高温型循环流化床锅炉炉膛传热系数的试验研究

孙献斌， 刘海峰， 王海涛， 时正海， 高洪培， 金森旺

（中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 100098）

符号说明：

Q——水冷壁换热器的传热量，W

h——总传热系数，W/（m2·℃）

FO——床侧管子的外表面积，m2

Δt——管内流体与管外物料的对数平均温差，K

qm——水的质量流量，kg/s

cw——水的平均比热容，kJ/（kg·℃）

t1、t2——水的进、出口温度，℃

h1——工质侧传热系数，W/（m2·℃）

h2——床层与换热器表面的传热系数，W/（m2·℃）

Ff——工质侧总面积，m2

δ——换热器管子壁厚，m

λ——换热器金属导热系数，W/（m·℃）

ρsus——颗粒悬浮密度，kg/m3

β——颗粒悬浮密度指数

tb——床温，℃

为提高燃用无烟煤等难燃煤种的循环流化床（CFB）锅炉的燃烧效率，国家“十二五”科技支撑计划中提出开发高温型CFB锅炉的研究思路，即将CFB锅炉炉膛燃烧温度由850℃左右提高到920～1 050℃，以提高飞灰可燃物的燃尽率.对于高温型CFB锅炉而言，提高炉膛燃烧温度时，炉膛辐射传热系数必然会增大，但由于炉内热交换过程的复杂性，难以用理论分析的方法确定炉内传热系数的大小及变化规律.为此，笔者在热功率为1 MW 的CFB锅炉试验台上安装试验受热面，对炉膛传热系数进行了试验研究.

1 试验装置

所采用的CFB锅炉试验台如图1所示.其中，试验台的燃烧热功率为1 MW，炉膛总高度为23 m，布风板长为0.351 m、宽为0.175 m，炉膛上部横截面长和宽均为0.351 m.在炉膛不同高度处布置抽屉式水冷受热面.炉膛出口的高温旋风分离器下端布置有立管、回料器及回料斜管，与炉膛共同构成了CFB锅炉的热循环回路.回料器的流化风来自升压风机出口.从旋风分离器流出的烟气进入尾部烟道，在尾部烟道内沿烟气流向依次布置有省煤器和空气预热器.烟气经过布袋除尘器后通过引风机由烟囱排入大气.

图1 1 MW CFB锅炉热态试验台Fig.1 The 1 MW CFB boiler＇s hot－state test facility

2台送风机串联后供给一次风，一次风经空气预热器加热后送入风室.二次风可分3层送入燃烧室不同高度.试验台采用床下热风点火系统，由油枪加热流化风，以实现对床料的加热.试验用煤由1台旋转定量给料机送入炉膛下部密相区.试验受热面采用循环水冷却，循环水由水泵加压后分别流经燃烧室水冷受热面和省煤器，最后进入冷水塔经冷却后返回贮水箱.

2 试验受热面及测量方法

试验受热面为水冷壁换热器，第一组水冷壁换热器布置在距布风板3.2～4.4 m的区域，第二组水冷壁换热器布置在距布风板15.6～16.6 m的区域，分别模拟CFB锅炉过渡区及稀相区的水冷壁.2组水冷壁换热器的结构相同，每组由7根直径为25 mm的光管组成，相邻管节距为45 mm，水冷壁换热器高度为1.2 m，受热面积为0.791 m2.在水冷壁换热器的进、出口集箱安装热电偶以测量进、出口工质的温度；在水冷壁换热器进、出口烟气侧安装热电偶以测量换热器进、出口烟气的温度，从而确定传热温差；在水冷壁换热器进、出口烟气侧安装压力测量元件以测量换热器进、出口的压差，从而确定测试段的颗粒悬浮密度；采用浮子流量计测量流经水冷壁换热器的工质流量.水冷壁换热器测点布置及其结构见图2.

水冷壁换热器的传热量为

水冷壁换热器管内水的吸热量为

总传热系数h为

由式（3）可得床层与换热器表面的传热系数h2

图2 水冷壁换热器测点布置及结构Fig.2 Structural diagram of the water wall heat exchanger and arrangement of relevant measuring points

3 试验结果及分析

在CFB锅炉炉膛内，影响炉膛受热面传热系数的主要因素有床温、颗粒悬浮密度、灰颗粒粒径及流化速度等.在灰颗粒粒径基本相同的情况下，流化速度对传热系数的影响主要通过影响颗粒悬浮密度从而产生间接影响［1］.因此，笔者重点考察了床温和颗粒悬浮密度对炉膛水冷壁传热系数的影响.

图3给出了试验得到的相对传热系数h2/h2b与床温的关系曲线，其中h2b为基准工况的传热系数，炉内颗粒悬浮密度为11.95 kg/m3.由图3可知，随着炉膛床温的升高，相对传热系数相应增大，主要原因是床温的升高使得灰颗粒与受热面管束的辐射换热增强.

图3 相对传热系数与床温的关系Fig.3 Relative heat－transfer coefficient vs.bed temperature

图4给出了试验得到的相对传热系数h2/h2b与颗粒悬浮密度ρsus的关系曲线，其中床温为941℃.由于CFB锅炉炉内颗粒的热容量大大高于气体的热容量，颗粒对流传热为主要传热机制.颗粒对流传热系数的大小主要依赖于受热面上固体颗粒的聚集浓度以及颗粒的更新率.在CFB锅炉炉膛内，壁面附近的颗粒浓度与整个床截面的平均颗粒悬浮密度成正比.而平均颗粒悬浮密度的增大使得壁面附近的颗粒浓度增大，提供了更多的颗粒与壁面之间发生传热的机会.因此，随着颗粒悬浮密度的增大，相对传热系数增大.

由于CFB锅炉炉膛中心区域的大部分颗粒向上运动，而水冷壁附近的颗粒向下运动，炉膛颗粒悬浮密度通常根据测量不同高度炉膛压差来计算［2］：

图4 相对传热系数与颗粒悬浮密度的关系Fig.4 Relative heat－transfer coefficient vs.solid suspension density

4 传热系数的关联模型

针对CFB锅炉炉内传热系数，不同学者在试验台或工业装置上进行了传热规律的测试研究工作，建立了相应的炉内传热系数计算模型（见表1），但这些传热系数计算模型的适用温度最高为940℃.

表1 CFB锅炉炉内传热系数的计算模型Tab.1 Calculation model for the in－furnace heat－transfer coefficient of CFB boiler

通过对1 MW CFB锅炉试验台传热系数试验数据的整理和回归，得到高温型CFB锅炉炉膛传热系数的关联模型为

该关联模型的适用范围为：床温824～1 030℃，颗粒悬浮密度6～24 kg/m3.利用该关联模型进行计算，得到传热系数计算值与试验值的对比结果（见图5），两者的偏差小于7%，证明该关联模型具有较高的准确度.

图5 传热系数计算值与试验值的对比Fig.5 Comparison of heat－transfer coefficient between calculated results and actual measurements

当颗粒悬浮密度为7 kg/m3、床温为824～940℃时，该关联模型与表1中Dutta等（2002）的关联模型计算得到的传热系数对比见图6，两者计算结果偏差小于8.6%.

图6 传热系数模型计算结果的对比Fig.6 Comparison of heat－transfer coefficient with different calculation models

5 结 论

（1）随着床温的升高及颗粒悬浮密度的增大，炉膛传热系数相应增大.

（2）通过对试验数据的回归整理得到高温型CFB锅炉炉膛传热系数关联模型，炉膛传热系数可表示为床温与颗粒悬浮密度的关联式.该关联式得到的炉膛传热系数计算值与试验值的偏差小于7%.

（3）当颗粒悬浮密度为7 kg/m3、床温为824～940℃时，本文传热系数关联模型与Dutta等（2002）关联模型计算得到的传热系数偏差小于8.6%.

［1］ 孙献斌，黄中.大型循环流化床锅炉技术与工程应用［M］.2版.北京：中国电力出版社，2013.

［2］ 程乐鸣，王勤辉，施正伦，等.大型循环流化床锅炉中的传热［J］.动力工程，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.

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