第四节循环流化床锅炉炉内传热计算

1、第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算66第四章第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算循环流化床锅炉炉内传热计算循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤粉炉的重要方面。 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作，有的已经形成商业化产品使用的设计导则。但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流

2、化床锅炉炉膛传热计算方法，因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。清华大学对 CFB 锅炉炉膛传热作了深入的研究，长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对 CFB 锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。根据已公开发表的文献报导，考虑工程上的方便和可行，本章根椐清华大学提出的方法，进一步分析整理，作为我们研究的基础。为了了解 CFB 锅炉传热计算发展过程，也参看了巴苏的传热理论和计算方法，浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。4.1 清华的传热理论及计算方法清华的传热理论及计算方法4.1.1 循环流化床传热分析循环流化床传热分析CFB 锅炉与煤粉锅炉的显著不同是 CFB 锅炉

3、中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度Cp大大高于煤粉炉，而且炉内各处的浓度也不一样，它对炉内传热起着重要作用。为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度 Cp，此处浓度可由外循环倍率求出。而炉膛不同高度的物料浓度则由内循环流率决定，它沿炉膛高度是逐渐变化的，底部高、上部低。近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势，使边壁下降流减少了辐射换热系数；水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换，同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致，综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强，总辐射换热系数明显提高。在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用

4、不同的计算式。物料浓度 Cp对辐射传热和对流传热都有显著影响。燃烧室的平均温度是床对受热面换热系数的另一个重要影响因素。床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数。虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数，在循环流化床锅炉条件下，燃烧室内部的物料颗粒粒径变化较小，在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大，在进行满负荷传热计算时可以忽略，但在低负荷传热计算时，应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力。炉内受热面的结构尺寸，如鳍片的净宽度、厚度等，对平均换热系数的影响也是非常明第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算67显的。鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响；另一方面，宽度与扩展受热面的利用系

5、数有关。根据实验研究，可以归纳出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数的计算方法。CFB 锅炉炉膛受热面的吸热量按下式计算： (4-1)THKQ式中 Q传热量，W；K基于烟气侧总面积的传热系数，W/m2K；T温差，K；H烟气侧总面积，m2。4.1.2 受热面结构尺寸对传热的影响受热面结构尺寸对传热的影响传热系数 K 按式(4-2)计算，其中分母包括四部分热阻：烟气侧热阻；工质侧热阻和b1 受热面本身热阻；以及附加热阻as。ftf1HH1 (4-2)1aftfb111 sHHK式中 烟气侧向壁面总表面的名义换热系数，W/m2K；b f工质侧换热系数，W/m2K，可按苏 1973 年热力计算标准求取；

6、Ht烟气侧总面积，m2；Hf工质侧总面积，m2；as附加热阻， m2K/W；1管子厚度，m；受热面金属导热系数，W/m2K； (4-3)bsbb1 1) 1( P式中 P鳍片面积系数，；tfmHHP Hfin鳍片面积，m2；Ht受热面外部面积，m2。第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算68图图 4-1 烧室受热面结构简图烧室受热面结构简图 (4-4)dsdsHHP) 12(1tfms, d管子节距、外径，m，见图 4-1。鳍片利用系数， (4-5)hhth )(式中 与受热面受热情况、膜式壁鳍片结构尺寸和材料等有关，可表示为 (4-6)1 ()(bsbhN式中 N受热情况，单面受热 N=1，双面

7、受热 N=2；h实际鳍片高度 图 4-1 炉膛受热面结构简图 (4-7)2dsh鳍片厚度，m；s受热面污染系数，取为 0.0005；h折算高度，m： (4-8)hh h”有效高度，m： (4-9)Nhh 根据实验和运行数据，可得到鳍片宽度系数与结构尺寸的关系： (4-10)20.1659+0.3032+0.8608ssdd b烟气侧换热系数，见式(4-15)：as附加热阻，在计算耐火材料涂层受热面时考虑： (4-11)aaasa受热面耐火层厚度，m；第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算69a受热面耐火层导热系数，W/mK，按式(4-12)计算： (4-12)a10aTaa 式中 a0、a1系数；

8、耐火层平均温度，K，按式(4-13)计算：aT (4-13)2/ )(wbaTTT式中 Tb烟气侧温度，K；Tw受热面壁面温度，K，见式(4-17)：受热面外内面积比为 (4-14)12)2(2111ftdsHH式中 1管壁厚度，m；s管节距，m；鳍片厚度，m。4.1.3 CFB 锅炉烟气侧换热系数锅炉烟气侧换热系数 b炉膛烟气物料两相混合物向壁面的换热包括对流和辐射两部分，按两者的线性叠加，则有 (4-15)Crb式中 r辐射换热系数，W/m2K，见式(4-16)：c对流换热系数，W/m2K，见式(4-26)： (4-16)(2w2bwbrTTTT式中 Boltzmann 常数；Tw水冷壁管

9、壁温度，按式(4-17)计算： (4-17)wfwTTT式中 Tf受热面内工质温度，K。水冷壁管壁内外侧温差 (4-18)0 7finwbfff10000 7w.HT. NTTH式中 Tb烟气侧温度，K；第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算70Tf受热面内工质温度，K；N受热情况，1 或 2；w导热影响系数，w=0.2+0.007 (4-19)式中 金属导热系数，W/m2K；壁面与烟气侧的系统黑度可写作式(4-20)的形式： (4-20)1111wb式中 b烟气侧黑度，按式(4-21)计算：壁面黑度，一般为 0.50.8。w在气固两相中，烟气侧黑度包括颗粒黑度和烟气黑度两部分： (4-21)gp

10、gpb式中 p固体物料黑度，由式(4-22)计算： (4-22)BBB)1 (2)1 ()1 (pspspspspspsp式中 B系数，各向同性反射时为 0.5，漫反射颗粒为，本文中取为；2323物料表面平均黑度，与固体颗粒的浓度有关，可表示为ps (4-23)psp1 expBC C 式中 C常数；C为 0.10.2；Cp物料空间浓度，kg/m3。g烟气黑度，由式(4-24)计算： (4-24)ggg1 expk s 烟气辐射减弱系数 k 可按下式简单计算： (4-25)2H Obg0 5520 112000.rTk.rs式中，烟气中水蒸气份额；OH2r烟气中三原子气体份额；r第四章 循环流

11、化床锅炉炉内传热计算710.00.51.01.52.02.03.04.05.06.07.0流化速度 m/s特征携带量图图 4-2 特征携带量特征携带量sg烟气辐射厚度，近似为下降流厚度，m。对流换热系数由烟气对流和颗粒对流两部分组成，即 (4-26)pcgcc式中 烟气对流换热系数，W/m2K，计算见式(4-27)；gc颗粒对流换热系数，计算见式(4-28)。pc (4-27)7 . 0fgcgcvC 式中 烟气对流系数，46J/m3K；gcCvf烟气速度，m/s。 (4-28)0pc5 . 0fpcpc)(vC式中 vf烟气速度，m/s，该项为颗粒对流强度与颗粒粒径的直接修正；初始流态条件下

12、颗粒对流理论换热系数，其值与颗粒的粒度、温度、受热面0pc布置有关；颗粒对流系数，按式(4-29)计算：pcC (4-29)1pcpcp1 expnCC C 式中 Cpc颗粒系数，0.010.02；Cp炉膛局部物料浓度，kg/m3；n1常数，0.851.25。根据第二章中上部快速床的分析，则受热面所在位置的浓度与其高度位置密切相关，用于传热的平均浓度关联到受热面的平均高度，则双面水冷壁、屏过、屏再局部物料浓度 Cp按式(4-30)计算：(4-30)ppltpzltppppz42exp2 8exp2 84 277CHHHC. CH 式中 Cpp实际温度下炉膛出口处特征物料浓度，kg/m3；该数值

13、可以根据图 4-2 选定，并根据经验予以修正。Hlt炉膛总高度，m；Hpz双面水冷壁屏再或屏第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算72过总高度，m。水冷壁物料浓度 Cp按式(4-31)计算： (4-31)pplth1ppplt1h42exp2 8exp2 84 277CHdhC. CHhd 式中 h1炉膛下部冷灰斗锥体计算高度(从布风板算起)，m； dh梯形段上直段耐火层高度，m。4.1.4 按清华方法对一台按清华方法对一台 440 t/h 贫煤贫煤 CFB 锅炉的计算锅炉的计算用清华方法对按某国外引进程序设计的锅炉输入数据及计算结果进行了分析校核，以便了解影响传热的因素和影响关系。该炉为燃烧贫煤

14、的 440 t/h CFB 锅炉，100%， 、50%负荷的计算结果见表 4-1表 4-4。此外，按清华方法对一台 440 t/h 无烟煤、440 t/h 烟煤、480 t/h 褐煤 CFB 锅炉炉膛也进行了同样的传热计算，结果示于表 4-10。4.1.5 100%负荷全炉膛传热量计算结果的校核负荷全炉膛传热量计算结果的校核在上节中已经求出水冷壁、双面水冷壁、屏过、屏再四部分受热面所吸收的热量。其和应等于锅炉热平衡计算中在炉内的传热量。以新乡 440 t/h 锅炉主循环回路作为对象，热平衡炉内传热量 Q1： (4-32)100100(yxffk4643arnet,j1fhIIIQqqqqQBQ

15、 17.92111432565 .207631003 . 035 . 0100254926 .51105995. 0kJ/h830516501638250850MW4 .23136001000833051650其中 (4-33)0lkzflt0rkBk)(LIQ 18. 43 .34)06. 005. 0()1816. 4482)()(06. 005. 02 . 1 (21kJ/kg5 .20768 .1568.2060式中 Iff回料器及冷渣器反回风带入的热量，kJ/kg；主循环回路出口(分离器出口)烟气焓，烟温 883 查温焓表，当过量空气系数yxI =1.2 时，。 kJ/kg2 .11

16、1441816. 404.2665yx I第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算73Ifh离开主循环回路(分离器出口)的飞灰带走的热焓，kJ/kg kJ/kg (4-34)arshfhfhfhfh4100100100100-100-AAIaCCq式中 fh 飞灰份额，%；Aar 燃料中灰份，%；Ash 加石灰石产生的灰份；Cfh 飞灰可燃物含量，%；(C) fh飞灰热烩，kJ/kg。将具体数据代入式(3-34)后得： kJ/kgfh18 464 21001000 580592 17100100-15 100-2.97.I.炉膛传热计算中炉内四种受热面总的吸热量为：129.29MW(水冷壁)+25.

17、59MW(水冷屏)+46.94MW(屏过)+34.15MW(屏再)=235.97MW，该数值与炉内热平衡计算的传热量 232.66 MW 相差小于 1.5%，故可以结束计算。4.1.6 低负荷传热计算低负荷传热计算一般的，煤粉炉当处于低负荷运行时，相对于正常负荷时，炉膛中的水冷壁受热面显得过大，导致炉内温度水平大大降低，炉膛出口温度也下降。为了维持低负荷时汽温仍保持在额定范围内，在设计锅炉时，除了额定工况的计算外，还必须进行 70%、50%负荷的计算，这时一般要大大增加过热器及再热器受热面，以保证低负荷时温压大大降低的情况下仍能达到汽温的要求。但对于循环流化床锅炉，低负荷时，烟气流速减小，烟气

18、携带固体的能力下降，可使理论燃烧温度上升(参照下一节)，从而可以弥补由于在低负荷时相对于正常负荷时过大的水冷壁受热面而造成的烟气过度冷却。同时，也可以降低水冷壁的传热系数，使炉膛出口温度较少变化，从而维持过热汽温达到额定值。低负荷传热计算一般进行 75%和 50%额定负荷计算。下面讨论几个工况参数的变化情况。(1) 床层温度和炉膛出口温度cclt 100%负荷时由于内外物料循环流量较高，炉膛上下乃至于整个主循环回路的温度基本一致。但低负荷时炉内，物料循环流率显著降低，趋向于鼓泡床，故床层温度显著高于炉膛出口温度。这时为了求得床层温度，就得进行分段计算，进行密相区传热计算。而为了求得炉膛出口温度

19、仍可以进行全炉膛计算。第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算74(2) 密相区燃烧率为了进行分段计算，就需要知道密相区的燃烧率、上升和下降的物料量和物料温度。经分析，低负荷时燃烧工况向鼓泡床转化，故燃烧率a应大于正常运行时的m。以 100 MWe级 CFB 锅炉为例，正常运行时取m0.47，低负荷时取a0.6。(3) 上升与下降循环物料的温差考虑循环物料量降低，故上升与下降物料的温差也应减小，取为 3。(4) 烟气速度 u0烟气速度受煤耗量 Bj和烟气体积(由于增加，体积增加)和烟气温度 Qpj的影响，一般低负荷时烟气速度下降。以 100 MWe 机组为例，100%负荷时 u0=5.68 m/s；

20、75%负荷时u0=3.81 m/s；50%负荷时 u0=3.18 m/s。(5) 上升的循环物料量由于负荷降低，分离器效率降低，故循环物料量也相应比满负荷时要降低。降低多少可以通过校核计算求知。就是说，根据锅炉说明书给出低负荷时的床温cc或根据实际运行时测出的床温来反求循环物料量。至于下降和上升的循环物料量比 m 也只能通过校核计算求得。从 50%负荷实际计算看出密相区燃烧率变化对物料浓度影响不大，而改变下降与上升的物料量比 m 值则对物料浓度影响很敏感。m 减少，则物料浓度 Cp减小很多。物料浓度除按上述校核计算求取外，可按式(4-35)计算。 (4-35)0sp83. 2uGC Gs可由资

21、料根据烟气速度求取，例如图 5-2。假定烟气速度为 3.18 m/s，则 Gs7，则 kg/m3。23. 618. 3783. 2pC(6) 分离器分离效率低负荷时由于烟气量减少，则分离器进口烟气速度降低，因而使分离器效率降低，从而导致循环量 GLC和物料浓度 Cp减少。(7) 烟气辐射层厚度 s烟气辐射层厚度 sg随着负荷的下降而下降，可参照资料计算，但它对传热影响不是很大。以 440 t/h 锅炉为例所进行的 50%负荷全炉膛计算结果见表 4-1表 4-4。其中 4 种受热面总计传热量为 55.36+13.02+24.78+18.80=111.96 MW；而根据热平衡计算炉内传热量为 11

22、9.55 MW，误差为 6%。表 4-5 为相关的 440 t/h 锅炉 50%负荷性能参数计算结果。第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算75由于床层温度是可控制量，因此计算中通常假定某个低于满负荷的温度作为计算依据。以此为基础，进行炉膛传热计算，得到炉膛出口烟气温度。为便于计算，在积累了大量经验的基础上，低负荷计算可以根据经验确定床底温度，第五章表 5-11 给出了经验总结结果，是可以用于设计计算的。表表 4-1 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100% 、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算负荷全炉膛水冷壁传热计算项 目符号单位100%负荷50%负荷烟气速度Vfm/s5.683.18床侧温度

23、TbK11851012受热面内工质温度TfK613613管节距Sjm0.090.09管外径dm0.060.06鳍片厚度m0.0060.006管壁厚1m0.00650.0065物料浓度CPPkg/m31.720.73炉膛总高度Hltm39.4139.41炉膛下部计算高度Hpgm5.55.5梯形段上直段耐火层高度Hnhm0.450.45局部物料空间浓度Cpkg/m322.469.56颗粒对流理论换热系数0cpW/m2K100100烟气中水蒸汽份额rH2O%0.0640.064烟气中三原子气体份额r%0.150.15烟气侧水冷壁总面积Htm212031203工质侧换热系数fW/m2K15000150

24、00实际设计运行系数*Xiu10.211受热面受热情况N单面 1、双面 211烟气辐射厚度Sm0.20.1壁面黑度w0.80.8受热面金属导热系数W/m2K40.3940.39受热面壁面污染系数sm2K/W0.00050.0005受热面耐火层厚度am100100涂层水冷壁面积m2360.7360.7常数B1/22/32/32/3Boltzmann 常数W/m2K45.67E-085.67E-08第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算76烟气对流系数*Cgc55鳍片宽度系数*0.9423250.942325耐火材料系数 Aa02.52.5耐火材料系数 Ba10.000250.00025续表续表 4-

25、1 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算负荷全炉膛水冷壁传热计算项 目符 号单 位100%负荷50%负荷颗粒对流系数pcC0.236 0.108 颗粒对流理论换热系数pcW/m2K56.306 19.325 烟气对流换热系数gcW/m2K16.866 11.237 对流换热系数cW/m2K73.172 30.563 烟气辐射减弱系数k0.08656 0.15146 物料表面平均黑度ps0.74161 0.53498 固体物料黑度p0.90490 0.80993 烟气黑度g0.01716 0.01503 床层黑度b0.90653 0.81279 系统黑度

26、0.73904 0.67553 受热面管壁温差TwK13.767 9.604 管外壁温度TwK626.767 622.604 辐射换热系数rW/m2K136.432 88.390 换热系数bW/m2K209.604 118.953 鳍片高度hm0.01500 0.01500 折算高度*hm0.01592 0.01592 有效高度*h”m0.01592 0.01592 鳍片厚度系数*v0.04333 0.04333 折算厚度*0.00026 0.00026 参数4.05466 3.11917 鳍片利用系数0.99861 0.99918 鳍片面积比(P)Hfin/Ht0.25370 0.25370

27、 名义床侧换热系数b W/m2K189.654 112.252 受热面内外面积比Ht/Hf1.602 1.602 壁面平均温度*Tw_K619.884 617.802 受热面内外温差*TK572.000 399.000 受热面耐火层平均温度*Ta_K905.884 817.302 受热面耐火层导热系数*aW/m2K2.657 2.635 附加热阻as0.03814 0.03845 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算77传热系数KW/m2K180.490 108.977 光管水冷壁受热面吸热量QggMW124.20 52.31 涂层水冷壁传热系数KW/m2K23.157 21.218 涂层水冷壁

28、吸热量QtcMW4.778 3.054 水冷壁受热面总吸热量QMW128.976 55.362 表表 4-2 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、 50% 负荷双面水冷壁全炉膛传热计算负荷双面水冷壁全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷烟气速度Vfm/s5.683.18床侧温度TbK11851058受热面内工质温度TfK613613管节距Sjm0.07270.0727管外径dm0.060.06鳍片厚度m0.0060.006管壁厚1m0.00650.0065物料浓度CPPkg/m31.720.73炉膛总高度Hltm39.4139.41双面水冷壁总高度Hssm2727局

29、部物料空间浓度Cpkg/m314.7376.272颗粒对流理论换热系数0cpW/m2K100100烟气中水蒸汽份额rH2O%0.0640.064烟气中三原子气体份额r%0.150.15烟气侧水冷壁总面积Htm2260260工质侧换热系数fW/m2K1500015000实际设计运行系数*Xiu10.211受热面受热情况N单面 1、双面 222烟气辐射厚度Sm0.80.4壁面黑度w0.50.80.80.8受热面金属导热系数W/m2K40.3940.39受热面壁面污染系数sm2K/W0.00050.0005受热面耐火层厚度am100100涂层水冷壁面积m214.814.8常数B1/22/30.50.

30、5第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算78Boltzmann 常数W/m2K45.67E-085.67E-08鳍片宽度系数*0.980.98耐火材料系数 Aa02.52.5耐火材料系数 Ba10.000250.00025烟气对流系数*gcCW/m2K，4555续表续表 4-2 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、50%负荷双面水冷壁全炉膛传热计算负荷双面水冷壁全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷颗粒对流系数pcC0.162 0.072 颗粒对流理论换热系数pcW/m2K38.630 12.929 烟气对流换热系数gcW/m2K16.866 11.237 对流换热系数

31、cW/m2K55.496 24.166 烟气辐射减弱系数k0.04022 0.06867 物料表面平均黑度ps0.64007 0.43907 固体物料黑度p0.86103 0.75637 烟气黑度g0.03167 0.02710 床层黑度b0.86543 0.76297 系统黑度0.71150 0.64075 受热面管壁温差TwK13.878 10.797 管外壁温度TwK626.878 623.797 辐射换热系数rW/m2K131.365 92.170 换热系数bW/m2K186.861 116.336 鳍片高度hm0.00635 0.00635 折算高度*hm0.00645 0.0064

32、5 有效高度*h”m0.00456 0.00456 鳍片厚度系数*v0.20472 0.20472 折算厚度*0.00123 0.00123 参数4.17350 3.34746 鳍片利用系数0.99988 0.99992 鳍片面积比(P)Hfin/Ht0.12581 0.12581 名义床侧换热系数b W/m2K170.892 109.940 受热面内外面积比Ht/Hf1.367 1.367 壁面平均温度*Tw_K619.939 618.398 受热面内外温差*TK572.000 445.000 受热面耐火层平均温度*Ta_K905.939 840.898 受热面耐火层导热系数*aW/m2K1

33、25.350 112.650 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算79附加热阻as0.00130 0.00139 传热系数KW/m2K163.834 106.975 受热面吸热量QggMW24.37 12.38 涂层双面水冷壁传热系数KW/m2K144.896 97.697 涂层双面水冷壁吸热量QtcMW1.227 0.643 双面水冷壁总吸热量QMW25.592 13.020 表表 4-3 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、50%负荷负荷 屏过全炉膛传热计算屏过全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷烟气速度Vfm/s5.683.18床侧温度TbK11651058受

34、热面内工质温度TfK719721管节距Sjm0.07270.0727管外径dm0.0510.051鳍片厚度m0.0060.006管壁厚1m0.00550.0055物料浓度CPPkg/m31.720.73炉膛总高度Hltm39.4139.41双面水冷壁总高度Hssm2222局部物料空间浓度Cpkg/m311.7454.999颗粒对流理论换热系数0cpW/m2K100100烟气中水蒸汽份额rH2O%0.0640.064烟气中三原子气体份额r%0.150.15烟气侧总面积Htm2568.3568.3工质侧换热系数fW/m2K38502555实际设计运行系数*Xiu10.211受热面受热情况N单面 1

35、、双面 222烟气辐射厚度Sm0.80.4壁面黑度w0.50.80.80.8受热面金属导热系数W/m2K3232受热面壁面污染系数sm2K/W0.00030.0003受热面耐火层厚度am100100涂层水冷壁面积m252.6852.68第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算80耐火材料系数 Aa02.52.5耐火材料系数 Ba10.000250.00025常数B1/22/30.50.5Boltzmann 常数W/m2K45.67E-085.67E-08鳍片宽度系数*0.960.96烟气对流系数*gcCW/m2K，4555续表续表 4-3 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、50%负荷屏

36、过全炉膛传热计算负荷屏过全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷颗粒对流系数pcC0.131 0.058 颗粒对流理论换热系数pcW/m2K31.331 10.382 烟气对流换热系数gcW/m2K16.866 11.237 对流换热系数cW/m2K48.197 21.620 烟气辐射减弱系数k0.04121 0.06867 物料表面平均黑度ps0.58455 0.39164 固体物料黑度p0.83487 0.72662 烟气黑度g0.03243 0.02710 床层黑度b0.84023 0.73403 系统黑度0.69437 0.62022 受热面管壁温差TwK70.183 7

37、9.909 管外壁温度TwK789.183 800.909 辐射换热系数rW/m2K152.340 115.106 换热系数bW/m2K200.537 136.726 鳍片高度hm0.01085 0.01085 折算高度*hm0.01135 0.01135 有效高度*h”m0.00803 0.00803 鳍片厚度系数*v0.10138 0.10138 折算厚度*0.00061 0.00061 参数5.76203 4.80132 鳍片利用系数0.99929 0.99951 鳍片面积比(P)Hfin/Ht0.22649 0.22649 名义床侧换热系数b W/m2K189.126 131.324

38、受热面内外面积比Ht/Hf1.525 1.525 壁面平均温度*Tw_K754.092 760.955 受热面内外温差*TK446.000 337.000 受热面耐火层平均温度*Ta_K977.092 929.455 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算81受热面耐火层导热系数*aW/m2K133.950 123.450 附加热阻as0.00105 0.00111 传热系数KW/m2K170.782 119.283 光管受热面吸热量QggMW43.29 22.84 炉膛涂层屏过传热系数KW/m2K151.470 108.773 涂层屏过吸热量QtcMW3.559 1.931 屏过总吸热量QMW4

39、6.846 24.776 表表 4-4 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、 50%负荷屏再全炉膛传热计算负荷屏再全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷烟气速度Vfm/s5.683.18床侧温度TbK11651058受热面内工质温度TfK748738管节距Sjm0.070.07管外径dm0.0570.057鳍片厚度m0.0060.006管壁厚1m0.0050.005物料浓度CPPkg/m31.720.73炉膛总高度Hltm39.439.4屏再总高度Hpzm2222局部物料空间浓度Cpkg/m311.7525.001颗粒对流理论换热系数0cpW/m2K100100烟气

40、中水蒸汽份额rH2O%0.0640.064烟气中三原子气体份额r%0.150.15烟气侧总面积Htm2444.5444.5工质侧换热系数fW/m2K1303895实际设计运行系数*Xiu10.211受热面受热情况N单面 1、双面 222烟气辐射厚度Sm0.820.4壁面黑度w0.50.80.80.8受热面金属导热系数W/m2K23.523.5受热面壁面污染系数sm2K/W0.00030.0003受热面耐火层厚度am100100第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算82涂层水冷壁面积m239.539.5耐火材料系数 Aa02.52.5耐火材料系数 Ba10.000250.00025常数B1/22/3

41、0.50.5Boltzmann 常数W/m2K45.67E-085.67E-08鳍片宽度系数*0.90.9烟气对流系数*Cgc55续表续表 4-4 某某 440t/h CFB 锅炉锅炉 100%、50%负荷屏再全炉膛传热计算负荷屏再全炉膛传热计算项 目单 位符 号100%负荷50%负荷颗粒对流系数pcC0.1320.058颗粒对流理论换热系数pcW/m2K31.34710.388烟气对流换热系数gcW/m2K16.86611.237对流换热系数cW/m2K48.21321.625烟气辐射减弱系数k0.040630.06867物料表面平均黑度ps0.584690.39175固体物料黑度p0.83

42、4940.72669烟气黑度g0.032760.02710床层黑度b0.840350.73410系统黑度0.694450.62027受热面管壁温差TwK175.237195.776管外壁温度TwK923.237933.776辐射换热系数rW/m2K181.684139.489换热系数bW/m2K229.897161.114鳍片高度hm0.006500.00650折算高度*hm0.006610.00661有效高度*h”m0.004680.00468鳍片厚度系数*v0.153850.15385折算厚度*0.000920.00092参数6.175115.22008鳍片利用系数0.999720.999

43、80鳍片面积比(P)Hfin/Ht0.134670.13467名义床侧换热系数b W/m2K215.056153.681受热面内外面积比Ht/Hf1.3081.308壁面平均温度*Tw_K835.618835.888受热面内外温差*TK417.000320.000第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算83受热面耐火层平均温度*Ta_K1044.118995.888受热面耐火层导热系数*aW/m2K136.850125.150附加热阻as0.001030.00110传热系数KW/m2K170.467122.239光管受热面吸热量QggMW31.6017.39炉膛涂层屏再传热系数KW/m2K151.5

44、85111.362涂层屏再吸热量QtcMW2.4971.408屏再总吸热量QMW34.09418.795表表 4-5 440 t/h 锅炉锅炉 50%负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果名 称符号单位数据碳Car%66.1氢Har%2.77氧Oar%3.67氮Nar%1.14硫Sar%0.51灰Aar%18.46水Mar%7.35炉膛出口过剩空气系数1.6灰中 CaCO3含量3CaCO%70灰中 MgCO3含量3MgCO%2.15灰中 H2O 含量H2O%0.15灰中杂质含量杂质%27.7脱硫率S%90石灰石耗量Bshkg/s0.31实际煤耗量Bkg/s7.098计算煤耗量Bj6.85一次

45、风率10.50密相区燃烧率0.47炉膛温度785.00烟气平均温度pjK1058.00理论空气量V0Nm3/kg6.513理论含水量VH2ONm3/kg0.507理论含氮量VN2Nm3/kg5.154三原子气体含量VRO2Nm3/kg1.24烟气体积VyNm3/kg10.87炉膛深度am7炉膛宽度bm13.16第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算84布风板截面深度abm3.53布风板截面宽度bbm13.16可燃气体未完全燃烧热损失q3%0.5可燃气体未完全燃烧热损失q3ft1固体未完全燃烧热损失q4%2.97稀相区空截面烟气速度uym/s3.18截面热负荷qf1.99密相区空截面烟气速度()uy

46、mm/s2.88密相区空截面空气速度ukm2.97分离器入口截面宽度a2m5.45续表续表 4-5 440 t/h 锅炉锅炉 50%负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果名 称符号数据单位分离器入口截面深度b22.85m分离器个数Gfl2个分离器入口烟气速度uf19.34m/s分离效率99.3%飞灰份额afh0.501燃料份额Aar18.46%飞灰可燃物Cfh15%固体未完全燃烧损失q42.97%石灰石耗量(说明书给出)Bsh0.31kg/s实际煤耗量B7.098kg/s循环倍率R17.17烟气量Gy13.27kg/kg飞灰携带率Msh1.58kg/kg烟气温度Ty785脱硫率S0.9%含硫

47、量Sar0.0051%脱硫后产生的硫酸钙MCaSO40.02kg/kg 煤钙硫比Ks2石灰石耗量(用公式计算得)Bsh0.045kg/kg硫酸钙在石灰石中份额CaCO30.7%硫酸镁在石灰石中份额MgCO30.022%其它杂质Msh0.279kg/kg未反应 CaO 及其它杂质MCaO0.010kg/kg石灰石反应产生的灰量Ash0.030kg/kg标准状态物料浓度Pcn2.11kg/Nm3第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算85物料浓度Pc0.54kg/m3停留时间计算(440 t/h 锅炉)炉膛深度a6.68m炉膛宽度b13.16m锥体高度h96m锥体角16稀相区高度h239.7m烟气速度u

48、03.18m/s烟气停留时间11.98s气体未完全燃烧损失q3%0.5续表续表 4-5 440 t/h 锅炉锅炉 50%负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果名 称符号单位数据灰渣热损失q6%0.3热空气温度199理论热空气焓IrkkJ/kg1721理论冷空气焓IlkkJ/kg143.4炉膛出口过量空气系数-1.6空预器出口过量空气系数k”-1.49炉膛漏风系数lt-0.05制粉系统漏风系数zf-0.06一次风率10.499二次风率2%0.44回料器出口风温hl739冷渣器出口风温lz130回料器出口风焓IhlkJ/kg1037冷渣器出口风焓IlzkJ/kg172.3回料器热风份额%0.02

49、3冷渣器热风份额%0.06回料器热风带入热量Ih1kJ/kg155.34冷渣器热风带入热量IlzkJ/kg67.33计算煤耗量Bjkg/h24645.6出口烟气温度739出口烟气焓IyqkJ/h10380热空气焓QrkkJ/kg2426.2炉膛内放热量(kJ/h)QltkJ/h430384655炉膛内放热量(MW)QltMW119.55第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算864.1.7 CFB 锅炉理论燃烧温度计算锅炉理论燃烧温度计算以某 440 t/h 锅炉为例计算。每 1 kg 煤的炉内放热量 Q (4-36)hk4arnet,100100IQqQQ式中 kJ/kg ；25500arnet,

50、QQk空气带入的热量，Qk =2706 kJ/kg；每 1 kg 燃料带入的循环灰焓，kJ/kg。hI如循环倍率为 R = 24，从分离器返回的灰温度取为 900。灰的焓在 900 时为h)(C812 kJ/kg。故 kJ/kg。1948881224)(hhCRI则 kJ/kg。46293194882070100310025500Q为求烟气焓和烟气中的灰焓，必须先假定理论燃烧温度。若理论燃烧温度为 1200。灰的焓在 1200 时为 1261 kJ/kgh)(C烟气焓= (4-37)(hhyahhyCmCVTCTmCTV由热平衡计算可知每 1 kg 燃料的烟气质量为 kg/kg。04.1119

51、6.1467.156每 1 kg 烟气所占 Nm3是，748. 03366. 11由此每 1 kg 燃料的烟气体积 Vy为 11.040.748=8.23 Nm3/kg。1200 时的烟气焓取为 kJ/ Nm3。1900)(YQC令式(4-31b)与式(4-31a)相等，则 。121025.384629312001261241200190023. 846293100100hhyyhk4arnet,aCmCVIQqQT当负荷降低时热风温度降低，热焓降低到 1114，另外，循环灰量减少，当变为鼓泡床时假定减少到 0，假定此时的理论燃烧温度为 1800。烟气焓在 1800 时为 2990 h)(Ck

52、J/kg， ，则此时的Ta按下式计算：。18877 .13258491800299023. 8111497. 025500100100yyk4arnet,aCVQqQT第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算87可见当 CFB 锅炉负荷降低时，理论燃烧温度升高，由大约 1210升高到 1887。这是CFB 锅炉低负荷稳燃的基础。4.1.8 考虑分离器后燃时的传热计算考虑分离器后燃时的传热计算飞灰可燃物有时到分离器后继续燃烧，特别是对于贫煤，在绝热分离器内继续燃烧，使出口烟气温度较进口烟温升高 3070。如果在传热计算时不考虑这种现象将会给运行带来严重后果。如前一章所述，在如下条件下，会出现后然现象：

53、燃料在炉膛出口前由于燃料品质、颗粒度、炉膛温度和停留时间影响，未能完全燃烧，而到绝热分离器内又具备继续燃烧的条件；对于极低挥发份的无烟煤，Vdaf68%，一种观点认为，虽然在分离器内有停留时间，但是由于温度不够高、颗粒度偏大，可能不再燃烧而排出，成为飞灰可燃物；但另一种观点认为后燃现象可能更严重，见图 4-3。 “后燃”现象特别表现在物料粒度 d0.1mm 所占份额较大时发生，如果小于 0.1mm 的颗粒份额不是很大，则“后燃”的影响就很小；对于后燃问题，采用冷却式分离器，可以使后燃释放的热量得到及时吸收，使循环物料的温度得到有效控制。为便于考虑后燃进行设计，可将主循环回路作为计算对象，以分离

54、器出口的烟温 fL代替炉膛出口的烟温 L进行热平衡，(即是修正出口烟气焓”yx和飞灰焓)，这时炉膛出口烟气带走的热焓增大，飞灰焓也增大，而传给炉膛内受热面的热量则相对减少。根据实际运行的数据，正常运行条件下，在给煤粒度分布满足图 5-30图 5-38 时，采用绝热分离器的锅炉，分离器中的温升可按图 4-3 确定。即炉膛中受热面的传热按着的炉膛温度进行计算，而分离器出口带走的热量，按着图 4-3 考虑，其中，分离器温升tt = P tP (4-38)式中，tP根据煤种按图 4-3(a)查取。P修正系数，按图 4-3(b)查取。若采用冷却式分离器，则分离器出口的温度可能略有下降，一般在22oC。进

55、入尾部对流竖井的烟温应改为考虑后燃的分离器出口烟温 fL，为了平衡尾部的吸热量应减少对流过热器及再热器的面积，并增加省煤器的面积，以防排烟温度升高。第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算88-250255075100015304560燃料挥发份含量 Vdaf %分离器温升 tP oC石油焦无烟煤贫煤烟煤褐煤其他燃料00.250.50.7513045607590负荷率 %修正系数 P -(a) (b)图图 4-3 绝热分离器温升绝热分离器温升由于目前除中国外，大部分 CFB 以燃烧褐煤为多，后然现象非常弱。但是燃烧挥发份相对较低燃料时，若没有考虑后燃，则势必导致尾部对流受热面的超温，排烟温度偏高。为

56、解决超温问题，同时维持排烟温度不再提高，人们试图减少布置炉膛上部的再热器或过热器的受热面积。但是，仅仅通过改变炉膛中的再热器及过热器受热面积，则将导致主循环回路吸热量下降，温度上升，抵消了吸热量下降的趋势，效果不明显。这在济宁运河、新乡、开封、淄博等几个电厂的实践中得到验证。可见，由于进入尾部烟道的烟气温度偏高、传热温压偏大，对流受热面的吸热量大大超过设计值，所以减少对流再热受热面和过热受热面，才能够把再热器喷水量和过热器喷水量减下来，同时增加省煤器受热面积，有助于调整蒸发受热面与过热、再热受热面吸热比例的失调，还可把排烟温度降下来。4.2 巴苏的传热理论及计算方法巴苏的传热理论及计算方法发展

57、快速床中床对壁面的传热模型的主要困难，是由于对快速床流体特性的了解不够，不过，普遍认为热量传导给由沿壁面下滑的固体颗粒不稳定薄层，从而形成热力边界层，对于 12 MWe的锅炉，该边界层厚度为 100 mm，锅炉容量越大，边界层也越厚，分析靠近壁面气固两相的质量、动量和能量平衡情况，可以得到床向壁面传热的详细情况，该过程的分析是比较复杂的。P. Basu 与 Subbarao 发展的颗粒团交替模型，与上述热力边界层模型相比就显得比较简单。尽管该模型比较粗糙，但用它来解释许多快速床中所观察到的传热现象却十分有效。快速床中包括含分散固体颗粒(固体颗粒分散相)的连续上升气相和相对密的颗粒团两部分。颗粒

58、团与固体颗粒分散相交替地与床壁面接触，假定c是被颗粒团覆盖的壁面面积的平均百分率，用 hconv表示对流传热系数，hr表示辐射传热系数，则壁面的时均传热系数可表示为 hconv与 hr之和，即：第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算89h=hconv+hr=c(hc+hcr)+(1-c)(hd+hdr) (4-39)式中 hc颗粒团与的对流传热系数；hdr固体颗粒分散相的辐射传热系数；hc颗粒团的对流传热系数；hdr固体颗粒分散相的辐射传热系数。在任何时刻，循环流化床锅炉的壁面一部分被颗粒团所覆盖，其余部分则暴露在固体颗粒分散相中，颗粒团覆盖壁面，其时间平均覆盖率c可由下式计算： (4-40)5

59、. 0)1 (1cwcYK式中 K=0.5；w壁面的空隙率；c颗粒团中的空隙率；Y固体颗粒分散相中固体颗粒的百分比。固体颗粒的局部百分率从床中心向壁面不断增加，在壁面处其值最大。人们发现，径向空隙率的分布仅与径向无量纲距离(r/R)和截面空隙率的平均值有关，由此可得壁面空隙率的经验公式为(R)=w=3.811。下面讨论辐射与对流传热。4.2.1 对流传热对流传热对流传热包括颗粒团与颗粒分散相的对流传热两部分。hconv=chc+(1-c)hd (4-41)(1) 颗粒团对流传热 hc颗粒团沿着壁面下滑，在与壁面接触一段时间后，颗粒团或者破裂消失或者运动到别处。颗粒团与壁面接触时，其初始温度为床

60、温 Tb，这样，颗粒团与壁面间产生非稳态传热。在传热过程的初始阶段，颗粒团中只有第一层颗粒发生传热，其温度水平降至与壁面温度相同。不过，若颗粒团贴壁时间足够长，颗粒团内部的颗粒也参与和壁面的非稳态换热过程。分析壁面与颗粒团之间的非稳态导热(假定颗粒团贴壁时为半无限状态)，局部传热系数的瞬时值ht可由下式计算： (4-42)tCKht/ccc式中 Kc颗粒团的导热系数；Cc颗粒团的比热第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算90c颗粒团的密度由于颗粒团的导热是基于鼓泡床颗粒小团的导热类推的，因此可以认为颗粒团的性质与鼓泡床中的乳化相性质相同。由此，颗粒团比热：Cc=(1-c)Cp+cCg (4-43)