的增長越明顯。

2)當二次風比例固定時，提高總供風量對二次風射流的穿透性能影響不大。提高二次風射流深度的措施有：增大二次風在總供風量中的占比、提高二次風射流速度、提高二次風射流的噴射位置等。

3)隨著窄篩分床料平均粒徑減小，爐膛整體的壓降上升，且壓降趨于平穩(wěn)的高度不斷上升，物料循環(huán)流率對顆粒平均粒徑的變化極為敏感。

4)與窄篩分床料不同，決定寬篩分床料的爐膛壓降、顆粒濃度分布和物料循環(huán)流率等參數(shù)的重要因素還有床料組分中細顆粒占比。細顆粒占比越高，爐膛壓降和物料的循環(huán)流率也越大。