循环流化床锅炉新型移动床冷渣器换热特性研究_何自聪.pdf

第 37 卷 第 6 期2022 年 12 月Vol.37 No.6Dec.2022电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2022）06-0494-13 中图分类号：TK223 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2022.059开放科学（资源服务）标识码（OSID）：循环流化床锅炉新型移动床冷渣器换热特性研究何自聪1，卢啸风1，王学深2，甘政2，郑雄1，董中豪1，张戎迪1，王泉海1，亢银虎1，李建波1（1.重庆大学 低品位能源利用技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044；2.四川白马循环流化床示范电站有限责任公司，四川 内江 641005）摘要：对循环流化床锅炉底渣余热回收与利用进行研究，发现存在回收的余热品质不高的问题，提出了错流式移动床技术的 CFB 锅炉底渣余热回收新方案。依据工业试验数据，利用数值模拟方法，研究了错流式移动床级数对气固流动与换热特性的影响。工业试验结果表明，采用双回程布置的错流式移动床冷渣器，在进渣温度为 860 时，冷渣器的出口风温最高可以达到 779，显著提高了余热品质。模拟计算结果表明，三回程错流式移动床冷渣器的出口风温最高可达 839，出渣温度最低可降至约 102，且出口风温、流动阻力和出渣温度存在耦合关系。关键词：循环流化床锅炉；冷渣器；底渣余热回收；出口风温；出渣温度Study on Heat Transfer Characteristics of a New Novel of Bed Slag Cooler in Circulating Fluidized Bed BoilerHE Zi-cong1，LU Xiao-feng1，WANG Xue-shen2，GAN Zheng2，ZHENG Xiong1，DONG Zhong-hao1，ZHANG Rong-di1，WANG Quan-hai1，KANG Yin-hu1，LI Jian-bo1（1.Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems（Chongqing University），Ministry of Education，Chongqing 400044，China；2.Circulating Fluidized Bed Demonstration Power Station Co.，Ltd.，Neijiang 641005，China）Abstract：A novel process of effective waste heat recovery from high-temperature circulating fluidized bed（CFB）boiler bottom ash using the cross-flow moving bed technology was presented in response to the issues with heat recovery from CFB boiler bottom ash.The impact of the cross-flow moving bed s stage on the characteristics of the flow of gas and solids and heat transfer was investigated using data from industrial test experiments and the numerical simulation method.According to the results of an industrial test，when bottom ash was introduced at a temperature of 860 C，the bottom ash cooler s outlet air temperature may be raised to 779 C，收稿日期：2022-12-05作者简介：何自聪（1996），男，硕士研究生，从事高温灰渣余热高效回收技术研究，；卢啸风（1962），男，博士，教授，从事洁净煤燃烧技术及工程应用研究，；王学深（1971），男，本科，高级工程师，从事火电厂管理工作，；甘政（1980），男，本科，高级工程师，从事循环流化床锅炉技术管理工作，；郑 雄（1995），男，工学博士，从事高温散料余热回收利用技术的研究，；董中豪（1998），男，博士研究生，从事循环流化床燃烧技术研究，；张戎迪（2000），男，博士研究生，从事清洁高效煤燃烧技术领域研究，；王泉海（1974），男，博士，讲师，从事污染物形成机理及治理技术研究，W；亢银虎（1985），男，博士，副教授，从事燃烧领域内的基础研究与应用研究，；李建波（1989），男，博士，副教授，从事循环流化床燃烧技术研究，。引文格式：何自聪，卢啸风，王学深，等.循环流化床锅炉新型移动床冷渣器换热特性研究 J.电力学报，2022，37（06）：494-506.DOI：10.13357/j.dlxb.2022.059.第 6 期何自聪，等：循环流化床锅炉新型移动床冷渣器换热特性研究producing high-quality waste heat.The simulation results showed that the three-stage cross-flow moving bed bottom ash cooler can reach a maximum output air temperature of 839 C and a minimum outlet ash temperature of approximately 102 C.Correlations exist among flow resistance，output ash temperature，and outlet air temperature.Key words：circulating fluidized bed boiler（CFBB）；bottom ash cooler；waste heat recovery bottom slag；outlet air temperature；tapping temperature0 引言 目前，在国内外工业生产1-2中，高温散料余热的潜力巨大，对其回收利用有助于实现“双碳”目标。以CFB锅炉为例，其底渣排放量大，且排放的底渣温度高，高温底渣的余热回收潜力很大。如果循环流化床锅炉的底渣余热能全部回收到锅炉，则大型CFB电站锅炉的热效率有望达到甚至超过同容量同参数的煤粉锅炉。传统的循环流化床锅炉底渣余热回收技术主要有：（1）间接水冷技术，其中以滚筒冷渣器3-5最为常见；（2）流化床冷渣器6-7，主要包括鼓泡流化床冷渣器、分选式流化床冷渣器等；（3）采用逆流换热的固定床冷渣器8-9。然而，现有循环流化床冷渣器对余热的回收利用都存在一些不足。例如，电站 CFB 锅炉机组通过滚筒冷渣器3-5回收的热量绝大部分（约 85%）经冷凝器排放至环境，通过流化床冷渣器6-7获得的介质（空气）温度较低，无法被完全利用，且风量大（空气体积/底渣质量约 2 500 m3/t3 000 m3/t）、冷渣风机出口风压高（10 kPa15 kPa），导致风机的能耗大；而固定床冷渣器8-9的阻力较大，风机能耗也较高。传统下排渣逆流换热固定床阻力大、风机能耗高的主要原因是：固定床横截面积有限，为获得较大的冷却能力，不得不采用较厚的料层，导致阻力大，风机能耗高。此外，传统固定床冷渣器还存在如图 1所示的气固换热不均匀问题。图 1中，工况 1（进渣量出渣量），底渣在中间区域堆积，其阻力大于四周阻力，导致中间部分的高温底渣冷却不足；同理，工况 2（进渣量出渣量），四周的高温底渣冷却不足；只有工况 3（进渣量=出渣量），可均匀换热，但在实际运行中很难维持在工况 3。传统的错流式水平移动床冷渣装置（如钢带式冷渣器）具有冷却能力大、冷却介质（空气）阻力低的特点，但由于难以形成逆流换热，导致冷却风量大，平均排风温度低，尤其是部分中低温空气（小于 300）很难就地利用，因此存在余热回收效率不高的问题。基于现有技术的不足及本课题组的前期研究基础，本文提出了多回程错流式薄层物料移动床余热回收技术，其原理如图 2所示，空气-底渣流动及换热方式：高温底渣从上方填充入底渣通道，形成薄层移动床结构，底渣因重力的作用自上而下缓慢移动直至底部排出，在冷渣器底部出口处设置排渣量调节装置（旋转排图 1固定床冷渣器结构简图多回程 Fig.1Simplified diagram of the structure of the fixed bed slag cooler图 2薄层物料错流式换热方法原理图Fig.2Schematic diagram of multi-stage thin-layer ash cross-flow heat exchange method495第 37 卷电力学报渣阀、螺纹排渣机、链式出渣机等），调节出渣流量。由于冷渣器中始终充满底渣，因此调节出渣流量就相当于调节了进渣流量。冷却介质（空气）在气体通道引导下由下往上地往复穿过均匀薄层，整体呈逆流，于出风口处回收。在底渣通道中冷却介质和高温底渣直接接触换热。该技术方案及装置，已获两项中国发明专利。本文所提技术方案，在完成实验室冷态气固流动试验和热态气固换热试验基础上，又在四川白马循环流化床示范电站进行了双回程错流式移动床工业试验。本文重点阐述了采用数值模拟方法对双回程错流式移动床（2CB）、三回程错流式移动床（3CB）的流动特性和换热特性进行了深入研究所取得的成果，为错流式移动床高温底渣余热回收技术的工业应用提供参考。1 工业试验概况 图 3为双回程错流式薄层移动床高温底渣余热回收工业试验装置，该试验装置建立在四川白马循环流化床示范电站有限责任公司内 600 MW 循环流化床锅炉 2号滚筒冷渣器旁，其现场装配实物图和系统图分别如图 3（a）和 3（b）所示。试验装置尺寸依据实验室前期实验研究结果进行设计。装置总高 2 250 mm，宽 675 mm，深 900 mm。装置上设计有两级（程）气固错流段，考虑到空气升温后体积膨胀，为了避免二程气固错流段内气速过高，因此设计一程气固错流段高度 400 mm，二程气固错流段高度 600 mm。气体通道与底渣通道间采用栅板式导流结构，如图 4，栅板间距 80 mm100 mm，目的是防止颗粒进入风道，同时使得空气均匀进入错流段。工业试验装置整体采用耐热不锈钢制造，钢板厚度 5 mm8 mm。外部采用 150 mm200 mm 厚的硅酸铝纤维棉进行保温。硅酸铝纤维棉保温层外侧采用 0.5 mm 厚的铝皮包裹。试验中，来自锅炉的高温底渣，通过冷渣器工业试验装置顶部的闸板阀进入并充满全部底渣通道。通过调节布置在试验装置底部的变频旋转排渣阀的转速，可调节底渣流量。旋转排渣阀的进口尺寸与冷渣器底部排渣口尺寸相同，以确保均匀出料。试验中底渣下移速度通过单位时间的底渣流量计算，底渣流量采用称重法测量：调节冷渣器出口旋转排渣阀的电机转速，待工况稳定后，考虑到方便人工搬运，因此选取 1 min的排渣量（最大可达 30 kg），计算确定底渣流量。图 4栅板式导流装置Fig.4Grid-type deflector图 3双回程错流式移动床工业试验装置Fig.3Two cross-flow moving bed industrial test device496第 6 期何自聪，等：循环流化床锅炉新型移动床冷渣器换热特性研究来自变频风机的室温空气，经笛形管流量计测量后，依次流过 1风室、一程气固错流段、2风室和 3风室、二程气固错流段，最后经 4风室排入锅炉原配滚筒冷渣器