循环流化床锅炉炉膛两相流动特性相关问题探索

【摘　要】循环流化床锅炉内是典型的气固两相流，对其流动特性的研究，是循环流化床燃CFB术研究的重要方面。锅炉炉膛内颗粒流动包括下部密相区和上部的稀相区颗粒速度分布，在此基础上，重点讨论了影响GFB锅炉燃烧效率的主要因素和CFB锅炉内颗粒流动特性研究现状，对于进一步深化循环流化床锅炉设计提供参考。

【关键词】CFB锅炉；炉膛流动；燃烧效率；固相颗粒流动

循环流化床锅炉技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放、90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。本文主要分析了循环流化床锅炉炉膛两相流动特性相关问题的研究情况，对于进一步深化循环流化床锅炉设计提供参考。

1.CFB锅炉炉膛内颗粒流动的特点

对循环流化床锅炉内部的流场分布，普遍认为循环流化床是由下部密相区和上部稀相区两个相区组成的。下部密相区一般是鼓泡床或湍流床，上部稀相区则是快速流化床。床层底部颗粒却是由静止开始加速，而且大量颗粒由底部循环回送，因而床层下部是一个具有较高浓度的密相区，处于鼓泡流态化或者湍流流态化状态。而在上部，由于气体高速流动，特别是循环流化床锅炉往往还有二次风加入，使得床层内空隙率大大提高，转变成典型的稀相区。在这个区域，气流流速远远超过颗粒的自由沉降速度，固体颗粒的夹带量很大，形成了快速流化床甚至密相气力输送。在下部密相区的鼓泡流化床内，密相的乳化相是连续相，气泡相是分散相。当鼓泡床转为快速流化床时，发生了转相过程，稀相成了连续相，而浓相的颗粒絮状聚焦物成了分散相。在快速流化床床层内，当操作条件、气固物性或设备结构发生变化时，两相区的局部结构不会发生根本变化，只是稀浓两相的比例及其在空间的分布相应发生变化。

1.1循环流化床下部密相区颗粒速度分布规律

在循环流化床的下部，存在着一个颗粒加速区。在底部的布风板上，循环回床层的固体颗粒在垂直方向的速度基本为零。流化气体介质从布风板高速流出，由于气固两相间的曳力作用，使固体颗粒逐步加速，床层底部的曳力系数虽然较小，但变化梯度却较大，因此颗粒加速度增加较快。沿着床层高度，固体颗粒的速度越来越快，到达一定的高度后，曳力系数趋于稳定，颗粒的加速度也越来越小，直至达到零，颗粒速度保持不变，这就形成了床层下部的颗粒加速区。

在轴向方向上，由于颗粒的湍动、混返以及运动的随机性，床层下部固体颗粒的速度分布是不均匀的。在床层底部颗粒的加速度比较大，再往上加速度逐渐减小。到床层足够高的位置，颗粒速度基本不变。在流化床层下部，颗粒速度的变化还与介质气体的流速和颗粒循环流率密切相关。当颗粒循环流率一定时，随着气流速度加大，颗粒速度也增加。当气流速度一定时，随着颗粒循环流率的增加，颗粒速度反而变小。在径向方向上，在床层中心处颗粒向上运动的速度最大，沿着径向单调下降，直到颗粒速度为零。在接近壁面处颗粒转而向下运动，壁面处颗粒向下运动的速度达到最大，即颗粒速度的负值最大。这是环核结构的颗粒返流现象。

1.2循环流化床上部的稀相区

循环流化床床层的中心区颗粒向上运动，颗粒速度较大，且在轴心颗粒速度达到极大值。沿着径向颗粒速度逐渐减小，在靠近壁面处颗粒速度减小，颗粒主要向下运动。在颗粒循环流率一定的条件下，当气流速度增大时，整个截面的颗粒速度也有所增大，而且中心区增加的幅度较大。在气流速度一定的条件下，当颗粒循环流率增大时，床层中心区颗粒速度随着增大，边壁区颗粒向下速度也略有增大。所以，随着气流速度或者颗粒循环流率的增大，颗粒速度的径向分布越趋不均匀。

总之，几乎在所有的径向位置，都有颗粒的向上和向下运动。但中心区颗粒运动主要向上，边壁区颗粒运动主要向下。在床层的不同高度上，颗粒速度也有变化。以时均速度来比较，在下部密相区中心的向上速度比上部的稀相区的大。在边壁处，下部密相区的时均颗粒速度接近于零，而上部稀相区的颗粒向下速度占主流。

2.影响CFB锅炉燃烧效率的主要因素

燃用不同煤种的循环流化床锅炉在设计及运行方面都有不同程度的差异；燃烧效率还和循环倍率、床温、过量空气系数、流化风风速等因素有关：循环倍率越高，燃烧效率也越高，脱硫效率也越高，但是当循环倍率超过3以后，燃烧效率的提高并不明显：床温对燃烧效率的影响较大，随着床温的升高，燃烧效率明显增加，床温的影响主要在于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性，从而影响脱硫效率和脱硫剂的利用率，从燃烧效率、CO排放，NO排放等因素综合考虑，往往选择850～900℃之间的床温；过量空气系数对燃烧效率的影响不如床温大；传热系数随着床层颗粒浓度的增加而增大．床层颗粒浓度是影响床层与床壁面间传热系数最重要的因素，床温大于400℃后，床温上升，床层与床壁面间传热系数明显增大，小粒径床料可获得比用大粒径床料更大的传热系数；流化风速对燃烧效率也有影响，随着流化风速的增加，颗粒在炉内的停留时间缩短，使燃烧效率有所下降，但总体上流化风速增加造成的燃烧效率下降的倾向是很小的。设计良好的循环流化床煤的燃烧效率可达95%以上，甚至达到99%以上。

3.CFB锅炉内颗粒流动特性的研究

国内CFB内颗粒流动特性的实验研究方面。黄素华得出颗粒沿床层径向呈中间相对较稀、周边相对较浓的环状流动状态，矩形截面边角处存在颗粒浓度的再分布过程，边角处颗粒浓度是在同一截面上是最大值；路春美认为流化床的边缘区域和中心区域，向下运动的颗粒对混合起着更重要的作用，在其它区域向上运动的颗粒对混合起主导作用；石惠娴通过对床内截面上的颗粒流动速度矢量场分析，得出循环流化床内部颗粒的环、核流动的典型特征；祁海鹰得出循环流化床顶部区域内颗粒基本向上运动的且大部分颗粒间的速度差别比较小，边缘区域颗粒的速度小于颗粒分布较多区域内的颗粒速度；田子平得出流化床中心区域颗粒浓度较低，越往两侧浓度增加，两边基本上呈对称分布；孙国刚得出在循环流化床稀相区两相流动中仍存在着不均匀的流动结构的结论；黄卫星得到的结论是颗粒浓度的径向分布不具有相似性，不仅与径向位置有关，而且还与床层截面高度有关。杨勇林、漆小波等的研究结果都表明：局部颗粒速度的径向分布呈现出不均匀分布，在中心稀相区，颗粒主要向上运动，其时均速度约为表观气速的1.5～5倍；在环隙区，颗粒大部分向下运动且速度较小。

另外，在循环流化床内部两相流测试方面还有刘石得出了床内颗粒浓度分布及平均颗粒浓度随时间的变化频谱特性：刘景源对流化床下料管密相区的颗粒流量进行了测量；吕俊复对循环流化床锅炉床体内部贴近壁面的颗粒团运动和受力特点进行了分析。白丁荣、漆小波等还研究了操作条件对局部时均颗粒速度径向分布的影响，结果表明：当表观气速Ug一定时，颗粒循环速率Gs增大使得边壁区的颗粒聚集倾向明显增强，大量气体更加集中于中心区，进而使得颗粒在边壁处运动速度减慢，中心区的颗粒速度增大，即颗粒速度径向分布随颗粒循环速率增大而愈趋不均匀；当Gs一定时，Ug增大，各点的颗粒速度均随之增大，但中心区颗粒速度增大的程度大于边壁区增大的程度。

4.结语

循环流化床锅炉内是典型的气固两相流，对其流动特性的研究，是循环流化床燃烧技术研究的重要方面。本文主要分析了循环流化床锅炉炉膛两相流动特性相关问题的研究情况，对于循环流化床锅炉及旋风分离器的工程应用具有一定的参考价值。