410th+cfb锅炉循环系统两相流动特性的研究

1、上海交通大学 硕士学位论文 410t/h CFB锅炉循环系统两相流动特性的研究 姓名：王静娟 申请学位级别：硕士 专业：动力工程 指导教师：缪正清;姜鹏志 20090401 上海交通大学工程硕士学位论文 第 I 页 4 1 0 t / h C F B锅炉循环系统两相流动特性的研究 摘 要 本文以某公司一台 4 1 0 t / h 循环流化床锅炉的循环系统为研究对象， 对其进行理论计算与分析，预测其运行性能。本文的第一项研究内容是 炉膛两相流动特性，对炉膛的静压分布、布风板配风的不均匀性、布风 板的阻力特性、风帽的漏渣倾向、以及炉膛轴向空隙率分布进行理论计 算与分析，得出炉膛设计合理的结论，预测其运行可靠。本文的第二项 研究是该 4 1 0 t / h 循环流化床锅炉的回料阀两相流特性。立管料位高度是 反映回料阀运行稳定性与可靠性的一个重要参数。选取回料阀系统控制 体，通过控制体进出口能量守恒和质量守恒方程，建立立管料位高度的 理论计算模型。计算得出立管料位高度随回料阀总通风量增加而降低的 结论，立管高度设计合理，回料阀的运行性能可靠。 关键词：循环流化床锅炉，炉膛，布风板，风帽，空隙率

2、，回料阀，两 相流特性。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 II 页 RESEARCH ON GAS- SOLID FLOW CHARACTERISTICS OF CYCLE SYSTEM IN 410T/H CFB BOILER ABSTRACT Cycle system of the 410t/h circulating fluidized bed boiler is studied in this thesis. Operation performance of the cycle system is predicted through calculation and analysis. The first study of this thesis is furnace gas- solid flow characteristics. Furnance pressure distribution，grid air flow unbalance， pressure drop characteristics of grid，material backflow of air nozzl

3、es，and voidage along vertical direction of the furnace are calculated and analyized. The results revealed that the furnance is designed reasonably and can operate reliably. The second study of this thesis is loopseal gas- solid flow characteristics of the boiler. Solid level of standpipe one important parameter which is related with stability and reliability of solid return system operation.Loopseal is selected as control volumn to be researched on. Through energy and quality conservation equati

4、on of control volumn inlet and outlet, therotical model of standpipe solid level calculation is founded. The calculation indicates that the solid level of standpipe is reduced when loopseal air flow increased. The results also revealed that the height of standpipe is designed reasonably and the solid return system can operate reliably. Keywords: CFB boiler, Furnace, Grid, Air nozzle, voidage，Loop- seal， Gas- solid flow characteristics 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除

5、文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王静娟 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 王静娟 指导教师签名：缪正 清 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 页 第一章 循环流化床锅炉发展和技术特点 1.1. 引言 自从人类开始大规模利用化石燃料作为能源以来，空气污染、气候变暖、海平面上 升已越来越成为影响人类生存环境的严峻问题。利用化石燃料发电所产生的污染物，如 粉尘、N

6、O x 、S O x 、重金属等都已被政府立法控制，温室气体 C O 2 也正逐步被列为需严格 控制的排放物。美国开始投入大量资金研制太阳能等可再生能源来替代化石燃料，欧洲 国家发展生物质燃料作为替代能源。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，在可以预 见的未来，我国以煤炭为主的能源结构尚无法改变。我国的煤炭结构中劣质燃料如煤矸 石、高硫煤等占相当大的比列，这让我国的燃煤火力发电面临能源环境的巨大挑战。循 环流化床锅炉以其燃料灵活性和低污染排放而著称，是一项十分适合我国能源结构的发 电技术。循环流化床锅炉由于其结构特点，配上空气分离装置和二氧化碳清洗装置，就 可以建成绿色的二氧化碳零排放电厂 1 ，适应越来越严格的环境保护要求，有利于人类 的可持续发展。 1.2. 流化床技术及其发展 1.2.1. 流化床技术发展史 1921 年 12 月 6 日，德国人 Fritz Winkler 的一个小型试验标志着“流态化”工艺的 开始2。他在试验中将燃烧产生的烟气引入一个容器底部，容器内装有焦炭颗粒。他观 察到焦炭颗粒被烟气托起，大量的焦炭颗粒如同沸腾的液体。温克勒所发明的流化床使 用粗颗粒床料。

7、 1938 年，Warren Lewis 和 Edwin Gilliland 在麻省理工学院进行研究，试图采用合适 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 页 的气固两相流技术进行催化剂的破碎，而发明了快速流态化工艺。鲁奇公司研究发展了 快速流化床燃煤技术，并将其应用于劣质煤的燃烧。 循环流化床真正具有工业实用价值的新技术是在五六十年代。五十年代， M.W.Kellogg 公司发展并在南非的萨尔伯格建造运行了 Saso 费- 托反应器；六十年代初 期，Douglas Elliot从事鼓泡床燃煤技术研究，他认识到采用床内埋管的流化床燃煤技术 的优越性，并极大促进了该技术的发展。六十年代末，德国鲁奇公司发展并运行了 Lurgi/VAW 氢氧化铝焙烧反应器。1971 年，Reh提出了一个循环流化床的流态图，并描 述了循环流态化的基本特征。1976 年，Yerushalmi 等首次提出了快速流态化的概念，从 而引起了人们对循环流化床技术研究的日益重视，并从 80 年代开始形成了一个循环流 化床基础研究的高峰期。 芬兰的奥斯龙公司在 60 年代末期开始对循环流化床锅炉进行发展。1970 年代，为

8、了焚烧城市垃圾和污泥， 研制了鼓泡床燃烧系统。 1970 年代中期开始调研循环流化床燃 烧技术， 1976 年建设了一个实验工厂来演示该技术，研发成果促成了循环流化床设计技 术和其商业应用。 1979 年 1 月第一台商用循环流化床锅炉投入运行， 其性能表现验证了 CFB 对多燃料的适应性3。 我国对循环流化床的研究是从 50 年代末在中科院化学冶金研究所开始的，此后，特 别是 80 年代末以来，国内各主要高等院校和一些研究所也相继开始循环流化床的研究 开发工作。 1.2.2. 循环流化床锅炉的技术特点 循环流化床燃烧是一种新型的高效、低污染清洁燃煤技术。该技术自 2 0世纪 6 0 年代开始运用以来在世界范围内得到迅速发展，应用范围也从工业流化床锅炉发展到电 站锅炉，锅炉参数也已发展到超临界。在我国，流化床燃烧技术自 1 9 6 5年建成第一台 燃烧油页岩的工业流化床锅炉，便很快得到了推广。目前我国有数千台循环流化床锅炉 正在安装和或已经运行，其中已投运的循环流化床锅炉最大容量达到 3 0 0 M W 。世界上许 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 页 多国家都十分重视这种新型燃煤

9、技术的发展，除了不断完善中小型鼓泡锅炉外，更在大 力发展循环流化床锅炉，在锅炉的大型化和可靠性方面取得了很大的进展。 循环流化床锅炉之所以在较短时间内能够得到迅速的发展和广泛的应用，是因为它 拥有其他类型锅炉所不具备的独特优点，这些优点主要是： 1 、燃料适应性广。虽然循环流化床锅炉的燃烧温度比传统的煤粉炉低，但由于流 化床在运行中具有非常大的热容量，并且床料在流化态燃烧过程中有着十分良好的传 热、传质及混合，因此，它几乎可以燃烧一切种类的燃料并达到较高的燃烧效率。其中 包括高灰份、高水份、低热值、低灰熔点的劣质燃料，如泥煤、褐煤、油页岩、炉渣、 木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等，以及难于点燃和燃尽的低挥发份燃料， 如贫煤、无烟煤、石油焦和焦碳等。实际运行中其不仅能燃烧烟煤、无烟煤、贫煤、褐 煤，而且对造气炉渣、煤矸石、石油焦、洗煤泥、生物质、城市固体垃圾等劣质燃料也 能很好地燃烧。 2 、能够在燃烧过程中有效的控制 N O x和 S O 2的排放。循环流化床锅炉的床温一般 控制在 8 0 0 9 0 0 之间，这是一个理想的脱硫温度区间，采用炉内脱硫技术，向床内加 入石灰石脱硫剂，燃料及脱硫剂经多次循环，反复进行低温燃烧和脱硫反应，加之炉内 湍流运动剧烈，可以使脱硫效率达到 9 0 % 以上，S O2的排放量大大降低。低温的燃烧方式 加上分级送风燃烧，可以大大降低 N Ox的生成和排放。 3 、 负荷调节性能好，负荷调节幅度大，其负荷调节范围可以从 1 0 0 % 到 3 0 % ，在低 负荷下也能保持稳定燃烧。 4 、 由于燃烧温度较低，灰渣不会软化和黏结，燃烧的腐蚀作用也比常规煤粉锅炉 小。低温燃烧所产生的灰渣，具有较好的活性，可以用来制造水泥的掺合料或其它建筑 材料的原料，有利于灰渣的综合利用。 此外，循环流化床锅炉还具有燃烧效率高、炉膛热负荷均匀等优点。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 4 页 1.2.3. 国外循环流化床锅炉公司的发展

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