循環(huán)流化床（CFB）鍋爐正朝著大型化、高參數(shù)化、超（超）臨界的方向快速發(fā)展，隨著鍋爐容量的不斷增大，布風(fēng)板上的布風(fēng)均勻性變得更加重要。另一方面，近年來(lái)可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量逐年增加且運(yùn)行中有較強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，為促進(jìn)可再生能源發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)燃煤鍋爐機(jī)組提出了更高的調(diào)峰要求，要求部分鍋爐頻繁或是長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒，這降低了布風(fēng)板的阻力壓降。根據(jù)大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與研究，布風(fēng)板壓降為整個(gè)床層阻力的25%以上時(shí)才可以維持床層的穩(wěn)定運(yùn)行。如何適應(yīng)低負(fù)荷運(yùn)行要求，成為近期電站鍋爐燃燒技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

風(fēng)帽作為布風(fēng)板的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)好壞與布風(fēng)板的流化質(zhì)量密切相關(guān)。鐘罩式風(fēng)帽相較其他風(fēng)帽有阻力特性更好、不易漏渣等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電站鍋爐中。國(guó)內(nèi)大型CFB鍋爐的鐘罩式風(fēng)帽大同小異。但在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不同電站鍋爐中風(fēng)帽的結(jié)構(gòu)、單位布風(fēng)板面積上的風(fēng)帽數(shù)量和流化性能并不完全相同。尤其是在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于布風(fēng)板阻力較低而頻頻出現(xiàn)不同程度的結(jié)焦、漏渣以及風(fēng)帽損壞等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，前人對(duì)不同類(lèi)型或尺寸風(fēng)帽的阻力特性或射流特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但卻未見(jiàn)關(guān)于鐘罩式風(fēng)帽流化時(shí)的擾動(dòng)范圍、氣固流動(dòng)及大顆粒沉積情況的流化特性研究工作的研究文獻(xiàn)。

對(duì)此，本文在一臺(tái)小型冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)幾大超臨界、亞臨界大型CFB電站鍋爐布風(fēng)板上的不同結(jié)構(gòu)和尺寸鐘罩式風(fēng)帽進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)量各個(gè)風(fēng)帽在各個(gè)工況下的進(jìn)出口靜壓降和床層流化情況，獲得風(fēng)帽的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)風(fēng)帽阻力特性和流化特性的影響規(guī)律。

1.1.1 試驗(yàn)臺(tái)本體及風(fēng)帽結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)主體如圖1中序號(hào)11所示。試驗(yàn)臺(tái)箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸長(zhǎng)寬高為700mm×700mm×1000mm，正面為透明可視且耐壓強(qiáng)度較高的亞克力玻璃板，試驗(yàn)臺(tái)頂部設(shè)有除塵裝置。空氣壓縮機(jī)以恒定的質(zhì)量流量輸送空氣進(jìn)入穩(wěn)壓罐，形成壓力穩(wěn)定的來(lái)流空氣，通過(guò)風(fēng)帽將試驗(yàn)臺(tái)中的床料流化。

普通鐘罩式風(fēng)帽基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)所使用的各個(gè)鐘罩式風(fēng)帽分別以A—F編號(hào)，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。風(fēng)帽A和風(fēng)帽B、風(fēng)帽C和風(fēng)帽D、風(fēng)帽E和風(fēng)帽F分別為來(lái)自不同大型CFB鍋爐爐內(nèi)布風(fēng)板上的同種類(lèi)型風(fēng)帽。

由表1可見(jiàn)，風(fēng)帽A和風(fēng)帽B、風(fēng)帽C和風(fēng)帽D僅內(nèi)芯小孔數(shù)（內(nèi)芯小孔總面積）不同，風(fēng)帽E和風(fēng)帽F僅外罩小孔數(shù)不同。6種風(fēng)帽為結(jié)構(gòu)相似的鐘罩式風(fēng)帽，內(nèi)芯芯管內(nèi)徑與環(huán)縫結(jié)構(gòu)尺寸大小差別不超過(guò)12%。

1.1.2 試驗(yàn)床料

試驗(yàn)床料以不規(guī)則形狀石墨顆粒與某電站鍋爐床料嚴(yán)格參照電站鍋爐中的床料粒徑分布摻混。由于石墨顆粒與鍋爐床料物理性質(zhì)相近，混合床料的物理性質(zhì)和原先的底渣十分接近。床層高度400mm，試驗(yàn)床料真實(shí)密度為2231kg/m³，堆積密度為1068kg/m³。床料的粒徑分布如圖3所示。

1.1.3 試驗(yàn)輔助系統(tǒng)

試驗(yàn)送風(fēng)系統(tǒng)主要由大功率空氣壓縮機(jī)和穩(wěn)壓罐組成?？諝鈮嚎s機(jī)額定流量為600m³/h，供氣壓力可達(dá)0.7MPa。一次風(fēng)經(jīng)過(guò)浮子流量計(jì)后從試驗(yàn)臺(tái)下方送入。根據(jù)不同試驗(yàn)要求，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制不同的試驗(yàn)所需風(fēng)量。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)中阻力特性測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)壓管和GM511壓力計(jì)組成，流化特性測(cè)量系統(tǒng)主要包含床層電阻測(cè)量?jī)x及兆歐表（圖4），風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)的可視化測(cè)量系統(tǒng)主要由JVC-高速攝像儀、三腳架及補(bǔ)光光源組成。

1.2.1 試驗(yàn)測(cè)量方法

1）在進(jìn)行阻力特性試驗(yàn)中，將測(cè)壓管垂直于氣流流動(dòng)風(fēng)向并連接GM511壓力計(jì)，通過(guò)測(cè)量各個(gè)工況下風(fēng)帽底部進(jìn)口與風(fēng)帽外罩小孔之間的靜壓差，即可獲得每個(gè)鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性曲線(xiàn)。

2）床層的流化特性采用電阻法測(cè)量。從試驗(yàn)臺(tái)頂部沿半徑方向劃開(kāi)細(xì)縫，將床層電阻測(cè)量?jī)x伸入試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)并在另一頭連接兆歐表。由于床料中摻混的石墨具有良好的導(dǎo)電性（具體電阻值與測(cè)量處的床層空隙率相關(guān)），通過(guò)探測(cè)不同位置的電阻值，即可間接確定床層顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（流化狀態(tài)或擾動(dòng)狀態(tài)）。流化特性試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。測(cè)點(diǎn)的水平節(jié)距為30mm，縱向節(jié)距為50mm。

3）風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)的可視化測(cè)量主要包含冷態(tài)測(cè)量與熱態(tài)測(cè)量工況。測(cè)試時(shí)，將原試驗(yàn)臺(tái)上的亞克力玻璃板取下，跨騎在風(fēng)帽直徑上安裝，只保留料層中的風(fēng)帽外罩小孔，把外面的小孔封死（圖6）。試驗(yàn)中，JVC-高速攝像儀在640×360分辨率下以200幀/s的頻率高速連拍，記錄不同工況下風(fēng)帽附近的流化過(guò)程。

1.2.2 流化料層的電阻值標(biāo)定

為準(zhǔn)確判斷流化與否，本文定義電阻當(dāng)量比P與擾動(dòng)范圍：

式中，P為某一工況下某測(cè)點(diǎn)電阻Ω1與固定電阻Ωg（流化狀態(tài)下物料濃度最低處的電阻值）之比。

床層靜止處P值接近0，床層流化時(shí)電阻值明顯變大。且由于床料中的氣泡運(yùn)動(dòng)，使床層發(fā)生擾動(dòng)，局部空隙率發(fā)生隨機(jī)性的變化，從而使測(cè)量裝置極板間的電阻值發(fā)生較大波動(dòng)。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，在各個(gè)工況下床層靠風(fēng)帽中心明顯可見(jiàn)的流化區(qū)域測(cè)量電阻當(dāng)量比均值Paverage和變化范圍?P，將床層狀態(tài)與Paverage、?P做標(biāo)定，得到如圖7a)所示標(biāo)定曲線(xiàn)，并據(jù)此確定如圖7b)所示的擾動(dòng)范圍。擾動(dòng)范圍為單個(gè)鐘罩式風(fēng)帽能將床層顆粒擾動(dòng)起來(lái)的作用區(qū)域。

1.2.3 試驗(yàn)工況安排

試驗(yàn)中，以各個(gè)風(fēng)帽所屬電站鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的一次風(fēng)量為100%風(fēng)量工況。阻力特性試驗(yàn)以20m³/h為梯度改變風(fēng)量工況，流化特性試驗(yàn)分別為40%、70%、100%風(fēng)量3種工況，具體試驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表2。以風(fēng)帽A為例，在37.94m3/h（40%）、94.85m3/h（100%）、151.76m3/h（160%）風(fēng)量，以及10（冷態(tài)）、100、200、300℃風(fēng)溫條件下，對(duì)其附近氣固流動(dòng)特進(jìn)行可視化冷態(tài)與熱態(tài)測(cè)量。

一次風(fēng)從鐘罩式風(fēng)帽的芯管、內(nèi)芯小孔、環(huán)縫及風(fēng)帽外罩小孔到達(dá)料層并在此流動(dòng)過(guò)程中存在一定的靜壓降。圖8為試驗(yàn)所用風(fēng)帽阻力特性曲線(xiàn)匯總。由圖8可見(jiàn)，風(fēng)帽A與風(fēng)帽B、風(fēng)帽C與風(fēng)帽D隨風(fēng)量變化的阻力特性曲線(xiàn)差異明顯，而風(fēng)帽E與風(fēng)帽F的阻力特性曲線(xiàn)基本相同。因此可以看出，鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性影響因素中，內(nèi)芯小孔的變化比外罩小孔的變化影響大得多。

從圖8還可以看到：3種類(lèi)型風(fēng)帽的阻力特性曲線(xiàn)差異明顯；內(nèi)芯小孔總面積越大，風(fēng)帽阻力隨風(fēng)量的變化曲線(xiàn)越平緩。文獻(xiàn)研究指出，鐘罩式風(fēng)帽內(nèi)芯小孔產(chǎn)生的阻力壓降占整個(gè)風(fēng)帽的50%~70%。因此結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐘罩式風(fēng)帽的其他結(jié)構(gòu)尺寸相差不大時(shí)，內(nèi)芯小孔個(gè)數(shù)或總面積的變化在鐘罩式風(fēng)帽的阻力特性占主導(dǎo)作用。由于風(fēng)帽阻力特性試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)量就是風(fēng)帽在對(duì)應(yīng)鍋爐運(yùn)行中的實(shí)際風(fēng)量，因此風(fēng)帽阻力與布風(fēng)板阻力隨風(fēng)量的變化關(guān)系一致，即本試驗(yàn)中風(fēng)帽的阻力特性規(guī)律可以作為鍋爐布風(fēng)板阻力設(shè)計(jì)與計(jì)算的依據(jù)。

圖9為風(fēng)帽D的流化特性隨風(fēng)量工況變化示意。

由圖9可見(jiàn)，鐘罩式風(fēng)帽的擾動(dòng)范圍輪廓線(xiàn)呈水滴形狀。這是因?yàn)楫?dāng)流化風(fēng)從風(fēng)帽流出后，會(huì)沿阻力最低的路線(xiàn)流動(dòng)，并克服床壓將風(fēng)帽上方的床層顆粒流化起來(lái)。在本試驗(yàn)的全部風(fēng)量工況范圍內(nèi)，風(fēng)帽D的擾動(dòng)范圍在水平方向上大約在220~340mm之間。經(jīng)計(jì)算，隨著風(fēng)量從額定風(fēng)量的40%依次增加到70%、100%，風(fēng)帽D在床層中的擾動(dòng)范圍分別增加了約30%和21.7%。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，隨著試驗(yàn)工況風(fēng)量從40%工況增加到70%和100%負(fù)荷工況對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)風(fēng)量，鐘罩式風(fēng)帽外罩小孔噴射出來(lái)的射流速度分別增加了75%和150%，流化風(fēng)在床層中的穿透力增強(qiáng)；另一方面，射流速度增加后，流化風(fēng)的動(dòng)壓變大，對(duì)床層顆粒的作用力加強(qiáng)，能被流化起來(lái)的床層顆粒粒徑范圍和數(shù)量增加，同時(shí)由于風(fēng)量的升高，流化風(fēng)在床層中擴(kuò)散范圍也隨之變大。

圖10為不同外罩小孔數(shù)的同種類(lèi)型鐘罩式風(fēng)帽E與風(fēng)帽F在各工況下的流化特性對(duì)比。從圖10可以看到，在同一風(fēng)量下風(fēng)帽E與風(fēng)帽F擾動(dòng)范圍基本一致，說(shuō)明風(fēng)帽外罩小孔的總面積變化對(duì)鐘罩式風(fēng)帽的流化特性影響很小。這是因?yàn)楫?dāng)鐘罩式風(fēng)帽的外罩小孔數(shù)從12減少到10后，外罩小孔射流平均速度只增加了近17%，而外罩小孔之間的間距變寬了，且流化風(fēng)在風(fēng)帽中的靜壓降幾乎相等，因而流化風(fēng)在床層中的穿透力變化較小。同時(shí)由于流化風(fēng)量保持不變，當(dāng)流化風(fēng)完全擴(kuò)散并往上流動(dòng)時(shí)，逐漸形成相同的擾動(dòng)范圍。

圖11為不同內(nèi)芯小孔數(shù)的同種類(lèi)型鐘罩式風(fēng)帽A與風(fēng)帽B在各工況下的流化特性對(duì)比。由圖11可見(jiàn)：在同一風(fēng)量下，風(fēng)帽A比風(fēng)帽B的擾動(dòng)范圍大，說(shuō)明隨著風(fēng)帽內(nèi)芯小孔總面積的增加，鐘罩式風(fēng)帽的流化特性變好，擾動(dòng)范圍增加；同時(shí)，內(nèi)芯小孔的變化對(duì)擾動(dòng)范圍的影響比外罩小孔的變化更大。這是因?yàn)轱L(fēng)帽內(nèi)芯小孔總面積是對(duì)鐘罩式風(fēng)帽阻力特性影響最大的關(guān)鍵部位，內(nèi)芯小孔面積越大，同一風(fēng)量下風(fēng)帽阻力越小，流化風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)帽的靜壓降越低，相同風(fēng)速下在床層中具有更大的穿透力和擴(kuò)散力，對(duì)床層顆粒的作用力更大，所以在床層中的擾動(dòng)范圍更大。

2.3.1 冷態(tài)可視化測(cè)量

圖12a)為100%風(fēng)量下A風(fēng)帽附近氣固流動(dòng)特性。由圖12可見(jiàn)，鐘罩式風(fēng)帽附近床層顆粒的擾動(dòng)范圍大致呈下寬上窄的液滴狀，與電阻法所測(cè)擾動(dòng)范圍形狀一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著流化試驗(yàn)進(jìn)行，較大的顆粒逐漸堆積在風(fēng)帽附近最后穩(wěn)定在某一高度，這種現(xiàn)象表明某工況下風(fēng)帽的流化過(guò)程中，只有小于該工況下顆粒臨界流化粒徑（某一風(fēng)量下剛好能被流化的最大顆粒的粒徑）的床料才能夠被流化，而大于此粒徑的顆粒在經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)動(dòng)后堆積在風(fēng)帽附近和床層底部，靜止不動(dòng)或者偶爾翻滾。

圖12b)—12d)分別為40%、100%和160%流化風(fēng)量工況下鐘罩式風(fēng)帽A附近氣固流動(dòng)特性局部圖像。為便于觀察與比較，勾勒出大顆粒堆積高度和擾動(dòng)范圍邊界線(xiàn)。由圖12b)—12d)可見(jiàn)，隨著流化風(fēng)量的從40%增加到70%和100%工況風(fēng)量，大顆粒的堆積高度分別降低了15mm和30mm，約為40%風(fēng)量下堆積高度的6.1%和12.1%。這是由于隨著流化風(fēng)風(fēng)速變大，床層顆粒的臨界流化粒徑增大。當(dāng)流化風(fēng)量從鍋爐額定負(fù)荷風(fēng)量的40%增加到100%時(shí)，擾動(dòng)范圍沿水平半徑上的寬度明顯增大約65mm；而當(dāng)流化風(fēng)量從100%增加到160%時(shí)，擾動(dòng)范圍沿水平半徑上的寬度增加幅度大大降低，僅約6mm。結(jié)合陳娟、JIXY、馮冰瀟等對(duì)鐘罩式風(fēng)帽的小孔射流研究可以知道，風(fēng)帽出口的流化風(fēng)速度增加，射流深度會(huì)增加，在床層中的擴(kuò)散和穿透能力變大，擾動(dòng)范圍增加。當(dāng)擾動(dòng)范圍較大時(shí)，沿水平尺寸小幅度增加就能使流化風(fēng)在豎直方向上的流動(dòng)截面積有較大幅度的增加，為保證擾動(dòng)范圍內(nèi)分布的流化風(fēng)都能夠?qū)⒋矊宇w粒流化起來(lái)，擾動(dòng)范圍增加得越來(lái)越慢。

2.3.2 熱態(tài)可視化測(cè)量

以100%風(fēng)量為等質(zhì)量流量流化風(fēng)對(duì)鐘罩式風(fēng)帽A進(jìn)行熱態(tài)可視化測(cè)量。圖13分別是流化空氣溫度為10、100、200、300℃時(shí)風(fēng)帽A附近氣固流動(dòng)特性瞬態(tài)分布。

由圖13可見(jiàn)：隨著溫度逐漸從10℃升高到300℃，風(fēng)帽沿水平方向的擾動(dòng)范圍幾乎不變，沿半徑方向最大寬度約為165mm，而床層大顆粒的堆積高度降低；流化風(fēng)每升高100℃，床層大顆粒的堆積高度下降大約5mm，占冷態(tài)堆積高度的2.17%。以一般CFB實(shí)際工況的溫度作參考，床層大顆粒的堆積高度可比冷態(tài)下堆積高度低20%左右。由于本試驗(yàn)是以等質(zhì)量流量流化風(fēng)為準(zhǔn)，當(dāng)溫度升高后，流化風(fēng)膨脹體積流量增加，氣流速度加快，流化風(fēng)密度減小。由式(2)可知，風(fēng)帽阻力也會(huì)隨之增加，布風(fēng)板的流化均勻性變好。

式中：x為與v風(fēng)帽出口平均流速對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)，x為隨流速v增加先增大后趨于常數(shù)；s為出口總截面積。

由熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可知，流化風(fēng)溫度升高后大顆粒堆積現(xiàn)象有所改善。這是因?yàn)榇矊又蓄w粒的臨界流化速度隨溫度升高而減小，更多床料被流化起來(lái)，因此床層大顆粒的堆積高度降低。閻維平在對(duì)床層可流化顆粒的研究計(jì)算中也指出，流化風(fēng)溫度升高后可以攜帶更大尺寸的顆粒，即等質(zhì)量流量的流化風(fēng)溫度升高可使床層顆粒的臨界流化粒徑變大。在實(shí)際鍋爐中，床層的溫度比試驗(yàn)中高得多，風(fēng)帽內(nèi)的流化風(fēng)密度（風(fēng)帽阻力）變化與試驗(yàn)結(jié)果相近；而實(shí)際鍋爐中床層顆粒的臨界流化速度會(huì)變得更小，因此風(fēng)帽附近大顆粒的氣固流動(dòng)特性和堆積現(xiàn)象會(huì)比試驗(yàn)結(jié)果有更明顯的改善。綜上所述，提高一次風(fēng)溫度或床溫，鐘罩式風(fēng)帽附近的擾動(dòng)特性變好。

1）風(fēng)帽阻力主要受內(nèi)芯小孔面積的影響。由于采用了按實(shí)際鍋爐運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)帽風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)單一風(fēng)帽阻力特性與實(shí)際鍋爐在該工況運(yùn)行時(shí)的布風(fēng)板阻力基本一致。

2）流經(jīng)單一風(fēng)帽的流化風(fēng)量從額定負(fù)荷風(fēng)量的40%增加到100%時(shí)，鐘罩式風(fēng)帽在床層中的擾動(dòng)范圍增加51.7%左右，床層顆粒的臨界流化粒徑變大，大顆粒床料堆積高度降低18%。

3）鐘罩式風(fēng)帽的擾動(dòng)范圍隨著風(fēng)帽的內(nèi)芯小孔總面積變大而增加，而風(fēng)帽外罩小孔總面積的變化對(duì)風(fēng)帽擾動(dòng)范圍的影響很小。

4）流化風(fēng)溫度升高，布風(fēng)板的流化均勻性變好，床層顆粒的臨界流化風(fēng)速減小，臨界流化粒徑變大，大顆粒床料堆積高度降低，風(fēng)帽對(duì)床料的擾動(dòng)特性變好。

文獻(xiàn)信息

陳子曦,盧嘯風(fēng),范會(huì)勇,龍瀟飛,范立元,劉世榮,王泉海,李建波,亢銀虎.大型循環(huán)流化床鍋爐鐘罩式風(fēng)帽流化特性試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電,2020,49(05):50-57.