大型循環(huán)流化床鍋爐鐘罩式風(fēng)帽流化特性試驗研究

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐正朝著(zhù)大型化、高參數化、超（超）臨界的方向快速發(fā)展，隨著(zhù)鍋爐容量的不斷增大，布風(fēng)板上的布風(fēng)均勻性變得更加重要。另一方面，近年來(lái)可再生能源發(fā)電的裝機容量逐年增加且運行中有較強的隨機性。因此，為促進(jìn)可再生能源發(fā)展，國內對燃煤鍋爐機組提出了更高的調峰要求，要求部分鍋爐頻繁或是長(cháng)期實(shí)現低負荷下穩定燃燒，這降低了布風(fēng)板的阻力壓降。根據大量運行經(jīng)驗與研究，布風(fēng)板壓降為整個(gè)床層阻力的25%以上時(shí)才可以維持床層的穩定運行。如何適應低負荷運行要求，成為近期電站鍋爐燃燒技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

風(fēng)帽作為布風(fēng)板的重要組成部分之一，其設計好壞與布風(fēng)板的流化質(zhì)量密切相關(guān)。鐘罩式風(fēng)帽相較其他風(fēng)帽有阻力特性更好、不易漏渣等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應用于電站鍋爐中。國內大型CFB鍋爐的鐘罩式風(fēng)帽大同小異。但在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現，不同電站鍋爐中風(fēng)帽的結構、單位布風(fēng)板面積上的風(fēng)帽數量和流化性能并不完全相同。尤其是在低負荷運行時(shí)，由于布風(fēng)板阻力較低而頻頻出現不同程度的結焦、漏渣以及風(fēng)帽損壞等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，前人對不同類(lèi)型或尺寸風(fēng)帽的阻力特性或射流特性進(jìn)行了系統的研究，但卻未見(jiàn)關(guān)于鐘罩式風(fēng)帽流化時(shí)的擾動(dòng)范圍、氣固流動(dòng)及大顆粒沉積情況的流化特性研究工作的研究文獻。

對此，本文在一臺小型冷態(tài)試驗臺上，對來(lái)自國內幾大超臨界、亞臨界大型CFB電站鍋爐布風(fēng)板上的不同結構和尺寸鐘罩式風(fēng)帽進(jìn)行了試驗研究。通過(guò)測量各個(gè)風(fēng)帽在各個(gè)工況下的進(jìn)出口靜壓降和床層流化情況，獲得風(fēng)帽的結構和尺寸對風(fēng)帽阻力特性和流化特性的影響規律。

1.1.1 試驗臺本體及風(fēng)帽結構參數

試驗臺主體如圖1中序號11所示。試驗臺箱體結構內部尺寸長(cháng)寬高為700mm×700mm×1000mm，正面為透明可視且耐壓強度較高的亞克力玻璃板，試驗臺頂部設有除塵裝置?？諝鈮嚎s機以恒定的質(zhì)量流量輸送空氣進(jìn)入穩壓罐，形成壓力穩定的來(lái)流空氣，通過(guò)風(fēng)帽將試驗臺中的床料流化。

普通鐘罩式風(fēng)帽基本結構如圖2所示。試驗所使用的各個(gè)鐘罩式風(fēng)帽分別以A—F編號，結構尺寸見(jiàn)表1。風(fēng)帽A和風(fēng)帽B、風(fēng)帽C和風(fēng)帽D、風(fēng)帽E和風(fēng)帽F分別為來(lái)自不同大型CFB鍋爐爐內布風(fēng)板上的同種類(lèi)型風(fēng)帽。

由表1可見(jiàn)，風(fēng)帽A和風(fēng)帽B、風(fēng)帽C和風(fēng)帽D僅內芯小孔數（內芯小孔總面積）不同，風(fēng)帽E和風(fēng)帽F僅外罩小孔數不同。6種風(fēng)帽為結構相似的鐘罩式風(fēng)帽，內芯芯管內徑與環(huán)縫結構尺寸大小差別不超過(guò)12%。

1.1.2 試驗床料

試驗床料以不規則形狀石墨顆粒與某電站鍋爐床料嚴格參照電站鍋爐中的床料粒徑分布摻混。由于石墨顆粒與鍋爐床料物理性質(zhì)相近，混合床料的物理性質(zhì)和原先的底渣十分接近。床層高度400mm，試驗床料真實(shí)密度為2231kg/m³，堆積密度為1068kg/m³。床料的粒徑分布如圖3所示。

1.1.3 試驗輔助系統

試驗送風(fēng)系統主要由大功率空氣壓縮機和穩壓罐組成?？諝鈮嚎s機額定流量為600m³/h，供氣壓力可達0.7MPa。一次風(fēng)經(jīng)過(guò)浮子流量計后從試驗臺下方送入。根據不同試驗要求，通過(guò)調節閥控制不同的試驗所需風(fēng)量。試驗測量系統中阻力特性測量系統主要由測壓管和GM511壓力計組成，流化特性測量系統主要包含床層電阻測量?jì)x及兆歐表（圖4），風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)的可視化測量系統主要由JVC-高速攝像儀、三腳架及補光光源組成。

1.2.1 試驗測量方法

1）在進(jìn)行阻力特性試驗中，將測壓管垂直于氣流流動(dòng)風(fēng)向并連接GM511壓力計，通過(guò)測量各個(gè)工況下風(fēng)帽底部進(jìn)口與風(fēng)帽外罩小孔之間的靜壓差，即可獲得每個(gè)鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性曲線(xiàn)。

2）床層的流化特性采用電阻法測量。從試驗臺頂部沿半徑方向劃開(kāi)細縫，將床層電阻測量?jì)x伸入試驗臺內并在另一頭連接兆歐表。由于床料中摻混的石墨具有良好的導電性（具體電阻值與測量處的床層空隙率相關(guān)），通過(guò)探測不同位置的電阻值，即可間接確定床層顆粒運動(dòng)狀態(tài)（流化狀態(tài)或擾動(dòng)狀態(tài)）。流化特性試驗測點(diǎn)分布如圖5所示。測點(diǎn)的水平節距為30mm，縱向節距為50mm。

3）風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)的可視化測量主要包含冷態(tài)測量與熱態(tài)測量工況。測試時(shí)，將原試驗臺上的亞克力玻璃板取下，跨騎在風(fēng)帽直徑上安裝，只保留料層中的風(fēng)帽外罩小孔，把外面的小孔封死（圖6）。試驗中，JVC-高速攝像儀在640×360分辨率下以200幀/s的頻率高速連拍，記錄不同工況下風(fēng)帽附近的流化過(guò)程。

1.2.2 流化料層的電阻值標定

為準確判斷流化與否，本文定義電阻當量比P與擾動(dòng)范圍：

式中，P為某一工況下某測點(diǎn)電阻Ω1與固定電阻Ωg（流化狀態(tài)下物料濃度最低處的電阻值）之比。

床層靜止處P值接近0，床層流化時(shí)電阻值明顯變大。且由于床料中的氣泡運動(dòng)，使床層發(fā)生擾動(dòng)，局部空隙率發(fā)生隨機性的變化，從而使測量裝置極板間的電阻值發(fā)生較大波動(dòng)。結合試驗現象，在各個(gè)工況下床層靠風(fēng)帽中心明顯可見(jiàn)的流化區域測量電阻當量比均值Paverage和變化范圍?P，將床層狀態(tài)與Paverage、?P做標定，得到如圖7a)所示標定曲線(xiàn)，并據此確定如圖7b)所示的擾動(dòng)范圍。擾動(dòng)范圍為單個(gè)鐘罩式風(fēng)帽能將床層顆粒擾動(dòng)起來(lái)的作用區域。

1.2.3 試驗工況安排

試驗中，以各個(gè)風(fēng)帽所屬電站鍋爐滿(mǎn)負荷運行時(shí)的一次風(fēng)量為100%風(fēng)量工況。阻力特性試驗以20m³/h為梯度改變風(fēng)量工況，流化特性試驗分別為40%、70%、100%風(fēng)量3種工況，具體試驗工況參數見(jiàn)表2。以風(fēng)帽A為例，在37.94m3/h（40%）、94.85m3/h（100%）、151.76m3/h（160%）風(fēng)量，以及10（冷態(tài)）、100、200、300℃風(fēng)溫條件下，對其附近氣固流動(dòng)特進(jìn)行可視化冷態(tài)與熱態(tài)測量。

一次風(fēng)從鐘罩式風(fēng)帽的芯管、內芯小孔、環(huán)縫及風(fēng)帽外罩小孔到達料層并在此流動(dòng)過(guò)程中存在一定的靜壓降。圖8為試驗所用風(fēng)帽阻力特性曲線(xiàn)匯總。由圖8可見(jiàn)，風(fēng)帽A與風(fēng)帽B、風(fēng)帽C與風(fēng)帽D隨風(fēng)量變化的阻力特性曲線(xiàn)差異明顯，而風(fēng)帽E與風(fēng)帽F的阻力特性曲線(xiàn)基本相同。因此可以看出，鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性影響因素中，內芯小孔的變化比外罩小孔的變化影響大得多。

從圖8還可以看到：3種類(lèi)型風(fēng)帽的阻力特性曲線(xiàn)差異明顯；內芯小孔總面積越大，風(fēng)帽阻力隨風(fēng)量的變化曲線(xiàn)越平緩。文獻研究指出，鐘罩式風(fēng)帽內芯小孔產(chǎn)生的阻力壓降占整個(gè)風(fēng)帽的50%~70%。因此結合試驗結果可以發(fā)現，當鐘罩式風(fēng)帽的其他結構尺寸相差不大時(shí)，內芯小孔個(gè)數或總面積的變化在鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性占主導作用。由于風(fēng)帽阻力特性試驗時(shí)的風(fēng)量就是風(fēng)帽在對應鍋爐運行中的實(shí)際風(fēng)量，因此風(fēng)帽阻力與布風(fēng)板阻力隨風(fēng)量的變化關(guān)系一致，即本試驗中風(fēng)帽的阻力特性規律可以作為鍋爐布風(fēng)板阻力設計與計算的依據。

圖9為風(fēng)帽D的流化特性隨風(fēng)量工況變化示意。

由圖9可見(jiàn)，鐘罩式風(fēng)帽的擾動(dòng)范圍輪廓線(xiàn)呈水滴形狀。這是因為當流化風(fēng)從風(fēng)帽流出后，會(huì )沿阻力最低的路線(xiàn)流動(dòng)，并克服床壓將風(fēng)帽上方的床層顆粒流化起來(lái)。在本試驗的全部風(fēng)量工況范圍內，風(fēng)帽D的擾動(dòng)范圍在水平方向上大約在220~340mm之間。經(jīng)計算，隨著(zhù)風(fēng)量從額定風(fēng)量的40%依次增加到70%、100%，風(fēng)帽D在床層中的擾動(dòng)范圍分別增加了約30%和21.7%。這是因為在其他條件不變的情況下，隨著(zhù)試驗工況風(fēng)量從40%工況增加到70%和100%負荷工況對應的試驗風(fēng)量，鐘罩式風(fēng)帽外罩小孔噴射出來(lái)的射流速度分別增加了75%和150%，流化風(fēng)在床層中的穿透力增強；另一方面，射流速度增加后，流化風(fēng)的動(dòng)壓變大，對床層顆粒的作用力加強，能被流化起來(lái)的床層顆粒粒徑范圍和數量增加，同時(shí)由于風(fēng)量的升高，流化風(fēng)在床層中擴散范圍也隨之變大。

圖10為不同外罩小孔數的同種類(lèi)型鐘罩式風(fēng)帽E與風(fēng)帽F在各工況下的流化特性對比。從圖10可以看到，在同一風(fēng)量下風(fēng)帽E與風(fēng)帽F擾動(dòng)范圍基本一致，說(shuō)明風(fēng)帽外罩小孔的總面積變化對鐘罩式風(fēng)帽的流化特性影響很小。這是因為當鐘罩式風(fēng)帽的外罩小孔數從12減少到10后，外罩小孔射流平均速度只增加了近17%，而外罩小孔之間的間距變寬了，且流化風(fēng)在風(fēng)帽中的靜壓降幾乎相等，因而流化風(fēng)在床層中的穿透力變化較小。同時(shí)由于流化風(fēng)量保持不變，當流化風(fēng)完全擴散并往上流動(dòng)時(shí)，逐漸形成相同的擾動(dòng)范圍。

圖11為不同內芯小孔數的同種類(lèi)型鐘罩式風(fēng)帽A與風(fēng)帽B在各工況下的流化特性對比。由圖11可見(jiàn)：在同一風(fēng)量下，風(fēng)帽A比風(fēng)帽B的擾動(dòng)范圍大，說(shuō)明隨著(zhù)風(fēng)帽內芯小孔總面積的增加，鐘罩式風(fēng)帽的流化特性變好，擾動(dòng)范圍增加；同時(shí)，內芯小孔的變化對擾動(dòng)范圍的影響比外罩小孔的變化更大。這是因為風(fēng)帽內芯小孔總面積是對鐘罩式風(fēng)帽阻力特性影響最大的關(guān)鍵部位，內芯小孔面積越大，同一風(fēng)量下風(fēng)帽阻力越小，流化風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)帽的靜壓降越低，相同風(fēng)速下在床層中具有更大的穿透力和擴散力，對床層顆粒的作用力更大，所以在床層中的擾動(dòng)范圍更大。

2.3.1 冷態(tài)可視化測量

圖12a)為100%風(fēng)量下A風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)特性。由圖12可見(jiàn)，鐘罩式風(fēng)帽附近床層顆粒的擾動(dòng)范圍大致呈下寬上窄的液滴狀，與電阻法所測擾動(dòng)范圍形狀一致。同時(shí)發(fā)現，隨著(zhù)流化試驗進(jìn)行，較大的顆粒逐漸堆積在風(fēng)帽附近最后穩定在某一高度，這種現象表明某工況下風(fēng)帽的流化過(guò)程中，只有小于該工況下顆粒臨界流化粒徑（某一風(fēng)量下剛好能被流化的最大顆粒的粒徑）的床料才能夠被流化，而大于此粒徑的顆粒在經(jīng)過(guò)一系列運動(dòng)后堆積在風(fēng)帽附近和床層底部，靜止不動(dòng)或者偶爾翻滾。

圖12b)—12d)分別為40%、100%和160%流化風(fēng)量工況下鐘罩式風(fēng)帽A附近氣固流動(dòng)特性局部圖像。為便于觀(guān)察與比較，勾勒出大顆粒堆積高度和擾動(dòng)范圍邊界線(xiàn)。由圖12b)—12d)可見(jiàn)，隨著(zhù)流化風(fēng)量的從40%增加到70%和100%工況風(fēng)量，大顆粒的堆積高度分別降低了15mm和30mm，約為40%風(fēng)量下堆積高度的6.1%和12.1%。這是由于隨著(zhù)流化風(fēng)風(fēng)速變大，床層顆粒的臨界流化粒徑增大。當流化風(fēng)量從鍋爐額定負荷風(fēng)量的40%增加到100%時(shí)，擾動(dòng)范圍沿水平半徑上的寬度明顯增大約65mm；而當流化風(fēng)量從100%增加到160%時(shí)，擾動(dòng)范圍沿水平半徑上的寬度增加幅度大大降低，僅約6mm。結合陳娟、JIXY、馮冰瀟等對鐘罩式風(fēng)帽的小孔射流研究可以知道，風(fēng)帽出口的流化風(fēng)速度增加，射流深度會(huì )增加，在床層中的擴散和穿透能力變大，擾動(dòng)范圍增加。當擾動(dòng)范圍較大時(shí)，沿水平尺寸小幅度增加就能使流化風(fēng)在豎直方向上的流動(dòng)截面積有較大幅度的增加，為保證擾動(dòng)范圍內分布的流化風(fēng)都能夠將床層顆粒流化起來(lái)，擾動(dòng)范圍增加得越來(lái)越慢。

2.3.2 熱態(tài)可視化測量

以100%風(fēng)量為等質(zhì)量流量流化風(fēng)對鐘罩式風(fēng)帽A進(jìn)行熱態(tài)可視化測量。圖13分別是流化空氣溫度為10、100、200、300℃時(shí)風(fēng)帽A附近氣固流動(dòng)特性瞬態(tài)分布。

由圖13可見(jiàn)：隨著(zhù)溫度逐漸從10℃升高到300℃，風(fēng)帽沿水平方向的擾動(dòng)范圍幾乎不變，沿半徑方向最大寬度約為165mm，而床層大顆粒的堆積高度降低；流化風(fēng)每升高100℃，床層大顆粒的堆積高度下降大約5mm，占冷態(tài)堆積高度的2.17%。以一般CFB實(shí)際工況的溫度作參考，床層大顆粒的堆積高度可比冷態(tài)下堆積高度低20%左右。由于本試驗是以等質(zhì)量流量流化風(fēng)為準，當溫度升高后，流化風(fēng)膨脹體積流量增加，氣流速度加快，流化風(fēng)密度減小。由式(2)可知，風(fēng)帽阻力也會(huì )隨之增加，布風(fēng)板的流化均勻性變好。

式中：x為與v風(fēng)帽出口平均流速對應的阻力系數，x為隨流速v增加先增大后趨于常數；s為出口總截面積。

由熱態(tài)試驗結果可知，流化風(fēng)溫度升高后大顆粒堆積現象有所改善。這是因為床層中顆粒的臨界流化速度隨溫度升高而減小，更多床料被流化起來(lái)，因此床層大顆粒的堆積高度降低。閻維平在對床層可流化顆粒的研究計算中也指出，流化風(fēng)溫度升高后可以攜帶更大尺寸的顆粒，即等質(zhì)量流量的流化風(fēng)溫度升高可使床層顆粒的臨界流化粒徑變大。在實(shí)際鍋爐中，床層的溫度比試驗中高得多，風(fēng)帽內的流化風(fēng)密度（風(fēng)帽阻力）變化與試驗結果相近；而實(shí)際鍋爐中床層顆粒的臨界流化速度會(huì )變得更小，因此風(fēng)帽附近大顆粒的氣固流動(dòng)特性和堆積現象會(huì )比試驗結果有更明顯的改善。綜上所述，提高一次風(fēng)溫度或床溫，鐘罩式風(fēng)帽附近的擾動(dòng)特性變好。

1）風(fēng)帽阻力主要受內芯小孔面積的影響。由于采用了按實(shí)際鍋爐運行工況對應的風(fēng)帽風(fēng)量進(jìn)行測試，所測單一風(fēng)帽阻力特性與實(shí)際鍋爐在該工況運行時(shí)的布風(fēng)板阻力基本一致。

2）流經(jīng)單一風(fēng)帽的流化風(fēng)量從額定負荷風(fēng)量的40%增加到100%時(shí)，鐘罩式風(fēng)帽在床層中的擾動(dòng)范圍增加51.7%左右，床層顆粒的臨界流化粒徑變大，大顆粒床料堆積高度降低18%。

3）鐘罩式風(fēng)帽的擾動(dòng)范圍隨著(zhù)風(fēng)帽的內芯小孔總面積變大而增加，而風(fēng)帽外罩小孔總面積的變化對風(fēng)帽擾動(dòng)范圍的影響很小。

4）流化風(fēng)溫度升高，布風(fēng)板的流化均勻性變好，床層顆粒的臨界流化風(fēng)速減小，臨界流化粒徑變大，大顆粒床料堆積高度降低，風(fēng)帽對床料的擾動(dòng)特性變好。

文獻信息

陳子曦,盧嘯風(fēng),范會(huì )勇,龍瀟飛,范立元,劉世榮,王泉海,李建波,亢銀虎.大型循環(huán)流化床鍋爐鐘罩式風(fēng)帽流化特性試驗研究[J].熱力發(fā)電,2020,49(05):50-57.