大型循环流化床锅炉钟罩式风帽流化特性试验研究

循环流化床（CFB）锅炉正朝着大型化、高参数化、超（超）临界的方向快速发展，随着锅炉容量的不断增大，布风板上的布风均匀性变得更加重要。另一方面，近年来可再生能源发电的装机容量逐年增加且运行中有较强的随机性。因此，为促进可再生能源发展，国内对燃煤锅炉机组提出了更高的调峰要求，要求部分锅炉频繁或是长期实现低负荷下稳定燃烧，这降低了布风板的阻力压降。根据大量运行经验与研究，布风板压降为整个床层阻力的25%以上时才可以维持床层的稳定运行。如何适应低负荷运行要求，成为近期电站锅炉燃烧技术的研究重点之一。

风帽作为布风板的重要组成部分之一，其设计好坏与布风板的流化质量密切相关。钟罩式风帽相较其他风帽有阻力特性更好、不易漏渣等优点而广泛应用于电站锅炉中。国内大型CFB锅炉的钟罩式风帽大同小异。但在实际使用过程中发现，不同电站锅炉中风帽的结构、单位布风板面积上的风帽数量和流化性能并不完全相同。尤其是在低负荷运行时，由于布风板阻力较低而频频出现不同程度的结焦、漏渣以及风帽损坏等问题。为解决上述问题，前人对不同类型或尺寸风帽的阻力特性或射流特性进行了系统的研究，但却未见关于钟罩式风帽流化时的扰动范围、气固流动及大颗粒沉积情况的流化特性研究工作的研究文献。

对此，本文在一台小型冷态试验台上，对来自国内几大超临界、亚临界大型CFB电站锅炉布风板上的不同结构和尺寸钟罩式风帽进行了试验研究。通过测量各个风帽在各个工况下的进出口静压降和床层流化情况，获得风帽的结构和尺寸对风帽阻力特性和流化特性的影响规律。

1.1.1 试验台本体及风帽结构参数

试验台主体如图1中序号11所示。试验台箱体结构内部尺寸长宽高为700mm×700mm×1000mm，正面为透明可视且耐压强度较高的亚克力玻璃板，试验台顶部设有除尘装置。空气压缩机以恒定的质量流量输送空气进入稳压罐，形成压力稳定的来流空气，通过风帽将试验台中的床料流化。

普通钟罩式风帽基本结构如图2所示。试验所使用的各个钟罩式风帽分别以A—F编号，结构尺寸见表1。风帽A和风帽B、风帽C和风帽D、风帽E和风帽F分别为来自不同大型CFB锅炉炉内布风板上的同种类型风帽。

由表1可见，风帽A和风帽B、风帽C和风帽D仅内芯小孔数（内芯小孔总面积）不同，风帽E和风帽F仅外罩小孔数不同。6种风帽为结构相似的钟罩式风帽，内芯芯管内径与环缝结构尺寸大小差别不超过12%。

1.1.2 试验床料

试验床料以不规则形状石墨颗粒与某电站锅炉床料严格参照电站锅炉中的床料粒径分布掺混。由于石墨颗粒与锅炉床料物理性质相近，混合床料的物理性质和原先的底渣十分接近。床层高度400mm，试验床料真实密度为2231kg/m³，堆积密度为1068kg/m³。床料的粒径分布如图3所示。

1.1.3 试验辅助系统

试验送风系统主要由大功率空气压缩机和稳压罐组成。空气压缩机额定流量为600m³/h，供气压力可达0.7MPa。一次风经过浮子流量计后从试验台下方送入。根据不同试验要求，通过调节阀控制不同的试验所需风量。试验测量系统中阻力特性测量系统主要由测压管和GM511压力计组成，流化特性测量系统主要包含床层电阻测量仪及兆欧表（图4），风帽附近气固流动的可视化测量系统主要由JVC-高速摄像仪、三脚架及补光光源组成。

1.2.1 试验测量方法

1）在进行阻力特性试验中，将测压管垂直于气流流动风向并连接GM511压力计，通过测量各个工况下风帽底部进口与风帽外罩小孔之间的静压差，即可获得每个钟罩式风帽的阻力特性曲线。

2）床层的流化特性采用电阻法测量。从试验台顶部沿半径方向划开细缝，将床层电阻测量仪伸入试验台内并在另一头连接兆欧表。由于床料中掺混的石墨具有良好的导电性（具体电阻值与测量处的床层空隙率相关），通过探测不同位置的电阻值，即可间接确定床层颗粒运动状态（流化状态或扰动状态）。流化特性试验测点分布如图5所示。测点的水平节距为30mm，纵向节距为50mm。

3）风帽附近气固流动的可视化测量主要包含冷态测量与热态测量工况。测试时，将原试验台上的亚克力玻璃板取下，跨骑在风帽直径上安装，只保留料层中的风帽外罩小孔，把外面的小孔封死（图6）。试验中，JVC-高速摄像仪在640×360分辨率下以200帧/s的频率高速连拍，记录不同工况下风帽附近的流化过程。

1.2.2 流化料层的电阻值标定

为准确判断流化与否，本文定义电阻当量比P与扰动范围：

式中，P为某一工况下某测点电阻Ω1与固定电阻Ωg（流化状态下物料浓度最低处的电阻值）之比。

床层静止处P值接近0，床层流化时电阻值明显变大。且由于床料中的气泡运动，使床层发生扰动，局部空隙率发生随机性的变化，从而使测量装置极板间的电阻值发生较大波动。结合试验现象，在各个工况下床层靠风帽中心明显可见的流化区域测量电阻当量比均值Paverage和变化范围∆P，将床层状态与Paverage、∆P做标定，得到如图7a)所示标定曲线，并据此确定如图7b)所示的扰动范围。扰动范围为单个钟罩式风帽能将床层颗粒扰动起来的作用区域。

1.2.3 试验工况安排

试验中，以各个风帽所属电站锅炉满负荷运行时的一次风量为100%风量工况。阻力特性试验以20m³/h为梯度改变风量工况，流化特性试验分别为40%、70%、100%风量3种工况，具体试验工况参数见表2。以风帽A为例，在37.94m3/h（40%）、94.85m3/h（100%）、151.76m3/h（160%）风量，以及10（冷态）、100、200、300℃风温条件下，对其附近气固流动特进行可视化冷态与热态测量。

一次风从钟罩式风帽的芯管、内芯小孔、环缝及风帽外罩小孔到达料层并在此流动过程中存在一定的静压降。图8为试验所用风帽阻力特性曲线汇总。由图8可见，风帽A与风帽B、风帽C与风帽D随风量变化的阻力特性曲线差异明显，而风帽E与风帽F的阻力特性曲线基本相同。因此可以看出，钟罩式风帽的阻力特性影响因素中，内芯小孔的变化比外罩小孔的变化影响大得多。

从图8还可以看到：3种类型风帽的阻力特性曲线差异明显；内芯小孔总面积越大，风帽阻力随风量的变化曲线越平缓。文献研究指出，钟罩式风帽内芯小孔产生的阻力压降占整个风帽的50%~70%。因此结合试验结果可以发现，当钟罩式风帽的其他结构尺寸相差不大时，内芯小孔个数或总面积的变化在钟罩式风帽的阻力特性占主导作用。由于风帽阻力特性试验时的风量就是风帽在对应锅炉运行中的实际风量，因此风帽阻力与布风板阻力随风量的变化关系一致，即本试验中风帽的阻力特性规律可以作为锅炉布风板阻力设计与计算的依据。

图9为风帽D的流化特性随风量工况变化示意。

由图9可见，钟罩式风帽的扰动范围轮廓线呈水滴形状。这是因为当流化风从风帽流出后，会沿阻力最低的路线流动，并克服床压将风帽上方的床层颗粒流化起来。在本试验的全部风量工况范围内，风帽D的扰动范围在水平方向上大约在220~340mm之间。经计算，随着风量从额定风量的40%依次增加到70%、100%，风帽D在床层中的扰动范围分别增加了约30%和21.7%。这是因为在其他条件不变的情况下，随着试验工况风量从40%工况增加到70%和100%负荷工况对应的试验风量，钟罩式风帽外罩小孔喷射出来的射流速度分别增加了75%和150%，流化风在床层中的穿透力增强；另一方面，射流速度增加后，流化风的动压变大，对床层颗粒的作用力加强，能被流化起来的床层颗粒粒径范围和数量增加，同时由于风量的升高，流化风在床层中扩散范围也随之变大。

图10为不同外罩小孔数的同种类型钟罩式风帽E与风帽F在各工况下的流化特性对比。从图10可以看到，在同一风量下风帽E与风帽F扰动范围基本一致，说明风帽外罩小孔的总面积变化对钟罩式风帽的流化特性影响很小。这是因为当钟罩式风帽的外罩小孔数从12减少到10后，外罩小孔射流平均速度只增加了近17%，而外罩小孔之间的间距变宽了，且流化风在风帽中的静压降几乎相等，因而流化风在床层中的穿透力变化较小。同时由于流化风量保持不变，当流化风完全扩散并往上流动时，逐渐形成相同的扰动范围。

图11为不同内芯小孔数的同种类型钟罩式风帽A与风帽B在各工况下的流化特性对比。由图11可见：在同一风量下，风帽A比风帽B的扰动范围大，说明随着风帽内芯小孔总面积的增加，钟罩式风帽的流化特性变好，扰动范围增加；同时，内芯小孔的变化对扰动范围的影响比外罩小孔的变化更大。这是因为风帽内芯小孔总面积是对钟罩式风帽阻力特性影响最大的关键部位，内芯小孔面积越大，同一风量下风帽阻力越小，流化风经过风帽的静压降越低，相同风速下在床层中具有更大的穿透力和扩散力，对床层颗粒的作用力更大，所以在床层中的扰动范围更大。

2.3.1 冷态可视化测量

图12a)为100%风量下A风帽附近气固流动特性。由图12可见，钟罩式风帽附近床层颗粒的扰动范围大致呈下宽上窄的液滴状，与电阻法所测扰动范围形状一致。同时发现，随着流化试验进行，较大的颗粒逐渐堆积在风帽附近最后稳定在某一高度，这种现象表明某工况下风帽的流化过程中，只有小于该工况下颗粒临界流化粒径（某一风量下刚好能被流化的最大颗粒的粒径）的床料才能够被流化，而大于此粒径的颗粒在经过一系列运动后堆积在风帽附近和床层底部，静止不动或者偶尔翻滚。

图12b)—12d)分别为40%、100%和160%流化风量工况下钟罩式风帽A附近气固流动特性局部图像。为便于观察与比较，勾勒出大颗粒堆积高度和扰动范围边界线。由图12b)—12d)可见，随着流化风量的从40%增加到70%和100%工况风量，大颗粒的堆积高度分别降低了15mm和30mm，约为40%风量下堆积高度的6.1%和12.1%。这是由于随着流化风风速变大，床层颗粒的临界流化粒径增大。当流化风量从锅炉额定负荷风量的40%增加到100%时，扰动范围沿水平半径上的宽度明显增大约65mm；而当流化风量从100%增加到160%时，扰动范围沿水平半径上的宽度增加幅度大大降低，仅约6mm。结合陈娟、JIXY、冯冰潇等对钟罩式风帽的小孔射流研究可以知道，风帽出口的流化风速度增加，射流深度会增加，在床层中的扩散和穿透能力变大，扰动范围增加。当扰动范围较大时，沿水平尺寸小幅度增加就能使流化风在竖直方向上的流动截面积有较大幅度的增加，为保证扰动范围内分布的流化风都能够将床层颗粒流化起来，扰动范围增加得越来越慢。

2.3.2 热态可视化测量

以100%风量为等质量流量流化风对钟罩式风帽A进行热态可视化测量。图13分别是流化空气温度为10、100、200、300℃时风帽A附近气固流动特性瞬态分布。

由图13可见：随着温度逐渐从10℃升高到300℃，风帽沿水平方向的扰动范围几乎不变，沿半径方向最大宽度约为165mm，而床层大颗粒的堆积高度降低；流化风每升高100℃，床层大颗粒的堆积高度下降大约5mm，占冷态堆积高度的2.17%。以一般CFB实际工况的温度作参考，床层大颗粒的堆积高度可比冷态下堆积高度低20%左右。由于本试验是以等质量流量流化风为准，当温度升高后，流化风膨胀体积流量增加，气流速度加快，流化风密度减小。由式(2)可知，风帽阻力也会随之增加，布风板的流化均匀性变好。

式中：x为与v风帽出口平均流速对应的阻力系数，x为随流速v增加先增大后趋于常数；s为出口总截面积。

由热态试验结果可知，流化风温度升高后大颗粒堆积现象有所改善。这是因为床层中颗粒的临界流化速度随温度升高而减小，更多床料被流化起来，因此床层大颗粒的堆积高度降低。阎维平在对床层可流化颗粒的研究计算中也指出，流化风温度升高后可以携带更大尺寸的颗粒，即等质量流量的流化风温度升高可使床层颗粒的临界流化粒径变大。在实际锅炉中，床层的温度比试验中高得多，风帽内的流化风密度（风帽阻力）变化与试验结果相近；而实际锅炉中床层颗粒的临界流化速度会变得更小，因此风帽附近大颗粒的气固流动特性和堆积现象会比试验结果有更明显的改善。综上所述，提高一次风温度或床温，钟罩式风帽附近的扰动特性变好。

1）风帽阻力主要受内芯小孔面积的影响。由于采用了按实际锅炉运行工况对应的风帽风量进行测试，所测单一风帽阻力特性与实际锅炉在该工况运行时的布风板阻力基本一致。

2）流经单一风帽的流化风量从额定负荷风量的40%增加到100%时，钟罩式风帽在床层中的扰动范围增加51.7%左右，床层颗粒的临界流化粒径变大，大颗粒床料堆积高度降低18%。

3）钟罩式风帽的扰动范围随着风帽的内芯小孔总面积变大而增加，而风帽外罩小孔总面积的变化对风帽扰动范围的影响很小。

4）流化风温度升高，布风板的流化均匀性变好，床层颗粒的临界流化风速减小，临界流化粒径变大，大颗粒床料堆积高度降低，风帽对床料的扰动特性变好。

文献信息

陈子曦,卢啸风,范会勇,龙潇飞,范立元,刘世荣,王泉海,李建波,亢银虎.大型循环流化床锅炉钟罩式风帽流化特性试验研究[J].热力发电,2020,49(05):50-57.