循环流化床锅炉新型返料器H阀的研究
北极星电力网技术频道
作者:佚名
2008/1/23 19:50:10
一、前言
循环流化床锅炉以其燃烧效率高，易于实现炉内脱硫和氮氧化物排放低，可以燃用劣质燃料为特点，日益受到各国的普遍重视和迅速发展物料循环系统是循环流化床锅炉中的重要装置，其中物料返送阀的工作可靠性直接影响着循环流化床锅炉的正常稳定运行，它是将循环物料由压力较低区向压力较高区返送的装置，一般分为机械式（叶轮旋转式）和非机械式（气力控制式），由于循环流化床锅炉的循环物料为高温的灰渣和石灰石，所以目前大多采用在高温下工作可靠、磨损小、控制灵敏的非机械式返料器，如现已实用L型阀、V型阀等，（这些都属于气力控制式的返料器，它们最先应用于化工行业，用于输送化工反应过程的不可燃物料如催化剂等，并且取得了大量的实际运行经验。他们的工作特点是用一股风起到即输送物料又控制物料流量的作用），它们具有结构简单、操作方便的特点。然而循环流化床锅炉的循环物料不同于大多的化工物料，循环物料中含有一定量的碳，具有可燃性，当循环物料在合适的供风范围时完全可以着火燃烧，当热量不能即时转移时，温度就可急剧上升，并可能超过循环灰熔点，发生返料器内结焦，从而影响返料器的正常工作，危及循环流化床锅炉的运行。这种情况在已投运的使用这种返料器的循环流化床锅炉上时有发生，美国的电厂运行人员称这种返料器内结成的焦块为“SandBaby”。本文作者考虑到循环流化床锅炉循环物料具有可燃性，为防止返料器内发生结焦，提出了循环流化床锅炉新型返料器――H阀。其设计思想是将返料器控制物料流量的风和返送物料的风分开，通过调节这两股风的流量来控制返料器内的温度，避免局部温度过高而发生结焦，提高返料器的工作可靠性。二、工作原理图1、为H阀的结构示意图。它由物料进给段、物料返送段、物料流量控制段、流量控制风喷射装置、返料风布风装置及排灰口所组成，采用耐热钢或耐热铸铁结构。H阀的物料进给段顶部的管端与循环流化床锅炉的分离器的下料管相连，循环流化床锅炉的循环物料由此进入物料进给段：布置在物料进给段底部的流量控制风喷射装置由流量控制风喷嘴及风箱组成，控制物料流量的风由压力较高的二次风道引来，从流量控制风喷嘴入物料进给段，高速气流夹带着循环灰通过水平布置的短小的物料流量控制段，根据物料流量控制段的开口大小、长度和高度之比的不同可设计出各种流量和不同调节灵敏度的返料阀，通过调整流量控制风流量可达到调节送物料量的目的；通过物料流量控制段的物料就进入了物料返送段，物料返送段的底部布置了返料风布风装置，它是由若干返料风布风管及风箱组成，每根布风管下部开有若干小孔，由二次风道引来的风以较高的速度通过小孔，再以一定的速度通过布风管的间隙，产生一定的压力降，保证物料进给段的风压大于物料返迷的风压以使物料能顺利通过物料流量控制段进入到物料返送段上部的风，送段上部的风，将物料输送通过返料口返回炉膛，排料口分别布置在物料进给段和物料返送段的下部，并用可开启的盖板密封，用以排放多余的物料和异物。由于H阀的物料流量的控制段短小，流量控制风以低于物料水平流动时的沉降速度流过通过水平的物料流量控制段时就可将循环物料携带进入物料返送段，所以流量控制风量不必很大。这一特性正合乎H阀的热力学要求，因为为防止循环灰发生着火，造成温度急剧升高，从而可能产生结焦，流量控制风量将被控制在不足以使循环灰发生激烈燃烧的范围内，所以要控制流量控制风量，使H阀的物料进给段和物料流量控制段处于缺氧的气氛下工作。这就达到了二者相互协调的目的。在物料返送段，由底部吹入的返料风起到气力输送循环物料的作用，所以要求其内的气体速度大于所输送物料的终端速度，才能实现循环物料的顺利输送。（同时，为防止结焦，即需要较大风量来保证物料送段内处于良好的流化状态）。又需要大风量来冷却循环物料。由此可见，在物料返段供给较大的风量，可以保证H阀物料返送段可靠稳重地工作。调整H阀物料流量控制段的高度H3与长度L3之比可以将H阀设计成常开式和调节式：当Tan-1（h3／L3）≥0时，物料可以由料进给段通过物料流量控制自流进入物料返送段，可见此时的H阀的呈常开状态。当Tan-1（h3／L3）＜0时，物料不能由物料进给段通过物料流量控制段自流进入物料返送段。此时，只有通过供给流量控制风，实现物料由物料进给段向物料返送段的流动，改变流量控制风的流量可以达到控制循环料量的目的，可见此时的H阀呈循环物料量可调节的状态。三、理论分折本文侧重研究了新型返料器H阀的流动特性。假设气――液通过孔口的压降计算式适用于气――固流动，这样H阀中流量控制风与循环物料通过物料流量控制段的压降可以用下式表示，式中US是循环物料通过H阀物料流量控制段的速度，可由下式计算：X是H阀物料流量控制段气固流动中固体质量份额，如下式表示G是物料流量控制段的气固流动的阻力系数气固混合物通过H阀物料流量控制段的压降同时也可由物料进给段和物料返送段两端压力差压来表示，这两端的压力差可由下式表示：ΔP2=BO＋B1．P1＋B2．P2＋B3＋P3＋B4．ΔP4其中：1．P1是循环系统的料腿内固体颗粒产生的压力：P1＝C1（１－ε）．H1．PS式中：C1为与料腿的斜度和摩擦有关的系数，它包含在式4中的系数B1中2．P2是喷射的流量控制风在物料进给段产生的压降：式中：N是流量控制风在物料进给段作用的颗粒个数，可用下式计算：Gd为曳力系数：Gd＝24／Re＋3．6／Re0．313U是流量控制风在这此区段的平均表观速度2．P3为H阀的物料返送段中颗粒和重量产生的压力，可表示为：P3＝H2×（１－ε）×PS式中：εS＝（U／U1）1／nRemf=(33.72 0.0408Ar)0.5-33.74.ΔP4是循环流化床主床给料点与循环系统的料腿最高点的压差，它可以利用已知的几何形状和分离器的工作参数计算获取，本文利用实测数据。根据循环系统的压力应平衡原则可知。ΔP1＝ΔP2四、实验结果分别利用有机玻璃和合金钢制成H阀，装于实验室的冷态热态循环流化床实验台上，实验装置示意图如图2所示，冷态实验分别采用314UM和277UM的石英砂为床料，热态实验采用煤277UM的石英砂为床料。实验结果表明H阀可在其内空料的情况下顺利起动。物料流量控制风中极小部分沿料腿运动，这部分风同时起到增加物料沿料腿向下的流动性。调整H阀物料流量控制段的高度与长度比可以实现H阀的常开状态和可调节状态。在H阀呈可调节工况时，流量控制风的调节对循环物料流量有显著的影响，并且具有调节灵敏的特点。实验过程中分别利和U型玻璃管压差计测量了各段的压差，并在料腿上安装了蝶形阀，通过迅速关闭形阀记录循环物料在其上堆积上一定量所用的时间，可以测得循环物料的流量。利用方程（1）－（2）将实验结果进行回归，得到了方程（4）中的各项系数，回归的结果是令人满意的，相关系数大于0．95。表1和图3所列为方程（1）和（4）的计算结果，由图表可见两者吻合的很好。在各项系数中，B2是B1的22倍，是B3的7倍，是B4的43倍，由此可见物料流量控制风对于控制H阀循环物料流量起着最重要的作用。实验室热态实验结果表明，H阀不易发生返料器内的结焦，阀内温度易于控制，一般在500－8500C，H阀流量调节灵敏，工作可靠，现已放大设计安装在75T／H的循环流化床锅炉上，运行至今表明效果良好。五、结论经过实验室实验和已安装于较大容量的循环流化床锅炉上实际运行结果表明，新型返料器――H阀，可以有效避免返料器内发生结焦，并且具有调节灵敏，操作方便，工作可靠的特点，是一种适合将可燃物料由压力较低区向压力较高区输送的气力控制装置，已取得国家专利。符号说明A1――物料进给段的长度mA2――物料返送段的长度mB――返料器宽度mD--返料器布风管的直径mH0――返料器返料口的高度mH1――返料进给段的高度mH2――流量控制风喷嘴的高度mH3――流量控制段的高度mH2――流量控制风喷嘴的长度mL3――流量控制段的长度kg/sDP――循环物料的平均直径mG5――循环物料的流量m3/sH1――H阀的料腿高度mQS――流量控制风的流量m/sRE――颗粒在速度U下的雷诺数Rems――颗粒在UMF下的雷诺数m/sRET――颗粒在速度UT下的雷诺数U－平均表观气体速度m/sUT――颗粒在终端速度m／SUMF――颗粒的临界流化速度m/sPS――颗粒的真密度KG／M3P－气体的密度mE――空隙率MF――临界流态化时的空隙率mQ――循环物料的休止角参考文献（1）杨励丹鲍亦令吴文渊张子栋赵明泉陆慧林等，一种物料返送器，中国专利，专利号932057713（1）YangLidan,BaoYilingZhangZidongetal,1991,inFLUIDIZATIOMN91--ScienceandTechnology,Kwauk&HasitanlEds,SciencePressBeijing,P134-139.（2）YangLidan,ZhaoHongzhiBaoYilingetal,1989,inMiltiphaseFlowandHeatTRAnsfer2,Chen,Veairogluand,TienEds,HemispherePublishingCorporationP1188-193（3）D国井大藏，0，列文斯比尔，流态化工程，石油化工出版社，1977,P378（4）Massimilla,L1971,inFLUIDZATLON,JF,Davidsonm,D,HarrisonEds,AcademicPress,LondonandNewYokP527图1H阀结构示意图
1-物料进给段2-物料返送段
3-物料流量控制段4-流量控制风喷射装置
5-返料风布风装置6-排灰口
图2试验装置系统示意图
△P1
△P2
159．309
125．975
102.994
97.167
79.520
67.278
56.872
32.670
147.960
142．823
87．217
89．532
40．600
35，275
194．021
184.077
94.725
84.164
125．973
145.499
62．285
80.044
218.588
212.707
205．421
191.200
115.409
12l.233
148.570
156.563
△P1△P260.28774.88543．564
47．336
23.044
19．758
77．785
79．698
46．744
49．746
101．048
105．100
262．780
221．374
76.339
85．196
136．276
137.868
24，306
15.079
54．396
30．326
100．404
83．469
125.573
l15．477
197．334
183．474
245.640
241。586
△P1
△P2
146．544
156.706
257．153
218．297
135．835
198.283
333.048
342．168
328．241
317.518
52.128
51．413
72.626
73.511
86．352
100.430
114.632
137．473
186.774
167．273
125．232
188.053
92．593
110.109
66．257
82.246
51．524
57.450
28．012
26.948
图3△P1和△P2计算结果
来源：中国电站集控运行技术网
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