循环流化床锅炉炉膛截面温度分布及其测量

1、循环流化床锅炉炉膛截面温度分布及其测量王进伟1,赵新木1,王宇1,杨海瑞1,邢兴1,吕俊复1,岳光溪1,李金柱2(1. 清华大学热能工程系, 北京 100084; 2. 红光炉排厂, 黑龙江哈尔滨 150050摘要:炉膛不同高度位置上的气固两相流温度测量是循环流化床锅炉运行的重要参数。在实际运行的循环流化床锅炉对炉膛中的气固两相流温度横向分布进行了测量,发现与流动边界层一样,热边界层存在于边壁区。热边界层的厚度与距离布风板的位置关系不大。但是在炉膛出口窗高度上,侧墙的热边界层厚度受到出口窗的位置的影响,认为由于炉膛出口效应造成的流场不均导致了炉膛出口温度不均匀性,这为Fluent流场计算所验证

2、。测量结果对炉膛各处烟气温度的测量提出了要求,炉膛中下部包括密相区的热电偶伸出长度不宜小于200mm。炉膛出口窗位于后墙两侧时,伸出长度大于200mm的热电偶可以在侧墙上比较准确地测量,但对于出口窗位于后墙中间时,热电偶应插入出口窗的进口主流区。关键词:热能工程;温度测量;Fluent计算;炉膛截面温度中图分类号:TK311The Cross-section Temperature Distribution and Measurement inCirculating Fluidized Bed BoilersWang Jin-wei1,Zhao Xin-mu1,Wang Yu1, Yang H

3、ai-rui 1,Xing Xing 1,Lu Jun-fu1,Yue Guang-xi1,Li Jin-zhu2(1. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;2. Hongguang Grate plant, Harbin Heilongjiang, 150050Abstract: The temperature measurement of gas-solid two-phase flow at different height is an important parameter for

4、 the operation of the circulating fluidized bed (CFB boiler. Based on the dates of the temperature distribution in the operating CFB boilers, this paper discovers that there exists thermal boundary layer along the CFB boiler just like the fluid-dynamic layer. The thickness of thermal boundary layer

5、has little relations with the distance away from the air distribution. But at the height of the boiler outlet, the thickness of thermal boundary layer along the side wall is influenced by the outlet. It can be believed that the different distribution of flow field causes the temperature uneven at th

6、e outlet of the boiler. And this is proved by the calculation of Fluent. Some suggestion is given from the measurement results. The insert depth of thermocouple can not less than 200 mm at the middle and bottom position along the wall, including the dense phase. When the outlet of the boiler located

7、 at two side of the rear wall, the insert depth of thermocouple must more than 200 mm. But when the outlet located at the middle of the rear wall, the thermocouple must insert to the main flow of the outlet to get the temperature.Keywords: thermal engineering; temperature measurement; calculation of

8、 Fluent; cross-section temperature of the boiler循环流化床燃烧技术已被运行实践证明是可靠的洁净煤燃烧技术,具有燃料适应性强、污染物排放低等优点。劣质燃料可以广泛地应用于循环流化床锅炉。低温分级燃烧技术可以满足NO X排放的环保要求,未处理的烟气可以直接排放。采用炉内添加石灰石燃烧过程中脱硫降低SO X排放,低成本满足SO X排放要求。灰渣具有良好的活性,可以作为水泥以及特种水泥的添加剂,具有良好的社会效益、环保效益和经济效益。大型化趋势也相当乐观1-3。循环流化床锅炉与其它锅炉的根本区别在于其炉内有大量的固体物料在循环。物料对传热的影响主要是近壁

9、区,而近壁区物料浓度是贴壁下降流的表现,其大小反映了内循环量。近壁区浓度很高的物料发生随机的团聚现象,很难比较合理地进行数学描述,而通常采用环核模型:假设中间是上升流,固体物料浓度较低;边壁的浓度较高,是下降流。下降流形成固体边界层。人们发现物料边界层距离壁面有一层气体边界层4,但气体边界层的厚度较小5。B.Leckner等人通过实验对一台12MW循环流化床锅炉内的流动边界层和热边界层进行了描述。M.R.Golriz等人通过实验对同台锅炉的换热系数和温度进行了测量,并指出了它们的影响因素。但他们都没有对炉膛不同截面温度测量方法提出建议6-8。本文通过对实际运行循环流化床锅炉不同截面上气固两相流

10、温度场进行测量,得出了沿炉膛高度不同截面上的温度分布规律,并对炉膛各处测温热电偶插入深度提出了若干建议。1 循环流化床锅炉不同截面温度分布特性1作者简介:王进伟,男,1981出生,河南人,硕士研究生。从事循环流化床燃烧技术研究。邮编:100084 电话:(01062794129-805Email:wangjinwei04基金项目:国家“十五”攻关项目(200113A401A03;国家重点基础研究发展规划项目(G2000026309。1.1测温仪器在对不同截面气固两相流温度测量中,采用热电偶测温,其结构布置如图1所示。为避免热辐射造成的误差,热电偶测温触头在圆柱形不绣钢管孔内,管内其它空间充满绝

11、热材料。在沿圆柱轴线方向上,每隔一定的距离开一个热电偶测温孔(总共20个,图1只是截取其中的一段,热电偶的测温触头通过测温孔深入到测温点,测得该点的温度。测温过程中,将测温仪器插入到适当的位置,通过显示仪表读出沿圆柱轴线方向上各测点的温度。 图1 测温仪器示意图Figure 1 sketch of the equipment formeasuring temperature1.2测量结果实验是在一台实际运行的出口窗位于后墙中间的循环流化床锅炉上进行的,主要测点布置在侧墙和前墙中心线的不同截面上。测量过程中还发现,水冷壁外缘温度与鳍片温度基本相等,表明水冷壁外缘热边界层厚度小于鳍片处的热边界层厚

12、度。因为相对于鳍片来说,水冷壁的外缘距炉墙较远。同时还发现,同一测点热电偶的温度容易发生波动,远离炉墙处的温度波动要比热边界层内的温度波动大,炉膛出口温度波动更大,但总的来看沿床高方向波动趋势基本相同。这种现象和B.Leckner等关于热边界层的描述相一致6。本文测量采取一定时间内取平均值的方法来得到各测点的温度。图2是距布风板350mm高度前墙中心线处径向 温度分布。结果表明:同一负荷下,随距前墙深度的增加,测量温度有所增加,超过一定深度后,温度变化不大,各测点温度均接近炉膛平均温度。至于满负荷下各测点温度较85%负荷低的原因为满负荷条件一次风量大,距布风板近的截面容易受到冷风的冷却作用所致

13、。图3和图4是布风板以上不同高度处距侧墙中心线径向测点的温度分布。结果表明:随距侧墙距离的增加,所测温度在近壁区急剧增加,超过一定深度后将维持不变。负荷越高,同一测点的温度越高。不同高度上相同插入深度的温度变化不大。 图2 前墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 2 The lateral temperature distribution at thefront walls central line 图3 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 3 The lateral temperature distribution at theside walls central line图4

14、侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 4 The lateral temperature distribution at theside walls central line图2图4的测量结果表明,与流动边界层一样,循环流化床锅炉炉膛四周存在着热边界层。除了密相区和炉膛出口区,热边界层的厚度沿炉膛高度方向变化不大。只要热电偶的插入深度大于热边界层的厚度,所测得的温度就基本接近炉膛中心温度。图5是当分离器出口位于炉膛后墙中间时,分离器进口下缘高度截面上的温度分布。结果表明,随插入深度增加,热电偶温度一直呈增大趋势,直到接近炉膛出口截面,才达到炉膛平均温度。负荷越高,同一插入深度温度越高。图

15、5 侧墙中心线处炉内径向温度分布Figure 5 The lateral temperature distribution at theside walls central line对出口窗位于后墙两侧的炉膛出口处温度分布测量结果见图6,在侧墙附近,随热电偶插入深度增加,测量温度急剧增加,但随后将达到稳定值保持不变。这一分布与炉膛密相区以上各高度位置上的分布完全相似。 图6 侧墙中心线处炉内径向温度分布 Figure 6 The lateral temperature distribution at theside walls central line比较图5和图6可以看出,炉膛出口窗的布置位

16、置对循环流化床锅炉的炉膛出口温度影响很大。炉膛出口断面温度分布是不均匀的,出口截面浓度测量表明,对于出口窗中间布置的循环流化床锅炉,炉膛中央固体浓度大于炉膛周边。对于出口窗两侧布置的循环流化床锅炉,只要越过气体边界层,固体颗粒浓度将急剧增加,而后又开始减小,与沿炉膛高度方向上的浓度分布相似。综合分析以上数据,对于出口窗中间布置的循环流化床锅炉在炉膛出口附近会形成一个主流区,在炉膛四角存在滞留区,导致流场分布不均,进而引起炉膛出口断面温度的分布不均。同理对于出口窗两侧布置的循环流化床锅炉,也可以运用流场不均分布加以解释温度分布 特性。2 循环流化床锅炉炉膛出口流场数值模拟循环流化床锅炉由于受炉膛

17、出口效应的影响,导致出口窗附近流场呈现不均匀性,严重影响了炉膛出口烟温的测量。本文运用Fluent 对循环流化床锅 炉内的气相流场进行了数值模拟。通过分析气相流场炉膛出口流动的不均匀性,说明实际流场气流对热电偶的冲刷程度。出口窗位于后墙中间时循环流化床锅炉炉膛内的流线图如图7。从图7可以看出,由于出口效应的影响,大部分的气流并没有运行到炉膛顶部,而是直接汇聚炉膛出口,炉膛顶部存在着运动死区。不仅炉膛顶部存在流动死区,炉膛的四周也存在着流动死区,见图8和图9所示的与侧墙垂直的平面炉膛出口窗附近速度矢量。越靠近炉膛出口,这一效应越加明显。侧墙中心平面炉膛顶部由于没有气流的冲刷,死区效应也较为明显,

18、且越靠近炉膛顶部主流区越窄。图7 出口窗位于后墙中间时炉膛内的流线图 Figure 7 Streamline in the furnace with outlet located atthe middle of rear wall图8 侧墙中心面炉膛出口部分速度矢量图 Figure 8 Velocity vector in the side wall central sectionnear the boilers outlet图9 距后墙1/5炉膛深度平面出口部分速度矢量图Figure 9 Velocity vector in the plane located one fifth the b

19、oilers depth from the rear wall出口窗位于后墙两侧时循环流化床锅炉内的流线如图10。与侧墙垂直的平面炉膛出口窗附近速度矢量如图11和图12。表明出口窗位于后墙两侧时的循环流化床锅炉炉膛出口同样存在着流动死区,不同的是侧墙中心平面炉膛出口部分截面流场分布较为均匀,越靠近炉膛出口,出口效应越明显。本文的实际锅炉运行测量结果及Fluent计算都表明,循环流化床锅炉炉膛出口断面流场是不均分布的,存在着主流区和流动死区。这是导致炉膛出口断面烟温分布不均匀性的主要原因,这就给炉膛出口断面的温度测量造成了困难。 图10 出口窗位于后墙两侧时炉膛内的流线图Figure 10 St

20、reamline in the furnace with outlets located atthe edge of rear wall 图11 侧墙中心面炉膛出口部分速度矢量图Figure 11 Velocity vector in the side wall central sectionnear the boilers outlet 图12 距后墙1/5炉膛深度平面出口部分速度矢量图Figure 12 Velocity vector in the plane located one fifth the boilers depth from the rear wall3 循环流化床锅炉炉膛

21、温度测量方法的建议热电偶是世界上经常使用的测量不同截面温度的主要仪器,使热电偶的测温触头能够越过热边界层厚度而顺利测得炉膛平均温度是不同截面温度测量的关键。当测温点确定后,温度测量的核心问题就是插入深度。目前部分已经运行的锅炉的炉膛温度的测量上存在较大的问题,仪表显示的温度在不同程度上存 第 25 卷增刊 2005 年 10 月 动 力 工 程 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Vol.25 Sup. Oct.2005 在误差，有的误差已经影响到锅炉的安全经济运行 和污染物的排放。本文的理论分析及实际运行的锅 炉的测量结果表明，对于循环流化床锅炉，炉膛中 下部包括密相区

22、热电偶伸出长度不宜小于200mm。 而当炉膛出口窗位于后墙两侧时，伸出长度大于 200mm的热电偶也可以在侧墙上比较准确地测量， 但对于出口窗位于后墙中间时，热电偶应插入出口 窗的进口主流区。 1 2 冯俊凯, 岳光溪, 吕俊复. 循环流化床燃烧技术M. 北京: 中国电力出版社, 2003. Basu P. Combustion of coal in circulating fluidized-bed boiler: a review J. Chemical Engineering Science. 1999, 54: 5547-5557. 刘艳霞, 吕俊复, 张守玉, 等. 循环流化床锅炉给煤 位置及其对燃烧效率的影响J. 电站系统工程. 2004, 20(4: 1-4. 吕俊复, 刘青, 张建胜, 等. 循环流化床锅炉燃烧室 边 界 层 的 实 验 研 究 J. 热 能 动 力 工 程 . 2002, 17(1: 20-22. 于龙, 吕俊复, 王智微, 等. 循环流化床燃烧技术的 研究展望J.热能动力工程. 2004, 19(4: 336-341. Leckner B, Andersson B A. Characteri