高溫型循環流化床鍋爐爐膛傳熱系數的試驗研究

孫獻斌， 劉海峰， 王海濤， 時正海， 高洪培， 金森旺

（中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 100098）

符號說明：

Q——水冷壁換熱器的傳熱量，W

h——總傳熱系數，W/（m2·℃）

FO——床側管子的外表面積，m2

Δt——管內流體與管外物料的對數平均溫差，K

qm——水的質量流量，kg/s

cw——水的平均比熱容，kJ/（kg·℃）

t1、t2——水的進、出口溫度，℃

h1——工質側傳熱系數，W/（m2·℃）

h2——床層與換熱器表面的傳熱系數，W/（m2·℃）

Ff——工質側總面積，m2

δ——換熱器管子壁厚，m

λ——換熱器金屬導熱系數，W/（m·℃）

ρsus——顆粒懸浮密度，kg/m3

β——顆粒懸浮密度指數

tb——床溫，℃

為提高燃用無煙煤等難燃煤種的循環流化床（CFB）鍋爐的燃燒效率，國家“十二五”科技支撐計劃中提出開發高溫型CFB鍋爐的研究思路，即將CFB鍋爐爐膛燃燒溫度由850℃左右提高到920～1 050℃，以提高飛灰可燃物的燃盡率.對于高溫型CFB鍋爐而言，提高爐膛燃燒溫度時，爐膛輻射傳熱系數必然會增大，但由于爐內熱交換過程的復雜性，難以用理論分析的方法確定爐內傳熱系數的大小及變化規律.為此，筆者在熱功率為1 MW 的CFB鍋爐試驗臺上安裝試驗受熱面，對爐膛傳熱系數進行了試驗研究.

1 試驗裝置

所采用的CFB鍋爐試驗臺如圖1所示.其中，試驗臺的燃燒熱功率為1 MW，爐膛總高度為23 m，布風板長為0.351 m、寬為0.175 m，爐膛上部橫截面長和寬均為0.351 m.在爐膛不同高度處布置抽屜式水冷受熱面.爐膛出口的高溫旋風分離器下端布置有立管、回料器及回料斜管，與爐膛共同構成了CFB鍋爐的熱循環回路.回料器的流化風來自升壓風機出口.從旋風分離器流出的煙氣進入尾部煙道，在尾部煙道內沿煙氣流向依次布置有省煤器和空氣預熱器.煙氣經過布袋除塵器后通過引風機由煙囪排入大氣.

圖1 1 MW CFB鍋爐熱態試驗臺Fig.1 The 1 MW CFB boiler＇s hot－state test facility

2臺送風機串聯后供給一次風，一次風經空氣預熱器加熱后送入風室.二次風可分3層送入燃燒室不同高度.試驗臺采用床下熱風點火系統，由油槍加熱流化風，以實現對床料的加熱.試驗用煤由1臺旋轉定量給料機送入爐膛下部密相區.試驗受熱面采用循環水冷卻，循環水由水泵加壓后分別流經燃燒室水冷受熱面和省煤器，最后進入冷水塔經冷卻后返回貯水箱.

2 試驗受熱面及測量方法

試驗受熱面為水冷壁換熱器，第一組水冷壁換熱器布置在距布風板3.2～4.4 m的區域，第二組水冷壁換熱器布置在距布風板15.6～16.6 m的區域，分別模擬CFB鍋爐過渡區及稀相區的水冷壁.2組水冷壁換熱器的結構相同，每組由7根直徑為25 mm的光管組成，相鄰管節距為45 mm，水冷壁換熱器高度為1.2 m，受熱面積為0.791 m2.在水冷壁換熱器的進、出口集箱安裝熱電偶以測量進、出口工質的溫度；在水冷壁換熱器進、出口煙氣側安裝熱電偶以測量換熱器進、出口煙氣的溫度，從而確定傳熱溫差；在水冷壁換熱器進、出口煙氣側安裝壓力測量元件以測量換熱器進、出口的壓差，從而確定測試段的顆粒懸浮密度；采用浮子流量計測量流經水冷壁換熱器的工質流量.水冷壁換熱器測點布置及其結構見圖2.

水冷壁換熱器的傳熱量為

水冷壁換熱器管內水的吸熱量為

總傳熱系數h為

由式（3）可得床層與換熱器表面的傳熱系數h2

圖2 水冷壁換熱器測點布置及結構Fig.2 Structural diagram of the water wall heat exchanger and arrangement of relevant measuring points

3 試驗結果及分析

在CFB鍋爐爐膛內，影響爐膛受熱面傳熱系數的主要因素有床溫、顆粒懸浮密度、灰顆粒粒徑及流化速度等.在灰顆粒粒徑基本相同的情況下，流化速度對傳熱系數的影響主要通過影響顆粒懸浮密度從而產生間接影響［1］.因此，筆者重點考察了床溫和顆粒懸浮密度對爐膛水冷壁傳熱系數的影響.

圖3給出了試驗得到的相對傳熱系數h2/h2b與床溫的關系曲線，其中h2b為基準工況的傳熱系數，爐內顆粒懸浮密度為11.95 kg/m3.由圖3可知，隨著爐膛床溫的升高，相對傳熱系數相應增大，主要原因是床溫的升高使得灰顆粒與受熱面管束的輻射換熱增強.

圖3 相對傳熱系數與床溫的關系Fig.3 Relative heat－transfer coefficient vs.bed temperature

圖4給出了試驗得到的相對傳熱系數h2/h2b與顆粒懸浮密度ρsus的關系曲線，其中床溫為941℃.由于CFB鍋爐爐內顆粒的熱容量大大高于氣體的熱容量，顆粒對流傳熱為主要傳熱機制.顆粒對流傳熱系數的大小主要依賴于受熱面上固體顆粒的聚集濃度以及顆粒的更新率.在CFB鍋爐爐膛內，壁面附近的顆粒濃度與整個床截面的平均顆粒懸浮密度成正比.而平均顆粒懸浮密度的增大使得壁面附近的顆粒濃度增大，提供了更多的顆粒與壁面之間發生傳熱的機會.因此，隨著顆粒懸浮密度的增大，相對傳熱系數增大.

由于CFB鍋爐爐膛中心區域的大部分顆粒向上運動，而水冷壁附近的顆粒向下運動，爐膛顆粒懸浮密度通常根據測量不同高度爐膛壓差來計算［2］：

圖4 相對傳熱系數與顆粒懸浮密度的關系Fig.4 Relative heat－transfer coefficient vs.solid suspension density

4 傳熱系數的關聯模型

針對CFB鍋爐爐內傳熱系數，不同學者在試驗臺或工業裝置上進行了傳熱規律的測試研究工作，建立了相應的爐內傳熱系數計算模型（見表1），但這些傳熱系數計算模型的適用溫度最高為940℃.

表1 CFB鍋爐爐內傳熱系數的計算模型Tab.1 Calculation model for the in－furnace heat－transfer coefficient of CFB boiler

通過對1 MW CFB鍋爐試驗臺傳熱系數試驗數據的整理和回歸，得到高溫型CFB鍋爐爐膛傳熱系數的關聯模型為

該關聯模型的適用范圍為：床溫824～1 030℃，顆粒懸浮密度6～24 kg/m3.利用該關聯模型進行計算，得到傳熱系數計算值與試驗值的對比結果（見圖5），兩者的偏差小于7%，證明該關聯模型具有較高的準確度.

圖5 傳熱系數計算值與試驗值的對比Fig.5 Comparison of heat－transfer coefficient between calculated results and actual measurements

當顆粒懸浮密度為7 kg/m3、床溫為824～940℃時，該關聯模型與表1中Dutta等（2002）的關聯模型計算得到的傳熱系數對比見圖6，兩者計算結果偏差小于8.6%.

圖6 傳熱系數模型計算結果的對比Fig.6 Comparison of heat－transfer coefficient with different calculation models

5 結 論

（1）隨著床溫的升高及顆粒懸浮密度的增大，爐膛傳熱系數相應增大.

（2）通過對試驗數據的回歸整理得到高溫型CFB鍋爐爐膛傳熱系數關聯模型，爐膛傳熱系數可表示為床溫與顆粒懸浮密度的關聯式.該關聯式得到的爐膛傳熱系數計算值與試驗值的偏差小于7%.

（3）當顆粒懸浮密度為7 kg/m3、床溫為824～940℃時，本文傳熱系數關聯模型與Dutta等（2002）關聯模型計算得到的傳熱系數偏差小于8.6%.

［1］ 孫獻斌，黃中.大型循環流化床鍋爐技術與工程應用［M］.2版.北京：中國電力出版社，2013.

［2］ 程樂鳴，王勤輝，施正倫，等.大型循環流化床鍋爐中的傳熱［J］.動力工程，2006，26（3）：305－310.CHENG Leming，WANG Qinhui，SHI Zhenglun，et al.Heat transfer in a large circulating fluidized bed boiler［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（3）：305－310.

［3］ ANDERSSON B A，LECKNER B.Bed－to－wall heat transfer in circulating fluidized bed boilers［C］∥2nd Minsk International Heat and Mass Transfer Forum.Minsk，USSR：［s.n.］，1992.

［4］ GOLRIZ M R，SUNDEN B.An experimental investigation of thermal characteristics in a 12 MWth CFB boiler［J］.Experimental Heat Transfer，1994，7（3）：217－233.

［5］ BASU P，NAG P K.Heat transfer to walls of a circulating fluidized－bed furnace［J］.Chemical Engineering Science，1996，51（1）：1－26.

［6］ ANDERSSON B A.Effect of bed particle size on heat transfer in circulating fluidized bed boilers［J］.Powder Technology，1996，87（3）：233－238.

［7］ BREITHOLTZ C.Heat transfer in circulating fluidized bed boilers［D］.Goteborg，Sweden：Chalmers U－niversity of Technology，2000.

［8］ BASKAKOV A，LECKNER B，BREITHOLTZ K.Complex heat transfer furnaces with a circulating fluidized bed［J］.Heat Transfer Research，2001，32（7/8）：343－348.

［9］ DUTTA A，BASU P.Overall heat transfer to waterwalls and wing walls of commercial circulating fluidized bed boilers［J］.Journal of the Institute of Energy，2002，75（504）：85－90.