小型CFB锅炉返料换热装置运行特性试验研究
吉 辉，卢啸风，李文杰，亢银虎
（重庆大学，低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030）
摘 要: 在循环流化床(CFB)冷模试验系统中,对新型一体化返料换热装置的气固流动特性与运行条件的关系进行了试验研究。通过改变均流室风速，回料室风速，立管径向加入侧送风等，观察分析不同运行参数条件对回料系统内床料气固流动状况的影响。试验得到了返料换热装置各风室不同运行条件，立管径向侧风参数等与返料换热装置内气固流动参数之间的定性和定量关系。 关键词: 外置式换热器; 回料室风速; 床层压降; 气固流动特性; 立管压降 中图分类号: TK 229.6+6 文献标识码: A 文章编号：2010-1018
STUDY ON THE OPERATION CHARACTERISTICS OF A RETURNING ASH HEAT EXCHANGER DEVICE USED FOR
SMALL CFB BOILERS
JI Hui , LU Xiao-f eng , LI Wen-jie, KANG Yin-hu
(Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, Chongqing
University, Chongqing 400030, China)
Abstract : In the circulating fluidized bed (CFB) cold model test system, study on the relationship between the operating conditions and the gas-solid flow characteristics were carried out in the new returning ash heat exchanger. By changing the wind speed of current-sharing chamber and back-feeding chamber，supplying radial direction air in standpipe，the gas-solid flow characteristics of back-feeding system under different operating conditions were analyzed. Cold test study results showed the relationship between different operating conditions and gas-solid flow characteristics in returning ash heat exchanger device, obtained from the wind speed of each air chamber and the parameters of air supply for standpipe.
Key words: external heat exchanger; wind speed of returning ash chamber; bed pressure drop; gas-solid flow characteristics; pressure drop of standpipe.
循环流化床 (CFB) 锅炉燃烧技术作为目前洁净煤技术中商业化程度最好的优选技术之一，近年来发展迅速[1,2]。外置式换热装置兼具返料换热双重功能，在循环流化床锅炉燃烧技术发展中得到广泛的重视和应用。世界上各大主要锅炉制造公司CFB锅炉都采用了外置式换热器, 如法国Alstom 公司Lurgi型循环流化床锅炉布置了外置式换热器（EHE), Foster Wheeler公司则采用类似的INTREXTM流化床换热床。此外，我国相关高校及科研机构对外置式换热器运行特性做了大量研究。浙江大学王勤辉等[3]对其设计的叠置式气力控制外置式换热器的
物料流动及分流特性做了详细研究,发现通过调节各处运行参数可达到控制物料分流比例作用，其中回料风和侧吹风的控制效果尤为明显。西安热工研究院孙献斌等[4-6]对设计的紧凑式分流回灰换热器的运行特性进行了系统的试验研究，结果表明改?变回料室和均流室风量可达到良好的调节物料分流特性，并将试验所得结论应用于工程实际 ?收稿日期：2010-9-22；修改稿日期：2010-12-03。 第一作者简介：吉辉（1985-），男，山西朔州人，重庆大学动力工程学院，硕士研究生，电话：13983085023， E-mail: jihui117@163.com；联系人：卢啸风（1962-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为洁净煤燃烧技术，电话：023-65102475，E-mail: xfluke@cqu.edu.cn。
的放大设计。程峰[7]对流动密封阀(Loop Seal)返料机构的松动风、流化风、侧送风的调节能力进行了试验研究，并将实验结果用多元线性回归方法整理为三者组合运行的经验公式。高鸣等[8-9]研究了一种用于控制外置换热器进料的新型气动控制阀，得到了分区控制风的不同调节特性。熊斌等[10-11]对设计的双进口、双出口的一体化外置?式换热器在一个双炉膛冷态实验台进行试验研究，得到了流化风速及各处压力分布对装置气固流动的定量和定性关系。
从以上学者的研究中不难发现，不同结构的回料装置气固流动特性及其影响因素有较大的差异。而且，相关外置式返料换热器的运行特性研究，主要针对CFB锅炉的大型化。
针对国内大量使用中小容量CFB工业锅炉（锅炉蒸发量小于35t/h），作者所在的研究团队提出了一种返料换热型CFB锅炉技术方案。该装置结构区别于传统外置床或返料阀，通常外置床进料由下料立管分流并设有专门控制调节阀，其运行状况对整体系统压力分布影响不大；而一般Loop Seal型返料装置[12]内不布置换热面，上升和下降通流截面积相同。且以前返料换热装置独立实验研究，安装在整个回路系统后，运行条件变化对气固流动影响未知。考虑到中小型CFB锅炉立管高度有限，因此本文的研究重点是如何降低返料换热器内的气固流动阻力，从而降低立管内的堆积料位高度，以适应较低立管高度的中小型CFB锅炉。本文借鉴前人工作[13-18]，在循环流化床冷模试验台系统中，对新设计的这种一体化返料换热试验装置，其不同运行条件的影响特性进行了系统的试验研究。
1 试验概况
1.1 试验系统
试验系统包括试验台本体、送风装置和测量系统等 (图1)。锅炉本体以四川某100 MWCFB锅炉为原型，用有机玻璃按10 :1 的比例搭建，锅炉模型本体实物图及主要结构尺寸分别示于图2和表1。炉膛流化风由高压离心式风机提供，一体化返料换热装置
各风室所需的流化风由空气压缩机提供。
1.空气压缩机；2.稳压罐；3.联箱；4.排空调节阀；5.玻璃转子流量计；6.一体化返料换热装置整体； 7.炉膛；8.旋风分离器；9.排气管；10.高压离心式风机；11.风机调节挡板；12.炉膛风室
图1 冷态实验装置系统图
图2 可视化冷态试验装置整体
表1 锅炉本体主要结构尺寸 位置描述 尺寸（mm）
布风板标高 700 炉膛垂直段高度
750 炉膛高度 3500 炉膛宽度 650 炉膛深度 680 分离器直径 450 分离器直管段高度 900 分离器锥形段高度 900 排气管的直径
200
外置式一体化返料换热装置结构设计
借鉴专利技术[19]，结构设计如图3所示。由下料立管(截面120mmX120mm)，侧送风管(直径15mm)，均流室(截面500mmX100mm)，回料换热室(截面500mmX300mm)。其中均流室到回料室的底流孔高度为64mm，回料室的返料口(截面120mmX120mm)，其下沿距回料换热料室布风板高度为270mm。回料室内截面设计保证足够的换热空间，考虑到装置内受热管布置与否对系统整体气固流动研究影响不大，并未专置换热管束模型。
1—立管顶部； 2—立管转折处； 3—均流室底部； 4—回料室底部；5—回料室顶部； 6—回料口； 7—均流室风室；8—回料室风室
图3 返料换热装置整体及测点布置图示
试验采用电厂粉煤灰漂珠作床料，正式试验前的测试发现：返料换热装置中的颗粒平均粒径为0.075mm，最小流化风速为0.036m/s。试验中，进入炉膛风室的风量采用热球风速仪测量。进入返料换热装置各风室风量及立管径向侧风风量采用玻璃转子流量计测量。炉膛、分离器及回料装置的各部分压力值采用康宇KYB14A 型差压变送器测量、显示和存储；图示返料换热装置中：立管中压降为1-2两点压力差值，均流室到回料室两侧压降为3-4两点压力差值，回料室床层压降为4-5两点压力差值。立管内料位堆积高度可直接对照边壁标尺读出。 1.2 试验工况
通过调节返料换热装置各部分运行参数等，观察装置中床料流动情况；并测量记录装置各部分压力[19]变化来分析研究装置内床料气固流动状况。
主要内容包括四部分：一是测试均流室
风速对立管中压降的影响；二是研究回料室
内风速变化，对回料室内床料堆积流化状况的影响；三是比较分析均流室和回料室内风速同时变化对返料系统流化状况的影响；四是在立管中加入径向侧送风，观测记录立管内料位堆积，分析其助推床料流动效果。
2 结果及分析
2.1 均流室运行风速影响
均流室内的风主要作用是使立管内床料稳定的流入均流室，并能均匀经底流孔进入回料换热室。
800立管中aP700/降压中600管立5004000.020.030.040.050.06均流室风速/（m.s-1） 图4 均流室风速变化的影响
图4所示，随风速增加，立管内床料流
动性变好，料位逐渐降低，立管中压降平稳减小。但当风速增加超过最小流化风速后，实验观察到均流室内出现鼓泡现象，窜入立管风量加剧，立管内稳定的移动床状态被严重破坏。原因是进入均流室的风量分两部分，一部分窜入立管，松动立管内床料快速稳定地向下移动；另一部分助推底流床料进入返料换热室。当均流室风速较小时，窜入立管的风量所占比例较小，但当风速加大后，窜入立管的风量会显著增加。实验中，根据立管内下料和窜气情况，保证最小均流室风速不超过最小流化速度，增大均流室风速有助于立管内床料移动流畅性变好。取均流室风速为0.034m/s合适，此时立管中压降较小，运行稳定流畅。
2.2 回料室内运行风速的影响
回料室风速大小直接影响回料室内床料的流化状况，进而影响返料.效果及立管中压降变化。
900850回料室床层立管中a800P/降750压中700管立6506005505000.020.040.060.080.10.120.140.16回料室风速/m·s-1 图5 回料室风速变化的影响
图5中均流风速0.034m/s，可见开始时回料室床层压降随风速增加下降明显，但风速增加到0.094m/s后再加大风速，床层压降减少趋势变缓。原因是风速加大使得回料室内流化效果变好，返料状况明显改善，单位面积上床料量大幅度减少。但当风速增加到一定值后，风速增加对回料室内返料量影响逐渐减小。
特别发现，当床层压降降低到一定值后，继续增大风速，回料室内床层压降不再减少，反而会略有增加。原因与回料换热室内结构相关，回料室为布置受热面，截面积较大，返料口面积恒定，风速增加过多后，会使回料室上部风量聚集，压力增大，回料阻力增加，不利于床料经返料口顺畅返回炉膛。图5中，风速由0.132m/s增加到0.151m/s时，回料室床层压降增加了8.6Pa。
图示同样发现，随风速增加，立管中压降变化规律与回料室内基本相同。因而实际运行时，需根据床料流态化特性曲线，合理控制回料室风速，可使回料系统运行阻力小，回料均匀稳定，立管所需堆积料位低。 2.3 回料室风速与均流室内风速同时变化的影响特性
同时改变均流室风速和回料室风速，回料室床层压降和立管中压降变化趋势不同。比较图6和图7，当均流室风速不超过最小流化风速时，相同均流室风速条件下，回料室内床层压降和立管中压降随回料室风速变化趋势基本一致，都是随风速增加逐渐减小。但相同回料室运行风速条件下，改变均流室风速对回料室床层压降影响不大，对立
管中压降影响较大，随风速增加，立管中压降减小明显。此外，当均流室风速超过最小流化风速后，由于立管内窜风量大，立管中压降随回料室风速增加波动剧烈。
900850均流风速=0.023m/s均流风速=0.034m/saP/均流风速=0.045m/s降800压750层床700室料650回6005505000.020.040.06回料室风速0.080.1/m?s0.12-10.140.16 图6 均流室风速和回料室风速同时变化对回
料室床层压降的影响
900850均流风速=0.023m/s均流风速=0.034m/sa800均流风速=0.045m/sP/l降750压中700管650立6005505000.020.040.06回料室风速0.080.1/m?s-10.120.140.16 图7 均流室风速和回料室风速同时变化对立
管中压降的影响
总之，均流室风速对立管中压降影响较大，对调节回料换热室内床料流化效果欠佳，而回料换热室内风速变化对回料室和立管内床料流动情况影响都很明显。实际运行中需合理匹配两者的大小，方可达到最佳运行效果。
2.4 立管径向侧风的影响
以上实验发现，一定范围内增加均流室内风速有助于改善立管内物料移动床状态，降低立管高度。但均流室截面积较大，增加同样幅度风速，所需总风量大，而且送入风量窜入立管部分不可控，不利于立管稳定运行。本实验借鉴L型回料阀设置了侧风，分析比较其对立管内床料运行的影响。
350310侧风1m侧风2m侧风3/位270料管230立19015000.511.522.5侧风风速/m?s-1 图8 立管中加入径向侧风的影响
图8为立管不同位置送入径向侧风，对
立管料位的影响情况。侧风1，侧风2，侧风3距回料换热室布风板标高与进料口中心线标高的比值分别为：1.3, 2.1, 3.4。试验发现，侧风1送风口上部料位有效作用高度小，风速加大后，紧贴立管壁面处向上窜风首先增加，窜入风离器份额多，对助推立管内床料流动作用欠佳。侧风3送入后会在水平段产生分层，大量气体经水平段上部直接进入均流室上部，对松动立管内床料作用贡献小。侧风2位置合适，送入风量在立管内分配合理，对松动立管床料和助推循环物料效果好，因而立管内料位下降最明显。
侧风2处送入风位置最佳，立管内料位高度降低最大。下图9均流室风速分别为0.028m/s和 0.034m/s条件下，侧风2增加风速对立管内料位的影响。
500m400均流室风速=0.028m/s均流室风速=0.034m/sm/位300料管立200100000.511.522.5侧风2风速/m?s-1 图9 不同均流室风速条件下，送入侧风的风
效果
图9可见，均流室风速为0.028m/s时，增加稍许侧风可以使立管内料位下降到均流室风速为0.034m/s相同的高度。此时，侧风增加量约为均流室内减少风量的25%。可
见，通过侧风2增加稍许侧风的助推作用可以替代均流室部分风量的使用，有利于减少运行总风量，节约运行成本。
由循环回路压力平衡知：
?PCB??PSP??PST??PLS?0 （1）
临界流化状态下，立管提供的最大料柱压头
?PST?HST(1??mf)?
Pg （2）
立管的最小高度可由公式[20]：
HLS) ST,min?(?PCB???PSP??PP(1??mf)g （3）
其中：
?PCB——回料口以上炉膛压降；
?PSP——炉膛出口至分离器压降； ?PLS——回料阀压降； ?PST——立管压降；
?P——颗粒密度，漂珠为620kg/m3；
?mf——临界空隙率，立管临界状态取0.5
计算所得结果绘于图10。可见，加入侧风后，立管实际料位较无侧风时下降明显，而且比理论计算所需最小立管高度还低很多。因此，加入侧风对降低立管所需有效高度作用明显，非常有助于克服小型CFB锅炉立管高度不足的影响。
600均流室风速=0.034m/s500均流室风速=0.028m/smm/度400高管300立2001000理论计算实测料位加侧风料位 图10 立管高度值对照图
3 结论
1）均流室内需保证风速不超过最小流化风速，风速加大有利于促进立管内床料移动。
2）回料室内运行风速大小对回料装置内物料整体流动状况影响较大，增加回料室风速有助于改善回料换热室内床料流动状况和返料效果。
3）均流室和回料室风速同时变化时，均流室风速主要影响立管中压降，而回料室风速同时影响返料室床层压降和立管中压降，合理调节两者风速可达到最佳运行效果。
4）加入径向侧送风有助于推动立管内床料流动，能有效减少立管设计高度，使新设计的返料换热装置应用范围更广，而且侧风可替代部分均流室风量的使用，节能效果明显。
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