胡　南，　郭兆君，　杨海瑞，　吕俊复，　裴育峰

(1. 中国电力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)



CFB锅炉炉膛内颗粒横向扩散系数研究

胡南1，郭兆君1，杨海瑞2，吕俊复2，裴育峰1

(1. 中国电力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

符号说明：

Dsr——横向扩散系数，m2/s

Hd——静止床高，m

D——炉膛特征尺寸，m

dp——粒径，μm

ρp——颗粒密度，kg/m3

ρg——气体密度，kg/m3

Ug——流化风速，m/s

Umf——最小流化风速，m/s

μg——气体黏度，Pa·s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Dsr，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Dsr实验值分散在0.000 1～0.1 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入大气.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 μm，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.一次实验注入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 min后，将热颗粒注入给料仓，然后密封仓盖.先打开隔离阀V-1，然后打开高压空气阀V-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1(b)和图1(c)所示.热电偶布置在布风板上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x方向，深度方向为y方向.温度测点与原点的相对坐标(x,y)(总长度为1)分别为(0, 0)，(0, 0.250)，(0, 0.375)，(0, 0.500)，(0.08, 0.500)，(0.17, 0.500)和(0.25, 0.500)，共计7个测点.

(a)实验装置(b)y-z平面测点(c)x-z平面测点

图1实验装置示意图

Fig.1Schematic diagram of the experimental setup

2实验结果

CFB锅炉炉内燃烧颗粒的粒径分布范围较大，在0～8 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[9-10].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[4].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Dsr相差较大，分散在0.000 1～0.1 m2/s.

(a) Ug=1.06 m/s

(b) Ug=0.82 m/s

(c) Ug=0.64 m/s

Fig.2Temperature rise curve of each measuring point at different gas velocities

图3　颗粒横向扩散系数随流化风速的变化

已有一些文献通过总结给出了颗粒横向扩散系数的计算关联式，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.

表1颗粒横向扩散系数相关研究成果

Tab.1Research results concerning lateral dispersion coefficients

研究者实验台流化床截面尺寸/mDsr/(m2·s-1)Berruti等[7]0.271)0.0002～0.0020Xiang等[8]2.60×1.602)0.0010～0.0100Salam等[11]0.90×0.152)0.0005～0.0020Bi等[12]0.50×0.102)0.0004～0.0016Xiao等[13]2.50×0.152)0.0400～0.4000杨海瑞等[14]0.90×0.102)0.0040～0.0120Schlichthaerle等[3]1.00×0.302)0.1200Niklasson等[15]1.70×1.702)0.1000Chirone等[16]0.371)0.0100～0.1000Winaya等[17]0.16×0.042)0.0002～0.0003刘道银等[6]0.30×0.202)0.0002～0.0024本文0.34×1.202)0.0020～0.0060

注：1)1个数字表示直径;2)2个数字表示截面的长和宽.

Luecke等[5]在针对中小型CFB锅炉的环核模型中，取Dsr=0.12 m2/s；刘道银等[6]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[7,13-14,18]，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

(1)

其中，α、β、γ、δ和χ为待定系数.

从前人实验和理论分析结果发现，流化风速Ug和密相区床高对横向扩散系数Dsr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α取值范围为-0.2～0.4，而β的取值范围为-0.5～0.5.Shi等[19]与Berruti等[7]的研究结果表明，颗粒密度与横向扩散系数呈负相关关系，δ取值为负.随着流化床截面尺寸的增大，扩散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γ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：

(2)

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 m/s，炉膛特征尺寸为2～5 m，通过式(2)的计算，可以得到密相区颗粒横向扩散系数为0.06～0.4 m2/s.

图4　横向扩散系数实验结果与关联式计算结果的对比

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0.06～0.4 m2/s.

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Experimental Study on Lateral Dispersion Coefficient of Solid Particles in a CFB Boiler

HUNan1,GUOZhaojun1,YANGHairui2,LÜJunfu2,PEIYufeng1

(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, Beijing 100084, China)

Abstract：The effect of gas velocity on lateral dispersion coefficient in dense zone of a 300 MW single-furnace 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

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

作者简介：胡南(1985-)，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；

收稿日期：2015-06-29

修订日期：2015-07-13

E-mail:hunan@nepdi.net.