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一体化外置式换热器的物料流动特性

点击:1909 日期:[ 2014-04-26 22:05:50 ]
                               一体化外置式换热器的物料流动特性                                         熊斌 卢啸风 刘汉周                                (重庆大学动力工程学院,重庆400044) 摘要:对循环流化床锅炉一体化外置式换热器在单边运行时的物料流动特性进行了冷态试验研 究.结果表明:该外置式换热器具有很好的自平衡特性;各仓室流化风速的改变会引起颗粒夹带速 率及各仓室压力分布的变化,通过调节各仓室的流化风速可以很好地控制进入外置式换热器和回 料密封的物料流量.同时,还建立了孔口两侧压差与通过孔口处的固体流率之间的经验关系式,并 定义了孔口流量系数.试验数据表明:所建立的关系式可以很好地用于预测固体流率与孔口压降之 间的关系. 关键词:能源与动力工程;循环流化床锅炉;外置式换热器;物料流量控制;流量系数 中图分类号:TK229.6+6 文献标识码:A 随着循环流化床(CFB)锅炉的大型化,带来了 受热面的布置问题,目前一般采用在物料循环回路 中布置受热面的方法来解决该问题,即设置外置式 换热器(EHE).外置式换热器内可以布置蒸发、过热和再热受热面.通过调节进入外置式换热器和返 料装置的循环物料流量比例,可以实现对床温和汽 温的控制.同时,外置床还具有磨损低、传热性能好、 耐腐蚀等优点. CFB锅炉在布置外置式换热器时,通常有2种 灰量调节方案:一是采用机械阀(如法国ALSTOM 技术的CFB锅炉[1]);二是采用流化风(如美国FW 公司的CFB锅炉[2]和浙江大学的气力调节外置式 换热器[3]).机械阀的调节精度高,但结构和制造复 杂,而且是专利技术,如果长期工作在高温环境中, 容易磨损,大大增加了锅炉的运行及维护费用.采用 流化风的调节方案主要是通过调节外置式换热器内 各个仓室的流化风量,来控制进入返料机构和外置 式换热器的高温物料量. 传统的外置式换热器只能实现换热器和返料机 构之间的物料流量的调节,由于换热器中没有对物 料再分流,进入EHE的物料将会全部顺次流过各 个换热仓室,从而使得末端受热面的传热性能大大 下降,同时也无法有效地控制其中换热介质的温度. 重庆大学提出了一种全新的非机械阀外置式换热器 布置方式[4],通过控制流入各个换热仓室的固体物 料流量,来达到对各换热仓室中布置的受热面换热 情况的单独调节.同时把EHE和回料密封(loop seal)结合在一起,保证向炉膛的返料.试验结果表 明这种外置式换热器具有很好的物料分流和流量控 制特性[5].笔者对此种外置式换热器在单边运行时 各个仓室的压力及回料流量进行了测量,研究了外 置床内气固流动特性及流量控制原理,同时还得到 了2个仓室间水平孔口两侧压差与固体流率之间的 计算关系式.这对各个仓室水平布置的外置式换热 器的设计具有非常重要的意义. 1 试验研究 1.1 一体化外置式换热器的试验装置 试验是在一体化外置式换热器冷态试验台上完 成的.整个试验台主要由料斗、立管、外置式换热器 和布风装置组成,见图1.为了便于直接观察外置式 换热器内物料流动的情况,外置床和立管均采用有 机玻璃建造.外置式换热器各个物料室的送风均配 备独立的风室,每个风室的进风量都由玻璃转子流 量计测量. 外置式换热器由立管下的中心室(60mm×70 mm×150mm,C),2个分配室(65mm×70mm× 150mm,D1、D2),2个换热室(190mm×75mm× 150mm,H1、H2)和2个返料室(50mm×220mm ×150mm,O1、O2)构成,各物料室采用平行对称布 置.分配室和换热室的隔板高度h1、h2分别为50 mm、75mm.中心室至分配室、分配室至换热室的底 部均开有3个10mm×5mm的孔口,以便物料流动. 物料经过立管进入中心室,然后通过中心室底 部开孔进入分配室;分配室中的物料一部分翻越隔 板进入返料室,另一部分则通过底部开孔进入换热 室;换热室中的物料翻越隔板再回到返料室;来自分 配室和换热室的物料在返料室中混合后返回炉膛. 为了测量各部分的物料流量,把返料室隔成3部分 (实际返料室内是没有隔板的).同时整个试验台也 只单边运行(物料的流动如图1中箭头所示),以便 测量流过2个仓室间孔口的物料流量.物料流量的 调节主要是通过调节各物料室的流化风速来实现 的. 1.2 试验方法 试验所用物料为筛分后的循环流化床锅炉的循 环灰,其主要物理特性见表1.粒径范围为0~18 mm,循环灰的粒径分布见图2.试验物料的临界流 化风速由试验所得床层压降和流化速度的关系曲线 (见图3)确定. 通过对立管及外置式换热器各个物料室内物料 流动的观察,来了解固体颗粒在其中的流动特性. 物料从料斗经立管进入外置式换热器,最后从 返料室流出.在一定的时间间隔内,将流出的物料称 重,就可以获得各部分的物料流量.为了排除立管物 料高度对试验结果的影响,试验中通过调节加料速 度来保证物料高度不变.本次试验的目的是得到各 个物料室风速对直接返回炉膛和进入外置式换热器 的物料流量的影响. 循环回路中的压力平衡关系对固体物料回送装 置的运行有很大影响,甚至决定着固体颗粒的流量. 组成循环回路的各部分具有不同的气固两相流动形 式,而压降的变化是决定气固两相流动的基本特征 之一.因此,在各个物料室内布置了压力测点(测点 位置见图1),以了解外置床内的压力分布及物料室 流化风速变化对压力分布的影响,同时还对物料流 动的阻力特性进行了分析.各压力测点的压力值经 KYB-14型差压变送器转换成电信号后,由ADAM- 4000系列数据采集系统(配MCGS在线测量系统 设计软件)进行自动采集分析.采样频率为30次/ min,各个压力测点的压力值均为1mim内的平均 压力值. 2 试验结果及分析 2.1 物料流动状况 中心室内的物料流动状态与其流化风量有关, 在不同的流化风量下,其固体颗粒的流动状态是不 同的.当流化风量很低时,中心室内固体颗粒静止不 动,呈固定床状态;随着流化风量的增加,物料通过孔口进入分配室,此时在中心室和立管内的固体颗 粒以整体形式平稳、缓慢地向下移动,立管中没有气 泡产生.而在中心室远离孔口的壁面及边角区域,物 料基本保持不动,运动颗粒和静止颗粒之间仍然存 在较明显的分界线;随着流化风量的进一步增加,固 体颗粒流量增加,中心室内固体颗粒滞止区减小.当 流化风量足以使中心室内的物料流化时,中心室内 将处于流化床状态,没有静止不动的颗粒,有气泡产 生.在运行时,立管和中心室均处于移动床状态. 分配室和换热室内的物料都处于鼓泡流化状 态.当流化床中的气流速度超过临界流化速度时,床 层内出现大量气泡.气泡不断上升,待到达床层表面 时,会发生破裂并逸出床面.在此过程中,气泡顶上 的部分颗粒和气泡尾涡中的颗粒,将被抛入密相床 层界面之上的自由空域,并被上升气流夹带走.在夹 带入自由空域的颗粒中,一些粗颗粒由于其终端速 度大于床层气流速度,因而在到达一定的高度后将 重新返回床层,而另一些终端速度低于床层气流速 度的细颗粒最终被夹带出床体.床层可以明显地分 为密相区和稀相区2个部分.自由空域内靠近床层 表面处的颗粒浓度最大,随着高度的上升,颗粒浓度 逐渐降低.把自由空域内所有粗颗粒都能返回床层 的最低高度(从床层界面算起)定义为输送分离高度 (TDH).当到达TDH以后,颗粒浓度不再变化. 颗粒的夹带对外置式换热器的物料流量控制是 很重要的.在外置式换热器中,一部分物料通过翻越 分配室的隔板直接返回炉膛,另一部分物料则进入 换热室,翻越隔板后返回炉膛.各个物料室的流化风 速一定时,由于分配室和换热室的隔板高度不一样, 且各自隔板高度上所对应的颗粒浓度也不一样,翻 越隔板的物料流量也不同,从而导致直接返回炉膛 和进入换热室后返回炉膛的物料流量不同.在某一 高度的颗粒浓度还受到流化风速和床层高度等因素 的影响. 2.2 外置式换热器的自平衡特性 循环流化床锅炉的固体物料循环速率是个很重 要的参数,主要由回料装置决定.对于流通阀来说, 循环流化床、分离装置、立管和回料阀的压力平衡对 固体物料循环速率有着决定性的影响.随着物料循 环速率的增大,通过回料阀的压差和循环流化床的 压差都在增加,分离装置的进口与排灰口的静压差 基本不变,立管中的料位高度增加,立管中的压差也 增加,使得被送回炉膛的固体物料流量增加.即在任 何物料流率下返料装置都能顺利地将物料返送回炉 膛,具有很好的自平衡特性. 图4是立管中压差与物料高度的关系曲线.在 各个仓室的流化风速不变的情况下(u1、u2、u3分别 为中心室、分配室、换热室的流化速度),当立管中的 物料高度增加时,立管中的压差增加.随着立管中压 差的增加,返回炉膛的物料流量也增加,说明此返料 装置具有良好的自平衡特性.但是,立管中压差随物 料高度增加而增加的趋势是不同的,在物料高度较 小时,立管中的压差随物料高度的增加而急剧增大, 当物料高度达到一定水平后,压差增大的趋势变得 不明显.在图4中,压差在物料高度为10~50cm范 围内的增加趋势较为明显. 2.3 外置式换热器内物料流量的控制特性及压力 分布 2.3.1 流化风u1对物料流量及压力分布的影响 图5给出了loopseal和EHE的物料流量随中 心室流化风速u1的变化情况.由图可见,loopseal 和EHE的物料流量都随着u1的增加而增加.EHE 的物料流量增加幅度很大,但是loopseal的物料流 量增加趋势却没那么明显.由于试验中立管的物料 保持在一定的高度,所以总的物料流量也随着u1的 增加而增加. 图6给出了各个物料室的压力随u1的变化情 况.由图可见,不论u1为何值,沿着物料流动的方 向,为了克服物料流动阻力,从中心室、分配室至换热室,压力逐渐减小.正是立管产生的压差将物料由 压力较低的分离器排尘口送回到压力较高的炉膛. 随着u1的增加,中心室的压力迅速增大,从中心室 至分配室的压差也增大,从而使得总物料流量增加. 分配室和换热室的压力都随着u1的增加而增加,但 分配室和换热室的压差依然是增大的.随着物料流 量的增加,分配室和换热室的流化风速不变,其物料 高度增加,对应于隔板高度的颗粒夹带浓度增加,翻 越隔板的物料量增加,所以loopseal和EHE的物 料流量都是增加的.由于分配室的隔板比换热室的 隔板高很多,单位时间内翻越隔板的物料流量有限, 更多的物料进入换热室,从换热室流出. 在实际锅炉中,u1通常不变,不用于流量调节. 不过合理选择u1却是非常必要的,可使立管产生足 够的压差,将循环物料送回炉膛. 2.3.2 流化风u2对物料流量及压力分布的影响 图7是loopseal和EHE的物料流量随分配室 流化速度u2的变化情况.由图可见,随着分配室流 化速度的增加,loopseal和EHE的物料流量都增 加.但是两者增加的趋势却有所不同,loopseal的物 料流量随着u2的增加迅速增加,而EHE的物料流 量随着u2的增加而增加的趋势变得越来越平缓.总 的物料流量也随u2的增加而增加. 图8给出了各个物料室的压力随u2的变化情 况.由图可见,随着分配室流化风速的增加,各个物 料室的压力变化都不是很大,中心室至分配室、分配 室至换热室的压差变化也不明显.u2的增加使得分 配室内的流化状态改变,总物料流量有所增加.由于 流化风速急剧增加,更多的物料在分配室内被气体 夹带而翻越隔板,导致loopseal的物料流量迅速增 加.EHE物料流量的变化则比较复杂,主要受总物 料流量和loopseal物料流量变化的影响.总的来 说,当分配室流化速度增加而引起的总物料流量增 加效果大于loopseal物料流量增加效果时,EHE 的物料流量增加.反之,EHE的物料流量减少. 2.3.3 流化风u3对物料流量及压力分布的影响 图9给出了loopseal和EHE的物料流量随换 热室流化风速u3的变化情况.由图可见,随着u3的 增加,EHE的物料流量增加,而loopseal的物料流 量却缓慢下降.由于EHE物料流量增加的效果大 于loopseal物料流量减小的效果,因此总的物料流 量仍然是增加的. 图10给出了各个物料室的压力随u3的变化情 况.随着u3的增加,换热室和分配室的压力迅速减小,而中心室的压力基本上没有变化,因此中心室至 分配室的压差增加,总的物料流量增加.同时,分配 室和换热室的压差也随着u3的增加而增加.虽然换 热室内物料高度下降,但由于流化风速的增加,更多 的物料被气流夹带翻越隔板而返回炉膛.分配室内 物料高度减小,使得翻越分配室隔板而流出的物料 流量减少,所以loopseal的物料流量减少. 3 孔口阻力模型 在外置式换热器内,物料除了翻越隔板外,通常 是通过孔口在各个物料室之间流动.对于气固混合 物通过孔口的流动,许多研究者进行了详细的研 究[6,7],结果表明:孔口尺寸、孔口两侧压差以及物 料性质都会影响气固混合物通过孔口的流动.对于 具有一定正压差的气固混合物通过孔口的流动,一 般将流动混合物作为非黏性液体来处理,并应用 Bernoulli理论得到如下关系式: 利用式(1)最关键的问题是如何确定孔口流量 系数,目前尚无一致的结论.CD的确定应根据具体 的试验条件而定,不同的试验得出的结果不同.大多 数研究者在对固体颗粒通过立管下面孔口进行研究 时,前提条件是试验系统的布置不是封闭的,固体颗 粒直接排入无限空间,同时还要保持立管内料位高 度不变,这样得出的结论是CD为定值.但 Queensland大学[8]对V阀的试验结果表明:当固体 颗粒通过矩形孔口的速度小于1.4m/s时,CD不是 定值,而是固体颗粒通过孔口时速度的函数.李希 光[9]等的研究表明,当固体颗粒以较低的速度通过 孔口时,CD应是变化的.王擎[10]等通过对环流料封 阀的研究,认为CD不但是固体颗粒通过水平孔口 时速度的函数,同时还是孔口面积的函数. 通过对一体化外置式换热器内物料通过孔口时物料流量及两侧压差的试验结果进行分析,得出在 孔口两侧均处于流化状态时,CD不但与颗粒通过水 平孔口时的速度有关,还与孔口两侧物料的流化状 态有关(试验中孔口大小一定,无法找出CD是否与 孔口面积有关,将其归入常数项中).这主要是由于 固体颗粒的流动阻力与物料的流化状态有很大的关 系.将通过孔口的固体流率与孔口两侧压差之间的 关系整理成式(2)的形式: 图11和图12分别为由式(5)和式(2)得到的计 算值与试验结果的比较.由图可见,回归分析得到的 经验公式的计算结果与试验数据吻合得较好. 4 结 论 (1)一体化外置式换热器中心室一般处于移动 床状态,分配室和换热室处于鼓泡流化状态.正是由 于颗粒的夹带而翻越不同高度的隔板,导致了loop seal和EHE的物料流量不同. (2)该外置式换热器具有很好的自平衡特性.当 各个仓室的流化风速不变时,立管中的压降随着立 管中物料高度的增加而增加,从而使得返料流量增 加. (3)流化风u1、u2、u3对loopseal和EHE的物 料流量及其比例有很好的控制作用.物料流量的变 化不仅与沿物料流动方向上的压降有关,还与各个 物料室的流化状态有很大的关系. (4)提出了孔口压降与固体流率之间的计算关 系式,定义了孔口流量系数.试验数据表明,所建立 的关系式可以很好地用于预测固体流率与孔口压降 之间的关系. 
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