（热能工程专业论文）循环流化床锅炉富氧燃烧下传热特性研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文循环流化床锅炉富氧燃烧下传热 特性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雠垦日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叠牵晕 日期：互蚪 导师签名：至盎噬 日 期：三业上1 4 l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 参考常规空气燃烧下的传热模型，考虑富氧燃烧下烟气成分的变化，增加了气 体辐射在传热系数中的计算，建立了c f b 富氧燃烧下的传热模型。通过模型计算， 分析了运行参数，如颗粒粒径、空隙率、烟气成分、床体温度等在富氧燃烧条件下 对传热系数的影响。比较空气燃烧下和富氧燃烧下的传热特性，发现在富氧燃烧条 件下，传热特性变化并不明显。在循环流化床锅炉传热中，灰占主导作用，烟气成 分变化对传热系数影响不大。在富氧燃烧中，最主要的变化是烟气量。进行了氧气 浓度在3 0 、5 0 、7 0 不同气氛下的4 4 0 t h 循环流化床锅炉的概念性设计。 关键词：循环流化床，富氧燃烧，传热，模型 a b s t r a c t b a s e do nt h em o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e ri na i rc o m b u s t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a n g i n g o ft h ef l u eg a sa n de f f e c to fg a s e sr a d i t i o no l lh e a t , am o d e lf o r t h eh e a ti no x y - f u e l c o m b u s t i o ni nc f bi ss u g g e s t e d t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h eh e a tt r a n s f e ri n o x y - f u dc f bc o m b u s t i o nw e r ec o n s i d e r e d ，s u c ha sp a r t c l ed i a m e t e r , v o i df r a c t i o n ，f l u eg a s t e m p e r a t u r ea n df l u eg a sc o m p o s i t i o n ，e t c c o n t r a s t i n gt ot h ea i rc o m b u s i t i o n ，t h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sn o tc h a n g e dg r e a t l yi no x y - f u e le o m b u s i t i o n t h i sh e a tt r a n s f e ri s d o m i n a t e db ys o l i d se f f e c t s ，w h i c hd on o td e p e n do nt h eg a sc o m p o s i t o n 1 1 1 eo b v i o u s c h a n g ei st h eq u a n t i t yo ft h ef l u eg a s ，w h i c hi sl e s st h a nt h a ti no x y - f u e lc f bc o m b u s t i o n a 4 4 0 t ho x y - f u e lc o m b u s t i o nc f bw a sd e s i g n e di no x y g e nc o n t e n t3 0 ，5 0 ，7 0 h o uw e i j u n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o w a n gc h u n b o k e yw o r d s ：c f b ，o x y f u e lc o m b u s t i o n ，h e a tt r a n s f e r , m o d e l 华北电力人学硕+ 学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 本文的研究背景1 1 2 富氧燃烧技术2 1 3 富氧燃烧技术的节能特点2 1 4 富氧燃烧技术的国内外研究现状4 1 4 1 国内研究现状4 1 - 4 2 国外研究现状5 1 5 本文研究的内容及目的7 1 5 1 研究的内容7 1 5 2 研究目的8 第二章富氧燃烧下循环流化床锅炉传热模型的建立8 2 1 研究对象的介绍9 2 1 1 循环流化床的工作原理9 2 1 2 循环流化床锅炉的性能特点1 0 2 1 3 循环流化床锅炉发展中存在中的问题1 1 2 2 富氧燃烧下循环流化床锅炉燃烧系统整体模型结构1 1 2 3 富氧燃烧下循环流化床锅炉流动模型1 3 2 3 1 密相流动模型1 3 2 3 2 稀相区流动模型1 6 2 4 富氧燃烧下循环流化床锅炉传热模型1 8 2 4 1 密相区传热模型1 8 2 4 2 稀相区传热模型2 1 2 5 本章小结2 6 第三章运行参数对锅炉传热的影响特性及模型验证。2 7 3 1 分析运行参数对锅炉传热影响的必要性2 7 3 2 颗粒粒度对传热的影响分析2 7 3 3 空隙率对传热的影响分析2 9 3 4c 0 2 浓度对传热的影响3 2 3 5 烟气温度对传热影响3 5 3 6 对传热系数计算结果的总结3 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 7 模型验证3 8 3 8 本章小结4 l 第四章富氧燃烧下循环流化床锅炉炉膛的初步设计4 2 4 1 富氧燃烧下循环流化床锅炉的设计思路4 2 4 2 对4 4 0 t h 循环流化床锅炉炉膛的初步设计4 2 4 2 1 锅炉规范g 一4 4 0 1 3 7 一l p m 4 4 2 4 2 2 富氧燃烧下的锅炉设计4 3 4 3 本章小结4 7 第五章结论与进一步工作4 9 5 1 结论4 9 5 2 进一步的工作建议4 9 参考文献5 1 致谢5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 i i m s d i s s e r i a r i o no fn c e p u 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 在中国，煤炭在能源消费中占主导地位，在我国一次商品能源消费构成中约占 7 5 。目前，煤炭提供了7 5 的工业燃料，7 6 的发电能源，8 0 的应用商品能源及 6 0 的化工原料。尽管核电、风电等新能源发展迅速，但未来3 0 - - , 5 0 年内，我国一 次能源生产、消费以煤炭为主的格局不会改变，燃煤发电是我国煤炭利用最重要的 途径【1 1 。 然而在目前，一方面我国燃烧设备的平均热效率比较低，另一方面，燃煤发电 产生大量污染物，导致严重的大气污染和水污染。如果这些污染物不能有效地妥善 处理，会造成全球环境日益恶化，其中燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、s 0 2 、 n o x 、c 0 2 等，总量约占整个燃料燃烧排放总量的9 6 。同时，随着社会经济的发 展，人类对矿物燃料的需求量越来越大，导致有害物质的排放量日益增多，引起了 世界各国的高度重视，在这其中尤以c 0 2 造成的全球变暖问题影响范围最大最深远 【2 3 l 。2 0 0 7 年2 月，联合国政府间气候变化专门委员会( i p c c ) 公布了第4 份气候变化评 估报告【4 】的第1 部分内容气候变化2 0 0 7 ：物理科学基础，指出从现在开始到2 1 0 0 年，全球平均气温升高幅度可能是1 8 44 c ，海平面升高幅度是1 8 - - 5 9 e m ，而造成这一趋 势的主要原因是人类活动排放的c 0 2 、c h 4 及氮氧化物；其中c 0 2 的增加主要是人类 使用化石燃料所致。c 0 2 问题与其他环境问题相比，由于其影响范围大、持续时间 长，再加上许多科学的不确定性，因此问题的解决非常困难。科学家已经证明，南 极冰架的崩裂是人类活动导致全球变暖所引起的后果之一，并最终可能导致海平面 加速上升，物种大量消失，人类生活甚至生存面临灾难。同时，研究结果还指出， c 0 2 增加不仅使全球变暖，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展，包括 我国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，因此气候将趋干旱 化。大气环流的调整，除了中纬度干旱化之外，还有可能造成世界其他地区气候异 常产生气象灾害2 1 。 世界各国的科学家对c 0 2 的控制技术进行了理论分析和试验研究，在降低c 0 2 排放的策略上，主要就是控n c 0 2 的产生和对c 0 2 的回收利用两个方面【5 】。通过调整 能源结构、提高发电效率和开发可再生能源与新能源等措施可控匍l c 0 2 的大量排放。 c 0 2 的回收可分为从燃烧排气中分离处理和从大气中分离固定两方面。从燃烧排气 中分离回收c 0 2 的技术主要有富氧燃烧技术、吸附分离法、吸收分离法、低温分离 法、膜分离法和化学链燃烧技术等。其中富氧燃烧技术是在目前最有可能应用于电 m s d i s s e r t a t i o no fn c e p u 站锅炉，尤其是循环流化床锅炉中去的新型燃烧技术。 1 2 富氧燃烧技术 富氧燃烧技术有时也称为0 2 c 0 2 燃烧技术，它是采用烟气再循环的方式，用空气 分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧 化剂，以提高燃烧排气中的c 0 2 浓度【6 外。利用纯氧时，烟气经干燥脱水之后可得到 浓度高达9 5 以上的c 0 2 ，排气经冷凝脱水后，有7 0 7 5 的烟气量再进行循环使用， 余下烟气中的c 0 2 经压缩脱水后用管道输送t 1 0 1 。富氧燃烧的原理图如图1 1 所示。 图1 - 1 富氧燃烧原理 富氧燃烧技术是由h o m e 和s t e i n b u r g 于1 9 8 1 年首先提出的【2 】，在最近2 0 年中，由 于纯氧制备技术越来越成熟，富氧燃烧技术也随之发展很快。最初的富氧燃烧技术 主要是运用在冶金、玻璃制各等工业锅炉上，由于它可以有效提高燃烧效率、减少 污染物的排放，学者们试图将其运用到电厂煤粉炉等大型锅炉上，并对此进行了一 系列试验研究【6 1 。与其他回收c 0 2 的技术相比较，富氧燃烧技术具有更好的节能与 环保效益，不仅可以回收8 0 以上的c 0 2 ，同时还可以减少其他污染物的生成【1 1 1 ， 并且还可以使废气排放量大幅度减少，从而减少了排烟热损失，提高了锅炉热效率 【1 2 l 。由于废气排放控制设备和费用主要依赖于废气排放流量，进而又可以大幅节省 建设费用等。 1 3 富氧燃烧技术的节能特点 ( 1 ) 节省费用，有利于污染物的回收和处理。在一个典型的电站锅炉中，排 放控制设备一般包括用于除微小颗粒的静电沉淀剂、湿法脱硫剂、催化还原系统、 水银清除设备等。富氧燃烧最大的优点就是使废气排放量大幅减少，废气排放控制 2 m s d i s s e r t a l t i o no fn c e p ：u 设备和费用主要依赖于废气排放流量，所以富氧燃烧技术可以大幅度地节省费用， 而且富氧燃烧技术本身就有扑捉c 0 2 的能力，它使烟气中c 0 2 浓度达到8 5 以上，可 以方便压缩回收。 ( 2 ) 减少空气过量系数，节约燃料。采用富氧燃烧后可以减少二次助燃风量， 使烟气排放量大幅度地减少【1 3 】，从而减少了排烟热损失，提高了锅炉热效率。 ( 3 ) 提高生产率，降低运行成本。燃料在富氧状态下能降低燃点温度，在氧 气送入的区域，由于很高的氧气浓度和表面温度，燃烧速度将有大幅度提高，从而 提高了火焰强度【1 4 1 5 1 ，获得了较好的热传导，而且燃烧产物的辐射能力比普通燃烧 要高，大大强化炉内传热，从而提高了生产率，降低了制造和运行成本。 ( 4 ) c f b c 富氧燃烧可以利用外部固体冷却器来吸收再循环固体的热量以保持 燃烧温度，因此再循环烟气量可以大幅度减少，使c f b c 富氧燃烧比p c 或s t o k e r 燃烧 更经济。a l s t o mp o w e r ，i n c 在最初的工程设计研究中表示，在2 1 0 m w 机组上，在 相同的功率下，富氧燃烧时的设备占地只是空气燃烧时的5 6 ，炉膛占地只有5 1 ， 如图1 2 所示【1 6 】，因此，富氧燃烧技术可以有效的减少建设和运行成本，达到更经 济的效果。 卜2 2 0 叶 众i rf i r e dc f b 1 5 6 娄莩 “基 r r “ 鐾| 差萍 。l ，l 。 酣 燃 ；0 gl 一-l 一 p 1 0 6 一 o x y q e n f i r e dc f b 图1 - 2 空气燃烧与富氧燃烧时的机组体积比较 ( 5 ) 循环流化床锅炉在富氧燃烧条件下，污染物排放要比常规燃烧下低。大 量研究表明，由于燃烧气氛的差异，氮氧化物和硫氧化物都有明显的区别1 7 1 。 3 m s d i s s e r l e a t l 0 no fn c e p u ( 6 ) 富氧燃烧技术简单，工程流程要求低，既适合新建锅炉，又适合旧锅炉 的改造，容易实现，而且小规模的试验显示运行状况良好，燃烧稳定。 1 4 富氧燃烧技术的国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状 富氧燃烧是比较新颖的一项课题，国内研究主要在煤粉炉上，关于流化床的还 比较少。 我国浙江大学热能工程研究所搭建了循环流化床富氧燃烧试验台，流化床反应 器由内径为7 7 m m ，高度为2 8 m 的耐高温不锈钢管制成，布风装置采用倒锥形多孔 结构，中心还可以做排渣口用。采用两级高温旋风分离器，第一级分离下来的细灰 通过立管和j 阀返料机构再送回流化床反应器中，第二级分离下来的细灰可以收集起 来，采用外部加热方式，气体预热采用一小型鼓泡流化床装置。试验用的0 2 、c 0 2 和 n 2 使用压缩钢瓶，给料量、气体流量、温度和压力等表征参数可以实时显示和自动 控制，采用t e s t 0 3 5 0 x l 烟气分析仪进行在线监测 图1 - 3 浙江大学搭建的循环流化床富氧燃烧试验台 4 m s d i s s e r t a t i c ) no fn c e p ：u 本次试验显示，在富氧条件下燃烧稳定，循环回路通畅，燃烧状况良好，随着 气氛中氧含量的增大和流化风量的减少，n o x 和s 0 2 排放量将会增加，石灰石脱硫效 率也有可能提耐j 。 张庆丰等人对一个煤种在不同气氛和工况下n o x 的生成进行的研究发现， 0 2 c 0 2 气氛与温度、钙硫比等因子联合作用对煤燃烧过程中n o x 的生成影响比较明 显，0 2 c 0 2 气氛下，n o x 的生成量随温度、钙硫比的变动而变化，c 0 2 的存在有利 于氧化性气氛下n o 的削减；在煤燃烧过程中，较之空气气氛，c 0 2 的存在使n o 减 少，特别是对于高挥发分煤，排放量降低达5 0 左右，这主要是由于c 0 2 的存在使 得c o 浓度升高，c o 还原了一部分n o ；另一方面c 0 2 的大量存在使燃烧介质发生变 化，对n o 的还原起了催化作用，c 0 2 的存在使得钙基脱硫造成的n o 排放增加的幅 度大大降低，为脱硫而增大c a c 0 3 的加入与减少n o x 的生成存在一定的矛盾，但在 0 2 c 0 2 气氛下c a o 的催化作用降低，从而与空气气氛相比n o x 的生成相对减少。华 北电力大学的刘彦丰等人利用高温气体携带炉进行了煤粉在0 2 c 0 2 气氛下的燃烧 特性试验【1 9 1 ，在高温( 1 3 0 0 k 1 6 0 0 k ) 气体携带条件下，随0 2 c 0 2 气氛中氧含量的 增加燃尽率明显增加，空气气氛下气体携带炉内的气相温度升高比0 2 c 0 2 气氛中的 要快。刘彦丰还利用商用f l u e n t 软件对其高温气体携带炉和c a n m e t c e t c 的0 3 m w 煤粉0 2 c 0 2 燃烧半工业规模试验系统进行了燃烧特性试验，并在改进模型的基础上 对试验结果进行了模拟。 1 4 2 国外研究现状 图1 - 4 高温气体携带炉试验示意图 5 坑 m s d i s s e r t p 盯i o no fn c e p u 富氧燃烧技术的研究已列为国际能源署控制温室气体排放研究与开发计划的 主要项目，其实验主要在加拿大政府的能源技术研究中心( c a n m e t c e t c ) 开展。 该中心于1 9 9 3 年建成了一个0 3 m w 的煤粉0 2 c 0 2 燃烧半工业规模试验系统，用以评 价煤粉在0 2 c 0 2 气氛中燃烧的火焰、传热与污染物的形成等特性【2 们。整个系统由燃 烧炉、送引风机、储存0 2 和c 0 2 的低温液态罐、磨煤机、煤粉分离器、旋风分离器 和静电除尘器、烟气干燥器等设备组成，该系统可以根据要求在不同的工况下运行， 如用于参考的纯空气下燃烧，预混的0 2 c 0 2 气氛中燃烧及真正的干( 湿) 烟气再循 环燃烧。系统中燃烧炉是一个外径为l m 、内径为0 6 0 3 m 、全长5 5 8 m 的垂直筒状炉， 炉体采用耐火材料制成。沿燃烧室的壁面布置有若干取样点，可通过水冷探针测量 轴向和径向的温度分布、热流密度及气体与颗粒组份，炉内和出口烟气中的c 0 2 、 c o 、n o x 、s 0 2 和0 2 等可以进行在线监测。 美国a r g o n n e 国家实验室( a n l ) 的研究证明只需将常规锅炉进行适当的改造 就可以采用富氧燃烧技术f 2 。美国能源部资助a n l 进行o a c 0 2 燃烧技术的研究，该 项技术主要有空气分离、0 2 c 0 2 燃烧、电力生产、烟气压缩与脱水等几个步骤组成。 空气压缩和分离需要消耗系统能量的1 7 左右，为了便于管道输送而对c 0 2 压缩需 要消耗系统能量的9 1 4 。 日本北海道工业研究所( h n i r i ) 进行了“先进的煤燃烧和排放控制技术” ( a d v a n c e dt e c h n o l o g yf o re m i s s i o nc o n t r o lo fs u l f u ra n dn i t r o g e no x i d e sf r o mc o a l c o m b u s t o r s ) 国际合作项目研究【2 2 1 ，时间从1 9 9 5 年到1 9 9 8 年研究内容包括鼓泡流化 床富氧燃烧反应机理和s 0 2 、n o x 排放特性。研究显示，鼓泡流化床富氧燃烧系统 能不用分离就可以使c 0 2 排放浓度达9 6 。 荷兰d e l f t 技术大学对一个1 6 m w 的加压流化床燃烧& 气化联合循环装置进行了 适当改造，对加压流化床燃烧部分进行了纯氧送风，并将烟气再循环的试验与空气 气氛下的试验进行了对比。试验时流化风速为o 8 m s 运行床温为8 5 0 c ，纯氧由带蒸 发系统的低温储罐提供，系统全负荷运行时需要纯氧量为3 2 0 k g l l 【2 3 1 6 m s d i s s e r i a ：r i o no fn c e p ：u 图1 - 5m s t o m 公司搭建的富氧燃烧试验示意图 2 0 0 4 年，a l s t o m 公司在c o n n e c t i c u t 研究中心，成功的进行了c f b c 中试规模的富 氧燃烧试验【2 4 1 。其炉膛为内径1 0 0 m m ，高度5 5 m ，2 0 0 7 年3 月，c e t c - - o 成功的进行 了真实再循环烟气下的c f b c 富氧燃烧试验。 在试验台以空气燃烧模式启动，当床温到达要求温度8 5 0 时，切断空气，开 启烟气再循环风机，供氧燃烧，总氧浓度约3 0 ，局部烟气浓度达7 0 。 1 5 本文研究的内容及目的 1 5 1 研究的内容 作为一种新型的高效低污染的燃烧新技术，富氧燃烧技术的发展十分迅速，各 国学者和研究机构都在做着理论论证和实验研究，在分析国内外对富氧燃烧技术的 应用领域中，主要集中在煤粉炉的研究上，其中大部分是关于污染物的排放特性， 而对循环流化床的研究比较少，关于其传热方面的研究就更少。本文在这方面做了 一些努力和探讨，研究在循环流化床锅炉中富氧燃烧技术对传热特性的影响。 本文建立了一个循环流化床锅炉在富氧燃烧下的传热模型，分析烟气成分、颗 7 m s d i s s e r d 气t i o n0 fn c e p u 粒粒径、烟气温度，空隙率等对锅炉传热的影响，总结循环流化床锅炉富氧燃烧下 的传热特性，并通过和常规计算传热计算方法对比，验证模型的正确性，通过模型 分析结果，探讨富氧燃烧下循环流化床锅炉的设计 1 5 2 研究目的 富氧燃烧下的循环流化床技术具有良好的发展前景，如何保证新的燃烧条件下 循环流化床锅炉能够安全、经济、高效和低污染的运行，是对循环流化床锅炉合理 设计的关键因素之一。但由于传热本身的复杂性，传热系数的计算和选取至今还是 建立在经验的基础上，在没有大量实验数据的基础上，设计新型循环流化床锅炉时， 如何确定富氧下传热系数是摆在研究和设计人员的一个难题，有些设计计算就干脆 假定一个总的传热系数进行计算，在这种情况下，本文通过建立富氧燃烧下循环流 化床锅炉传热模型，研究和分析循环流化床锅炉炉内传热特性，对进一步设计富氧 燃烧下的循环流化床锅炉具有重要的意义。 8 m s d i s s e r m 灯i o no fn c e p ：u 第二章富氧燃烧下循环流化床锅炉传热模型的建立 2 1 研究对象的介绍 2 1 1 循环流化床的工作原理 循环流化床锅炉可分为两个部分，第一部分由炉膛、气固物料分离设备、固体 物料再循环设备和外置热交换器( 有些c f b 锅炉没有) 等组成，上述部件形成了一个 固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气 预热器等，与常规锅炉相似。 图2 - 1 常见的循环流化床锅炉工作过程示意图 其基本工作过程大致如下乜印：煤由煤场经抓斗和运煤皮带等传输并加入燃料仓， 然后由燃料仓进入煤破碎机被破碎成颗粒小于6 m m 的颗粒后加入炉膛。与此同时， 用于燃烧脱硫的脱硫剂石灰石也由石灰石仓加入炉膛，参与煤粒燃烧反应过程。炉 内温度因受脱硫最佳温度的限制，一般保持在8 5 0 左右。此后，随烟气流出炉膛 的大量颗粒在旋风分离器中与烟气分离分离出的颗粒可以直接回到炉膛，也可经外 置式换热器后再进入炉膛参与燃烧过程。由旋风分离器分离出的烟气则被引入锅炉 尾部烟道，对布置在尾部烟道中的过热器、省煤器和空气预热器中的工质加热后经 除尘器除尘后，由引风机排入烟囱，流入大气。 在汽水系统方面，给水由给水泵压入省煤器，吸热后流入布置在炉膛四周的水 9 m s d i s s e r i a r i o no fn c e p ：u 冷壁。工质在水冷壁吸收汽化后流入位于对流烟道内的过热器，并在其中进一步被 烟气加热到规定的过热蒸汽温度和压力。随后，过热蒸汽流入汽轮发电机组推动汽 轮机带动发电机组发电。 燃烧及布风所需的一次风和二次风通常由冷空气在空气预热器中预热后，分别 从炉膛的底部和侧墙送入。 2 1 2 循环流化床锅炉的性能特点 循环流化床锅炉的燃烧方式与采用其他燃烧方式的锅炉相比具有的主要特点 可归纳如下【2 6 1 ： ( 一) 循环流化床属于低温动力控制燃烧，因此氮氧化物排放远低于煤粉炉， 并可实现在燃烧过程中直接脱硫，脱硫效率高且技术设备经济简单，其脱硫的初投 资及运行费用低于煤粉炉加烟气脱硫( p c + f c d ) ，而且减少了大量劣质煤的占地问 题。燃料燃烧效率高，特别适合于低热值劣质煤。炉温一般控制在8 5 0 - - - 9 0 0 c 之间， 其燃烧反应控制在动力燃烧区内，并有大量固体颗粒的强烈混合。在循环流化床锅 炉中按质量百分比计，燃料仅占床料的1 - - 3 ，其余为灼热的床料。循环流化床这 种特殊流动特性使得气固和固固混合特性非常好，因此燃料进入炉膛后很快与 大量床料混合，燃料迅速被加热至高于着火温度，同时床温没有明显的降低，再加 上物料的再循环系统，重复燃烧，其燃烧效率通常在9 7 5 , - - 9 9 5 ，可与和煤粉锅炉 相媲美。 ( 二) 煤种适应性强。循环流化床炉可燃用低热值无烟煤、劣质烟煤、油页岩、 炉渣、煤矸石等，对煤种适应性比煤粉炉、层燃炉好。在循环流化床锅炉中，通过 粒子的循环回燃，炉膛温度能被控制，煤粒着火和燃烬性较好。循环流化床锅炉炉 膛高，从给煤、布风、出渣等设计特点看，特别适应劣质煤的燃烧，布风装置将空 气分别送入一次风的风室及分布板，送入二次风的风道喷嘴，这些给高效燃烧提供 了条件。即使是很难着火燃烧的燃料，进入炉膛后也能很快的与灼热的床料混合， 被迅速的加热至高于着火温度。在烧优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉持平；烧劣质 煤时，燃烧效率约比煤粉锅炉高5 。 ( 三) 负荷调节范围大。循环流化床锅炉由于截面风速高和吸热控制容易，所 以负荷调节很快，低负荷可降到满负荷的3 0 左右，负荷调节速度可达5 1 0 r a i n 。 ( 四) 基建投资及运行费用低。在综合考虑锅炉经济运行及污染物排放控制时， 循环流化床锅炉基建投资及运行费用均低于煤粉锅炉流化床炉燃烧没有煤粉炉燃 烧所需复杂的制粉系统，如磨煤机、排粉风机、粗细粉分离器等；也没有链条炉所需 的炉排传送装置。燃烧系统流程简单。初步估算，使用循环流化床锅炉的厂房，与 煤粉炉相比，土建费用节约1 0 左右，设备费用节约2 0 - 3 0 ，运行人员操作的辅 】o m s d i s s e r t a t i o no fn c e p ：u 机设备少，操作控制简单。 ( 五) 高效脱硫脱氮。循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。典 型的循环流化床锅炉在脱硫剂当量比为1 5 , - - , 2 5 时，脱硫效率可达9 0 ；燃料在8 0 0 - 9 0 0 低温下燃烧，可有效减少n o x 生成。流化床炉n o x 排放低是由于两个原因：一 是低温燃烧，此时烟气中的氮一般不会生成n o x ，二是分段燃烧，抑制燃料中的氮 转行成n o x ，并使部分已经生成的n o x 得到还原。 ( 六) 排出的灰渣活性好，易于实现综合利用，无二次灰渣污染。由于低温燃 烧和燃烧效率高使得循环流化床锅炉排出的灰渣未经溶化过程而且含炭量少。但由 于采用加脱硫剂的炉内脱硫技术，其固体灰渣排出量一般是同容量煤粉锅炉的1 5 2 倍。并且灰渣中含有大量的氧化钙和硫酸钙，不像煤粉锅炉灰渣以氧化硅为主。 其灰渣可用于水泥掺合料、建筑材料和砖瓦生产等方面的综合利用。 循环流化床锅炉的一系列特点己使其逐渐成为一种适用燃料范围广，高效低污 染的燃煤锅炉，不仅适用于工业锅炉，也适用于大型电站锅炉，具有宽广的应用和 发展前景 2 1 3 循环流化床锅炉发展中存在中的问题 在循环流化床燃烧技术发展过程中，循环流化床传热的研究是一个十分重要的 课题，无论在循环流化床锅炉的设计、制造、运行和模型模拟中，传热系数的准确 性均起着举足轻重的作用，在锅炉设计中，它决定着受热面的布置，受热面的数量 及结构等，如果传热系数选取不当，就难以达到稳定燃烧和最佳经济效益，甚至出 现受热面损坏的现象。 然而，尽管循环流化床锅炉得到了迅速发展，单机容量不断增大，但是在设计 和运行方面还处于经验摸索阶段，各种数据尚不完整，特别是对于循环流化床介质 ( 物料和气体) 与受热面之间的传热，循环流化床内颗粒与气体介质之间的传热及 其计算问题，由于循环流化床运行在快速流态化情况下，床内固体颗粒浓度和流化 速度都较高，再加上床内紊流脉动及固体颗粒运动都比较复杂，使传热的研究增加 了许多困难，到目前为止，仍然是众说纷纭 2 7 , 2 8 】。因此有必要在回顾循环流化床中 传热试验与理论的基础上，对循环流化床中床内介质与受热面、颗粒间的传热及其 计算进行研究，为进一步发展和在工业上应用可靠的循环流化床锅炉传热计算方法 奠定基础。 2 2 富氧燃烧下循环流化床锅炉燃烧系统整体模型结构 一般来说，建立一个复杂系统或过程的数学模型具有两方面的目的：( 1 ) 通 过模型来解释分析有关现象；( 2 ) 是利用模型对未知现象或系统进行探索性的研 1 1 m s d i s s e r i a t i o no fn c e p u 究。在大多数情况下，要用数学模型来完整全面地描述一个复杂的过程是非常困难 的，本文通过在前人研究的基础上，将一些被实践证明是有效和合理的经验关系以 及适当假设引入模型中，忽略某些次要因素，抓住系统的主要方面进行建模分析。 循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影 响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。 正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤 粉炉的重要方面。 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思 想和方法的研究也在迅速发展。但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的 可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉膛传热计算方法【2 6 1 ，因此对它的研究具有重 要的学术价值和实践意义。本章在合理的总结和细化前人模型的基础上，建立了一 个富氧燃烧下循环流化床炉膛内传热模型该模型旨在描述在富氧燃烧条件下流化 床锅炉炉膛内部的传热规律。 本文的循环流化床锅炉锅炉整体模型的假设如下： 炉膛分为下部密相区和上部稀相区，以二次风口所在的平面为分界面。密相区作 为鼓泡流化床来处理；而稀相区则采用环核模型分为颗粒向上流动的核心区和向下 流动的边壁区。密相区模型分为乳化相和气泡相，两相之间有气体和固体交换。 稀相区 一夸 与 个一次风 图2 - 2 循环流化床锅炉流动模型示意图 1 2 m s d i s s e r l ：a t i o no fn c e p ：u 2 3 富氧燃烧下循环流化床锅炉流动模型 涉及到炉内传热，必须考虑循环流化床锅炉内气固流动复杂性，一般说来，在 返料口附近会形成颗粒浓度较大的区域，而在给煤口附近，煤颗粒的燃烧反应又会 引颗粒浓度分布的不均匀。锅炉出口形状对炉内流动结构影响也很大，研究发现有 剧变出口的锅炉，其出口附近往往有一个浓度增大的区域，而缓变出口却没有这种 现象。如果炉膛出口尤其剧变出口只布置在炉膛的一侧，炉内的流体就会变得不对 称，在出口侧及其角落区的下滑颗粒就要比对边高的多，这无疑是的出口侧的边壁 厚度增。这种现象应当是由于气固两相流流向出口、颗粒惯性和对面炉墙内返混区 的形成等原因造成的。随着循环流化床锅炉容量的增大，炉膛变得越来越高，界面 也越来越大，这种局部不对称在整个锅炉内占得比例越来越小。 循环流化床炉膛内部的传热、传质和燃烧等都是在气固两相流动过程中发生 的，炉内流动模型是总体模型的一个至关重要的模型，他决定着辅机的能耗，床内 吸热量、温度分布、燃烧情况、床内载料量和磨损等，是其它模型计算的基础。循 环流化床炉膛内的固体颗粒浓度分布在轴向上分为明显的两个区，底部为颗粒浓度 比较大的密相区，上部位浓度逐渐减少的稀相区。 2 3 1 密相流动模型 密相区流动模型主要取决于密相区的临界流化速度、气泡直径、气泡份额和密 相区高度等参数。密相区内虽然存在气固两相分布不均匀性，但不均匀性不是很明 显，本文假设密相区有着均以的固体颗粒浓度和气体浓度，气固两相流动均匀。 本文密相区流动模型主要假设： ( 1 ) 密相区由乳化相和气泡相所构成： ( 2 ) 密相区气泡相内为平推流，乳化相内全混流； ( 3 ) 乳化相中颗粒维持临界流化状态，气体通过乳化相颗粒之间的速度为临 界流化速度，乳化相的孔隙率为临界孔隙率； ( 4 ) 超过临界流化速度的那部分风量以气泡形式通过床层； ( 5 ) 密相区内虽然存在气固两相分布不均匀性，但不均匀性并不明显，可以 假设密相区内气固两相混合均匀，有着均一的固体颗粒浓度和气体浓度。 ( 一) 临界流化速度 临界流化速度是指以固定床向流化床转变的临界值，是流化床的个重要的流 体动力特性参数。但由于实际流化床流动的复杂性，至今没有一个统一的计算临界 流化速度的理论公式，大部分都是实验直接测定或通过实验获得的经验公式来计 算。本模型采用以下计算关联式【2 6 】： 13 _ _ _ m s d i s s e r t a t i o no fn c e p u u 时= 式中：j ，一颗粒直径m 砟一颗粒密度k g m 3 p g 一气体密度k g m 3 g 一重力加速度m s 2 一临界空隙率 由一球形度 ( 二) 密相区的空隙率 骆仲泱提出以下公式来计算循环流化床锅炉密相区的空隙率【2 9 】： s = 名+ ( 1 一磊) 乞矿 瓦= 0 3 a d o ， 式中：吒一密相区气泡所占份额 d p 一颗粒直径m 五一气泡频率，采用大颗粒砂床冷态数据回归而成的经验公式： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 五= 1 7 4 ( u o 一) o 缁吨4 3 4 ( 2 4 ) 式中：虬一床内表观气体速度m s u 肼，一临界流化速度m s 以一密相区高度m ( 三) 气泡直径 当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚 集成更大的气泡穿过料层并破裂气泡是一个仅有很少或没有颗粒的气体空腔。本 模型采用骆仲泱提出的关联式【2 9 1 以+ o 9 矿5 - 0 8 6 2 ( u o - u , ：) 毗7 5 矿= o ( 2 5 ) 式中：d 一气泡直径m 一临界流化速度m s 吮一床内表观气体速度m s 1 4 m s d i s s e r t a t i o no fn c e p ：u 九一密相区高度m ( 四) 密相区高度 若循环流化床锅炉有二次风，则密相区与稀相区的分界面为二次风入口高度平 面，在没有二次风或三次风的情况下，或负荷变化较大时，其密相区可通过以下公 式计算【3 0 】： 当争o 2 6 7 ( d p 砟广时 珥= 6 o l ( 嘭砟) 0 3 ( 茜) 峨 当岳 - o 2 6 7 ( d ，砟严6 时 矾以，( 秒 式中：u 一气体风速m s u 一颗粒终端速度m s 矾一经床料高度m d p 一颗粒直径m 砟一颗粒密度k m 3 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 五) 气泡上升速度 由于浮力的作用，气泡通过乳化相的颗粒群而向上流动，理论研究表明：气泡 周围气体的流型仅和气泡的相对速度和气体在乳化相中的速度【厂有关系。 d a v i d s o n 和h a r r i s o n 提出如下算式31 】： = o 7 1 l ( g d 6 ) 0 5 + ( 一) 式中：g 一重力加速度m s z d 6 一气泡直径m 虬一床内表观气体速度m s u 耐一临界流化速度m s ( 六) 颗粒终端速度 采用浙江大学在计算宽筛分流化床扬析率过程中用到的计算公式2 6 】： 1 5 ( 2 8 ) m s d i s s e r m 气t i o no fn c e p u k 训至1 8 p 阳叫 叻= 怯警卜尔5 0 0 9 ， 匝半r 5 川5 式中： g 一重力加速度m s 2 岛一颗粒密度k g m 3 d ，一颗粒直径m 以一气体密度k g m 3 一气体动力粘度p a s r e f 一终端沉降雷诺数 ( 七) 相间传质系数 在气泡相和乳化相之间进行质量传递，可以认为是气泡直径以及临界空隙率等 参数的函数，关联式按以下计算【3 2 1 ： k = 篙嚣 k 2 芸 式中：g 形一临界流化速度m s 一临界流化速度m s 丸一气泡直径m 2 3 2 稀相区流动模型 为固体颗粒传质系数 ( 2 1 0 ) 为气体传质系数 ( 2 1 1 ) 循环流化床稀相区一般处于快速流化状态，气固之间有着较高的滑移速度，颗 粒不断的团聚和离析，组成的颗粒团在稀相区上下运动，颗粒浓度在径向和轴向均 呈现不均匀性，这和密相区的颗粒运动方式有本质的不同。大量实验研究表明，在 床层中心区为颗粒流速向上的颗粒浓度较小的区域，而靠近壁面的边壁区则颗粒流 速向下的颗粒浓度较大的区域，本文采用的模型就是这种环核模型来描述稀相区的 颗粒流动现象，环一核模型认为，在循环流化床的横截面上，有一个固体浓度较低、 气体速度较高的核心区，核心区被靠近壁面的、流动较缓慢的高固体浓度的环状区 1 6 m s d i s s e r t a t l o no fn c e p ：u 所环绕，在核心区和环状区之间有气固混合物的相互传递。 本文对稀相区流动模型的假设如下： ( 1 ) 流动结构包括一个固体浓度较低的向上流动的核心区，及靠近壁面环绕核 心区的有较高固体浓度的向下流动的环状区组成； ( 2 ) 全部气体在核心区内向上流动，其流动型式为平推流； ( 3 ) 固体有从核心区向环状区的质量传递，其传递只发生在核心区和环状区交 界面上： ( 4 ) 忽略二次风喷e l 处颗粒分布的不均性； ( 5 ) 忽略炉膛内流动结构的不均性，而认为是对称结构。 ( 一) 边壁层厚度 边壁层厚度主要取决于炉膛高度，厚度从密相区出口到炉膛顶部逐渐减薄，许 多研究人员提出了不同的拟合公式。w e r t h e ra n dw e i n 在对5 0 - - 一4 0 0 m m 之间的冷态 实验结果和锅炉容量在1 2 1 2 6 m w e 之间的循环流化床锅炉的实测数据进行总结归 纳后得出如下计算关联式【3 3 】： _ 。8 = 0 5 5 酽( 分1 ( 警) ( 2 1 2 ) 式中：r e 一雷诺数 日。一锅炉稀相区床高m 骂一稀相区某点轴向高度m ( 二) 空隙率分布 空隙率在轴向分布上，s m o l e r sa n db a e y e n s 是空隙率与床高的经验关联式3 4 1 ： 百8 - - 8 m r = e x p ( 学) 2 l i o ， 1 一f 、 日 式中：s 一稀相区某点轴向空隙率 g m ，一临界空隙率 日。一锅炉稀相区床高m 日，一稀相区某点轴向高度m h 一床高m 1 7 ( 2 1 3 ) m s d i s s e r i ：f 气t i o no fn c e p u 空隙率在径向分布上具有如下现象：在轴心处空隙率最高，而在壁面处最低， 在床层的上部由于物料循环量较低，径向分布变得平缓。实验表明：径向空隙率仅 是截面平面空隙率和从轴心算起的无量纲径向距离的函数。空隙率也可以按以下公 式计算【3 5 】： 嚣小望2 ( pj ? k 式中：印一固体颗粒空隙率 劫一轴向截面平均空隙率 一空隙率分布因子，取值范围为1 3 1 9 ，在本模型中取1 5 冠一锅炉当量直径m 厂一稀相区某处的当量半径m 2 4 富氧燃烧下循环流化床锅炉传热模型 ( 2 1 4 ) 循环流化床中的传热同时涉及到导热、对流和辐射三种基本的传热方式，而且 传热过程也受同时存在的燃烧过程、流动过程及运行参数等的强烈影响。循环流化 床内的传热涉及气体与颗粒之间、颗粒与颗粒之间的传热、床内悬浮体和壁面之间 的传热等。由于在循环流化床中气固之间混合十分的剧烈，气体