循環(huán)流化床鍋爐爐膛熱力計算

1、循環(huán)流化床鍋爐爐膛熱力計算程樂鳴，岑可法，倪明江，駱仲泱（浙江大學(xué)熱能工程研究所，能源清潔利用與環(huán)境工程教育部重點實驗室，浙江杭州310027）摘要：結(jié)合作者在循環(huán)流化床鍋爐傳熱和設(shè)計理論研究及實踐的基礎(chǔ)上, 提出一種循環(huán)流化床鍋爐爐膛的熱力計算方法，包括循環(huán)流化床鍋爐爐膛的兒何 尺寸確定、爐膛熱量平衡和爐膛傳熱計算?？紤]循環(huán)流化床鍋爐爐型不同，其熱 力計算方法有所不同，該方法針對釆用高溫分離裝置的循環(huán)流化床鍋爐，提出的 計算方法可用于一般高溫分離的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計計算，其余爐型可在此基 礎(chǔ)上根據(jù)具體爐型特點修改使用。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；鍋爐設(shè)計；熱力計算1引言循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高

2、，污染排放低，燃料適應(yīng)性廣，被廣泛應(yīng)用 于蒸汽生產(chǎn)中。隨著循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展，其容量和規(guī)模都在增大。U前美國 在建的300 MWe循環(huán)流化床鍋爐即將投入運(yùn)行，600 MWe容量的循環(huán)流化床鍋爐 也已在設(shè)計中。利用國內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的35 t/h、75 t/h循環(huán)流化床鍋爐有大量運(yùn) 行，U前國內(nèi)投入運(yùn)行的最大循環(huán)流化床鍋爐是高溫高壓420 t/h容量的鍋爐， 高溫高壓450 t/h循環(huán)流化床鍋爐也已在建，但運(yùn)用的是國外技術(shù)。在循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)與發(fā)展過程中，各設(shè)訃單位和鍋爐制造廠家開 發(fā)岀各種爐型，針對各自不同的爐型釆用各自的熱力訃算方法，即使是相同的爐 型設(shè)計方法也可能不同，各有特點。這與煤粉鍋

3、爐和鼓泡流化床鍋爐在設(shè)計過程 中有統(tǒng)一的熱力計算方法可供參考不同。有關(guān)循環(huán)流化床鍋爐熱力計算方法在 文獻(xiàn)中也少見發(fā)表。本文結(jié)合作者在循環(huán)流化床鍋爐傳熱和設(shè)計理論研究及實踐 的基礎(chǔ)上，建立了一種簡單的循環(huán)流化床鍋爐爐膛熱力計算方法:曲。與一般沸騰燃燒鼓泡流化床鍋爐不同，循環(huán)流化床鍋爐類型較多，爐型 不同，其熱力計算方法有所不同。本方法針對采用高溫分離裝置的循環(huán)流化床鍋 爐，提出的計算方法可用于一般高溫分離的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計計算，其余爐 型可在此基礎(chǔ)上根據(jù)具體爐型特點修改使用。典型的高溫分離器型循環(huán)流化床鍋 爐釆用髙溫立式旋風(fēng)分離器，安置在鍋爐爐膛上部煙氣出口處。離開爐膛的大部 分顆粒，山高溫

4、分離器所捕集并通過固體物料再循環(huán)系統(tǒng)從靠近爐膛底部的物料 回送口送回爐膛。纟仇;溫分肉器分離后的高溫?zé)煔鈩t進(jìn)入尾部煙道，與布置在尾 部煙道中的受熱面進(jìn)行換熱后排出。訃算中未考慮添加石灰石的影響，若添加石 灰石，則入爐熱量、灰濃度和煙氣量等有變化，需修正。2循環(huán)流化床鍋爐爐膛幾何尺寸的確定2. 1 爐膛橫截面積循環(huán)流化床鍋爐爐膛一般山膜式水冷璧構(gòu)成，其傳熱面積以通過水冷璧 管中心面的面積計算。若爐膛山輕型爐墻或敷管爐墻構(gòu)成，則需考慮角系數(shù)的影 響。爐膛尺寸的確定主要包括爐膛密相區(qū)和稀相區(qū)的長、寬、高以及是否有 截面收縮等確定。爐膛橫截面積的確定取決于床層運(yùn)行風(fēng)速或截面熱負(fù)荷的選取。密相區(qū) 的運(yùn)行

5、風(fēng)速類似于鼓泡流化床。一般循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)運(yùn)行風(fēng)速在37 m/s 之間，考慮磨損的危險性和為降低風(fēng)機(jī)能耗，可選取運(yùn)行風(fēng)速在46 m/s左右。 運(yùn)行風(fēng)速數(shù)值與燃料種類也很有關(guān)系。截面熱負(fù)荷的選擇與運(yùn)行風(fēng)速的選擇是相 關(guān)的，實際上只要燃料和過剩氧量確定，運(yùn)行風(fēng)速與截面熱負(fù)荷中只要一個參數(shù) 確定后，另一個參數(shù)也隨之確定。截面熱負(fù)荷一般可選擇在34 MW/m'左右。2. 2 爐膛深度爐膛橫截面積確定后，根據(jù)爐膛長寬比確定爐膛的長寬。爐膛的深度一 般不超過8m,以保證二次風(fēng)的穿透，長寬比以1:1至2:1都是合適的。具體在 確定爐膛的長、寬比時，一般還應(yīng)考慮尾部受熱面的布置，使之相適應(yīng)。2.3

6、 爐膛密相區(qū)高度若循環(huán)流化床鍋爐有二次風(fēng)，則其密相區(qū)與稀相區(qū)的分界面取二次風(fēng)入 口高度平面。對于沒有二次風(fēng)或三次風(fēng)的情況，或負(fù)荷變化較大時，若必為靜 床料高，則其密相區(qū)高度饑綱可通過計算膨脹比斤迪得到他兄紡可用下式計算：當(dāng)才池S嚴(yán)時,（V ）式中 為床層運(yùn)行風(fēng)速；為顆粒終端速度；4為顆粒平均粒徑；耳為顆粒密 度。2. 4 爐膛高度循環(huán)流化床鍋爐爐膛高度是循環(huán)流化床設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù)。爐膛越高, 則鍋爐鋼架就越高，因而鍋爐的造價也會提高。因此，在滿足鍋爐和爐膛的下述 要求下，盡可能地降低爐膛高度。一般地，爐膛高度應(yīng)滿足以下條件：（1）保證分離器不能捕集的細(xì)粉在爐膛內(nèi)一次通過時能夠燃盡；（2）爐膛

7、高度應(yīng)容納爐膛能布置全部或大部分蒸發(fā)受熱面；（3）爐膛高度應(yīng)保證返料機(jī)構(gòu)料腿一側(cè)有足夠的靜壓頭，從而使循環(huán)流化 床鍋爐有足夠的循環(huán)物料在循環(huán)回路中流動；（4）爐膛高度應(yīng)保證脫硫所需最短氣體停留時間；（5）爐膛高度應(yīng)和循環(huán)流化床鍋爐的尾部煙道或?qū)α鞫嗡韪叨认嘁恢?（6）爐膛高度應(yīng)保證鍋爐在設(shè)計壓力下有足夠的自然循環(huán)。具體設(shè)計時，一般可根據(jù)常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的爐膛高度確定一個數(shù)值,布置受熱面是否足夠，然后考慮分離器的切割直徑，再根據(jù)上述（1）的要求考 慮固體顆粒的燃盡和其他的要求條件，使之滿足上述要求，若條件容許偏高些為好。3 循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率c循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)倍率是循環(huán)物料重量與計算給

8、煤重量的比值，其值 的選取比較經(jīng)驗，可參考表1。表1鍋爐循環(huán)倍率項目較高脫硫效 率不考慮脫硫劣質(zhì)燃料循環(huán)倍率"20 5010 201104 密相區(qū)和稀相區(qū)的燃燒份額d密相區(qū)和稀相區(qū)的燃燒份額受燃料粒徑、煤種、流化風(fēng)速、一二次風(fēng)率、 床層溫度等諸多因素影響，尤其是煤種的影響較大，如揮發(fā)份高易爆的煤在密相 區(qū)的燃燒份額會降低。在訂前缺乏數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)計時可以參考有關(guān)不同煤種 的燃燒特性試驗數(shù)據(jù)取值舊。一般地，固體顆粒粒徑越大，燃燒份額相對增加。 如果采用寬篩分燃料，可以采用鼓泡流化床計算標(biāo)準(zhǔn)中推薦的方法并考慮一次風(fēng) 率的影響而求取。5 爐底排渣量與飛灰量比爐底排渣量和飛灰量之比受許多因

9、素影響，其中隨煤的特性、床內(nèi)物料 粒徑、和運(yùn)行速度的變化較大，其取值相當(dāng)經(jīng)驗，一般可在0.2-1間。6焙溫表中爐膛內(nèi)飛灰焙乙的計算在計算焙溫表爐膛內(nèi)的飛灰焙時，對于分離器前部分需考慮循環(huán)固體顆 粒的影響，其飛灰焙心以下式計算：黑100100 -C100式中 6和広分別為灰的比熱和溫度；血為煤收到基灰分；為飛灰份額；& 為爐膛出口飛灰含碳量；G為機(jī)械不完全燃燒損失。計算密相區(qū)的飛灰焰時，上 式中的G和應(yīng)代以密相區(qū)岀口飛灰含碳量Ub和密相區(qū)機(jī)械不完全燃燒損失7密相區(qū)和稀相區(qū)熱量平衡密相區(qū)的入爐熱量Q：a = 2沢篤託:上細(xì)皿理+心式中 為鍋爐輸入熱量；G為化學(xué)不完全燃燒損失；Q砒為爐底排渣

10、損失；X 為一次風(fēng)率；甸為密相區(qū)岀口處的名義空氣過剩系數(shù)；為理論冷空氣焙，g 為分離灰焙。埋管受熱面吸熱量念式中 丿為保熱系數(shù)；5為計算給煤量；厶彳為密相區(qū)煙氣焙。 帶入稀相區(qū)的熱量0$100-40100-4(1-5)(100-03 -彳4)+ (1 - ZjA + “堪其中 D芯為稀相區(qū)漏風(fēng)系數(shù)。 稀相區(qū)吸熱量念：Q汝=少坊（。滯一丿滯）（8）式中 7?為煙氣在稀相區(qū)的出口焰。8循環(huán)流化床鍋爐爐膛傳熱計算8.1 爐膛下部密相區(qū)的傳熱計算循環(huán)流化床鍋爐爐膛密相區(qū)的流體動力特性屬紊流流態(tài)化，和鼓泡床密 相區(qū)相似，若循環(huán)流化床密相區(qū)中布置有埋管受熱面，其傳熱計算可直接參照鼓 泡流化床中訃算傳熱系數(shù)

11、的方法進(jìn)行方法。山于一般地循環(huán)流化床鍋爐床內(nèi)運(yùn)行 風(fēng)速比鼓泡流化床高，訃算時有關(guān)床層空隙率數(shù)值的選取應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)增大 叭& 2爐膛上部稀相區(qū)的傳熱計算8.2.1 壁面平均傳熱系數(shù)力循環(huán)流化快速床中，包括含分散固體顆粒（固體顆粒分散相）的連續(xù)上升 氣流和相對密的顆粒團(tuán)兩部分。根據(jù)循環(huán)流化床的流體動力特性，可以將稀相區(qū) 橫截面分為中心核心區(qū)和壁面環(huán)形區(qū)兩部分。在核心區(qū)，顆粒在其中由下向上運(yùn) 動，固體顆粒濃度較?。辉诖搀w壁面為密相環(huán)形區(qū)中，固體顆粒匯集成各種不同 的密相結(jié)構(gòu)（顆粒團(tuán)），顆粒團(tuán)與固體顆粒分散相在其中交替地與床壁面接觸， 沿傳熱壁面下滑、離散（圖1）。注：人一壁面溫度；Z環(huán)形區(qū)

12、溫度：核心區(qū)溫度；L密相區(qū)環(huán)形厚度；氐壁面環(huán)形區(qū)內(nèi)的顆粒速度；比一核心區(qū)內(nèi)的顆粒速度圖1 連續(xù)上升的固體顆粒分散相和沿璧面下滑的顆粒團(tuán)假定力“是被顆粒團(tuán)覆蓋的壁面面積的平均白分率，用人昨表示對流傳熱 系數(shù)，h表示輻射傳熱系數(shù)，則壁面的平均傳熱系數(shù)可表示為方5與h之和（對 于壁面來說忽略氣相傳熱）:h =鶴利+% = %（鶴十）+Q - £）（嘉+如）（9）式中 入和怡分別為顆粒團(tuán)與固體顆粒分散相的對流傳熱系數(shù)，力9和昆則分 別表示顆粒團(tuán)與固體顆粒分散相的輻射傳熱系數(shù)。8.2.2顆粒團(tuán)覆蓋壁面的時均覆蓋率«在任何時刻，循環(huán)流化床鍋爐壁面的一部分被顆粒團(tuán)所覆蓋，其余部分 則暴露

13、在固體顆粒分散相中（圖1）。顆粒團(tuán)覆蓋壁面的時均覆蓋率幾,可山下 式計算：（10）參數(shù)K的取值范Basuu建議取為0.5。程樂鳴等提出對于循環(huán)流化床密、稀 相區(qū)K值取不同數(shù)值。對于稀相區(qū)，推薦亞0.1；對于密相區(qū)，推薦膽0.25。此"1-空值仍需考察。壁面空隙率&為稀相區(qū)空隙率， , 一是稀相區(qū)固體顆粒濃度。弘為顆粒團(tuán)中的空隙率，可取值為臨界流態(tài)化下的空隙率值；Y 為固體顆粒相中固體顆粒的百分比，可取Y=e.8. 2. 3 循環(huán)流化床對流傳熱系數(shù)h®.對流傳熱包括顆粒團(tuán)與顆粒分散相的對流傳熱兩部分，根據(jù)（9）,對流傳 熱系數(shù)力沖以下式表示，(11)從=爲(wèi)+0 一心嘰

14、（1）顆粒團(tuán)與壁面間對流傳熱系數(shù)顆粒團(tuán)沿著壁面下滑，在與壁面接觸一段時間后，顆粒團(tuán)或者破裂消失 或者運(yùn)動到別處。顆粒團(tuán)與壁面接觸時，其初始溫度為床溫，這樣，顆粒團(tuán)與壁 面間產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)傳熱?？焖俅仓蓄w粒團(tuán)與壁面間的傳熱熱阻主要有兩部分，一是 與壁面的接觸熱阻，二是顆粒團(tuán)本身的平均熱阻（圖2）?？h面W翩粒團(tuán)冗一WWVli （憑腕）謝（科砂圖2 壁面與顆粒團(tuán)間的傳熱假定傳熱只在水平方向山壁面?zhèn)魅腩w粒團(tuán)，而忽略豎直方向的任何傳熱 量，則壁面與顆粒團(tuán)間的傳熱系數(shù)可用下式表示1/ + 1/ (式中 矗為壁面接觸傳熱系數(shù)；人為常溫壁面向均勻半無限介質(zhì)的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 過程中的有效傳熱系數(shù)。對于鍋爐內(nèi)的惜況，連續(xù)

15、傳熱面較長，顆粒團(tuán)的貼壁時間就會長些。這 時與接觸熱阻相比，顆粒團(tuán)中的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱阻較為車要，這就減弱了固體顆粒徑 對傳熱系數(shù)的影響，對于顆粒團(tuán)貼壁時間較短的情況，傳熱限于顆粒群的貼壁層。1）常溫壁面向均勻半無限介質(zhì)不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程中的有效傳熱系數(shù)ht 若顆粒團(tuán)與傳熱壁面的接觸時間為tcs,則其平均傳熱系數(shù)為(13)式中 心為氣一固顆粒團(tuán)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。即Mickley和Fairbanks"根據(jù)顆 粒團(tuán)理論推導(dǎo)所得。上式中，顆粒團(tuán)與壁面的導(dǎo)熱情況取決于其在壁面的停留時間貼壁的顆粒團(tuán)在重力作用下加速下滑，同時受到壁面的阻力與向上氣流的曳引力作 用。圖1中，在壁面?zhèn)鳠崦娴纳喜縕位置，形成一空

16、隙率為,溫度為7；° (假 定與床溫相同)的顆粒團(tuán)，該顆粒團(tuán)與壁面接觸，沿壁面以“的速度下滑至Z 位置，在壁面上的特征停留長度為£“，這樣，顆粒團(tuán)的每一部分在壁面上的停 留時間紜就可以如下式計算：(14)式中 厶根據(jù)Wu等問的試驗求出，鬲=兀規(guī)贊，其中企取邊壁區(qū)固體顆粒 濃度，邊二(1-“)與。弘是固體顆粒貼壁下滑速度，可取值為1.2 P.O m/so氣一固顆粒團(tuán)的有效導(dǎo)熱系數(shù)K“,推薦采用Xavier和Davidson"提出 的下式來計算。& =疋 < 均0 28-0.75?吹1% -0 J05Hogl0 諛 ° / 兀)(15)

17、6; 一沖可Og佔式中兀和心分別為固體顆粒和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；蒼為氣體密度；G是氣體比 熱；弘-為臨界流化速度。在公式適用范圍內(nèi)，該式與釆用其它方法計算的顆粒團(tuán)的有效導(dǎo)熱系數(shù) 基本一致，而采用該式的優(yōu)點是該式還考慮了空氣密度的影響。顆粒團(tuán)密度 r=(l-e) recsrs,顆粒團(tuán)比熱C=(l-e) G+e“G。2)顆粒團(tuán)與壁面間氣膜傳熱系數(shù)h關(guān)于顆粒團(tuán)與壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h,可根據(jù)顆粒團(tuán)與壁面接觸間的相應(yīng)氣體 薄層厚度的熱阻計算，顆粒團(tuán)與壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可用氣體間隙厚度來計算：丄血(16)根據(jù)試驗，在模型中選取參數(shù)廬2. 5。(2)固體顆粒分散相的傳熱系數(shù)h循環(huán)流化床鍋爐的壁面并不總是與顆粒團(tuán)接觸的。在與

18、兩顆粒團(tuán)接觸之 間，壁面與床中的上升氣流接觸，在上升氣流中含有分散相的固體顆粒。對流傳 熱系數(shù)項中的固體顆粒分散相的傳熱系數(shù)怡的計算，選用Wen和Miller：is基于 稀相氣-固混合物而導(dǎo)出的傳熱系數(shù)計算公式近似計算：03PY4 G J(17)式中 G為固體顆粒比熱；皿,為固體顆粒分散相的密度，其值可經(jīng)由 b+(l-力匕計算，G為固體顆粒的終端速度。8. 2. 4 循環(huán)流化床輻射傳熱系數(shù)hr輻射傳熱是循環(huán)流化床鍋爐中傳熱的一種重要方式，尤其是在高溫 (>700°C)和低床密度(30 kg/m')的情況下。循環(huán)流化床鍋爐中的輻射傳熱包括 兩部分，一部分主要來自與壁面接觸

19、的顆粒團(tuán)的輻射，另一部分是固體顆粒分散 相壁面的輻射。床層向壁面的總輻射系數(shù)根據(jù)式(9)：為=3心十卩-6)如(18)式中力“為來自與壁面接觸的顆粒團(tuán)的輻射：力&為固體顆粒分散相向壁面的輻 射。(1)固體顆粒分散相對壁面的輻射傳熱系數(shù)昆對于大型循環(huán)流化床鍋爐，床吸收率刃可根據(jù)下式訃算冋：03(1-勺)鞏(1-勺)8 J訃(19)式中 勺為顆粒表面的吸收率。對各相同性漫反射萬=0.5,對漫反射顆粒方=0. 667o固體顆粒分散相的輻射傳熱系數(shù)九可以根據(jù)下式計算：h _ 恣-町)滄(閥+1息-1)4(20)式中 6為傳熱表面的吸收率；s為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；7；是稀相區(qū)床溫； 人為表面溫

20、度。(2)顆粒團(tuán)對壁面的輻射傳熱系數(shù)方5顆粒團(tuán)的輻射系數(shù)力y,可將式(20)中的內(nèi)換成同樣進(jìn)行計算。顆粒 團(tuán)的吸收率可由下式計算：(21)9結(jié)論本文結(jié)合作者在循環(huán)流化床鍋爐傳熱和設(shè)計理論研究及實踐的基礎(chǔ)上， 針對采用高溫分離裝置的循環(huán)流化床鍋爐，提出一種簡單的循環(huán)流化床鍋爐爐膛 熱力訃算方法，可用于一般高溫分離的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計計算，其余爐型可 在此基礎(chǔ)上根據(jù)具體爐型特點修改使用。參考文獻(xiàn)1 工業(yè)鍋爐技術(shù)手冊層狀燃燒和沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法編寫組 (Editorial group of technical handbook of industrial boilers Thermal

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