高溫型循環(huán)流化床鍋爐爐膛傳熱系數(shù)的試驗(yàn)研究

孫獻(xiàn)斌， 劉海峰， 王海濤， 時(shí)正海， 高洪培， 金森旺

（中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 100098）

符號說明：

Q——水冷壁換熱器的傳熱量，W

h——總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

FO——床側(cè)管子的外表面積，m2

Δt——管內(nèi)流體與管外物料的對數(shù)平均溫差，K

qm——水的質(zhì)量流量，kg/s

cw——水的平均比熱容，kJ/（kg·℃）

t1、t2——水的進(jìn)、出口溫度，℃

h1——工質(zhì)側(cè)傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

h2——床層與換熱器表面的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

Ff——工質(zhì)側(cè)總面積，m2

δ——換熱器管子壁厚，m

λ——換熱器金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

ρsus——顆粒懸浮密度，kg/m3

β——顆粒懸浮密度指數(shù)

tb——床溫，℃

為提高燃用無煙煤等難燃煤種的循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的燃燒效率，國家“十二五”科技支撐計(jì)劃中提出開發(fā)高溫型CFB鍋爐的研究思路，即將CFB鍋爐爐膛燃燒溫度由850℃左右提高到920～1 050℃，以提高飛灰可燃物的燃盡率.對于高溫型CFB鍋爐而言，提高爐膛燃燒溫度時(shí)，爐膛輻射傳熱系數(shù)必然會增大，但由于爐內(nèi)熱交換過程的復(fù)雜性，難以用理論分析的方法確定爐內(nèi)傳熱系數(shù)的大小及變化規(guī)律.為此，筆者在熱功率為1 MW 的CFB鍋爐試驗(yàn)臺上安裝試驗(yàn)受熱面，對爐膛傳熱系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)裝置

所采用的CFB鍋爐試驗(yàn)臺如圖1所示.其中，試驗(yàn)臺的燃燒熱功率為1 MW，爐膛總高度為23 m，布風(fēng)板長為0.351 m、寬為0.175 m，爐膛上部橫截面長和寬均為0.351 m.在爐膛不同高度處布置抽屜式水冷受熱面.爐膛出口的高溫旋風(fēng)分離器下端布置有立管、回料器及回料斜管，與爐膛共同構(gòu)成了CFB鍋爐的熱循環(huán)回路.回料器的流化風(fēng)來自升壓風(fēng)機(jī)出口.從旋風(fēng)分離器流出的煙氣進(jìn)入尾部煙道，在尾部煙道內(nèi)沿?zé)煔饬飨蛞来尾贾糜惺∶浩骱涂諝忸A(yù)熱器.煙氣經(jīng)過布袋除塵器后通過引風(fēng)機(jī)由煙囪排入大氣.

圖1 1 MW CFB鍋爐熱態(tài)試驗(yàn)臺Fig.1 The 1 MW CFB boiler＇s hot－state test facility

2臺送風(fēng)機(jī)串聯(lián)后供給一次風(fēng)，一次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后送入風(fēng)室.二次風(fēng)可分3層送入燃燒室不同高度.試驗(yàn)臺采用床下熱風(fēng)點(diǎn)火系統(tǒng)，由油槍加熱流化風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)對床料的加熱.試驗(yàn)用煤由1臺旋轉(zhuǎn)定量給料機(jī)送入爐膛下部密相區(qū).試驗(yàn)受熱面采用循環(huán)水冷卻，循環(huán)水由水泵加壓后分別流經(jīng)燃燒室水冷受熱面和省煤器，最后進(jìn)入冷水塔經(jīng)冷卻后返回貯水箱.

2 試驗(yàn)受熱面及測量方法

試驗(yàn)受熱面為水冷壁換熱器，第一組水冷壁換熱器布置在距布風(fēng)板3.2～4.4 m的區(qū)域，第二組水冷壁換熱器布置在距布風(fēng)板15.6～16.6 m的區(qū)域，分別模擬CFB鍋爐過渡區(qū)及稀相區(qū)的水冷壁.2組水冷壁換熱器的結(jié)構(gòu)相同，每組由7根直徑為25 mm的光管組成，相鄰管節(jié)距為45 mm，水冷壁換熱器高度為1.2 m，受熱面積為0.791 m2.在水冷壁換熱器的進(jìn)、出口集箱安裝熱電偶以測量進(jìn)、出口工質(zhì)的溫度；在水冷壁換熱器進(jìn)、出口煙氣側(cè)安裝熱電偶以測量換熱器進(jìn)、出口煙氣的溫度，從而確定傳熱溫差；在水冷壁換熱器進(jìn)、出口煙氣側(cè)安裝壓力測量元件以測量換熱器進(jìn)、出口的壓差，從而確定測試段的顆粒懸浮密度；采用浮子流量計(jì)測量流經(jīng)水冷壁換熱器的工質(zhì)流量.水冷壁換熱器測點(diǎn)布置及其結(jié)構(gòu)見圖2.

水冷壁換熱器的傳熱量為

水冷壁換熱器管內(nèi)水的吸熱量為

總傳熱系數(shù)h為

由式（3）可得床層與換熱器表面的傳熱系數(shù)h2

圖2 水冷壁換熱器測點(diǎn)布置及結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of the water wall heat exchanger and arrangement of relevant measuring points

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在CFB鍋爐爐膛內(nèi)，影響爐膛受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要因素有床溫、顆粒懸浮密度、灰顆粒粒徑及流化速度等.在灰顆粒粒徑基本相同的情況下，流化速度對傳熱系數(shù)的影響主要通過影響顆粒懸浮密度從而產(chǎn)生間接影響［1］.因此，筆者重點(diǎn)考察了床溫和顆粒懸浮密度對爐膛水冷壁傳熱系數(shù)的影響.

圖3給出了試驗(yàn)得到的相對傳熱系數(shù)h2/h2b與床溫的關(guān)系曲線，其中h2b為基準(zhǔn)工況的傳熱系數(shù)，爐內(nèi)顆粒懸浮密度為11.95 kg/m3.由圖3可知，隨著爐膛床溫的升高，相對傳熱系數(shù)相應(yīng)增大，主要原因是床溫的升高使得灰顆粒與受熱面管束的輻射換熱增強(qiáng).

圖3 相對傳熱系數(shù)與床溫的關(guān)系Fig.3 Relative heat－transfer coefficient vs.bed temperature

圖4給出了試驗(yàn)得到的相對傳熱系數(shù)h2/h2b與顆粒懸浮密度ρsus的關(guān)系曲線，其中床溫為941℃.由于CFB鍋爐爐內(nèi)顆粒的熱容量大大高于氣體的熱容量，顆粒對流傳熱為主要傳熱機(jī)制.顆粒對流傳熱系數(shù)的大小主要依賴于受熱面上固體顆粒的聚集濃度以及顆粒的更新率.在CFB鍋爐爐膛內(nèi)，壁面附近的顆粒濃度與整個床截面的平均顆粒懸浮密度成正比.而平均顆粒懸浮密度的增大使得壁面附近的顆粒濃度增大，提供了更多的顆粒與壁面之間發(fā)生傳熱的機(jī)會.因此，隨著顆粒懸浮密度的增大，相對傳熱系數(shù)增大.

由于CFB鍋爐爐膛中心區(qū)域的大部分顆粒向上運(yùn)動，而水冷壁附近的顆粒向下運(yùn)動，爐膛顆粒懸浮密度通常根據(jù)測量不同高度爐膛壓差來計(jì)算［2］：

圖4 相對傳熱系數(shù)與顆粒懸浮密度的關(guān)系Fig.4 Relative heat－transfer coefficient vs.solid suspension density

4 傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)模型

針對CFB鍋爐爐內(nèi)傳熱系數(shù)，不同學(xué)者在試驗(yàn)臺或工業(yè)裝置上進(jìn)行了傳熱規(guī)律的測試研究工作，建立了相應(yīng)的爐內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算模型（見表1），但這些傳熱系數(shù)計(jì)算模型的適用溫度最高為940℃.

表1 CFB鍋爐爐內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算模型Tab.1 Calculation model for the in－furnace heat－transfer coefficient of CFB boiler

通過對1 MW CFB鍋爐試驗(yàn)臺傳熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和回歸，得到高溫型CFB鍋爐爐膛傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)模型為

該關(guān)聯(lián)模型的適用范圍為：床溫824～1 030℃，顆粒懸浮密度6～24 kg/m3.利用該關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行計(jì)算，得到傳熱系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果（見圖5），兩者的偏差小于7%，證明該關(guān)聯(lián)模型具有較高的準(zhǔn)確度.

圖5 傳熱系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比Fig.5 Comparison of heat－transfer coefficient between calculated results and actual measurements

當(dāng)顆粒懸浮密度為7 kg/m3、床溫為824～940℃時(shí)，該關(guān)聯(lián)模型與表1中Dutta等（2002）的關(guān)聯(lián)模型計(jì)算得到的傳熱系數(shù)對比見圖6，兩者計(jì)算結(jié)果偏差小于8.6%.

圖6 傳熱系數(shù)模型計(jì)算結(jié)果的對比Fig.6 Comparison of heat－transfer coefficient with different calculation models

5 結(jié) 論

（1）隨著床溫的升高及顆粒懸浮密度的增大，爐膛傳熱系數(shù)相應(yīng)增大.

（2）通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸整理得到高溫型CFB鍋爐爐膛傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)模型，爐膛傳熱系數(shù)可表示為床溫與顆粒懸浮密度的關(guān)聯(lián)式.該關(guān)聯(lián)式得到的爐膛傳熱系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差小于7%.

（3）當(dāng)顆粒懸浮密度為7 kg/m3、床溫為824～940℃時(shí)，本文傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)模型與Dutta等（2002）關(guān)聯(lián)模型計(jì)算得到的傳熱系數(shù)偏差小于8.6%.

［1］ 孫獻(xiàn)斌，黃中.大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.2版.北京：中國電力出版社，2013.

［2］ 程樂鳴，王勤輝，施正倫，等.大型循環(huán)流化床鍋爐中的傳熱［J］.動力工程，2006，26（3）：305－310.CHENG Leming，WANG Qinhui，SHI Zhenglun，et al.Heat transfer in a large circulating fluidized bed boiler［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（3）：305－310.

［3］ ANDERSSON B A，LECKNER B.Bed－to－wall heat transfer in circulating fluidized bed boilers［C］∥2nd Minsk International Heat and Mass Transfer Forum.Minsk，USSR：［s.n.］，1992.

［4］ GOLRIZ M R，SUNDEN B.An experimental investigation of thermal characteristics in a 12 MWth CFB boiler［J］.Experimental Heat Transfer，1994，7（3）：217－233.

［5］ BASU P，NAG P K.Heat transfer to walls of a circulating fluidized－bed furnace［J］.Chemical Engineering Science，1996，51（1）：1－26.

［6］ ANDERSSON B A.Effect of bed particle size on heat transfer in circulating fluidized bed boilers［J］.Powder Technology，1996，87（3）：233－238.

［7］ BREITHOLTZ C.Heat transfer in circulating fluidized bed boilers［D］.Goteborg，Sweden：Chalmers U－niversity of Technology，2000.

［8］ BASKAKOV A，LECKNER B，BREITHOLTZ K.Complex heat transfer furnaces with a circulating fluidized bed［J］.Heat Transfer Research，2001，32（7/8）：343－348.

［9］ DUTTA A，BASU P.Overall heat transfer to waterwalls and wing walls of commercial circulating fluidized bed boilers［J］.Journal of the Institute of Energy，2002，75（504）：85－90.