裤潮炉膛内的cfb冷态实验研究

裤潮炉膛内的cfb冷态实验研究

作为净煤燃烧技术的重要发展方向之一，循环换热锅炉在国际上以其良好的整体分析和分析污染物的优势而闻名，并在中国得到了迅速发展。随着循环过滤循环系统的发展，锅炉的炉壁也随之扩大。这种类型的布风机械的销钉也以其独特的织物风的独特方式来解决了单管炉中二次通风的问题和二次风布风的均匀性。然而，由于布风机械的两部分以及两个独立的“布风机”，另一方面，气流从两个独立的系统中抽出。当两侧的rv流动不同时，从一侧的“rv”流出的材料将继续从另一侧的“rv”转移。当大量的潮流堆积在一侧的“rv”中时，它将继续转移到另一侧的“rv”。随着引进ALSTOM技术的裤衩腿型300MW等级CFB锅炉在我国的应用,炉膛中的翻床事故时有发生,在工业界受到越来越多的关注.例如,文献将翻床的原因解释为马鞍型的床料压降特性曲线,并据此提出了锅炉运行中预防翻床的措施.文献根据300MW等级CFB锅炉的运行经验,提出了锅炉运行中可能导致翻床的原因以及一些有效的预防和调节措施.但是这些研究还都停留在工业试验方面,尚不能从理论上对裤衩腿型炉膛内的翻床现象给出较好的分析和解释.目前国内外仅有极少数对翻床现象的理论分析和实验研究,特别是模化实验方面的研究尚属空白.以往CFB炉膛内流动的实验研究大多是针对单炉膛结构设计,并且侧重于沿高度方向上的流动特性.因此,对裤衩腿型的CFB炉膛进行实验研究很有意义,可为风烟系统的自动控制提供必要的理论依据.1实验系统和方法1.13锅炉支吊结构冷态实验装置原形为ALSTOM公司设计的300MW循环流化床锅炉.锅炉主要由裤衩腿型炉膛、固体循环回路(主要包括旋风分离器、回料阀及外置式换热器)、尾部烟道3个部分组成.锅炉采用全钢架支吊结构,整体呈左右对称布置(见图1).支吊结构由五跨组成,第一、二跨布置有主循环回路(炉膛、旋风分离器、回料器以及外置式换热器)、冷渣器以及二次风系统等;第三、四跨布置尾部烟道(包括高温过热器、低温再热器以及省煤器);第五跨为单独布置的回转式空气预热器.1.2实验装置和方法冷态实验台基于流化床的流动相似放大准则进行.关于流化床模化方法问题,许多研究者进行了研究,其中,Glicksman的Scaling-Low模化准则是基于两相模型建立起来的,原则上其控制方程可以推广到包含几种流态的CFB模拟.其主导思想是,对于模型床和原型床,当保持两者结构尺寸相似的同时,应该保证具有相同的Re数、Fr气固密度比、颗粒尺寸分布和颗粒球形度.若忽略流体可压缩性和黏性的变化,不计颗粒间的相互作用力,通过将颗粒和气体的连续方程、动量方程无量纲化,可以得到流化床相似参数.对于两个具有相似几何尺寸的流化床,流体动力学特性相似的条件是下列相似准则数相等式中:u0为表观流化风速,m/s;g为重力加速度,m/s2;dp为床料粒径,m;ρg和ρs分别为空气密度和床料密度,kg/m3;μg为气体动力黏度系数,Pa·s;s为床料颗粒球形度.由于实验研究对象为主循环回路流动,特别是裤衩腿型炉膛上部的物料横向流动,因此在模化过程中不考虑尾部烟道和外置换热器部分,主要以白马300MW的CFB锅炉炉膛为原型,根据Scaling-Low模化准则,按1∶15的比例缩小建立冷态实验装置(见图2),实验系统主要由CFB主循环回路、风系统和测量系统组成.主循环回路由裤衩腿型炉膛、旋风分离器、立管和返料阀组成,全部用有机玻璃制成,以便直接观察其中的流动状态;风系统主要部件为风机、母管风门、三通风箱、流化风门、流化风室、布风板、集气箱和引风机;测量系统由涡街流量计、笛型管、压力探头、压力传感器和在线数据采集系统组成.考虑到炉膛中流动的对称性,模型取靠近前墙的1/2炉膛为原型按1∶15比例缩小.为了便于实验台加工,回料口设计直径选择了与模化直径最接近的标准管径.炉膛主要设计参数如表1所示.为了便于测量不同高度上的横向物料流率,在炉膛内裤衩点以上增加了一面中隔墙,将炉膛对称地分隔成两部分,在隔墙上不同高度(见表1)开有2个面积相等的通孔,从下到上依次记为1#和2#,当通孔均封闭时,炉膛内不会发生翻床现象.后墙沿高度方向设有两排可密封的测量孔,分别对应各个通孔上下两端所在高度,沿中隔墙呈对称布置.测量孔使用时可插入压力探头,闲置时封闭.为了方便测量表述,将22个压力测量孔按其所在高度和左右侧位置统一编号,如图3所示.根据相似准则,实验中选择铁粉作为床料,表2详细比较了锅炉设计工况、模型工况和实验工况的参数.为了保证分离效率,分离器几何尺寸不能简单等比例缩小,需要在Scaling-low相似准则确定的流化风量及循环物料量的基础上,按照高效分离器的设计准则选择分离器特征直径.返料系统的主要功能在于保证返料连续稳定,其结构根据分离器尺寸和循环物料量确定,立管的长度由分离器和炉膛结构共同决定.1.3炉秆的床压降在生产运行现场,原型锅炉中表征翻床现象的特征参数是两侧炉膛的床压降和风量.实验中采用笛型管实时测量两支腿风量,将左右两侧笛型管的总压和静压同时接入压力传感器,从而实现动压差的动态采样.为了将压力传感器测得的笛型管动压差最终转换成通过该侧炉膛支腿的风量值,需要预先对笛型管作标定.两侧炉膛的床压降采用布风板入口和炉膛出口压力之差减去布风板阻力压降,其中布风板阻力压降需要按照预先标定的布风板阻力特性曲线由风量测量值导出.布风板阻力特性曲线即布风板阻力Δpad与风量V之间的关系,如图4所示.利用中隔墙上通孔的不同组合设计了3组工况,如表3所示.由于模化实验中炉膛内流化风速较低(低于1.6m/s),可以忽略炉膛内的摩擦压降和加速压降,近似认为炉膛内的总床压降全部为床料颗粒的重力压降,则炉膛内存料量可以由下式估算式中:Ms为炉膛内存料量,kg;ΔPms为单侧炉膛内的总床压降,即图3中压力测点1和11之间的压差减去布风板阻力,Pa;A为炉膛截面积,m2;g为重力加速度,m/s2.实验过程中当一侧炉膛被完全吹空时,可以通过调节两侧流化风门的开度来改变炉膛上部物料横向流动的方向,从而实现多次翻床过程的连续测量.由于炉膛内的气固流动存在强烈的压力湍动,导致测量结果波动也很剧烈,因此对原始测量结果采用Savitzky-Golay算法作平滑处理.2激发炉硫体系内的物理压降特性当主循环回路处于空床状态时,可以近似地认为炉膛压降全部为布风板的摩擦压降,并且炉膛压降随风量的增加而增大.当炉膛中加入固体床料后,炉膛压降Δpt由布风板阻力Δpad和固体物料产生的床压降Δpms两部分组成,其中床压降主要由炉膛中固体物料的存量决定.单侧炉膛内的存料量不但与通过支腿的风量V有关,还受炉膛上部的横向物料交换的影响.当两侧炉膛内的存料量因横向物料交换的影响而发生变化时,通过两侧支腿的风量也将相应发生变化,并且在翻床过程中支腿风量与炉膛压降的变化方向总是相反.图5反映了风量与炉膛压降之间的这种相互影响过程,表明了裤衩腿型炉膛与单腿炉膛一样具有复合压降特性.在翻床过程中,单侧的炉膛压降随风量的增大而减小,这与布风板的阻力特性恰好相反,因此可以推断出,在翻床过程中对炉膛压降起控制作用的不是布风板阻力,而是固体物料产生的床压降.根据裤衩腿型炉膛风烟系统复合压降模型,炉膛中的翻床过程是风量与炉膛压降间的正反馈过程,因此炉膛中发生翻床的必要条件是固体物料产生的床压降足以控制炉膛压降的变化趋势.所以在循环流化床设计中,在保证炉内传热能力的前提下,适当减小运行床压降在烟风系统压降中的比重,有助于缓解炉膛压降与风量间的不稳定关系.还需要注意的是,两侧炉膛的风量总是此消彼长,在某一数值附近呈近似对称地变化,说明两侧炉膛中的存料量变化具有较明显的相关性.为了证实这一推论,采用式(2)的方法计算出炉膛内的存料量Ms变化曲线如图6所示,可见两侧炉膛内存料量的变化也近似地具有对称性.上述实验结果说明,两侧炉膛内流动不对称导致了炉膛上部的横向物料流动,是发生翻床现象的根本原因.根据单侧炉膛内存料量的变化曲线,可以进一步计算出任一时刻单侧炉膛内存料量变化的速率dMs/dt.由于炉膛上部物料的横向流动,使两侧炉膛内的存料量变化方向始终是相反的,表现在图7中即两侧炉膛的存料量变化率动态曲线近似地关于时间轴对称.实验结果还表明在炉膛总存料量和总风量近似相同时,两侧炉膛存料量变化率的波动幅度越大,炉膛上部的物料横向流动也相应越剧烈,则其完成一次周期波动所需的时间也相应越短.比较3个工况下的炉膛存料量变化率的波动幅度也不难发现,工况二下的炉膛存料量变化最快,而工况一下最慢.即当炉膛上部的横向通流面积较大时和横向通流截面的平均高度较高时翻床过程都进行得较快.考虑到实际CFB锅炉中不同高度的物料浓度变化较大,对于原型中横向通流截面高度的影响还需要引入沿高度方向上物料浓度梯度的修正.3运行床压降与