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CFB锅炉炉膛内颗粒横向扩散系数研究

文档作者：胡南1 郭兆君杨海瑞吕俊复2 裴育峰1 文档来源：中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 2．清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室		更新日期： 2024年08月08日	点击数：
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第36卷第3期动力工程学报V01．36 No．3
2016年3月Journal of Chinese Society of Power Engineering Mar．2016
文章编号：1674—7607(2016)03—0168—04 中图分类号：TK224 文献标志码：A 学科分类号：470．30
CFB锅炉炉膛内颗粒横向扩散系数研究
南1，
中国电力
郭兆君， 杨海瑞' 吕俊复2， 裴育峰1
工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春130021；
2．清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084)
摘要：在300 MW单炉膛循环流化床(CFB)锅炉按1／10比例缩小的实验装置上，利用热颗粒作
为示踪颗粒，研究了流化风速对密相区颗粒横向扩散系数的影响．通过本文实验及文献中的理论分
析和大量实验结果，拟合出新的横向扩散系数计算关联式，并采用此关联式预测了大型CFB锅炉
炉膛内固体颗粒的横向扩散系数．结果表明：随着流化风速的减小，颗粒扩散能力减弱，横向扩散系
数降低；不同尺寸、不同工况下的CFB锅炉密相区颗粒横向扩散系数为0．06～0．4 m2／s．
关键词：循环流化床锅炉；横向扩散系数；密相区；流化风速
Experimental Study on Lateral Dispersion Coefficient of
SolId Particles in a CFB Boiler
HU Nanl，GUO Zhaojunl，YANG Hairui 2，LUJunfu 2，PEI Yufen91
(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，Beij ing 1 00084，China)
Abstract：The effect of gas velocity on lateral dispersion coefficient in dense zone of a 300 MW single—fur—
nace 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
符号说明
D，，——横向扩散系数，1112／s
H。——静止床高，m
D——炉膛特征尺寸，m
d。——粒径，／,rn
佛——颗粒密度，kg／m3
风——气体密度，kg／m3
U。——流化风速，m／s
U。。——最小流化风速，m／s
弘。——气体黏度，Pa·S
收稿日期：2015—06—29 修订日期：2015-07—13
作者简介：胡南(1985一)，男，吉林长春人，博士，主要从事火力发电厂设计方面的研究．电话(Tel．)：0431-85798602
E-mail：hunan@nepdi．net．
胡a
万方数据
第3期胡南，等：CFB锅炉炉膛内颗粒横向扩散系数研究
循环流化床(CFB)燃烧是高效、低污染的清洁
煤燃烧技术，其主要特点是锅炉炉膛内含有大量的
固体颗粒，在燃烧过程中被流化风携带到炉膛上部，
颗粒浓度随炉膛高度有显著变化．通常根据炉膛内
垂直方向的颗粒浓度分布差别，将炉膛分为底部密
相区和上部稀相区[1。2]．燃料通过密相区进入炉膛燃
烧，因此密相区颗粒横向扩散与混合的程度对燃烧
效率有至关重要的影响．
密相区颗粒混合与扩散是流态化领域基础研究
的重要问题之一．经过几十年的研究，人们已经定性
地认识了流化床内颗粒混合机理．通常认为，影响密
相区颗粒混合的因素包括颗粒的粒度、密度、流化风
速、床高和床截面积等因素．文献中对扩散能力的描
述采用横向扩散系数D。其定义与气体分子的扩
散系数十分相似．由于实验条件等因素的差异，不同
研究者得到的横向扩散系数D，，实验值分散在
0．000 1～o．1 m2／s[3_8]．但是已有文献中关于流化
床内密相区颗粒横向扩散问题的研究大多局限于小
尺度实验装置中，得到的定性及定量结果很难在大
型CFB锅炉计算中直接应用．
笔者在300 MW单炉膛CFB锅炉按1／10比例
缩小的实验台上进行固体颗粒横向扩散实验，利用
热颗粒作为示踪颗粒．通过本文实验以及文献中的
大量实验结果，得到了新的横向扩散系数计算关联
式，并利用此关联式预测了大型CFB锅炉炉膛内固
体颗粒的横向扩散系数．
1 密相区横向扩散实验装置
实验装置为某300 Mw单炉膛CFB锅炉按1／
10比例缩小的模型．模型由底座、布风板、炉体、给
料系统和过滤系统构成，并没有加装分离器．流化气
体通过过滤网排人大气．实验装置高3．0 m，截面尺
寸为0．8 m×1．2 m，布风板截面尺寸为0．34 m×
1．2 m，下部收缩段高0．8 m，如图1(a)所示．
采用石英砂作为床料，平均粒径为150弘m，密
度为2 600 kg／m3．采用与床料相同的颗粒加热后
作为示踪颗粒．给料系统如图1(b)所示，由给料仓
和隔离阀构成．一次实验注人10 kg温度为120℃
的示踪颗粒．实验过程中，在给定工况下流化床稳定
运行5 rain后，将热颗粒注人给料仓，然后密封仓
盖．先打开隔离阀V—l，然后打开高压空气阀V一2，
高压空气将给料仓内的颗粒流化使其进入炉膛．示
踪颗粒质量流量为1 kg／s．
炉膛内的温度由热电偶在线测量．热电偶布置
如图l(b)和图1(C)所示．热电偶布置在布风板上
b)、一：平面测点
㈨)7其90娅萱(()r：、}7血】，I_'I|点
I冬1 l 其90 7掩髓-J、苣I擘1
Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup
0．27 m处，为了表述方便，设示踪颗粒注入点为原
点，宽度方向为z方向，深度方向为Y方向．温度测
点与原点的相对坐标(z，Y)(总长度为1)分别为
(0，0)，(0，0．250)，(0，0．375)，(0，0．500)，
(o．08，0．500)，(0．17，0．500)和(o．25，0．500)，共
计7个测点．
2 实验结果
CFB锅炉炉内燃烧颗粒的粒径分布范围较大，
在o～8 mm内，较大的颗粒在密相区无法被携带到
炉膛上部，因此与上部快速流态化不同，炉膛底部密
相区为鼓泡床的流化状态[9。1 0】．经实验测得床料的
最小流化风速为0．09 m／s．为了保证密相区为鼓泡
床流化状态，同时减小流化风对示踪颗粒的影响，实
验中选取较小的流化风速，分别为0．64 m／s、0．82
m／s和1．06 m／s，采集不同位置热电偶温升曲线，
结果如图2所示．
从图2可以看出，测点(0，0．250)的温升明显
高于其他测点，这是因为一方面示踪颗粒在扩散过
程中，热量被流化风带走，随着扩散距离的增加，温
度迅速下降；另一方面，随着颗粒向四周扩散，距离
越远的测点，能够扩散到达的热颗粒数量越少，示踪
颗粒浓度越低．
通过床料温升曲线计算颗粒横向扩散系数时，
需要考虑从热颗粒开始注入时局部能量变化的动态
过程，具体计算方法可以参考文献[3]和文献E43．图
3给出了颗粒横向扩散系数随流化风速的变化．由
图3可以看出，随着流化风速的减小，距离热颗粒最
近的测点温升幅度明显增大，扩散能力减弱，横向扩
散系数降低．
3 密相区颗粒横向扩散系数
参考已有文献的研究成果和相关总结，将颗粒
万方数据
动力工程学报第36卷
(c)Ug一0．64 m／s
图2 不同流化风速下各个测点的床料温升曲线
Fig．2 Temperature rise curve of each measuring point at different
gas velocities
0．4 0．6 0．8 1．0 1．2
流化风速／(m．s-1)
图3颗粒横向扩散系数随流化风速的变化
Fig．3 Lateral dispersion coefficient of solid particles VS．gas velocity
混合的主要研究工况及结果汇总于表1．由于实验
条件、统计和计算方法等因素的差异，不同研究者得
到的D，，相差较大，分散在0．000 1～o．1 m2／s．
已有一些文献通过总结给出了颗粒横向扩散系
表1颗粒横向扩散系数相关研究成果
Tab．1 Research results concerning lateral dispersion coeffi‘
cients
研究者实验台流化床截面尺寸／m D。，／(m2·s_1)
注：1)1个数罕表不直径；2)2个致字表不截面的长和觅．
数的计算关联式，这些关联式都是基于实验室尺度
的CFB装置的实验数据拟合而成的，虽然计算结果
与类似文献中的数据有一定的吻合度，但是是否可
应用于大型CFB锅炉的计算还有待商榷．一方面是
由于实验装置的特征尺寸远小于CFB锅炉实际尺
寸，另一方面，实验条件(包括流化风速、颗粒性质和
示踪方法)也有很大差异．
Luecke等∞]在针对中小型CFB锅炉的环核模
型中，取D。，一0，12 m2／s；刘道银等[61通过计算，认
为扩散系数受到床宽的影响，大型CFB锅炉中颗粒
的横向扩散系数应远大于实验室数据，在0．1 m2 s
量级．基于前人研究成果，笔者认为横向扩散系数受
到颗粒性质(如粒度和密度)、流化风速及静止床高
等因素的影响，参考经验公式[7’13’1“18]，将以上相关
物理量无量纲化，同时将横向扩散系数写成无量纲
形式，则关联式可写为
D。一．．r(U。一U。f)d。＆]。v
(Ug—U。f)Hd 兀L 肛。-J一
(等)4(罢)7(紫)6
其中，口、p、y、艿和；(为待定系数．
从前人实验和理论分析结果发现，流化风速U
和密相区床高对横向扩散系数D。。的影响最为明
显．随着流化风速和密相区床高的增大，扩散能力显
著增强．文献中a取值范围为一0．2～o．4，而口的取
值范围为一o．5～o．5．Shi等n明与Berruti等[73的研
究结果表明，颗粒密度与横向扩散系数呈负相关关
系，艿取值为负．随着流化床截面尺寸的增大，扩散
0
0
0
O
—I-s．，一＼巅懈衽辐匠羁
万方数据
第3期胡南，等：CFB锅炉炉膛内颗粒横向扩散系数研究
能力在一定程度上得到增强，但当截面尺寸增大到
一定程度后，这种影响将明显减弱，因此y的取值范
围应为0～1．基于本文实验结果和以上分析，通过
拟合得到如下关联式：
D。，一3．98×101(U。一U。f)Hd X
[盟坐,ug池]0。17(黔／15× L J ＼“。
(黟77(紫)。0·23 ㈤
为了考察式(2)的合理性，将关联式计算结果与
文献实验结果进行对比，结果如图4所示．由图4可
以看出，大部分实验结果与关联式计算结果相近，少
数实验结果与关联式计算结果存在较大差异，这是
由于不同研究者的实验方法和数据处理对最后结果
有较大影响．
对于100～600 Mw等级的CFB锅炉，密相区
流化风速约为3～8 rn／s，炉膛特征尺寸为2～5 rn，
通过式(2)的计算，可以得到密相区颗粒横向扩散系
数为0．06～o．4 m2／s．
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O O
)00
0 000
横向扩散系数实验结果／(n1 1．S J
图4横向扩散系数实验结果与关联式计算结果的对比
Fig．4 Comparison of lateral dispersion coefficient between
experimental and calculated results
4 结论
利用热颗粒作为示踪颗粒，在300 MW单炉膛
CFB锅炉按1／10比例缩小的实验台上进行了固体
颗粒横向扩散实验．通过本文实验及文献中的大量
实验结果，得到了新的横向扩散系数计算关联式，并
采用此关联式预测了大型CFB锅炉炉膛内固体颗
粒横向扩散系数．对于100～600 Mw等级的CFB
锅炉关联式计算结果表明，不同尺寸、不同工况下的
密相区颗粒横向扩散系数为0．06t0．4 rn2／s．
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