新型超临界多旋风分离器循环流化床锅炉气固流动及传热均匀性研究

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超临界循环流化床(CFB)锅炉技术结合了CFB燃烧和超临界蒸汽循环的优势,成为CFB锅炉技术研发的重点方向之一,但多个旋风分离器并联布置的循环回路之间的气固分布不均匀、炉膛的角部磨损严重、锅炉内温度偏差大、水冷壁和屏式过热器的壁温偏差大等问题影响了超临界CFB锅炉的安全稳定运行和超临界CFB锅炉的进一步大型化发展。
  优选旋风分离器的布置方式可以提高循环回路之间气固分布的均匀性,进而提高锅炉内温度分布的均匀性。将炉膛的角部结构由直角调整为切角,可以缓解炉膛角部的磨损。优选受热面的结构可以提高受热面壁温的均匀性。本论文以中国科学院工程热物理研究所350MW超临界多边形炉膛CFB锅炉示范工程以及660MW超超临界CFB锅炉技术方案为基础,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,围绕超临界CFB锅炉内的气固流动和传热均匀性进行了以下五个方面的研究:
  (1)针对三个旋风分离器同侧并联布置的350MW超临界多边形炉膛CFB锅炉,通过数值模拟研究了旋风分离器布置、炉膛角部结构和旋风分离器出口烟道布置对其气固流动均匀性的影响。研究结果表明:采用优选的旋风分离器布置方式可以提高循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性;切角结构和优选的旋风分离器布置方式组合可以进一步提高循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性;与直角结构相比,切角结构可以缓解角部区域的磨损;并联布置的旋风分离器出口烟道对循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性影响不大,串联布置的旋风分离器出口烟道显著降低了循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性。
  (2)基于采用了优选的旋风分离器布置方式和多边形炉膛技术的350MW超临界多边形炉膛CFB锅炉示范工程,在不同锅炉负荷下进行试验,研究了锅炉内温度分布的均匀性。结果表明:炉膛床温分布的均匀性较好;四种不同锅炉负荷下,前墙床温的标准差为17~19℃,后墙床温的标准差为6~10℃,后墙床温的均匀性优于前墙床温的均匀性;优选的旋风分离器布置方式提高了三个旋风分离器入口之间烟气温度分布的均匀性、三个旋风分离器出口之间烟气温度分布的均匀性和三个返料器之间循环灰温度分布的均匀性;循环灰温度分布的均匀性提高使得炉膛后墙床温分布具有好的均匀性。
  (3)基于采用了优选的旋风分离器布置方式和多边形炉膛技术的350MW超临界多边形炉膛CFB锅炉示范工程,研究了350MW超临界CFB锅炉的多边形炉膛的传热系数及均匀性。研究结果表明:随着锅炉负荷从50%BMCR升高至100%BMCR,炉膛的平均传热系数从98.1W/(m2·℃)升高至154.2W/(m2·℃);多边形炉膛具有良好的水动力安全性;炉膛前墙、后墙、左侧墙和右侧墙水冷壁的有效受热面的面积不同,导致了水冷壁出口附近的平均壁温不同;防磨浇注料的不均匀布置降低了炉膛水冷壁出口壁温分布的均匀性。
  (4)基于采用了优选的旋风分离器布置方式和多边形炉膛技术的350MW超临界多边形炉膛CFB锅炉示范工程,研究了屏式高温过热器和屏式中温过热器Ⅱ的传热系数及均匀性。研究结果表明:屏式高温过热器的平均传热系数高于屏式中温过热器Ⅱ的平均传热系数,锅炉负荷从50%BMCR升高至100%BMCR,屏式高温过热器的平均传热系数从144.9W/(m2·℃)升高至179.7W/(m2·℃),屏式中温过热器Ⅱ的平均传热系数从129.1W/(m2·℃)升高至165.5W/(m2·℃);锅炉负荷为100%BMCR时,屏式高温过热器上11个壁温之间的最大偏差为29.3℃。为了提高屏式高温过热器的壁温均匀性,通过数值模拟研究了8种不同结构的屏式高温过热器,获得了一种温度分布均匀性较好的屏式高温过热器结构。
  (5)针对四个旋风分离器同侧并联布置的CFB,通过冷态试验和数值模拟研究了旋风分离器布置和炉膛角部结构对冷态试验装置的四个循环回路之间颗粒质量流率分布均匀性的影响。研究结果表明:当中间两个旋风分离器向外旋转时,中间两个循环回路的颗粒质量流率高于两侧循环回路;当中间两个旋风分离器向内旋转时,中间两个循环回路的颗粒质量流率低于两侧循环回路;切角可以调节循环回路之间颗粒质量流率分布的均匀性。根据旋风分离器布置和炉膛角部结构对循环回路之间气固流动均匀性的影响规律,提出了一种660MW超超临界多边形炉膛并列四个旋风分离器布置方案,数值模拟结果表明,该锅炉循环回路之间颗粒质量流率的均匀性好,循环回路之间颗粒质量流率的相对偏差仅为3.3%。
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