新型循环流化床锅炉结构布置及气固流动特性的研究

论文摘要

循环流化床(CFB)燃烧技术以其广泛的燃料适应性、较低的氮氧化物排放、较高的脱硫效率、良好的负荷调节性能等优点成为新一代洁净煤燃烧技术。随着CFB燃烧技术的不断发展,CFB锅炉容量也在快速增大。国外已建成CFB锅炉最大容量已达460MW,并已完成了600MW及800MW的超临界大型CFB锅炉设计工作。我国也在积极开展600MW循环流化床锅炉的研制工作。但CFB锅炉的大型化也带来了许多问题:分离器数量不断增多,使得分离器布置困难,进入各个分离器的烟气量相差较大;炉膛容积增大,导致二次风穿透性不佳,布风均匀性差;CFB锅炉尺寸继续放大的风险也越来越大。此外,现有的几种大型CFB锅炉结构布置方案,国外均已申请了相关专利。为解决我国CFB锅炉大型化所面临的技术问题及知识产权问题,迫切需要研究CFB锅炉大型化时采用新的、具有自主知识产权的结构布置方案。在总结和分析大型CFB锅炉结构形式的基础上,重庆大学首次提出了一种“炉膛包围分离器”的新型CFB锅炉布置方案。即在两个炉膛中间布置一个双侧进风的方形旋风分离器,同时分离器下面还布置有与返料机构相联合的一体化外置式换热器(EHE)。与传统CFB锅炉布置相比,此新型布置方案具有对二次风射程要求低,布置紧凑等优点。锅炉放大时,采用多模块组合方式,每个模块可独立运行,其给煤和排渣可单独控制,大大降低了锅炉放大的风险。为了验证此新型CFB锅炉布置方案的可行性,对其循环系统的气固流动进行了研究,其主要包括:①新的CFB锅炉系统运行的气固流动特性及其运行稳定性的研究;②新型外置式换热器内气固流动特性的研究;③双进口方形分离器性能的研究。新的CFB锅炉系统运行的气固流动特性及其运行稳定性的试验结果表明,双炉膛运行时,两个炉膛流化特性相近,相互干扰小,整个系统运行稳定。双进口方形分离器能高效地将物料分离下来。一体化外置式换热器返料均匀,排料调节灵活可靠,基本能顺利地将立管中的循环物料排入任一炉膛。整个锅炉具有良好的压力平衡系统,自平衡特性良好。新型CFB锅炉布置方案中采用了一种全新的非机械阀式外置式换热器。通过控制流入各个换热仓室的固体物料流量,从而达到对各换热仓室中布置的受热面的换热情况进行单独调节。同时把外置床和返料机构(loop seal)结合在一起,保证向两个炉膛的返料。对这种一体化外置式换热器及其返料机构中的物料流动特性进行了冷态试验研究。试验结果表明这种外置式换热器有很好的物料分流和流量控制特性。可以通过调节运行参数和结构参数来控制两个换热室、EHE和loopseal以及两个返料口之间的物料流量和比例。这主要是由于流化风速的改变而引起颗粒夹带速率及各仓室压力分布的变化所致。同时还建立了孔口两侧压差与通过孔口处固体流率之间的经验关系式,定义了孔口流量系数新的关系式。双进口方形分离器的性能是新型CFB锅炉成功的关键因素。在截面尺寸为400mm×400mm的冷态试验台上对分离器性能及分离器内的气固流动进行了研究。当入口风速为22.4m/s、入口颗粒浓度为4.9g/m3时,双进口方形分离器的切割粒径为15μm,临界粒径为75μm,阻力系数为1.7。同时,分离器的性能还受到入口风速及入口颗粒浓度的影响。分离器边角处的即时分离现象对于提高CFB锅炉中高入口颗粒浓度下分离器效率是有利的。在试验研究的基础上,对分离器内的气固流动进行了数值模拟,数值计算的分离器效率和压降与试验结果基本吻合。同时采用数值模拟的方法对分离器结构进行了优化。双进口方形分离器内的流场与圆形分离器相似,具有Rankine涡的特点,在边角处出现局部小漩涡。研究了中心筒插入深度、入口尺寸、直筒段长度、锥体长度对分离效率的影响,通过结构优化,分离器的切割粒径可在6μm左右。方形分离器内旋流较弱,压降较小,可以认为不是分离器性能的主要考虑因素。冷态试验及数值模拟结果表明一体化外置式换热器的流量控制特性及双进口方形分离器的性能能够满足新型CFB锅炉布置方案的运行要求,但仍需锅炉放大后的检验。应用上述研究成果,对一台35t/h工业循环流化床锅炉的结构布置方案进行了研究,并完成了相关设计。以期将此新型CFB锅炉放大到工业锅炉规模,在工业锅炉上进行一系列的测试,积累经验和关键数据,为此新型CFB锅炉的进一步放大打下坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内、外循环流化床锅炉发展概况
• 1.2 循环流化床锅炉结构形式
• 1.3 循环流化床锅炉的物料循环系统
• 1.3.1 分离器发展概述
• 1.3.2 物料回送装置
• 1.3.3 外置式换热器概述
• 1.4 循环流化床锅炉的大型化
• 1.4.1 循环流化床锅炉大型化的主要问题及解决措施
• 1.4.2 大型循环流化床锅炉的总体布置
• 1.5 循环流化床锅炉中的气固流动形式
• 1.6 论文选题背景及课题来源
• 1.7 本课题的主要工作及研究内容
• 2 新型循环流化床锅炉循环系统冷态试验研究
• 2.1 试验背景及目的
• 2.1.1 试验背景
• 2.1.2 试验目的
• 2.2 试验装置及系统
• 2.2.1 冷态试验台本体
• 2.2.2 送风系统
• 2.2.3 数据测量及采集系统
• 2.3 试验方法及内容
• 2.4 试验结果及分析
• 2.4.1 循环流化床中不同部分的物料流化状态
• 2.4.2 炉膛流化特性及压降分析
• 2.4.3 分离器内压力分布及压降
• 2.4.4 外置床风速调节对循环物料量的影响
• 2.4.5 物料循环回路的压力平衡
• 2.5 本章小结
• 3 一体化外置式换热器冷态试验研究
• 3.1 试验背景及目的
• 3.1.1 试验背景
• 3.1.2 试验目的
• 3.2 试验装置及系统
• 3.2.1 冷态试验台本体
• 3.2.2 送风系统
• 3.2.3 数据测量及采集系统
• 3.3 试验方法及内容
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1 外置床内物料流动分析
• 3.4.2 外置床内物料分流及流量控制特性
• 3.4.3 外置床内的压力分布及流动阻力特性
• 3.4.4 外置床几个关键结构的设计
• 3.5 本章小结
• 4 双进口方形旋风分离器冷态试验研究
• 4.1 试验背景及目的
• 4.1.1 试验背景
• 4.1.2 试验目的
• 4.2 试验装置及系统
• 4.2.1 冷态试验台本体
• 4.2.2 送风系统
• 4.2.3 给料系统
• 4.2.4 数据测量及采集系统
• 4.3 试验方法及内容
• 4.4 试验结果及分析
• 4.4.1 分离器分离效率
• 4.4.2 分离器压降
• 4.4.3 分离器内气固流动特性
• 4.4.4 分离器的放大
• 4.5 本章小结
• 5 分离器数值模拟
• 5.1 分离器数值模拟模型概述
• 5.2 单、双进口圆形分离器的数值模拟
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 数学模型
• 5.2.3 数值模拟结果及分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 双进口方形分离器的数值模拟
• 5.3.1 物理模型
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 数值模拟结果及分析
• 5.3.4 小结
• 6 35t/h 新型工业循环流化床锅炉研制
• 6.1 35t/h 新型工业循环流化床锅炉设计背景
• 6.2 35t/h 新型工业循环流化床锅炉设计内容
• 6.3 35t/h 新型工业循环流化床锅炉设计
• 6.3.1 锅炉总体布置
• 6.3.2 汽-水系统
• 6.3.3 炉膛结构
• 6.3.4 水冷双进口方形分离器
• 6.3.5 一体化外置式换热器
• 6.3.6 省煤器
• 6.3.7 点火系统
• 6.3.8 脱硫及除尘
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.1.1 新型循环流化床锅炉循环系统冷态试验研究
• 7.1.2 一体化外置式换热器冷态试验研究
• 7.1.3 双进口方形旋风分离器冷态试验研究
• 7.1.4 双进口方形分离器数值模拟
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录