循環(huán)流化床鍋爐爐膛截面溫度分布及其測(cè)量

1、循環(huán)流化床鍋爐爐膛截面溫度分布及其測(cè)量王進(jìn)偉1,趙新木1,王宇1,楊海瑞1,邢興1,呂俊復(fù)1,岳光溪1,李金柱2(1. 清華大學(xué)熱能工程系, 北京 100084; 2. 紅光爐排廠, 黑龍江哈爾濱 150050摘要:爐膛不同高度位置上的氣固兩相流溫度測(cè)量是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐對(duì)爐膛中的氣固兩相流溫度橫向分布進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)與流動(dòng)邊界層一樣,熱邊界層存在于邊壁區(qū)。熱邊界層的厚度與距離布風(fēng)板的位置關(guān)系不大。但是在爐膛出口窗高度上,側(cè)墻的熱邊界層厚度受到出口窗的位置的影響,認(rèn)為由于爐膛出口效應(yīng)造成的流場(chǎng)不均導(dǎo)致了爐膛出口溫度不均勻性,這為Fluent流場(chǎng)計(jì)算所驗(yàn)證

2、。測(cè)量結(jié)果對(duì)爐膛各處煙氣溫度的測(cè)量提出了要求,爐膛中下部包括密相區(qū)的熱電偶伸出長(zhǎng)度不宜小于200mm。爐膛出口窗位于后墻兩側(cè)時(shí),伸出長(zhǎng)度大于200mm的熱電偶可以在側(cè)墻上比較準(zhǔn)確地測(cè)量,但對(duì)于出口窗位于后墻中間時(shí),熱電偶應(yīng)插入出口窗的進(jìn)口主流區(qū)。關(guān)鍵詞:熱能工程;溫度測(cè)量;Fluent計(jì)算;爐膛截面溫度中圖分類號(hào):TK311The Cross-section Temperature Distribution and Measurement inCirculating Fluidized Bed BoilersWang Jin-wei1,Zhao Xin-mu1,Wang Yu1, Yang H

3、ai-rui 1,Xing Xing 1,Lu Jun-fu1,Yue Guang-xi1,Li Jin-zhu2(1. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;2. Hongguang Grate plant, Harbin Heilongjiang, 150050Abstract: The temperature measurement of gas-solid two-phase flow at different height is an important parameter for

4、 the operation of the circulating fluidized bed (CFB boiler. Based on the dates of the temperature distribution in the operating CFB boilers, this paper discovers that there exists thermal boundary layer along the CFB boiler just like the fluid-dynamic layer. The thickness of thermal boundary layer

5、has little relations with the distance away from the air distribution. But at the height of the boiler outlet, the thickness of thermal boundary layer along the side wall is influenced by the outlet. It can be believed that the different distribution of flow field causes the temperature uneven at th

6、e outlet of the boiler. And this is proved by the calculation of Fluent. Some suggestion is given from the measurement results. The insert depth of thermocouple can not less than 200 mm at the middle and bottom position along the wall, including the dense phase. When the outlet of the boiler located

7、 at two side of the rear wall, the insert depth of thermocouple must more than 200 mm. But when the outlet located at the middle of the rear wall, the thermocouple must insert to the main flow of the outlet to get the temperature.Keywords: thermal engineering; temperature measurement; calculation of

8、 Fluent; cross-section temperature of the boiler循環(huán)流化床燃燒技術(shù)已被運(yùn)行實(shí)踐證明是可靠的潔凈煤燃燒技術(shù),具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)。劣質(zhì)燃料可以廣泛地應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐。低溫分級(jí)燃燒技術(shù)可以滿足NO X排放的環(huán)保要求,未處理的煙氣可以直接排放。采用爐內(nèi)添加石灰石燃燒過程中脫硫降低SO X排放,低成本滿足SO X排放要求?；以哂辛己玫幕钚?可以作為水泥以及特種水泥的添加劑,具有良好的社會(huì)效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。大型化趨勢(shì)也相當(dāng)樂觀1-3。循環(huán)流化床鍋爐與其它鍋爐的根本區(qū)別在于其爐內(nèi)有大量的固體物料在循環(huán)。物料對(duì)傳熱的影響主要是近壁

9、區(qū),而近壁區(qū)物料濃度是貼壁下降流的表現(xiàn),其大小反映了內(nèi)循環(huán)量。近壁區(qū)濃度很高的物料發(fā)生隨機(jī)的團(tuán)聚現(xiàn)象,很難比較合理地進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,而通常采用環(huán)核模型:假設(shè)中間是上升流,固體物料濃度較低;邊壁的濃度較高,是下降流。下降流形成固體邊界層。人們發(fā)現(xiàn)物料邊界層距離壁面有一層氣體邊界層4,但氣體邊界層的厚度較小5。B.Leckner等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)一臺(tái)12MW循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的流動(dòng)邊界層和熱邊界層進(jìn)行了描述。M.R.Golriz等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)同臺(tái)鍋爐的換熱系數(shù)和溫度進(jìn)行了測(cè)量,并指出了它們的影響因素。但他們都沒有對(duì)爐膛不同截面溫度測(cè)量方法提出建議6-8。本文通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行循環(huán)流化床鍋爐不同截面上氣固兩相流

10、溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,得出了沿爐膛高度不同截面上的溫度分布規(guī)律,并對(duì)爐膛各處測(cè)溫?zé)犭娕疾迦肷疃忍岢隽巳舾山ㄗh。1 循環(huán)流化床鍋爐不同截面溫度分布特性1作者簡(jiǎn)介:王進(jìn)偉,男,1981出生,河南人,碩士研究生。從事循環(huán)流化床燃燒技術(shù)研究。郵編:100084 電話:(01062794129-805Email:wangjinwei04基金項(xiàng)目:國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目(200113A401A03;國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G2000026309。1.1測(cè)溫儀器在對(duì)不同截面氣固兩相流溫度測(cè)量中,采用熱電偶測(cè)溫,其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。為避免熱輻射造成的誤差,熱電偶測(cè)溫觸頭在圓柱形不繡鋼管孔內(nèi),管內(nèi)其它空間充滿絕

11、熱材料。在沿圓柱軸線方向上,每隔一定的距離開一個(gè)熱電偶測(cè)溫孔(總共20個(gè),圖1只是截取其中的一段,熱電偶的測(cè)溫觸頭通過測(cè)溫孔深入到測(cè)溫點(diǎn),測(cè)得該點(diǎn)的溫度。測(cè)溫過程中,將測(cè)溫儀器插入到適當(dāng)?shù)奈恢?通過顯示儀表讀出沿圓柱軸線方向上各測(cè)點(diǎn)的溫度。 圖1 測(cè)溫儀器示意圖Figure 1 sketch of the equipment formeasuring temperature1.2測(cè)量結(jié)果實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的出口窗位于后墻中間的循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行的,主要測(cè)點(diǎn)布置在側(cè)墻和前墻中心線的不同截面上。測(cè)量過程中還發(fā)現(xiàn),水冷壁外緣溫度與鰭片溫度基本相等,表明水冷壁外緣熱邊界層厚度小于鰭片處的熱邊界層厚

12、度。因?yàn)橄鄬?duì)于鰭片來說,水冷壁的外緣距爐墻較遠(yuǎn)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),同一測(cè)點(diǎn)熱電偶的溫度容易發(fā)生波動(dòng),遠(yuǎn)離爐墻處的溫度波動(dòng)要比熱邊界層內(nèi)的溫度波動(dòng)大,爐膛出口溫度波動(dòng)更大,但總的來看沿床高方向波動(dòng)趨勢(shì)基本相同。這種現(xiàn)象和B.Leckner等關(guān)于熱邊界層的描述相一致6。本文測(cè)量采取一定時(shí)間內(nèi)取平均值的方法來得到各測(cè)點(diǎn)的溫度。圖2是距布風(fēng)板350mm高度前墻中心線處徑向 溫度分布。結(jié)果表明:同一負(fù)荷下,隨距前墻深度的增加,測(cè)量溫度有所增加,超過一定深度后,溫度變化不大,各測(cè)點(diǎn)溫度均接近爐膛平均溫度。至于滿負(fù)荷下各測(cè)點(diǎn)溫度較85%負(fù)荷低的原因?yàn)闈M負(fù)荷條件一次風(fēng)量大,距布風(fēng)板近的截面容易受到冷風(fēng)的冷卻作用所致

13、。圖3和圖4是布風(fēng)板以上不同高度處距側(cè)墻中心線徑向測(cè)點(diǎn)的溫度分布。結(jié)果表明:隨距側(cè)墻距離的增加,所測(cè)溫度在近壁區(qū)急劇增加,超過一定深度后將維持不變。負(fù)荷越高,同一測(cè)點(diǎn)的溫度越高。不同高度上相同插入深度的溫度變化不大。 圖2 前墻中心線處爐內(nèi)徑向溫度分布 Figure 2 The lateral temperature distribution at thefront walls central line 圖3 側(cè)墻中心線處爐內(nèi)徑向溫度分布 Figure 3 The lateral temperature distribution at theside walls central line圖4

14、側(cè)墻中心線處爐內(nèi)徑向溫度分布 Figure 4 The lateral temperature distribution at theside walls central line圖2圖4的測(cè)量結(jié)果表明,與流動(dòng)邊界層一樣,循環(huán)流化床鍋爐爐膛四周存在著熱邊界層。除了密相區(qū)和爐膛出口區(qū),熱邊界層的厚度沿爐膛高度方向變化不大。只要熱電偶的插入深度大于熱邊界層的厚度,所測(cè)得的溫度就基本接近爐膛中心溫度。圖5是當(dāng)分離器出口位于爐膛后墻中間時(shí),分離器進(jìn)口下緣高度截面上的溫度分布。結(jié)果表明,隨插入深度增加,熱電偶溫度一直呈增大趨勢(shì),直到接近爐膛出口截面,才達(dá)到爐膛平均溫度。負(fù)荷越高,同一插入深度溫度越高。圖

15、5 側(cè)墻中心線處爐內(nèi)徑向溫度分布Figure 5 The lateral temperature distribution at theside walls central line對(duì)出口窗位于后墻兩側(cè)的爐膛出口處溫度分布測(cè)量結(jié)果見圖6,在側(cè)墻附近,隨熱電偶插入深度增加,測(cè)量溫度急劇增加,但隨后將達(dá)到穩(wěn)定值保持不變。這一分布與爐膛密相區(qū)以上各高度位置上的分布完全相似。 圖6 側(cè)墻中心線處爐內(nèi)徑向溫度分布 Figure 6 The lateral temperature distribution at theside walls central line比較圖5和圖6可以看出,爐膛出口窗的布置位

16、置對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的爐膛出口溫度影響很大。爐膛出口斷面溫度分布是不均勻的,出口截面濃度測(cè)量表明,對(duì)于出口窗中間布置的循環(huán)流化床鍋爐,爐膛中央固體濃度大于爐膛周邊。對(duì)于出口窗兩側(cè)布置的循環(huán)流化床鍋爐,只要越過氣體邊界層,固體顆粒濃度將急劇增加,而后又開始減小,與沿爐膛高度方向上的濃度分布相似。綜合分析以上數(shù)據(jù),對(duì)于出口窗中間布置的循環(huán)流化床鍋爐在爐膛出口附近會(huì)形成一個(gè)主流區(qū),在爐膛四角存在滯留區(qū),導(dǎo)致流場(chǎng)分布不均,進(jìn)而引起爐膛出口斷面溫度的分布不均。同理對(duì)于出口窗兩側(cè)布置的循環(huán)流化床鍋爐,也可以運(yùn)用流場(chǎng)不均分布加以解釋溫度分布 特性。2 循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口流場(chǎng)數(shù)值模擬循環(huán)流化床鍋爐由于受爐膛

17、出口效應(yīng)的影響,導(dǎo)致出口窗附近流場(chǎng)呈現(xiàn)不均勻性,嚴(yán)重影響了爐膛出口煙溫的測(cè)量。本文運(yùn)用Fluent 對(duì)循環(huán)流化床鍋 爐內(nèi)的氣相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過分析氣相流場(chǎng)爐膛出口流動(dòng)的不均勻性,說明實(shí)際流場(chǎng)氣流對(duì)熱電偶的沖刷程度。出口窗位于后墻中間時(shí)循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的流線圖如圖7。從圖7可以看出,由于出口效應(yīng)的影響,大部分的氣流并沒有運(yùn)行到爐膛頂部,而是直接匯聚爐膛出口,爐膛頂部存在著運(yùn)動(dòng)死區(qū)。不僅爐膛頂部存在流動(dòng)死區(qū),爐膛的四周也存在著流動(dòng)死區(qū),見圖8和圖9所示的與側(cè)墻垂直的平面爐膛出口窗附近速度矢量。越靠近爐膛出口,這一效應(yīng)越加明顯。側(cè)墻中心平面爐膛頂部由于沒有氣流的沖刷,死區(qū)效應(yīng)也較為明顯,

18、且越靠近爐膛頂部主流區(qū)越窄。圖7 出口窗位于后墻中間時(shí)爐膛內(nèi)的流線圖 Figure 7 Streamline in the furnace with outlet located atthe middle of rear wall圖8 側(cè)墻中心面爐膛出口部分速度矢量圖 Figure 8 Velocity vector in the side wall central sectionnear the boilers outlet圖9 距后墻1/5爐膛深度平面出口部分速度矢量圖Figure 9 Velocity vector in the plane located one fifth the b

19、oilers depth from the rear wall出口窗位于后墻兩側(cè)時(shí)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的流線如圖10。與側(cè)墻垂直的平面爐膛出口窗附近速度矢量如圖11和圖12。表明出口窗位于后墻兩側(cè)時(shí)的循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口同樣存在著流動(dòng)死區(qū),不同的是側(cè)墻中心平面爐膛出口部分截面流場(chǎng)分布較為均勻,越靠近爐膛出口,出口效應(yīng)越明顯。本文的實(shí)際鍋爐運(yùn)行測(cè)量結(jié)果及Fluent計(jì)算都表明,循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口斷面流場(chǎng)是不均分布的,存在著主流區(qū)和流動(dòng)死區(qū)。這是導(dǎo)致爐膛出口斷面煙溫分布不均勻性的主要原因,這就給爐膛出口斷面的溫度測(cè)量造成了困難。 圖10 出口窗位于后墻兩側(cè)時(shí)爐膛內(nèi)的流線圖Figure 10 St

20、reamline in the furnace with outlets located atthe edge of rear wall 圖11 側(cè)墻中心面爐膛出口部分速度矢量圖Figure 11 Velocity vector in the side wall central sectionnear the boilers outlet 圖12 距后墻1/5爐膛深度平面出口部分速度矢量圖Figure 12 Velocity vector in the plane located one fifth the boilers depth from the rear wall3 循環(huán)流化床鍋爐爐膛

21、溫度測(cè)量方法的建議熱電偶是世界上經(jīng)常使用的測(cè)量不同截面溫度的主要儀器,使熱電偶的測(cè)溫觸頭能夠越過熱邊界層厚度而順利測(cè)得爐膛平均溫度是不同截面溫度測(cè)量的關(guān)鍵。當(dāng)測(cè)溫點(diǎn)確定后,溫度測(cè)量的核心問題就是插入深度。目前部分已經(jīng)運(yùn)行的鍋爐的爐膛溫度的測(cè)量上存在較大的問題,儀表顯示的溫度在不同程度上存 第 25 卷增刊 2005 年 10 月 動(dòng) 力 工 程 JOURNAL OF POWER ENGINEERING Vol.25 Sup. Oct.2005 在誤差，有的誤差已經(jīng)影響到鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 和污染物的排放。本文的理論分析及實(shí)際運(yùn)行的鍋 爐的測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，爐膛中 下部包括密相區(qū)

22、熱電偶伸出長(zhǎng)度不宜小于200mm。 而當(dāng)爐膛出口窗位于后墻兩側(cè)時(shí)，伸出長(zhǎng)度大于 200mm的熱電偶也可以在側(cè)墻上比較準(zhǔn)確地測(cè)量， 但對(duì)于出口窗位于后墻中間時(shí)，熱電偶應(yīng)插入出口 窗的進(jìn)口主流區(qū)。 1 2 馮俊凱, 岳光溪, 呂俊復(fù). 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)M. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2003. Basu P. Combustion of coal in circulating fluidized-bed boiler: a review J. Chemical Engineering Science. 1999, 54: 5547-5557. 劉艷霞, 呂俊復(fù), 張守玉, 等. 循環(huán)流化床鍋爐給煤 位置及其對(duì)燃燒效率的影響J. 電站系統(tǒng)工程. 2004, 20(4: 1-4. 呂俊復(fù), 劉青, 張建勝, 等. 循環(huán)流化床鍋爐燃燒室 邊 界 層 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 J. 熱 能 動(dòng) 力 工 程 . 2002, 17(1: 20-22. 于龍, 呂俊復(fù), 王智微, 等. 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的 研究展望J.熱能動(dòng)力工程. 2004, 19(4: 336-341. Leckner B, Andersson B A. Characteri