循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)室內(nèi)流動(dòng)特性及優(yōu)化研究

劉效洲，朱光羽

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

循環(huán)流化床鍋爐可燃用劣質(zhì)煤且具有低污染排放特性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，CFB鍋爐的運(yùn)行熱效率低于設(shè)計(jì)值[1]。廣東省內(nèi)某造紙企業(yè)的CFB鍋爐(220 t/h)的熱態(tài)測試報(bào)告顯示：其排煙溫度可達(dá)168.5 ℃，熱效率為85.71%，低于其設(shè)計(jì)熱效率88%。經(jīng)過熱量等價(jià)折算，等同于每年接近5 000 t劣質(zhì)煤炭被白白浪費(fèi)。僅中國目前就有近萬臺CFB鍋爐機(jī)組在使用。因此，CFB鍋爐的熱效率提升，減少能耗量，已經(jīng)成為一個(gè)需要高度重視并解決的問題[2]。

CFB鍋爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)處于流態(tài)化，直徑小于10 mm的碎煤顆粒懸浮在向上流動(dòng)的氣流中燃燒。約占總助燃空氣60%的一次空氣，通過送風(fēng)管進(jìn)入風(fēng)室，進(jìn)而通過風(fēng)室上部的布風(fēng)裝置進(jìn)入爐膛內(nèi)。由于一次風(fēng)室的結(jié)構(gòu)能夠很大程度地影響一次風(fēng)的流動(dòng)情況，因此，一次風(fēng)系統(tǒng)是CFB鍋爐較為關(guān)鍵的部件，它由兩個(gè)分體部件構(gòu)成，分別是風(fēng)室和供風(fēng)管[3]。一次空氣首先通過進(jìn)氣管進(jìn)入風(fēng)室內(nèi)，由于風(fēng)室內(nèi)沒有加裝均流裝置，所以風(fēng)室內(nèi)的氣流分布比較紊亂，壓力分布不均勻。燃燒室內(nèi)的流動(dòng)速度不均勻，可能會(huì)使得布風(fēng)裝置(風(fēng)帽)出口處流動(dòng)速度過低。為了保持燃燒室各處都能穩(wěn)定流化，必須將大量空氣作為一次空氣注入循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)室中，來提高局部風(fēng)帽的出口流速。根據(jù)某造紙公司內(nèi)220 t/h CFB鍋爐熱態(tài)測試報(bào)告，廢氣中的氧含量高達(dá)9.13%，表明所測試鍋爐內(nèi)送風(fēng)系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)大于正常值。過度增加一次空氣流量，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)帽出口處的空氣流速高達(dá)60 m/s。大量小顆粒煤炭還未來得及燃燒，就被煙氣帶出燃燒室，在鍋爐后部燃燒，顯著提高了排煙溫度。需要說明的是，燃燒產(chǎn)生的煙氣中氧氣含量過高，導(dǎo)致排煙熱損失較大，使CFB鍋爐的燃燒效率較低。

對于氣流分布裝置，有研究人員對其進(jìn)行了細(xì)致深入的探究。Cai等[4]利用氣-固兩相流模型對裝有傾斜空氣分布器的流化床鍋爐進(jìn)行計(jì)算，探討作用在底床上靜止物體上的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，在此過程中氣體流動(dòng)速度逐漸升高，導(dǎo)致氣泡和顆粒充分混合，隨后混合物的水平向運(yùn)動(dòng)加劇。說明了空氣分布裝置的特性對混合效率有一定程度的提升作用。Wormsbecker等[5]在不同的空氣流速與床載荷條件下，探究了穿孔板、沖孔板和編織網(wǎng)狀分布裝置的設(shè)計(jì)對流化床干燥器內(nèi)部的流動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明在1.5 m/s的氣體速度和大于1.0 kg的床載荷下，沖孔板的性能表現(xiàn)優(yōu)于其他類型的空氣分布器。Luo等[6]開展了用于均勻流動(dòng)分布的導(dǎo)流板的啟發(fā)式形狀優(yōu)化，開發(fā)了一種基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)的啟發(fā)式進(jìn)化算法，用于設(shè)計(jì)優(yōu)化導(dǎo)流板這類流體分布裝置。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)相比，優(yōu)化算法可針對給定的流體分布裝置的幾何結(jié)構(gòu)得出最佳結(jié)構(gòu)配置，可廣泛應(yīng)用于不同工作條件下的幾何結(jié)構(gòu)。Wei等[7]開發(fā)了一種基于CFD進(jìn)化算法來優(yōu)化多孔板的幾何結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同通道之間的流量分配。研究結(jié)果表明，通過執(zhí)行進(jìn)化算法獲得的優(yōu)化分布曲線與目標(biāo)曲線非常吻合，壓降增加在可接受范圍內(nèi)。這種算法可應(yīng)用于不同的工況下。楊琛剛[8]提出在CFB鍋爐一次風(fēng)室內(nèi)一定位置安裝導(dǎo)流裝置可以消除或減弱縱向渦流的強(qiáng)度。焦小波等[9]對一臺現(xiàn)有的150 t/h的CFB鍋爐進(jìn)行改造，在鍋爐風(fēng)室內(nèi)3個(gè)位置安裝不同尺寸和角度的導(dǎo)流板。結(jié)果表明可以改善爐內(nèi)風(fēng)帽磨損嚴(yán)重情況，也可以降低送、引風(fēng)機(jī)的電耗，減少鍋爐的運(yùn)行能耗，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。侯萬林[10]提出將導(dǎo)流板分層安裝在爐膛四壁，通過改變床料的流動(dòng)方向降低物料與水冷壁的碰撞，從而達(dá)到降低磨損的預(yù)期目標(biāo)。尤灝[11]使用計(jì)算機(jī)自主尋優(yōu)設(shè)計(jì)的方法，對某垃圾焚燒余熱鍋爐的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明，安裝優(yōu)化后的導(dǎo)流板與原始水平煙道相比較，極大提升了煙氣流場的均勻性。韋振祖等[12]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，對發(fā)電廠某機(jī)組的脫硝系統(tǒng)的流場進(jìn)行了研究，提出了導(dǎo)流板優(yōu)化方法并實(shí)施了改造。結(jié)果表明，脫硝系統(tǒng)均勻性得到了很大改善，提升了系統(tǒng)性能。

在CFB鍋爐風(fēng)室內(nèi)安裝氣體導(dǎo)流板是解決此類問題的關(guān)鍵措施。安裝氣體導(dǎo)流板的目的是將一次空氣通過風(fēng)帽均勻地分配到流化床燃燒室中，可以在適量的空氣流量下實(shí)現(xiàn)床料的穩(wěn)定流化，無需向CFB鍋爐燃燒室內(nèi)輸送大量一次空氣。這樣可使煙氣中的氧氣含量適當(dāng)降低，并減少未燃盡的小顆粒煤炭被帶出燃燒室的情況，從而減少排煙熱損失和飛灰含碳量，使燃燒效率提高。為了有效地設(shè)計(jì)氣體導(dǎo)流板，確定其合理結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。

1 CFB鍋爐的數(shù)值模擬

1.1 幾何建模

以某造紙公司內(nèi)220 t/h CFB鍋爐的比例縮小尺寸模型作為研究對象，如圖1所示。其一次風(fēng)系統(tǒng)由一次風(fēng)室和進(jìn)風(fēng)管組成。進(jìn)風(fēng)位于風(fēng)室前側(cè)，可在圖1(a)中看出。空氣進(jìn)入送風(fēng)管道，而后經(jīng)過一次風(fēng)室，最后進(jìn)入到燃燒室。一次風(fēng)室的下部結(jié)構(gòu)為一段傾斜直段，與水平呈10°角。一次風(fēng)室的幾何特征如下：高度(H)為0.8 m，寬度(W)為0.84 m。如圖1(b)所示，一次風(fēng)室的幾何特征如下：風(fēng)室深度(L)為1.8 m，風(fēng)室頂壁(布風(fēng)板)上放置50個(gè)矩形排列的直徑為60 mm的風(fēng)帽。這些風(fēng)帽的作用是連通燃燒室與一次風(fēng)室，使一次空氣從風(fēng)室經(jīng)過風(fēng)帽進(jìn)入到燃燒室中。

圖1 CFB鍋爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of CFB boiler structure

對此鍋爐幾何模型進(jìn)行流動(dòng)空間離散時(shí)，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對鍋爐內(nèi)流動(dòng)的空間進(jìn)行劃分，確保流體流動(dòng)區(qū)域附近的網(wǎng)格尺度足夠小，其目的是捕捉并呈現(xiàn)較為復(fù)雜的流動(dòng)特征，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的具體劃分情況如圖2所示。由于在CFD模擬計(jì)算中使用原尺寸220 t/h循環(huán)流化床鍋爐模型的網(wǎng)格多達(dá)4 000萬個(gè)，需要消耗大量的計(jì)算資源與時(shí)間，為簡化起見，數(shù)值模擬以比例縮小尺寸模型為研究對象。

圖2 CFB鍋爐模型的計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational mesh of the CFB boiler model

1.2 計(jì)算模型與邊界條件

由于一次風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的雙方程k-ε湍流模型。大量研究表明，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能夠以合理的精度預(yù)測通過管道的流量[4]。采用二階精確斜迎風(fēng)差分格式和物理對流修正格式，能夠精確計(jì)算流場中的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。進(jìn)風(fēng)管的入口設(shè)為速度入口，燃燒室的出口設(shè)為壓力出口，流場中的所有壁面都被設(shè)置為靜止無滑移邊界條件，具體如表1所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary Condition

1.3 一次風(fēng)室數(shù)值模擬結(jié)果

為了探尋一次風(fēng)室內(nèi)流體流動(dòng)的特征，在一次風(fēng)室內(nèi)部流域設(shè)定了一些平面用以分析(即P1、P2、P3和P4)，如圖3所示。其中P1平面最為重要，因?yàn)槠錃饬鞣植记闆r能夠直接反映進(jìn)入風(fēng)帽的一次風(fēng)氣流的均勻性。

圖3 截面P1，P2，P3，P4的分布設(shè)定Fig.3 Distribution setting of section P1, P2, P3, P4

以流速分布為主要研究參數(shù)，分析了循環(huán)流化床鍋爐風(fēng)室內(nèi)氣流的均勻性(見圖4)。圖4(a)描述了在平面P1上氣流流線的變化，這些變化由流速大小決定?？梢郧宄乜吹?，在風(fēng)室的上端，風(fēng)室中存在兩個(gè)大尺度的漩渦結(jié)構(gòu)，其速度梯度很高。在P1平面上，計(jì)算結(jié)果顯示最大流速為12 m/s。在整體流場中，計(jì)算結(jié)果顯示最大速度為86.9 m/s，最大速度位于風(fēng)帽內(nèi)?？赏茰y得知燃燒室內(nèi)某些區(qū)域的煙氣顆粒速度很高，大量碳顆粒還處于未被燃燒的狀態(tài)，就被高速煙氣帶出燃燒室，從而提高了排煙溫度，降低了CFB鍋爐的熱效率。

圖4 送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體流場分布Fig.4 Gas flow field distribution in the air supply system

兩個(gè)顯著的高渦流區(qū)在圖4中清晰可見，這是由于風(fēng)室中氣流流動(dòng)速度不均導(dǎo)致的。采用旋流強(qiáng)度這個(gè)參數(shù)定量分析了循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)室內(nèi)的流動(dòng)不均勻性。旋流強(qiáng)度(λci)可表示為[14]

式中： ?u為 速度梯度，λcr為速度梯度的實(shí)特征值，而λci為速度梯度特征值的虛部。為速度方向。流動(dòng)被認(rèn)為發(fā)生在()所在的坐標(biāo)系中，其中流動(dòng)在方向被拉伸/壓縮，而它在vˉcr,vˉci所在的平面中旋轉(zhuǎn)。限于篇幅，有關(guān)旋流強(qiáng)度更詳細(xì)的資料見文獻(xiàn)[14]。

圖5描繪了在平面P1～P4上的平均旋流強(qiáng)度。風(fēng)室內(nèi)的氣流方向是從平面P4處逐漸流動(dòng)向平面P1處。從圖5可以看出，在平面P4(即風(fēng)室入口)處平均旋流強(qiáng)度較低(約為8.9 /s)，而在下游則顯著增加。平均旋流強(qiáng)度在橫截面P3處高于橫截面P4，相比P4增加了85%。原因是氣流進(jìn)入風(fēng)室時(shí)，其方向會(huì)發(fā)生變化，氣流由均勻狀態(tài)向不均勻狀態(tài)過渡。此外，比較分析平面P2與P3，由于氣流流線逐漸變直，氣流的平均旋流強(qiáng)度(P2對比P3)降低了12.1%。比較分析平面P1與P2，結(jié)果顯示平均旋流強(qiáng)度(P1對比P2)增加了15.1%。需要指出的是，P1平面的平均旋流強(qiáng)度高于P2，其原因在于氣流由P2平面進(jìn)入P1平面時(shí)，其流動(dòng)方向再次發(fā)生變化，導(dǎo)致氣流更加紊亂，所以旋流強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增加。平均而言，風(fēng)室中的整體旋流強(qiáng)度為14.1 s-1，說明了風(fēng)室內(nèi)存在著很大的流動(dòng)不均特性。

圖5 CFB鍋爐模型中平面P1，P2，P3，P4上的平均旋流強(qiáng)度Fig.5 Average swirl strength variations along the cross-sectional planes P1, P2, P3 and P4 of the CFB boiler model

1.4 增加多孔板對一次風(fēng)室內(nèi)氣體流動(dòng)的影響

安裝多孔板是使流場逐漸趨于均勻化的有效手段。在一次風(fēng)室和進(jìn)風(fēng)管之間的接口處安裝了一個(gè)多孔板，以便均勻地分配進(jìn)入的空氣。所用多孔板由大約162個(gè)方形通道組成，每個(gè)方形通道邊長為50 mm，之間的距離為30 mm，如圖6所示。

圖6 CFB鍋爐模型中加裝的多孔板尺寸Fig.6 Schematic of the perforated plate

圖7描述了在一次風(fēng)室入口處安裝了多孔板后的風(fēng)室內(nèi)的流動(dòng)特性。圖7(a)和圖7(b)分別顯示了加裝多孔板后風(fēng)室橫截面P1和整個(gè)一次風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的氣流流線的分布情況。與原一次風(fēng)室內(nèi)中的流動(dòng)特性相比，可以清楚地看到，風(fēng)室內(nèi)的流動(dòng)更均勻。在原風(fēng)室內(nèi)出現(xiàn)的大漩渦被分解成局部循環(huán)區(qū)域，從而使平面P1處的最高氣流流動(dòng)速度下降了63.4%，風(fēng)帽內(nèi)最大氣流流動(dòng)速度下降了9.8%。此外，如圖7(c)所示，與不加裝多孔板相比，橫截面P1處的最高旋流強(qiáng)度下降了22.3%，平均旋流強(qiáng)度降低了70.8%，表明氣流分布均勻性顯著增強(qiáng)。

圖7 增加多孔板后的送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)氣體流場分布Fig.7 The gas flow field distribution in the air supply system after installing the perforated plate

圖8繪制了加裝多孔板和不加多孔板一次風(fēng)室內(nèi)的平均旋流強(qiáng)度的比較(在不同分析平面上)。安裝多孔布風(fēng)板后，分析橫截面P4處的平均旋流強(qiáng)度上升了32.5%。這是由于多孔板中的氣流通道引起的射流作用。安裝多孔布風(fēng)板后，橫截面P3、P2和P1(即沿風(fēng)室內(nèi)氣流流動(dòng)方向)上的平均旋流強(qiáng)度較未安裝多孔布風(fēng)板時(shí)分別下降了55%、49%和71%。同樣，一次風(fēng)室全部流體域的平均旋流強(qiáng)度較未安裝多孔板時(shí)下降了43.9%。這表明安裝多孔布風(fēng)板后，一次風(fēng)室內(nèi)的氣體流動(dòng)速度分布逐漸均勻。因此，可推知多孔布風(fēng)板能夠顯著提升CFB鍋爐的熱效率。

圖8 增加多孔板前后截面P1～P4上的旋流強(qiáng)度值Fig.8 Comparison of the swirl strength values on the cross-sections P1～P4 before and after the installation of the perforated plate

安裝多孔布風(fēng)板對于改善風(fēng)室內(nèi)的流動(dòng)均勻性有一定效果。但已發(fā)表的文獻(xiàn)也表明，使用導(dǎo)流板是另一種可采取的有效措施[6]。為了在循環(huán)流化床鍋爐中獲得最大的氣流均勻性，在安裝多孔板的基礎(chǔ)上在風(fēng)室內(nèi)又加裝了3塊導(dǎo)流板，并對這種技術(shù)進(jìn)行了探究和分析。

1.5 增加導(dǎo)流板對一次風(fēng)室內(nèi)氣體流動(dòng)的影響

按照實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)加裝了3塊氣體導(dǎo)流板，其長度、傾角及間距如圖9所示。為方便敘述，從右向左的三塊板依次命名為1#，2#，3#導(dǎo)流板?？梢钥闯觯?#、2#、3#導(dǎo)流板在水平方向呈等比例距離放置，它們之間的距離為0.2W。1#，3#，2#導(dǎo)流板在垂直方向呈等比例距離放置，它們之間的距離為0.11H。1#導(dǎo)流板與水平方向呈30°夾角，2#，3#導(dǎo)流板與水平方向呈60°夾角。導(dǎo)流板厚度為10 mm，寬度為168 mm(0.2W)。

圖9 3塊導(dǎo)流板示意圖Fig.9 Schematic of three baffles model

圖10描述了安裝有多孔布風(fēng)板和3塊導(dǎo)流板的一次風(fēng)室內(nèi)的流速大小和旋流強(qiáng)度分布情況。與僅加裝多孔板相比，可以看出，一次風(fēng)室內(nèi)的氣流分布更加均勻，說明加裝導(dǎo)流板對于提升內(nèi)部流動(dòng)均勻性是有效的。

圖10 安裝3塊導(dǎo)流板的CFB鍋爐內(nèi)的流動(dòng)分布Fig.10 Flow distribution in a CFB boiler with 3 baffles

從圖11中可以看出不同平面上的定量比較。當(dāng)一次空氣從風(fēng)室的入口流動(dòng)到出口的過程中，平均旋流強(qiáng)度首次出現(xiàn)下降，即平均旋流強(qiáng)度在橫截面P1處小于橫截面P2處?？赏浦淮物L(fēng)在燃燒室中將以適當(dāng)?shù)牧魉倭鲃?dòng)，這將保證碳顆粒在燃燒室內(nèi)充分燃燒，避免被過早地帶出燃燒室，提高燃料的燃燒效率。計(jì)算結(jié)果表明，與僅安裝多孔板相比，加裝3塊導(dǎo)流板后的平均旋流強(qiáng)度在P4、P3、P2、P1橫截面上分別降低了8.4%，9.3%、6.1%和8.4%。

從圖11不難看出，加裝多孔板后氣體旋流強(qiáng)度明顯下降，而加裝三塊導(dǎo)流板后氣體旋流強(qiáng)度也有所下降，但是已經(jīng)不太明顯。因此，可以認(rèn)為加裝三塊導(dǎo)流板已經(jīng)足夠。而且由于一次風(fēng)室的空間有限，如果安裝導(dǎo)流板數(shù)量太多，會(huì)導(dǎo)致安裝和維護(hù)成本上升，因此認(rèn)為最多加裝三塊導(dǎo)流板是合理的。因此，由多孔板和三塊導(dǎo)流板組成的均流裝置是本次數(shù)值模擬研究的最優(yōu)化結(jié)果。

圖11 增加一塊多孔板和三塊導(dǎo)流板前后截面P1，P2，P3，P4上的氣體旋流強(qiáng)度值對比Fig.11 Comparison of gas swirl strength values on the cross-sections P1, P2, P3, P4 before and after the installation of a perforated plate and three baffles

1.6 綜合對比分析

圖12展現(xiàn)了平面P1上空氣流動(dòng)速度在z(圖中表示為w)方向上的變化情況，可以很明顯地看出圖12(a)存在比較大的漩渦結(jié)構(gòu)，從圖12(b)中可以看出風(fēng)室內(nèi)安裝了均流裝置后，旋渦結(jié)構(gòu)明顯消失，空氣流動(dòng)情況也變得均勻。從圖12中可以看出CFB鍋爐的風(fēng)室中安裝了均流裝置能夠改善風(fēng)室內(nèi)的布風(fēng)情況，進(jìn)而提升鍋爐的熱效率。

圖12 平面P1上的z方向空氣流動(dòng)速度變化情況Fig.12 Variations in the z component of air flow velocity on crosssectional plane P1

1.7 流速分布不均勻系數(shù)

由于在P1截面在豎直方向上氣流分布是否均勻?qū)θ紵业娜紵r影響至關(guān)重要，引入速度分布不均勻系數(shù)來定量分析P1截面豎直方向(圖1中的z方向)的速度分布情況。流速分布不均勻系數(shù)ξ[15]可表示為

式中：ui為平面P1上z方向的局部流速，uˉ為平面P1上z方向的平均流速，n為平面P1上的測點(diǎn)個(gè)數(shù)。對于未安裝均流裝置的循環(huán)流化床鍋爐，計(jì)算出P1平面上的流速不均勻系數(shù)為 ξ1=81%，而安裝均流裝置后的流速不均勻系數(shù)為 ξ2=24%。因此，可以推斷，在循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)室內(nèi)中安裝導(dǎo)流板后，流速均勻性顯著提高。

通過使用數(shù)值模擬方法，證實(shí)了在循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)供給系統(tǒng)內(nèi)安裝均流裝置可以顯著改善循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)室內(nèi)的氣流分布情況，是提高循環(huán)流化床鍋爐熱效率的有效手段。下面將進(jìn)一步通過冷熱態(tài)實(shí)驗(yàn)證明均流裝置的有效性。

2 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，使用小尺寸比例模型(與數(shù)值模擬中的尺寸相同)進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)。詳細(xì)幾何尺寸見圖1。冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺與現(xiàn)場220 t/h CFB鍋爐的體積比為1:64。

實(shí)驗(yàn)設(shè)施由兩部分組成，分別為供風(fēng)系統(tǒng)和配風(fēng)系統(tǒng)。送風(fēng)系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管組成，配風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)室和均流裝置組成，均流裝置包括多孔板和三塊導(dǎo)流板。一次風(fēng)經(jīng)過安裝在燃燒室底部的50個(gè)風(fēng)帽流向燃燒室。燃燒室由有機(jī)玻璃和鋼材制成。

冷態(tài)測試在表2所示的5種工況下進(jìn)行。在P1平面上設(shè)定的監(jiān)測位置M21、M22和M23(見圖13)上，使用精度為0.01 m/s的熱線風(fēng)速計(jì)測量了z方向(豎直方向)的氣流流速。

表2 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行工況Table 2 Operating conditions during cold tests

圖 13 P1平面上的測點(diǎn)分布Fig.13 Monitoring points on the cross-sectional plane P1

2.2 CFD結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為35.8 Hz時(shí)與數(shù)值模擬中的工況一致，如圖14所示，數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果誤差小于10%，由此說明了數(shù)值模擬的正確性。

圖14 數(shù)值模擬與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.14 Comparison between numerical simulation and cold experimental results

2.3 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對冷態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜紵抑械目諝鈿馀莘植歼M(jìn)行可視化觀察，有助于研究均流裝置的性能。從圖15可以看出，流化產(chǎn)生的氣泡均勻地分布在燃燒室內(nèi)，并且沒有發(fā)現(xiàn)存在空氣氣泡濃度高或低的局部區(qū)域。這表明燃燒室內(nèi)的氣流速度是均勻的，證明了均流裝置的有效性。

圖15 實(shí)驗(yàn)臺的現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.15 Photos of test bench

2.4 均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用熱線風(fēng)速儀對平面P1上的3個(gè)典型測點(diǎn)的氣流速度進(jìn)行測量。圖16描述了在表2中不同實(shí)驗(yàn)工況下，在這些測量點(diǎn)處空氣流速在z方向(即朝向風(fēng)帽方向)的數(shù)值分布。可以看到，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，風(fēng)室內(nèi)的氣流速度增加，但是3個(gè)測點(diǎn)在z方向的流速幾乎保持相同。當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作頻率達(dá)到滿負(fù)荷50 Hz運(yùn)行時(shí)(即工況5)，可以看出監(jiān)測點(diǎn)的z方向速度的最大變化小于10%。隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低，這些變化會(huì)更小。這表明安裝均流裝置后，風(fēng)室內(nèi)的氣流分布非常均勻。因此，均流裝置對于提高鍋爐熱效率是有效的。

圖16 5種不同工況下P1截面上氣流速度在z方向上的分布Fig.16 The velocity distribution of the airflow in the z direction on the P1 section under 5 different working conditions

3 熱態(tài)實(shí)驗(yàn)

為測試均流裝置在220 t/h CFB鍋爐上的應(yīng)用效果，對安裝了均流裝置的某造紙公司內(nèi)的220 t/h CFB鍋爐進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of hot test

從表3可知，安裝了氣體均流裝置的220 t/h循環(huán)流化床鍋爐的熱損失顯著下降，鍋爐的熱效率從85.71%提高到88.34%，相當(dāng)于每年節(jié)省5 000 t標(biāo)準(zhǔn)煤，該節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，需要指出的是，由于加裝了導(dǎo)流板，P1橫截面上平均旋流強(qiáng)度顯著下降，說明一次風(fēng)室內(nèi)的氣流均勻性明顯提高。這種方法能夠消除爐膛內(nèi)局部氣流分布不均勻的現(xiàn)象。當(dāng)料層氣流達(dá)到臨界流化速度時(shí)，所需要的總風(fēng)量就會(huì)減少，所以整個(gè)鍋爐燃燒產(chǎn)生的排煙量也會(huì)相應(yīng)減少，導(dǎo)致排煙熱損失隨之降低。同時(shí)由于排煙量減少，煙氣與尾部煙道壁面之間的對流傳熱強(qiáng)度也會(huì)降低，因此鍋爐散熱損失也隨之降低，鍋爐整體熱效率明顯提高。

4 結(jié)論

對220 t/h CFB鍋爐一次風(fēng)室內(nèi)的氣體流動(dòng)特性和分布開展了數(shù)值模擬和冷熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，可得出下列結(jié)論：

(1) CFB鍋爐的數(shù)值模擬結(jié)果表明，一次風(fēng)室內(nèi)的空氣流動(dòng)以旋流流動(dòng)為主，有明顯的漩渦區(qū)存在，安裝由3塊導(dǎo)流板和1塊多孔板組成的氣體均流裝置可以有效地消除這種現(xiàn)象。

(2) 加裝氣體均流裝置后，截面P1內(nèi)的氣流豎直方向的速度分布不均勻性明顯降低，一次風(fēng)室內(nèi)氣流分布的均勻性得到顯著改善。證實(shí)了均流裝置對提升流動(dòng)均勻性有明顯的效果。

(3) 模型的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，安裝了氣體均流裝置的一次風(fēng)室中的截面P1內(nèi)的氣流豎直方向速度分布均勻，最大速度與最小速度的數(shù)值相差小于10%。因此，氣體均流裝置的效果被冷態(tài)實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。

(4) 在220 t/h CFB鍋爐上進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，加裝氣體均流裝置后，鍋爐熱效率由85.71%提高到88.34%。CFB鍋爐熱效率的提高等同于每年節(jié)省5 000 t標(biāo)準(zhǔn)煤，再次證實(shí)了氣體均流裝置的顯著效果，同時(shí)證明這種節(jié)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，值得大力推廣。