第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤粉炉的重要方面。

随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作，有的已经形成商业化产品使用的设计导则。

但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉膛传热计算方法，因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。

清华大学对CFB锅炉炉膛传热作了深入的研究，长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对CFB锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。根据已公开发表的文献报导，考虑工程上的方便和可行，本章根椐清华大学提出的方法，进一步分析整理，作为我们研究的基础。为了了解CFB锅炉传热计算发展过程，也参看了巴苏的传热理论和计算方法，浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。

4.1 清华的传热理论及计算方法

4.1.1 循环流化床传热分析

CFB锅炉与煤粉锅炉的显著不同是CFB锅炉中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度Cp

大大高于煤粉炉，而且炉内各处的浓度也不一样，它对炉内传热起着重要作用。为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度Cp，此处浓度可由外循环倍率求出。而炉膛不同高度的物料浓度则由内循环流率决定，它沿炉膛高度是逐渐变化的，底部高、上部低。近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势，使边壁下降流减少了辐射换热系数；水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换，同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致，综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强，总辐射换热系数明显提高。在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用不同的计算式。物料浓度Cp对辐射传热和对流传热都有显著影响。燃烧室的平均温度是床对受热面换热系数的另一个重要影响因素。床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数。虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数，在循环流化床锅炉条件下，燃烧室内部的物料颗粒粒径变化较小，在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大，在进行满负荷传热计算时可以忽略，但在低负荷传热计算时，应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力。

炉内受热面的结构尺寸，如鳍片的净宽度、厚度等，对平均换热系数的影响也是非常明显的。鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响；另一方面，宽度与扩展受热面的利用系数有关。根

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第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

据实验研究，可以归纳出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数的计算方法。

CFB锅炉炉膛受热面的吸热量按下式计算：

QKHT

式中 Q——传热量，W；

K——基于烟气侧总面积的传热系数，W/m2·K； T——温差，K； H——烟气侧总面积，m2。 4.1.2 受热面结构尺寸对传热的影响

(4-1)

传热系数K按式(4-2)计算，其中分母包括四部分热阻：烟气侧热阻热面本身热阻

1；工质侧热阻和受b1fHt；1；以及附加热阻as。 Hf

(4-2)

K1

111HtasfHfb式中

——烟气侧向壁面总表面的名义换热系数，W/m2·K； bf——工质侧换热系数，W/m2·K，可按苏1973年热力计算标准求取；

Ht——烟气侧总面积，m2； Hf——工质侧总面积，m2；

as——附加热阻， m2·K/W； 1——管子厚度，m；

——受热面金属导热系数，W/m2·K；

[P(1)1]bb

1sbHfm； Ht (4-3)

式中 P——鳍片面积系数，PHfin——鳍片面积，m2；

Ht——受热面外部面积，m2。

PHfmsd Hts1(1)d267

(4-4)

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s, d——管子节距、外径，m，见图4-1。

——鳍片利用系数，

th(h) h (4-5)

式中 ——与受热面受热情况、膜式壁鳍片结构尺寸和材料等

有关，可表示为

Nb(h)

(1sb) (4-6)

式中 N——受热情况，单面受热N=1，双面受热N=2；

h——实际鳍片高度 图4-1 炉膛受热面结构简图

hsd 2 (4-7)

——鳍片厚度，m；

s——受热面污染系数，取为0.0005；

h’——折算高度，m：

hh (4-8)

h”——有效高度，m：

hh N(4-9)

根据实验和运行数据，可得到鳍片宽度系数与结构尺寸的关系：

ss0.1659+0.3032+0.8608

ddαb——烟气侧换热系数，见式(4-15)：

2 (4-10)

as——附加热阻，在计算耐火材料涂层受热面时考虑：

asa a (4-11)

a——受热面耐火层厚度，m；

a——受热面耐火层导热系数，W/m·K，按式(4-12)计算：

aa0a1Ta

68

(4-12)

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式中 a0、a1——系数；

Ta——耐火层平均温度，K，按式(4-13)计算：

Ta(TbTw)/2

式中 Tb——烟气侧温度，K；

Tw——受热面壁面温度，K，见式(4-17)： 受热面外内面积比为

(4-13)

Ht2s(2)1 11Hfd21式中 1——管壁厚度，m；

s——管节距，m；

(4-14)

——鳍片厚度，m。

4.1.3 CFB锅炉烟气侧换热系数b

炉膛烟气物料两相混合物向壁面的换热包括对流和辐射两部分，按两者的线性叠加，则有

brC

式中 r——辐射换热系数，W/m2·K，见式(4-16)：

(4-15)

c——对流换热系数，W/m2·K，见式(4-26)：

2r(TbTw)(Tb2Tw)

(4-16)

式中 ——Boltzmann常数；

Tw——水冷壁管壁温度，按式(4-17)计算：

TwTfTw

式中 Tf——受热面内工质温度，K。

水冷壁管壁内外侧温差

(4-17)

H1000Tw0.7N0.7TbTffin

Hff式中 Tb——烟气侧温度，K；

Tf——受热面内工质温度，K； N——受热情况，1或2； w——导热影响系数，

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w (4-18)

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w=0.2+0.007

式中 ——金属导热系数，W/m2·K；

壁面与烟气侧的系统黑度可写作式(4-20)的形式：

111 b1w式中 b——烟气侧黑度，按式(4-21)计算：

w——壁面黑度，一般为0.5~0.8。

在气固两相中，烟气侧黑度包括颗粒黑度和烟气黑度两部分：

bpgpg

式中 p——固体物料黑度，由式(4-22)计算：

pppps(1ps(12s s)Bps)B(1p s)B式中 B——系数，各向同性反射时为0.5，漫反射颗粒为

23，本文中取为23； ps——物料表面平均黑度，与固体颗粒的浓度有关，可表示为

pBs1expCεCp

式中 C——常数；C为0.1~0.2；

Cp——物料空间浓度，kg/m3。

g——烟气黑度，由式(4-24)计算：

g1expkgsg

烟气辐射减弱系数k可按下式简单计算：

k0.552rH2OTg0.11b2000r s

式中，rH2O——烟气中水蒸气份额；

r——烟气中三原子气体份额；

sg——烟气辐射厚度，近似为下降流厚度，m。 对流换热系数由烟气对流和颗粒对流两部分组成，即

gccpc

70

(4-19)

(4-20)

(4-21)

(4-22)

(4-23)

(4-24)

(4-25)

(4-26)

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式中

K，计算见式(4-27)； cg——烟气对流换热系数，W/m2·

cp——颗粒对流换热系数，计算见式(4-28)。

cgCcgvf0.7

g式中 Cc——烟气对流系数，4~6J/m3·K；

(4-27)

vf——烟气速度，m/s。

cpCcp(vf)0.5cp

0 (4-28)

式中 vf——烟气速度，m/s，该项为颗粒对流强度与颗粒粒径的直接修正；

cp——初始流态条件下颗粒对流理论换热系数，其值与颗粒的粒度、温度、受热面布

0

置有关；

Ccp——颗粒对流系数，按式(4-29)计算：

Ccp1expCpcCpn1

式中 Cpc——颗粒系数，0.01~0.02；

Cp——炉膛局部物料浓度，kg/m3； n1——常数，0.85~1.25。

根据第二章中上部快速床的分析，则受热面所在位置的浓度与其高度位置密切相关，用于传热的平均浓度关联到受热面的平均高度，则双面水冷壁、屏过、屏再局部物料浓度Cp按式(4-30)计算：

(4-29)

Cp42CppHltHpzHexplt2.8exp2.84.2CppHpz772.0(4-30) 式中 Cpp——实际温度下炉膛出口

处特征物料浓度，据图4-2选定，并根据经验予以修正。

Hlt——炉膛总高度，m； Hpz——双面水冷壁屏再或屏

过总高度，m。

水冷壁物料浓度Cp按式(4-31)计算：

特征携带量kg/m3；该数值可以根

1.51.00.50.02.03.04.05.0流化速度 m/s6.07.0图4-2 特征携带量 71

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Cp42Hdhexplt2.8exph12.84.2Cpp (4-31)

Hlth1dh77Cpp式中 h1——炉膛下部冷灰斗锥体计算高度(从布风板算起)，m；

dh——梯形段上直段耐火层高度，m。

4.1.4 按清华方法对一台440 t/h 贫煤CFB锅炉的计算

用清华方法对按某国外引进程序设计的锅炉输入数据及计算结果进行了分析校核，以便了解影响传热的因素和影响关系。该炉为燃烧贫煤的440 t/h CFB锅炉，100%，、50%负荷的计算结果见表4-1~表4-4。

此外，按清华方法对一台440 t/h 无烟煤、440 t/h 烟煤、480 t/h褐煤CFB锅炉炉膛也进行了同样的传热计算，结果示于表4-10。 4.1.5 100%负荷全炉膛传热量计算结果的校核

在上节中已经求出水冷壁、双面水冷壁、屏过、屏再四部分受热面所吸收的热量。其和应等于锅炉热平衡计算中在炉内的传热量。

以新乡440 t/h锅炉主循环回路作为对象，热平衡炉内传热量Q1：

Q1Bj(Qnet,ar100q3q4q6Ifh) QkIffIyx100q4(4-32)

1000.530.30.99551105.6254922076.52561114392.17

1003508501638283051650kJ/h

833051650其中

1000231.4MW

36000ΠIrk QkB(ltzf)L0lk

(4-33)

(1.20.050.06)(12)(4824.1816)(0.050.06)34.34.18

2060.6815.82076.5kJ/kg

式中 Iff——回料器及冷渣器反回风带入的热量，kJ/kg；

——主循环回路出口(分离器出口)烟气焓，烟温883 ℃查温焓表，当过量空气系数Iyx2665=1.2时，Iyx.044.181611144.2kJ/kg。

Ifh——离开主循环回路(分离器出口)的飞灰带走的热焓，kJ/kg

Ifhafh

AarAsh100100Cfh kJ/kg 100100-Cfh100-q472

(4-34)

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式中 αfh ——飞灰份额，%；

Aar ——燃料中灰份，%； Ash ——加石灰石产生的灰份； Cfh ——飞灰可燃物含量，%； (Cυ) fh——飞灰热烩，kJ/kg。 将具体数据代入式(3-34)后得：

Ifh0.518.464.210010080592.17 kJ/kg

100100-15100-2.97炉膛传热计算中炉内四种受热面总的吸热量为：

129.29MW(水冷壁)+25.59MW(水冷屏)+46.94MW(屏过)+34.15MW(屏再)=235.97MW，该数值与炉内热平衡计算的传热量232.66 MW相差小于1.5%，故可以结束计算。 4.1.6 低负荷传热计算

一般的，煤粉炉当处于低负荷运行时，相对于正常负荷时，炉膛中的水冷壁受热面显得过大，导致炉内温度水平大大降低，炉膛出口温度也下降。为了维持低负荷时汽温仍保持在额定范围内，在设计锅炉时，除了额定工况的计算外，还必须进行70%、50%负荷的计算，这时一般要大大增加过热器及再热器受热面，以保证低负荷时温压大大降低的情况下仍能达到汽温的要求。

但对于循环流化床锅炉，低负荷时，烟气流速减小，烟气携带固体的能力下降，可使理论燃烧温度上升(参照下一节)，从而可以弥补由于在低负荷时相对于正常负荷时过大的水冷壁受热面而造成的烟气过度冷却。同时，也可以降低水冷壁的传热系数，使炉膛出口温度较少变化，从而维持过热汽温达到额定值。

低负荷传热计算一般进行75%和50%额定负荷计算。下面讨论几个工况参数的变化情况。

 (1) 床层温度cc和炉膛出口温度lt100%负荷时由于内外物料循环流量较高，炉膛上下乃至于整个主循环回路的温度基本一致。但低负荷时炉内，物料循环流率显著降低，趋向于鼓泡床，故床层温度显著高于炉膛出口温度。这时为了求得床层温度，就得进行分段计算，进行密相区传热计算。而为了求得炉膛出口温度仍可以进行全炉膛计算。

(2) 密相区燃烧率

为了进行分段计算，就需要知道密相区的燃烧率、上升和下降的物料量和物料温度。经分析，低负荷时燃烧工况向鼓泡床转化，故燃烧率a应大于正常运行时的m。以100 MWe级CFB锅炉为例，正常运行时取m0.47，低负荷时取a0.6。

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第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

(3) 上升与下降循环物料的温差

考虑循环物料量降低，故上升与下降物料的温差也应减小，取为3℃。 (4) 烟气速度u0

烟气速度受煤耗量Bj和烟气体积(由于α增加，体积增加)和烟气温度Qpj的影响，一般低负荷时烟气速度下降。以100 MWe机组为例，100%负荷时u0=5.68 m/s；75%负荷时u0=3.81 m/s；50%负荷时u0=3.18 m/s。

(5) 上升的循环物料量

由于负荷降低，分离器效率降低，故循环物料量也相应比满负荷时要降低。降低多少可以通过校核计算求知。就是说，根据锅炉说明书给出低负荷时的床温θ的床温来反求循环物料量。

至于下降和上升的循环物料量比m也只能通过校核计算求得。

从50%负荷实际计算看出密相区燃烧率变化对物料浓度影响不大，而改变下降与上升的物料量比m值则对物料浓度影响很敏感。m减少，则物料浓度Cp减小很多。

物料浓度除按上述校核计算求取外，可按式(4-35)计算。

cc或根据实际运行时测出

Cp2.83Gs u0 (4-35)

Gs可由资料根据烟气速度求取，例如图5-2。假定烟气速度为3.18 m/s，则Gs≈7，则

Cp2.8376.23 kg/m3。 3.18(6) 分离器分离效率η

低负荷时由于烟气量减少，则分离器进口烟气速度降低，因而使分离器效率降低，从而导致循环量GLC和物料浓度Cp减少。

(7) 烟气辐射层厚度s

烟气辐射层厚度sg随着负荷的下降而下降，可参照资料计算，但它对传热影响不是很大。以440 t/h锅炉为例所进行的50%负荷全炉膛计算结果见表4-1~表4-4。其中4种受热面总计传热量为55.36+13.02+24.78+18.80=111.96 MW；而根据热平衡计算炉内传热量为119.55 MW，误差为6%。表4-5为相关的440 t/h锅炉50%负荷性能参数计算结果。

由于床层温度是可控制量，因此计算中通常假定某个低于满负荷的温度作为计算依据。以此为基础，进行炉膛传热计算，得到炉膛出口烟气温度。为便于计算，在积累了大量经验的基础上，低负荷计算可以根据经验确定床底温度，第五章表5-11给出了经验总结结果，是可以用于设计计算的。

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第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-1 某440t/h CFB锅炉100% 、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算 项 目 烟气速度 床侧温度 受热面内工质温度 管节距 管外径 鳍片厚度 管壁厚 物料浓度 炉膛总高度 炉膛下部计算高度 梯形段上直段耐火层高度 局部物料空间浓度 颗粒对流理论换热系数 烟气中水蒸汽份额 烟气中三原子气体份额 烟气侧水冷壁总面积 工质侧换热系数 实际设计运行系数* 受热面受热情况 烟气辐射厚度 壁面黑度 受热面金属导热系数 受热面壁面污染系数 受热面耐火层厚度 涂层水冷壁面积 常数 Boltzmann常数 烟气对流系数* 鳍片宽度系数* 耐火材料系数A 耐火材料系数B

ε符号 Vf Tb Tf Sj d δ δ1 CPP Hlt Hpg Hnh Cp 0 cp单位 m/s K K m m m m kg/m3 m m m kg/m3 W/m2·K % % m2 W/m2·K 1±0.2 单面1、双面2 m W/m2·K m2·K/W m m2 1/2~2/3 W/m2·K4 75

100%负荷 5.68 1185 613 0.09 0.06 0.006 0.0065 1.72 39.41 5.5 0.45 22.46 100 0.064 0.15 1203 15000 1 1 0.2 0.8 40.39 0.0005 100 360.7 2/3 5.67E-08 5 0.942325 2.5 0.00025 50%负荷 3.18 1012 613 0.09 0.06 0.006 0.0065 0.73 39.41 5.5 0.45 9.56 100 0.064 0.15 1203 15000 1 1 0.1 0.8 40.39 0.0005 100 360.7 2/3 5.67E-08 5 0.942325 2.5 0.00025 rH2O r∑ Ht αf Xiu N S w λ εs δa B ζ Cgc μ a0 a1 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-1 某440t/h CFB锅炉100%、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算 项 目 颗粒对流系数 颗粒对流理论换热系数 烟气对流换热系数 对流换热系数 烟气辐射减弱系数 物料表面平均黑度 固体物料黑度 烟气黑度 床层黑度 系统黑度 受热面管壁温差 管外壁温度 辐射换热系数 换热系数 鳍片高度 折算高度* 有效高度* 鳍片厚度系数* 折算厚度* 参数 鳍片利用系数 鳍片面积比(P) 名义床侧换热系数 受热面内外面积比 壁面平均温度* 受热面内外温差* 受热面耐火层平均温度* 受热面耐火层导热系数* 附加热阻 传热系数 光管水冷壁受热面吸热量 涂层水冷壁传热系数 涂层水冷壁吸热量 水冷壁受热面总吸热量

符 号 单 位 W/m2·K W/m2·K W/m2·K K K W/m2·K W/m2·K m m m W/m2·K K K K W/m2·K W/m2·K MW W/m2·K MW MW 76

100%负荷 0.236 56.306 16.866 73.172 0.08656 0.74161 0.90490 0.01716 0.90653 0.73904 13.767 626.767 136.432 209.604 0.01500 0.01592 0.01592 0.04333 0.00026 4.05466 0.99861 0.25370 189.654 1.602 619.884 572.000 905.884 2.657 0.03814 180.490 124.20 23.157 4.778 128.976 50%负荷 0.108 19.325 11.237 30.563 0.15146 0.53498 0.80993 0.01503 0.81279 0.67553 9.604 622.604 88.390 118.953 0.01500 0.01592 0.01592 0.04333 0.00026 3.11917 0.99918 0.25370 112.252 1.602 617.802 399.000 817.302 2.635 0.03845 108.977 52.31 21.218 3.054 55.362 Ccp cp cg αc k sp εp εg εb ε Tw Tw αr αb h h’ h” v δ’ β η Hfin/Ht  bHt/Hf Tw_ T Ta_ λa εas K Qgg K Qtc Q 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-2 某440t/h CFB锅炉100%、 50% 负荷双面水冷壁全炉膛传热计算 项 目 烟气速度 床侧温度 受热面内工质温度 管节距 管外径 鳍片厚度 管壁厚 物料浓度 炉膛总高度 双面水冷壁总高度 局部物料空间浓度 颗粒对流理论换热系数 烟气中水蒸汽份额 烟气中三原子气体份额 烟气侧水冷壁总面积 工质侧换热系数 实际设计运行系数* 受热面受热情况 烟气辐射厚度 壁面黑度 受热面金属导热系数 受热面壁面污染系数 受热面耐火层厚度 涂层水冷壁面积 常数 Boltzmann常数 鳍片宽度系数* 耐火材料系数A 耐火材料系数B 烟气对流系数*

ε单 位 Vf Tb Tf Sj d δ δ1 CPP Hlt Hss Cp 0 cp符 号 m/s K K m m m m kg/m3 m m kg/m3 W/m2·K % % m2 W/m2·K 1±0.2 单面1、双面2 m 0.5~0.8 W/m2·K m2·K/W m m2 1/2~2/3 W/m2·K4 W/m2·K，4~5 77

100%负荷 5.68 1185 613 0.0727 0.06 0.006 0.0065 1.72 39.41 27 14.737 100 0.064 0.15 260 15000 1 2 0.8 0.8 40.39 0.0005 100 14.8 0.5 5.67E-08 0.98 2.5 0.00025 5 50%负荷 3.18 1058 613 0.0727 0.06 0.006 0.0065 0.73 39.41 27 6.272 100 0.064 0.15 260 15000 1 2 0.4 0.8 40.39 0.0005 100 14.8 0.5 5.67E-08 0.98 2.5 0.00025 5 rH2O r∑ Ht αf Xiu N S w λ εs δa B ζ μ a0 a1 Ccg 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-2 某440t/h CFB锅炉100%、50%负荷双面水冷壁全炉膛传热计算 项 目 颗粒对流系数 颗粒对流理论换热系数 烟气对流换热系数 对流换热系数 烟气辐射减弱系数 物料表面平均黑度 固体物料黑度 烟气黑度 床层黑度 系统黑度 受热面管壁温差 管外壁温度 辐射换热系数 换热系数 鳍片高度 折算高度* 有效高度* 鳍片厚度系数* 折算厚度* 参数 鳍片利用系数 鳍片面积比(P) 名义床侧换热系数 受热面内外面积比 壁面平均温度* 受热面内外温差* 受热面耐火层平均温度* 受热面耐火层导热系数* 附加热阻 传热系数 受热面吸热量 涂层双面水冷壁传热系数 涂层双面水冷壁吸热量 双面水冷壁总吸热量

单 位 Ccp 符 号 W/m2·K W/m2·K W/m2·K K K W/m2·K W/m2·K m m m W/m2·K K K K W/m2·K W/m2·K MW W/m2·K MW MW 78

100%负荷 0.162 38.630 16.866 55.496 0.04022 0.64007 0.86103 0.03167 0.86543 0.71150 13.878 626.878 131.365 186.861 0.00635 0.00645 0.00456 0.20472 0.00123 4.17350 0.99988 0.12581 170.892 1.367 619.939 572.000 905.939 125.350 0.00130 163.834 24.37 144.896 1.227 25.592 50%负荷 0.072 12.929 11.237 24.166 0.06867 0.43907 0.75637 0.02710 0.76297 0.64075 10.797 623.797 92.170 116.336 0.00635 0.00645 0.00456 0.20472 0.00123 3.34746 0.99992 0.12581 109.940 1.367 618.398 445.000 840.898 112.650 0.00139 106.975 12.38 97.697 0.643 13.020 cp cg αc k sp εp εg εb ε Tw Tw αr αb h h’ h” v δ’ β η Hfin/Ht  bHt/Hf Tw_ T Ta_ λa εas K Qgg K Qtc Q 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-3 某440t/h CFB锅炉100%、50%负荷 屏过全炉膛传热计算 项 目 烟气速度 床侧温度 受热面内工质温度 管节距 管外径 鳍片厚度 管壁厚 物料浓度 炉膛总高度 双面水冷壁总高度 局部物料空间浓度 颗粒对流理论换热系数 烟气中水蒸汽份额 烟气中三原子气体份额 烟气侧总面积 工质侧换热系数 实际设计运行系数* 受热面受热情况 烟气辐射厚度 壁面黑度 受热面金属导热系数 受热面壁面污染系数 受热面耐火层厚度 涂层水冷壁面积 耐火材料系数A 耐火材料系数B 常数 Boltzmann常数 鳍片宽度系数* 烟气对流系数*

单 位 Vf Tb Tf Sj d δ δ1 CPP Hlt Hss Cp 0 cp符 号 m/s K K m m m m kg/m3 m m kg/m3 W/m2·K % % m2 W/m2·K 1±0.2 单面1、双面2 m 0.5~0.8 W/m2·K m2·K/W m m2 1/2~2/3 W/m2·K4 W/m2·K，4~5 79

100%负荷 5.68 1165 719 0.0727 0.051 0.006 0.0055 1.72 39.41 22 11.745 100 0.064 0.15 568.3 3850 1 2 0.8 0.8 32 0.0003 100 52.68 2.5 0.00025 0.5 5.67E-08 0.96 5 50%负荷 3.18 1058 721 0.0727 0.051 0.006 0.0055 0.73 39.41 22 4.999 100 0.064 0.15 568.3 2555 1 2 0.4 0.8 32 0.0003 100 52.68 2.5 0.00025 0.5 5.67E-08 0.96 5 rH2O r∑ Ht αf Xiu N S εw λ εs δa a0 a1 B ζ μ Ccg 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-3 某440t/h CFB锅炉100%、50%负荷屏过全炉膛传热计算 项 目 颗粒对流系数 颗粒对流理论换热系数 烟气对流换热系数 对流换热系数 烟气辐射减弱系数 物料表面平均黑度 固体物料黑度 烟气黑度 床层黑度 系统黑度 受热面管壁温差 管外壁温度 辐射换热系数 换热系数 鳍片高度 折算高度* 有效高度* 鳍片厚度系数* 折算厚度* 参数 鳍片利用系数 鳍片面积比(P) 名义床侧换热系数 受热面内外面积比 壁面平均温度* 受热面内外温差* 受热面耐火层平均温度* 受热面耐火层导热系数* 附加热阻 传热系数 光管受热面吸热量 炉膛涂层屏过传热系数 涂层屏过吸热量 屏过总吸热量

单 位 Ccp 符 号 W/m2·K W/m2·K W/m2·K K K W/m2·K W/m2·K m m m W/m2·K K K K W/m2·K W/m2·K MW W/m2·K MW MW 80

100%负荷 0.131 31.331 16.866 48.197 0.04121 0.58455 0.83487 0.03243 0.84023 0.69437 70.183 789.183 152.340 200.537 0.01085 0.01135 0.00803 0.10138 0.00061 5.76203 0.99929 0.22649 189.126 1.525 754.092 446.000 977.092 133.950 0.00105 170.782 43.29 151.470 3.559 46.846 50%负荷 0.058 10.382 11.237 21.620 0.06867 0.39164 0.72662 0.02710 0.73403 0.62022 79.909 800.909 115.106 136.726 0.01085 0.01135 0.00803 0.10138 0.00061 4.80132 0.99951 0.22649 131.324 1.525 760.955 337.000 929.455 123.450 0.00111 119.283 22.84 108.773 1.931 24.776 cp cg αc k sp εp εg εb ε Tw Tw αr αb h h’ h” v δ’ β η Hfin/Ht  bHt/Hf Tw_ T Ta_ λa εas K Qgg K Qtc Q 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-4 某440t/h CFB锅炉100%、 50%负荷屏再全炉膛传热计算 项 目 烟气速度 床侧温度 受热面内工质温度 管节距 管外径 鳍片厚度 管壁厚 物料浓度 炉膛总高度 屏再总高度 局部物料空间浓度 颗粒对流理论换热系数 烟气中水蒸汽份额 烟气中三原子气体份额 烟气侧总面积 工质侧换热系数 实际设计运行系数* 受热面受热情况 烟气辐射厚度 壁面黑度 受热面金属导热系数 受热面壁面污染系数 受热面耐火层厚度 涂层水冷壁面积 耐火材料系数A 耐火材料系数B 常数 Boltzmann常数 鳍片宽度系数* 烟气对流系数*

单 位 Vf Tb Tf Sj d δ δ1 CPP Hlt Hpz Cp 0 cp符 号 m/s K K m m m m kg/m3 m m kg/m3 W/m2·K % % m2 W/m2·K 1±0.2 单面1、双面2 m 0.5~0.8 W/m2·K m2·K/W m m2 1/2~2/3 W/m2·K4 81

100%负荷 5.68 1165 748 0.07 0.057 0.006 0.005 1.72 39.4 22 11.752 100 0.064 0.15 444.5 1303 1 2 0.82 0.8 23.5 0.0003 100 39.5 2.5 0.00025 0.5 5.67E-08 0.9 5 50%负荷 3.18 1058 738 0.07 0.057 0.006 0.005 0.73 39.4 22 5.001 100 0.064 0.15 444.5 895 1 2 0.4 0.8 23.5 0.0003 100 39.5 2.5 0.00025 0.5 5.67E-08 0.9 5 rH2O r∑ Ht αf Xiu N S εw λ εs δa a0 a1 B ζ μ Cgc 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-4 某440t/h CFB锅炉100%、50%负荷屏再全炉膛传热计算 项 目 颗粒对流系数 颗粒对流理论换热系数 烟气对流换热系数 对流换热系数 烟气辐射减弱系数 物料表面平均黑度 固体物料黑度 烟气黑度 床层黑度 系统黑度 受热面管壁温差 管外壁温度 辐射换热系数 换热系数 鳍片高度 折算高度* 有效高度* 鳍片厚度系数* 折算厚度* 参数 鳍片利用系数 鳍片面积比(P) 名义床侧换热系数 受热面内外面积比 壁面平均温度* 受热面内外温差* 受热面耐火层平均温度* 受热面耐火层导热系数* 附加热阻 传热系数 光管受热面吸热量 炉膛涂层屏再传热系数 涂层屏再吸热量 屏再总吸热量

单 位 Ccp 符 号 W/m2·K W/m2·K W/m2·K K K W/m2·K W/m2·K m m m W/m2·K K K K W/m2·K W/m2·K MW W/m2·K MW MW 82

100%负荷 0.132 31.347 16.866 48.213 0.04063 0.58469 0.83494 0.03276 0.84035 0.69445 175.237 923.237 181.684 229.897 0.00650 0.00661 0.00468 0.15385 0.00092 6.17511 0.99972 0.13467 215.056 1.308 835.618 417.000 1044.118 136.850 0.00103 170.467 31.60 151.585 2.497 34.094 50%负荷 0.058 10.388 11.237 21.625 0.06867 0.39175 0.72669 0.02710 0.73410 0.62027 195.776 933.776 139.489 161.114 0.00650 0.00661 0.00468 0.15385 0.00092 5.22008 0.99980 0.13467 153.681 1.308 835.888 320.000 995.888 125.150 0.00110 122.239 17.39 111.362 1.408 18.795 cp cg αc k sp εp εg εb ε Tw Tw αr αb h h’ h” v δ’ β η Hfin/Ht  bHt/Hf Tw_ T Ta_ λa εas K Qgg K Qtc Q 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 表4-5 440 t/h锅炉50%负荷性能参数计算结果 名 称 碳 氢 氧 氮 硫 灰 水 炉膛出口过剩空气系数 灰中CaCO3含量 灰中MgCO3含量 灰中H2O含量 灰中杂质含量 脱硫率 石灰石耗量 实际煤耗量 计算煤耗量 一次风率 密相区燃烧率 炉膛温度 烟气平均温度 理论空气量 理论含水量 理论含氮量 三原子气体含量 烟气体积 炉膛深度 炉膛宽度 布风板截面深度 布风板截面宽度 可燃气体未完全燃烧热损失 可燃气体未完全燃烧热损失 固体未完全燃烧热损失 稀相区空截面烟气速度 截面热负荷 密相区空截面烟气速度(δ) 密相区空截面空气速度 分离器入口截面宽度

符号 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar α CaCO 3单位 % % % % % % % % % % % % kg/s kg/s K Nm3/kg Nm3/kg Nm3/kg Nm3/kg Nm3/kg m m m m % % m/s m/s m 83

数据 66.1 2.77 3.67 1.14 0.51 18.46 7.35 1.6 70 2.15 0.15 27.7 90 0.31 7.098 6.85 0.50 0.47 785.00 1058.00 6.513 0.507 5.154 1.24 10.87 7 13.16 3.53 13.16 0.5 1 2.97 3.18 1.99 2.88 2.97 5.45 MgCO 3ηH2O η杂质 ηS Bsh B Bj γ1 δ θ θpj V0 VH2O VN2 VRO2 Vy a b ab bb q3 q3ft q4 uy qf uym ukm a2 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 续表4-5 440 t/h锅炉50%负荷性能参数计算结果 名 称 分离器入口截面深度 分离器个数 分离器入口烟气速度 分离效率 飞灰份额 燃料份额 飞灰可燃物 固体未完全燃烧损失 石灰石耗量(说明书给出) 实际煤耗量 循环倍率 烟气量 飞灰携带率 烟气温度 脱硫率 含硫量 脱硫后产生的硫酸钙 钙硫比 石灰石耗量(用公式计算得) 硫酸钙在石灰石中份额 硫酸镁在石灰石中份额 其它杂质 未反应CaO及其它杂质 石灰石反应产生的灰量 标准状态物料浓度 物料浓度 停留时间计算(440 t/h锅炉) 炉膛深度 炉膛宽度 锥体高度 锥体角 稀相区高度 烟气速度 烟气停留时间 气体未完全燃烧损失

符号 b2 Gfl uf1 η afh Aar Cfh q4 Bsh B R Gy Msh Ty ηS Sar MCaSO4 Ks Bsh ηCaCO3 ηMgCO3 Msh MCaO Ash Pcn Pc a b h9 β h2 u0 η q3 84

数据 2.85 2 9.34 99.3 0.501 18.46 15 2.97 0.31 7.098 17.17 13.27 1.58 785 0.9 0.0051 0.02 2 0.045 0.7 0.022 0.279 0.010 0.030 2.11 0.54 6.68 13.16 6 16 39.7 3.18 11.98 % 单位 m 个 m/s % % % % kg/s kg/s ℃ kg/kg kg/kg ℃ % % kg/kg煤 kg/kg % % kg/kg kg/kg kg/kg kg/Nm3 kg/m3 m m m ° m m/s s 0.5 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 续表4-5 440 t/h锅炉50%负荷性能参数计算结果 名 称 灰渣热损失 热空气温度 理论热空气焓 理论冷空气焓 炉膛出口过量空气系数 空预器出口过量空气系数 炉膛漏风系数 制粉系统漏风系数 一次风率 二次风率 回料器出口风温 冷渣器出口风温 回料器出口风焓 冷渣器出口风焓 回料器热风份额 冷渣器热风份额 回料器热风带入热量 冷渣器热风带入热量 计算煤耗量 出口烟气温度 出口烟气焓 热空气焓 炉膛内放热量(kJ/h) 炉膛内放热量(MW) 符号 q6 θ Irk Ilk α βk‖ αlt αzf γ1 γ2 θhl θlz Ihl Ilz β β Ih1 Ilz Bj θ Iyq Qrk Qlt Qlt 单位 % ℃ kJ/kg kJ/kg - - - - % ℃ ℃ kJ/kg kJ/kg % % kJ/kg kJ/kg kg/h ℃ kJ/h kJ/kg kJ/h MW 数据 0.3 199 1721 143.4 1.6 1.49 0.05 0.06 0.499 0.44 739 130 1037 172.3 0.023 0.06 155.34 67.33 24645.6 739 10380 2426.2 430384655 119.55 4.1.7 CFB锅炉理论燃烧温度计算

以某440 t/h锅炉为例计算。 每1 kg煤的炉内放热量Q

QQnet,ar100q4 QkIh100 (4-36)

式中 Qnet,ar25500kJ/kg ；

Qk——空气带入的热量，Qk =2706 kJ/kg；

——每1 kg燃料带入的循环灰焓，kJ/kg。 Ih

85

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

如循环倍率为R = 24，从分离器返回的灰温度取为900℃。灰的焓(C)h在900 ℃时为

R(C)h2481219488 kJ/kg。 812 kJ/kg。故Ih则Q25500100320701948846293 kJ/kg。 100为求烟气焓和烟气中的灰焓，必须先假定理论燃烧温度。若理论燃烧温度为1200℃。灰的焓(C)h在1200 ℃时为1261 kJ/kg

烟气焓=VyTCmhTChTa(VyCmhCh)

由热平衡计算可知每1 kg燃料的烟气质量为每1 kg烟气所占Nm3是

(4-37)

156.6711.04 kg/kg。

14.19610.748，

1.3366由此每1 kg燃料的烟气体积 Vy为11.04×0.748=8.23 Nm3/kg。 1200 ℃时的烟气焓取为(C)YQ1900 kJ/ Nm3。 令式(4-31b)与式(4-31a)相等，则

TaQnet,ar100q4QkIh100VyCymhCh46293462931210 ℃。

1900126138.258.232412001200当负荷降低时热风温度降低，热焓降低到1114，另外，循环灰量减少，当变为鼓泡床时假定减少到0，假定此时的理论燃烧温度为1800℃。烟气焓(C)h在1800 ℃时为2990 kJ/kg，，则此时的

Ta按下式计算：TaQnet,ar100q4Qk255000.971114258491001887℃。

2990VyCy13.78.231800可见当CFB锅炉负荷降低时，理论燃烧温度升高，由大约1210℃升高到1887℃。这是CFB锅炉低负荷稳燃的基础。 4.1.8 考虑分离器后燃时的传热计算

飞灰可燃物有时到分离器后继续燃烧，特别是对于贫煤，在绝热分离器内继续燃烧，使出口烟气温度较进口烟温升高30~70℃。如果在传热计算时不考虑这种现象将会给运行带来严重后果。

如前一章所述，在如下条件下，会出现后然现象：燃料在炉膛出口前由于燃料品质、颗粒度、炉膛温度和停留时间影响，未能完全燃烧，而到绝热分离器内又具备继续燃烧的条件；对于极低挥发份的无烟煤，Vdaf＜6~8%，一种观点认为，虽然在分离器内有停留时间，但是由于

86

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

温度不够高、颗粒度偏大，可能不再燃烧而排出，成为飞灰可燃物；但另一种观点认为后燃现象可能更严重，见图4-3。“后燃”现象特别表现在物料粒度d＜0.1mm所占份额较大时发生，如果小于0.1mm的颗粒份额不是很大，则“后燃”的影响就很小；对于后燃问题，采用冷却式分离器，可以使后燃释放的热量得到及时吸收，使循环物料的温度得到有效控制。

为便于考虑后燃进行设计，可将主循环回路作为计算对象，以分离器出口的烟温υ炉膛出口的烟温υ

L

fL代替

进行热平衡，(即是修正出口烟气焓‖yx和飞灰焓)，这时炉膛出口烟气带走

的热焓增大，飞灰焓也增大，而传给炉膛内受热面的热量则相对减少。根据实际运行的数据，正常运行条件下，在给煤粒度分布满足图5-30~图5-38时，采用绝热分离器的锅炉，分离器中的温升可按图4-3确定。即炉膛中受热面的传热按着的炉膛温度进行计算，而分离器出口带走的热量，按着图4-3考虑，其中，分离器温升t

t = P tP

(4-38)

式中，tP——根据煤种按图4-3(a)查取。

P——修正系数，按图4-3(b)查取。

若采用冷却式分离器，则分离器出口的温度可能略有下降，一般在~22oC。进入尾部对流竖井的烟温应改为考虑后燃的分离器出口烟温υ

fL，为了平衡尾部的吸热量应减少对流过热器

及再热器的面积，并增加省煤器的面积，以防排烟温度升高。

10075石油焦贫煤褐煤无烟煤烟煤其他燃料修正系数 P --1分离器温升 tP oC0.7550250-25015304560燃料挥发份含量 Vdaf %0.50.250304560负荷率 %

7590(a) (b)

图4-3 绝热分离器温升

由于目前除中国外，大部分CFB以燃烧褐煤为多，后然现象非常弱。但是燃烧挥发份相对较低燃料时，若没有考虑后燃，则势必导致尾部对流受热面的超温，排烟温度偏高。为解决超温问题，同时维持排烟温度不再提高，人们试图减少布置炉膛上部的再热器或过热器的受热面积。但是，仅仅通过改变炉膛中的再热器及过热器受热面积，则将导致主循环回路吸热量下

87

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

降，温度上升，抵消了吸热量下降的趋势，效果不明显。这在济宁运河、新乡、开封、淄博等几个电厂的实践中得到验证。可见，由于进入尾部烟道的烟气温度偏高、传热温压偏大，对流受热面的吸热量大大超过设计值，所以减少对流再热受热面和过热受热面，才能够把再热器喷水量和过热器喷水量减下来，同时增加省煤器受热面积，有助于调整蒸发受热面与过热、再热受热面吸热比例的失调，还可把排烟温度降下来。

4.2 巴苏的传热理论及计算方法

发展快速床中床对壁面的传热模型的主要困难，是由于对快速床流体特性的了解不够，不过，普遍认为热量传导给由沿壁面下滑的固体颗粒不稳定薄层，从而形成热力边界层，对于12 MWe的锅炉，该边界层厚度为100 mm，锅炉容量越大，边界层也越厚，分析靠近壁面气固两相的质量、动量和能量平衡情况，可以得到床向壁面传热的详细情况，该过程的分析是比较复杂的。P. Basu与Subbarao发展的颗粒团交替模型，与上述热力边界层模型相比就显得比较简单。尽管该模型比较粗糙，但用它来解释许多快速床中所观察到的传热现象却十分有效。

快速床中包括含分散固体颗粒(固体颗粒分散相)的连续上升气相和相对密的颗粒团两部分。颗粒团与固体颗粒分散相交替地与床壁面接触，假定δc是被颗粒团覆盖的壁面面积的平均百分率，用hconv表示对流传热系数，hr表示辐射传热系数，则壁面的时均传热系数可表示为hconv与hr之和，即：

h=hconv+hr=δc(hc+hcr)+(1-δc)(hd+hdr) 式中 hc——颗粒团与的对流传热系数；

hdr——固体颗粒分散相的辐射传热系数； hc——颗粒团的对流传热系数；

hdr——固体颗粒分散相的辐射传热系数。

在任何时刻，循环流化床锅炉的壁面一部分被颗粒团所覆盖，其余部分则暴露在固体颗粒分散相中，颗粒团覆盖壁面，其时间平均覆盖率δc可由下式计算：

0.5 (4-39)

1εwYδcK

(1εc)式中 K=0.5；

ε

w——壁面的空隙率；

(4-40)

εc——颗粒团中的空隙率；

Y——固体颗粒分散相中固体颗粒的百分比。

固体颗粒的局部百分率从床中心向壁面不断增加，在壁面处其值最大。人们发现，径向空隙率的分布仅与径向无量纲距离(r/R)和截面空隙率的平均值有关，由此可得壁面空隙率的经验

88

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

公式为ε(R)=ε

w=ε

3.811

。

下面讨论辐射与对流传热。 4.2.1 对流传热

对流传热包括颗粒团与颗粒分散相的对流传热两部分。

hconv=δchc+(1-δc)hd (1) 颗粒团对流传热hc

颗粒团沿着壁面下滑，在与壁面接触一段时间后，颗粒团或者破裂消失或者运动到别处。颗粒团与壁面接触时，其初始温度为床温Tb，这样，颗粒团与壁面间产生非稳态传热。在传热过程的初始阶段，颗粒团中只有第一层颗粒发生传热，其温度水平降至与壁面温度相同。不过，若颗粒团贴壁时间足够长，颗粒团内部的颗粒也参与和壁面的非稳态换热过程。分析壁面与颗粒团之间的非稳态导热(假定颗粒团贴壁时为半无限状态)，局部传热系数的瞬时值ht可由下式计算：

(4-41)

htKcCcρc/t

式中 Kc——颗粒团的导热系数；

Cc——颗粒团的比热 ρc——颗粒团的密度

(4-42)

由于颗粒团的导热是基于鼓泡床颗粒小团的导热类推的，因此可以认为颗粒团的性质与鼓泡床中的乳化相性质相同。由此，颗粒团比热：

Cc=[(1-εc)Cp+εcCg] 密度

ρc=[(1-εc)ρp+εcρg] 颗粒团的导热系数

Kc则可由Baskakov给出的图4-4中查出。

若颗粒团与绝热表面的接触时间为tc，则其平均传热系数为：

(4-44)

(4-43)

hc1tchtdt4KcCcρc/tc 0tc (4-45)

快速床中颗粒团与壁面间的传热热阻主要有两部分，一是与壁面的接触热阻，二是颗粒团本身的平均热阻。接触热阻可根据相应的气体薄层厚度(dp/10)的热阻计算。从而，分析颗粒团与壁面的非稳态导热过程，传热分量hc可由下式计算：

89

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

hc1tcKgf4KcCcρcdp0.5 (4-46)

式中 tc——颗粒团贴壁的平均停留时间；

Kgf——气体导热系数，可根据气体薄层的平均温度得出。

若热力时间常数J比颗粒团贴壁时间短，则需考虑除颗粒贴壁层传热以外的情况，即热力时间常数J为：

JCpdp2ρp36Kgtc

(4-47)

对于较长的连续传热面，如锅炉内的情况，颗粒团的贴壁时间就会长些。这是与接触热阻相比，颗粒团中的非稳态导热热阻就变得较为重要一些了。这就减弱了固体颗粒对传热系数的影响。

对于颗粒团贴壁时间较短的情况，等式(4-46)分母中的第一项就显得比较重要，这反映了小型探针或较大颗粒群的情况。在这种情

图4-3 颗粒团导热系数随气体导热系数的变化

况下，传热限于颗粒群的贴壁层。由此，对于粗大颗粒群及贴壁停留时间短的情况，颗粒团对流传热分量hc可按如下计算：

hc10Kgfdp (4-48)

不过，对于贴壁停留时间较长的情况，通过颗粒团的导热也将影响对流传热分量，这时就该用式(4-46)。

颗粒团与壁面的导热情况取决于其在壁面的停留时间。贴壁的颗粒团在重力作用下加速下滑，受到壁面的阻力与向上气流的曳引力作用，这些力作用的最后结果使颗粒团达到最大速度Um，颗粒团在壁面上的停留时间是指在颗粒团破裂之前，其在传热表面长度上移动所需的时间。当颗粒团通过整个传热表面长度尚未破裂更新时，停留时间均可由下述运动方程求得：

2UmL[exp(gtc/Um)1]Umtc

g (4-49)

式中 L——传热表面的竖直长度；

90

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

tc——颗粒团与壁面的接触时间；

Um——最大速度，可由实验测得，或根据壁面切应力与颗粒团厚度进行计算。 上述推导中，困难之处在于颗粒团存在的不稳定性与自由沉降速度Um的不确定性。目前，有关这方面的研究尚缺乏有效的结果。作为近似情况，可以选取Um的值为1.2~2.0 m/s。

颗粒团贴壁时间或竖直传热长度对传热系数的影响是逐渐减小的。因此，对于大型锅炉来说，传热系数对贴壁时间的敏感度较小，由于估算颗粒团贴壁时间或颗粒团贴壁生存寿命所引起的误差，在锅炉设计中对计算总的传热系数不会产生较大的影响。

(2) 固体颗粒分散相的传热hd

快速床中其壁面并不总是与颗粒团接触的。在与两颗粒团接触之间，壁面与床中的上升气流接触，在上升气流中含有分散的固体颗粒。因此，我们选用基于稀相气固混合物而导出的传热系数计算公式来近似计算固体颗粒分散相传热系数hd：

KgCpρdishddpCgρp式中 ρ

0.3Ut2gdp0.21Pr (4-50)

dis——固体颗粒分散相的密度，其值可用式(4-44)计算

[ρpY+ρg(1-Y)] Kg——气体的导热系数； Cg——气体的比热；

Ut——平均颗粒径下的终端速度。

(4-51)

式(4-50)给出了传热系数的低限，而式(4-48)则给出传热系数的高限。这高、低限对于调节控制循环流化床锅炉的负荷具有重要意义。

式(4-50)中一个主要的不确定因素是分散相中固体颗粒体积浓度Y。当Y取0.001%时，与Basu的实验数据相关得比较好。不过，对于总的传热系数h，在很多情况下对Y的值敏感度不大。 4.2.4 辐射传热

辐射传热是快速床中传热的一种重要方式，尤其是在高温(＞700℃)和低床密度(＜30 kg/m3)的情况下，快速床中的辐射传热包括两部分，一部分主要来自与壁面接触的颗粒团的辐射；另一部分是固体颗粒分散相向壁面的辐射。床层向壁面的总辐射传热系数可表示为：

hr=δchcr+(1-δc)hdr (1) 固体颗粒分散相的辐射 hdr

对于浓度不大的介质，可用下式来估算颗粒悬浮相对没有颗粒团覆盖表面的有效吸收率，

91

(4-52)

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

即床内的有效吸收率：

1exp(1.5epYLb/dp) ep式中 ep——固体颗粒的吸收率；

(4-53)

Y’——炉膛内的固体颗粒体积百分率，其值处于噎塞流状态与固体颗粒体积百分率之

间。当快速床中有效辐射传热分量数据积累较多时，式(4-53)中的Y值才有可能近似确定。

Lb——平均射线行程，由下式计算：

Lb3.5V A (4-54)

式中 V——床的辐射体积；

A——包围床辐射体积的包围面积，对于圆柱型炉膛，Lb约为床直径的0.88倍。在颗粒

浓度不大的介质中，如在鼓泡床的悬浮段，气体辐射的影响可由下式计算：

egep] ed[eep (4-55)

若Lb与Y’的取值使e’p超过0.5~0.8，则必须考虑漫反射的影响。由此，对于大型循环流化床锅炉，床的吸收率可以根据Brewster提出的公式进行计算：

0.5epeped2(1-ep)B(1-ep)B式中 ep——颗粒表面的吸收率

ep(1-ep)B (4-56)

B——反射系数，对各向同性漫反射B=0.5，对漫反射颗粒B=0.667。

固体颗粒分散相的吸收率ed，可以根据式(4-55)计算，也可以由Brewster提出的引入漫反射概念的公式(4-56)计算。固体颗粒分散相的辐射传热可按下式计算：

ζ(Tb4Ts4) hdr11ee1(TbTs)sd式中 es——传热表面的吸收率。

(2) 颗粒团的辐射hcr

(4-57)

颗粒团的吸收率ec可由下式计算，该式是基于颗粒群的多相反射推出的：

ec=0.5(1+ep)

式中 ep——床料的吸收率。

颗粒团的辐射传热系数hcr，可以将式(4-57)中的ed换成ec同样进行计算。

92

(4-58)

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

对于较长的连续表面，人们推测固体颗粒贴壁面下滑时壁面吸收颗粒的热量从而使颗粒冷却。因此，对于循环流化床锅炉中的膜式水冷壁，与绝热壁面上的较短的传热面相比，辐射传热要小些。

在循环流化床锅炉中，壁面通常是管屏的形式，床中的颗粒密度，尤其是在布置受热面的上部区域，其值较小。因此，稀相的辐射传热占有主导地位。由此，用设计表面来估算辐射传热分量，总的表面积来估算对流传热分量较为合适。

在使用上述各式时，应该注意到各式的局限性。由于其中的某些参数为不可测量量，即使有的参数有明确的物理意义，但是计算结果过于敏感，导致可靠性比较差。但是，采用式(4-57)与式(4-58)，也已用于大型循环流化床锅炉的受热面估计。

表4-6为采用巴苏提出的传热计算方法，对440t/h锅炉的传热计算。

表4-6 按巴苏法对440t/h锅炉的传热计算 名称 颗粒导热系数 气相导热系数 气相比热 颗粒比热 气体粘度 颗粒直径 床层平均密度 物料密度 气相密度 辐射壁面面积 床层温度 壁面温度 壁面辐射率(黑度) 颗粒团空隙率 气相辐射率(黑度) 颗粒辐射率(黑度) 布朗特数 λp λg cg cp μg dp ρb ρp ρg A Tb Ts es εc eg ep Pr m m/s s s 符号 单位 原书举例 新乡440t/h 豫联440t/h 新乡440t/h 豫联440t/h kW/mK kW/mK kJ/kgK kJ/kgK N.s/m2 m kg/m3 kg/m3 kg/m3 m2 K K 0.0018 0.000072 1.14 0.81 0.000045 0.0002 15 2200 0.317 8 1123 633 0.85 0.6 0.107 0.85 0.728 10.0 1.26 8.1 0.0275 93

0.0018 0.000072 1.14 0.81 0.000045 0.0005 15 2200 0.317 1334 1156 628 0.85 0.5 0.107 0.85 0.728 10.0 1.26 8.1 0.171875 0.0018 0.000072 1.14 0.81 0.000045 0.0005 15 2200 0.317 1211 1171 623 0.85 0.5 0.107 0.85 0.728 10.0 1.26 8.1 0.171875 0.0018 0.000072 1.14 0.81 0.000045 0.0003 7.5 2200 0.317 1334 1156 628 0.85 0.5 0.107 0.85 0.728 10.0 1.26 8.1 0.061875 0.0018 0.000072 1.14 0.81 0.000045 0.0003 15 2200 0.317 1211 1171 623 0.85 0.5 0.107 0.85 0.728 10.0 1.26 8.1 0.061875 颗粒沿壁面的特征停留长度 L 颗粒团最大速度 颗粒在壁面平均停留时间 热力时间常数

Um tc J 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 颗粒团比热 颗粒团密度 导热比 导热比 颗粒团导热系数 气膜导热率 系数 颗粒团平均对流传热系数 分散相中固体颗粒百分比 稀相密度 颗粒终端沉降速度 颗粒分散相对流传热系数 菠茨曼常数 颗粒团辐射系数 颗粒团吸收率 平均射线行程 噻塞孔隙率 炉内颗粒体积百分率 床内有效吸收率 床的吸收率 系数 稀相区辐射传热系数 截面平均空隙率 壁面平均空隙率 时间平均覆盖率 系数 总传热系数 Cc ρc λp/λg λc/λg λc λgf m hc Y ρdis Ug hd ζ hcr ec Lb εch Y’ ep’ ed B hdr ε εw δc k h W/m2K kg/m2K kg/m3 m/s kW/m2K kW/m2K kJ/kgK kg/m3 - kW/mK kW/mK kW/m2K 1.008 880.2 25 3.5 0.000252 0.000062 10 0.18 0.00001 0.34 1.644 0.061 5.67E-11 0.132 0.925 2.33 0.9936 0.0064 1.0 0.96 0.5 0.136 0.9932 0.974 0.127 0.5 210.9 1.089 1100.2 25 3.5 0.000252 0.000062 10 0.19 0.00001 0.34 1.644 0.020 5.67E-11 0.139 0.925 8 0.9936 0.0064 1.0 0.96 0.5 0.144 0.993 0.974 0.113 0.5 182.0 1.089 1100.2 25 3.5 0.000252 0.000062 10 0.19 0.00001 0.34 1.644 0.020 5.67E-11 0.142 0.925 2.33 0.9936 0.0064 1.0 0.96 0.5 0.147 0.99 0.974 0.113 0.5 185.2 1.089 1100.2 25 3.5 0.000252 0.000062 10 0.20 0.00001 0.34 1.644 0.037 5.67E-11 0.139 0.925 8 0.9936 0.0064 1.0 0.96 0.5 0.144 0.997 0.987 0.080 0.5 193.5 1.089 1100.2 25 3.5 0.000252 0.000062 10 0.20 0.00001 0.34 1.644 0.037 5.67E-11 0.142 0.925 2.33 0.9936 0.0064 1.0 0.96 0.5 0.147 0.9932 0.974 0.113 0.5 201.8 4.3 实际工程及本文的传热计算结果

为了便于分析比较，汇总整理了10台135MWe等级不同煤种CFB锅炉，其中包括上锅、东锅、哈锅的计算方法的结果，见表4-7~4-9。

94

电厂名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 热 平 衡 碳 氢 氧 氮 硫 灰份 水份 低位发热量 密相区烟温 炉膛出口烟温 分离器出口烟温 热空气温度 一次风率 飞灰份额 炉膛下部锥体高度 炉膛出口过量空气系数 煤耗量 设计固体未完全燃烧热损失 100%负荷炉膛出口烟气体积 灰渣热损失 热平衡炉膛放出的总热量 热平衡炉膛吸收的总热量 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-7 上锅利用CE公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 河南豫联440t/h SG440/13.7(无烟煤) 100 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar Qar,net υm υ‖lt υrk 景德镇475t/h SG475/13.7(贫煤) 100 75 48.48 2.01 3.61 0.62 0.52 38.01 6.75 17.88 734.4 734.4 762.2 159.8 55.6 70 1.5 30.99 2.92 891.7 891.7 919.4 203.8 55.7 60 1.2 81.716 2.28 472324 0.36 238.5 236.0 820 820 847.8 201.9 55.7 60 — 1.2 57.66 2.28 331767 0.32 175.9 — 1.2 40.93 2.28 121.2 121.2 1.2 57.1 1.76 493514 0.1 220.6 220.6 738.3 738.3 766.1 178.7 55.7 60 862.2 862.2 890 208.9 55.26 70 50 济宁440t/h SG440/13.7-M563(烟煤) 100 75 59.94 3.84 6.79 1.09 0.53 19.91 7.9 22.95 776.7 776.7 804.4 191.7 55.26 70 — 1.2 39.82 1.76 364344 0.1 154.9 — 1.2 27.68 1.76 294381 0.1 103 103.1 692.8 692.8 720.6 177.4 55.26 70 50 75 58.43 1.15 1.42 0.49 0.46 27.48 10.57 20.23 50 % % % % % % % MJ/kg ℃ ℃ ℃ ℃ % % m t/h % Nm3/h % MW MW 1.25 65.95 2.92 460519 0.16 206.4 216.2 897.8 897.8 925.6 208.6 55.6 70 821.7 821.7 949.4 192.7 55.6 70 7.168 1.25 46.13 2.92 334601 0.13 150.8 — 95 r1 αfh Hzt α B q4 Vy Q6 Q1 Q2 256859 0.11 101.4 107.2

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 水 壁 水冷壁总高度 水冷壁管子直径 水冷壁管子壁厚 水冷壁管子节距 水冷壁鳍片厚度 水冷壁总面积(平面) 其中涂耐火材料面积 HSL dsl δSL 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-7 上锅利用CE公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 河南豫联440t/h SG440/13.7(无烟煤) 100 m mm mm mm mm m2 m2 MPa MPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 15.088 — 342.63 342.63 5 192.15 96.53 142.8 75 34.7 63.5 6.5 88.9 6 1492 281 14.432 — 339.1 339.1 5 161.77 85.17 107.1 96

13.891 — 336.1 336.1 130.83 74 73.3 15.15 — 343.8 343.8 5 193 96.5 131.1 50 100 景德镇475t/h SG475/13.7(贫煤) 75 34.7 63.5 6.5 88.9 6 1492 281 14.52 — 340.1 340.1 5 162 90.8 98.6 14.205 — 338.6 338.6 134.3 74.5 69.7 14.83 — 341.3 341.3 186.25 96 120.6 50 100 济宁440t/h SG440/13.7(烟煤) 75 34.7 63.5 6.5 88.9 6 1492 281 14.23 — 337.96 337.96 155.7 85 87.1 10.33 — 313.4 313.4 128.04 74 60.0 50 SSL δISL FSL FSLt P’SL P‖SL t’SL t\"―SL Cp KSL KSLt QSL 冷 工质进口压力(汽包压力) 工质出口压力 工质进口温度 工质出口温度 计算水冷壁用物料浓度 未涂层水冷壁传热系数 涂层水冷壁传热系数 水冷壁总吸热量

37

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 水 冷 屏 水冷屏片数/高度 水冷屏管径 水冷屏管径 水冷屏管径节距 水冷屏鳍片厚度 总面积(平面，双面) 其中涂层面(平面，双面) 工质进口压力 工质出口压力 工质进口温度 工质出口温度 计算双面水用物料浓度 未涂层双面水传热系数 涂层双面水传热系数 双面水总吸热量 HSS dSS δSS 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-7 上锅利用CE公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 河南豫联440t/h SG440/13.7(无烟煤) 100 片/ m mm mm mm mm m2 m2 kPa kPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 15.088 / 342.63 342.63 5 165.7 / 11.9 75 2/13.11 63.5 6.5 88.9 6 129 29.5 14.432 / 339.1 339.1 5 140.37 / 8.7 13.891 / 336.1 336.1 115.1 / 5.8 15.15 / 343.8 343.8 5 165.7 / 25.8 50 景德镇475t/h SG475/13.7(贫煤) 100 75 4/13.11 63.5 6.5 88.9 6 258 29.5 14.52 340.1 340.1 5 140 / 21.1 14.205 338.6 338.6 117.0 / 14.7 14.83 341.3 341.3 5 167.85 / 27.5 50 济宁440t/h SG440/13.7(烟煤) 100 75 4/13.11 63.5 6.5 88.9 6 258 29.5 14.23 337.96 337.96 5 140.2 / 19.3 10.33 313.4 313.4 116.01 / 13.0 50 SSS δISS FSS FSSt P’SS P‖SS t’SS t‖SS Cp Kss Ksst Qss

53 97

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 屏 低温/高温屏过工质出口压力 过 低温/高温屏过工质进口温度 低温/高温屏过工质出口温度 计算屏过用的物料浓度 低温/高温未涂层屏过传热系数 低温/高温涂层屏过传热系数 低温/高温屏吸热量 炉内屏过总吸热量 屏过1、2的总高度 屏过1、2管子直径 屏过1、2管子壁厚 屏过1、2管子节距 屏过1、2管子鳍片厚度 屏过1、2总面积(双面) 其中涂层面积(双面) 低温/高温屏过工质进口压力 HPG dPG δPG 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-7 上锅利用CE公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 河南豫联440t/h SG440/13.7无烟煤) 100 m mm mm mm mm m2 m2 MPa MPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW MW 14.59/ 14.32 14.42/ 14.1 353.4/ 394.3 405.1 /462.7 5 169.8 /170.3 / 32.3 /29.2 61.5 75 12.802 45/45 5/5 60.3/60.3 6/6 366/366 151/151 14.17 /14.05 14.1/ 13.95 355/ 408 412.9 /486.1 144.5 /150.9 / 23.1 /20.6 43.7 13.79/ 13.71 13.73/ 13.66 355.7/ 415 420.5 /492.2 119.0 /125.8 / 15.2 /12.9 28.1 14.6/ 14.37 14.49/ 14.21 354.4/ 403.8 418.5 /487.6 170 /170 / 41.9 /37.0 78.9 50 景德镇475t/h SG475/13.7(贫煤) 100 75 12.802 45/45 5/5 60.3/60.3 6/6 488/488 201/201 14.24/ 14.13 14.19/ 14.05 354.4/ 415.4 430.6 /511.7 145.5 /152 / 30 /26.3 56.3 14.07/ 14.0 14.03/ 13.97 354.1/ 422.2 430.2 /515.4 119.2 /129.1 / 20 /16.8 36.8 14.25/ 14.15 14.26/ 14.02 356.1/ 402.3 426.5 /488.7 164.95 /170.35 / 37.8 /34.7 72.5 50 济宁440t/h SG440/13.7(烟煤) 100 75 12.802 45/45 5/5 60.3/60.3 6/6 488/488 201/201 14.0/ 13.9 13.96/ 13.84 356.9/ 411.3 436.1 /502.9 139.69 /146.16 / 25.8 /22.6 48.4 10.18/ 10.12 10.15/ 10.08 356.7/ 426.9 435.2 /514.2 116.4 /124.18 / 16.8 /13.3 30.1 50 SPG δIPG FPG FPGt P’PG P‖PG t’PG t‖PG Cp KPG KPGt QPG1，2 QPG

69 98

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 19 20 21 22 碳 氢 氧 氮 硫 灰份 热 水份 低位发热量 密相区烟温 电 厂 名 称 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% Car Har Oar Nar Sar Aar Mar Qar,net υm υ‖lt υrk r1 αfh Hzt α B q4 Vy Q6 Q1 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-8 东锅CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 神火 (无烟煤) DG440/13.7-II2 100 % % % % % % % MJ/kg ℃ ℃ ℃ % % m t/h % Nm3/kg % MJ/h 99 895 873 259 50 41.54 7339 1.25 65.91 3.1 6.751 0.68 12225 53.95 2.51 4.13 0.59 0.42 32.75 5.65 20410 909 878 266 48 38.9 7339 1.25 78.2 2.6 6.62 0.74 1657.8 50 宜宾二期 (贫煤) DG490/13.7-II1 100 50.36 2.39 1.61 0.64 2.9 33.2 8.9 19019 898 861 254 45.8 46.6 7339 1.2 80.35 2.85 5.681 0.73 1225.9 50 浙江义马 (烟煤) DG440/13.7-II2 100 44.48 2.77 11.33 0.71 0.38 27.25 13.08 16769 50 平 炉膛出口烟温 热空气温度 一次风率 衡 飞灰份额 炉膛下部锥体高度 炉膛出口过量空气系数 实际煤耗量 设计固体未完全燃烧热损失 100%负荷炉膛出口烟气体积 灰渣热损失 锅炉热平衡计算中炉膛放出的总热量

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 23 24 25 26 27 水 28 29 30 31 32 34 35 壁 水冷壁管子直径 水冷壁管子壁厚 水冷壁管子节距 水冷壁鳍片厚度 水冷壁总面积(平面) 工质进口压力 dsl δSL SSL δISL FSL P’SL P‖SL t’SL t‖SL Cp KSL KSLt QSL 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-8 东锅CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 神火 (无烟煤) DG440/13.7-II2 100 mm mm mm mm m2 MPa.g MPa.g ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 100

15.1 14.9 342 342 8.73 173.8 23.07 128.6 60 6.5 80 107 21.2 61.2 15.1 14.9 342 342 7.91 169.6 23.03 138.1 50 宜宾二期 (贫煤) DG490/13.7-II1 100 60 6.5 80 106.6 21.2 68.7 15.1 14.9 342 342 8.73 174.0 23.06 125.9 50 浙江义马 (烟煤) DG440/13.7-II2 100 60 6.5 80 106.1 21.1 59.7 50 冷 工质出口压力 工质进口温度 工质出口温度 计算水冷壁用物料浓度 未涂层水冷壁传热系数 涂层水冷壁传热系数 水冷壁总吸热量

36

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 双 双面水冷壁总高度 双面水冷壁管径 双面水冷壁壁厚 双面水冷壁节距 双面水冷壁鳍片厚度 双面水总面积(双面) HSS dSS δSS SSS δISS FSS FSSt P’SS P‖SS t’SS t‖SS Cp Kss Ksst Qss 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-8 东锅CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 神火 (无烟煤) DG440/13.7-II2 100 m mm mm mm mm m2 m2 MPa.g MPa.g ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 101

15.3 14.9 342 342 9.62 186.6 23.3 25.3 35.25 76 8 89 6 268.5 49.1 124.9 21.8 12.9 15.3 14.9 342 342 7.33 161.3 22.9 29.5 50 宜宾二期 (贫煤) DG490/13.7-II1 100 42.06 76 8 89 6 268.5 64.8 109.1 21.3 15.6 15.3 14.9 342 342 9.62 187.1 23.3 24.7 50 浙江义马 (烟煤) DG440/13.7-II2 100 35.25 76 8 89 6 268.5 49.1 124.1 21.8 12.6 50 面 其中涂层面(双面) 水 工质进口压力 冷 工质出口压力 壁 工质进口温度 工质出口温度 计算双面水用物料浓度 未涂层双面水传热系数 涂层双面水传热系数 双面水总吸热量

51 电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 屏过的总高度 屏过管子直径 屏过管子壁厚 屏过管子节距 屏过管子鳍片厚度 屏 屏过总面积(双面) 其中涂层面积(双面) 屏过工质进口压力 屏过工质出口压力 HPG dPG δPG SPG δIPG FPG FPGt P’PG P‖PG t’PG t‖PG Cp KPG KPGt QPG 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-8 东锅CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 神火 (无烟煤) DG440/13.7-II2 100 m mm mm mm mm m2 m2 MPa.g MPa.g ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 385 507 12.32 207.2 23.7 54.3 23.9 42 7 76.2 6 759.9 119.2 14.34 14.08 144.2 22.4 24.8 394 506 7.45 173.7 23.2 49.6 50 宜宾二期 (贫煤) DG490/13.7-II1 100 23.9 42 7 76.2 6 759.9 119.2 14.34 14.08 118.4 21.7 23.4 388 510 12.32 207.6 23.7 52.8 50 浙江义马 (烟煤) DG440/13.7-II2 100 23.9 42 7 76.2 6 759.9 119.2 14.34 14.08 143.3 22.4 23.9 50 过 屏过工质进口温度 屏过工质出口温度 计算屏过用的物料浓度 未涂层屏过传热系数 涂层屏过传热系数 屏过总吸热量

66 102

电 厂 名 称 序号 锅 炉 型 号 设计锅炉负荷率，% 67 68 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 屏 再 屏再总高度 屏再管子直径 屏再管子壁厚 屏再管子节距 屏再管子鳍片厚度 屏再总面积(双面) 其中涂耐火材料面积 屏再工质进口压力 屏再工质出口压力 屏再工质进口温度 屏再工质出口温度 计算屏再用的物料浓度 未涂层屏再传热系数 涂层屏再传热系数 屏再总吸热量 HPZ dPZ δPZ SPZ δIPZ FPZ FPZt P’pz P‖pz t’pz t‖pz C pz K pz K pzt Q pz 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-8 东锅CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 神火 (无烟煤) DG440/13.7-II2 100 m mm mm mm mm m2 m2 MPa.g MPa.g ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 103

2.65 2.59 455 540 16.03 196.0 23.5 23.2 17.1 76 6 89 6 324.6 64.1 157.3 22.7 12.8 2.96 2.9 466 540 8.89 184.0 23.3 25.6 50 宜宾二期 (贫煤) DG490/13.7-II1 100 17.1 76 6 89 6 358.6 75.8 122.5 21.8 12.3 2.62 2.56 454 540 15.83 196.1 23.5 24.0 50 浙江义马 (烟煤) DG440/13.7-II2 100 17.1 76 6 89 6 341.6 64.1 155.7 22.6 13.2 50

84 电厂名称 序号 锅炉型号 设计锅炉负荷率，% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 19 20 21 22

热 平 衡 碳 氢 氧 氮 硫 灰份 水份 低位发热量 密相区烟温 炉膛出口烟温 热空气温度 一次风率 飞灰份额 炉膛下部锥体高度 炉膛出口过量空气系数 BMCR时实际煤耗量 设计固体未完全燃烧热损失 100%负荷炉膛出口烟气体积 锅炉热平衡计算中炉膛的总放热量 传热计算中炉膛的总吸热量 Car Har Oar Nar Sar Aar Mar Qar,net υm υυ〝1t第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-9 哈锅利用EVT公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 连州电厂(无烟煤) HG-440/13.7-L.WM9 100 % % % % % % % MJ/kg ℃ ℃ ℃ % % m t/h % Nm3/kg MW MW 73.6 4.8 6.253 223 223 104 904 904 227 50 51.6 6 1.2 127.6 52.6 2.97 8.21 230.88 219 5.3 1.2 3.3 1.35 1.5 32.15 7.5 18.84 883 883 232 50 50 6 1.2 25.55 109.7 65.09 7.074 224 224 50 新乡电厂(贫煤) HG-440/13.7-L.PM4 100 66.1 2.77 3.67 1.14 0.5 18.46 7.35 25.49 830 739 199 50.8 882 882 215 54 49 6 1.2 32.26 121.9 107.4 1.5 4.77 216 220 50 平桥电厂(烟煤) HG-440/13.7-L.YM5 100 54.82 3.04 3.87 0.74 0.79 30.74 6.0 20.82 860 860 249 45 6 1.2 106.54 50 巡检司电厂(褐煤) HG-480/13.7-L.HM11 100 36.72 1.87 12.59 1.01 1.66 11.45 34.7 12.43 50 rk r1 αfh Hzt α B100 Q4 Vy Q1 Q2 电厂名称 序号 锅炉型号 设计锅炉负荷率，% 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 水 壁 水冷壁总高度 水冷壁管子直径 水冷壁管子壁厚 水冷壁管子节距 水冷壁鳍片厚度 水冷壁总面积(平面) 其中涂耐火材料面积 HSL dSL δSL 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-9 哈锅利用EVT公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 连州电厂(无烟煤) HG-440/13.7-L.WM9 100 m mm mm mm mm m2 m2 kPa kPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 340 21 171 0 121.8 35.9 60 6.5 90 6 1263 360.4 314 107 70.27 15.3 15.3 340 19.5 170 0 126 50 新乡电厂(贫煤) HG-440/13.7-L.PM4 100 39.7 60 6.5 90 6 1365 360.7 314 102 65.58 340 20.04 168 0 123.2 50 平桥电厂(烟煤) HG-440/13.7-L.YM5 100 38 60 6.5 90 6 1353 360.7 314 105 68.19 340 20.71 173 23.1 126.6 50 巡检司电厂(褐煤) HG-480/13.7-L.HM11 100 36.5 60 6.5 90 6 1407 314 102 63.3 50 SSL δISL FSL FSLt P’SL P‖SL t’SL t‖SL Cp KSL KSLt QSL 冷 工质进口压力 工质出口压力 工质进口温度 工质出口温度 计算水冷壁用物料浓度 未涂层水冷壁传热系数 涂层水冷壁传热系数 水冷壁总吸热量

37 105

电厂名称 序号 锅炉型号 设计锅炉负荷率，% 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 双 双面水冷壁总高度 双面水冷壁管径 双面水冷壁壁厚 双面水冷壁节距 双面水冷壁鳍片厚度 双面水总面积(平面，双面) HSS dSS δSS 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-9 哈锅利用EVT公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果 连州电厂(无烟煤) HG-440/13.7-L.WM9 100 m mm mm mm mm m2 m2 kPa kPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 340 17.27 171 23.2 33.18 23.8 60 6.5 90 6 344 0 314 107 19.14 15.3 340 12.8 170 0 23.6 50 新乡电厂(贫煤) HG-440/13.7-L.PM4 100 27 60 6.5 72.7 6 256 14.8 314 102 12.3 340 16.5 168 0 34.2 50 平桥电厂(烟煤) HG-440/13.7-L.YM5 100 26 60 6.5 90 6 375.4 0 314 105 18.92 340 15.14 173 0 28.9 50 巡检司电厂(褐煤) HG-480/13.7-L.HM11 100 22.5 60 6.5 72.7 6 321 314 102 14.44 50 SSS δISS FSS FSSt P’SS P‖SS t’SS t‖SS Cp KSS Ksst Qss 面 其中涂层面(平面，双面) 水 工质进口压力 冷 工质出口压力 壁 工质进口温度 工质出口温度 计算双面水用物料浓度 未涂层双面水传热系数 涂层双面水传热系数 双面水总吸热量

52 106

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-9 哈锅利用EVT公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果电厂名称 序号 锅炉型号 设计锅炉负荷率，% 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 屏过的总高度 屏过管子管径 屏过管子壁厚 屏过管子节距 屏过管子鳍片厚度 屏过总面积(平面，双面) 屏 其中涂涂层面积(平面，双面) 过 屏过工质出口压力 屏过工质进口温度 屏过工质出口温度 计算屏过用的物料浓度 未涂层屏过传热系数 涂层屏过传热系数 屏过总吸热量 屏过工质进口压力 HPG dPG δPG 平桥电厂(烟煤) HG-440/13.7-L.YM5 100 19.9 51 5.5 70 6 624 0 50 巡检司电厂(褐煤) HG-480/13.7-L.HM11 100 20.6 51 5.5 70 6 597 395 506 101 21.65 438 11.5 150 0 37.79 448 96 17.6 50 连州电厂(无烟煤) HG-440/13.7-L.WM9 100 m mm mm mm mm m2 m2 kPa kPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 446 446 11.45 151 23.4 38.7 50 19.6 51 5.5 70 6 552 0 442 105 22.7 新乡电厂(贫煤) HG-440/13.7-L.PM4 100 22 51 5.5 70 6 547 52.68 13.94 14.16 387 493 10.21 143 0 34.65 380 515 99 18.28 50 SPG δIPG FPG FPGt P’PG P‖PG t’PG t‖PG Cp KPG KPGt QPG 441 441 10.22 146 0 40.176

67 107

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

续表4-9 哈锅利用EVT公司的CFB锅炉传热计算原始数据及计算结果电厂名称 序号 锅炉型号 设计锅炉负荷率，% 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 屏 再 屏再总高度 屏再管子管径 屏再管子壁厚 屏再管子节距 屏再管子鳍片厚度 屏再总面积(平面，双面) 其中涂耐火材料面积 屏再工质进口压力 屏再工质出口压力 屏再工质进口温度 屏再工质出口温度 计算屏再用的物料浓度 未涂层屏再传热系数 涂层屏再传热系数 屏再总吸热量 HPZ dPZ δPZ 平桥电厂 HG-440/13.7-L.YM5 (烟煤) 循检司电厂 HG-480/13.7-L.HM11 (褐煤) 50 388 540 85 13.18 100 20.6 57 5 70 6 477 0 483 11.86 151 0 27.15 50 465 81 11.2 连州电厂 HG-440/13.7-L.WM9 (无烟煤) 100 m mm mm mm mm m2 m2 kPa kPa ℃ ℃ kg/m3 W/m2K W/m2K MW 19.6 57 5 70 6 460 0 478 11.45 150 29.39 50 463 91 15.53 新乡电厂 HG-440/13.7-L.PM4 贫煤) 100 22 57 5 70 6 517 39.5 2.49 2.52 407 540 10.2 142 23 34.76 50 398 532 82 13.57 100 19.9 57 5 70 6 470 0 481 10.2 141 0 26.57 SPZ δIPZ FPZ FPZt P’PZ P‖PZ t’PZ t‖PZ CPZ KPZ KPZt QPZ 108

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

4.4 与国外文献发表的经验公式计算结果的对比

国外的一些学者，在实际运行的六台循环流化床锅炉上进行实测，通过测量炉膛的压降，然后通过式(4-59)计算出炉内平均物料浓度。

CP=P/gh

式中 Cp——物料平均浓度，kg/m3；

P——炉膛沿高度方向压降，Pa； h——沿炉膛高度差，m.

得出了悬浮物料浓度和传热系数的关系曲线如图4-5所示，并通过这条曲线确定出炉膛传热系数计算式：

K=110CP0.21

(4-60)

(4-59)

工程上的物料平均浓度CP最大在15到20kg/m3范围内，按式(4-60)计算，传热系数应在170~200W/m2K范围内，说明本文所得的传热系数与实测值相近。在工程应用领域，如果炉膛温度选在880~900℃之间(这是CFB锅炉的通常运行温度)，只考虑炉内物料悬浮物浓度对传热系数的影响是可行的。

4.5 对传热系数计算结果的分析

1) 影响传热速率高低的主要因素是循环

物料的浓度(粒度)和床温。对于即定的燃料和图4-5 炉膛平均传热系数与炉膛平均悬浮物浓

度的关系曲线 钙硫比，物料浓度的高低，决定于受热面所处的位置，越靠近密相区，其平均浓度越高，满负荷时水冷壁的平均浓度为15~20kg/m3。屏过、屏再的浓度为7~10kg/m3。粒度对传热影响不大，低负荷时粒径减小，小粒径有利于传热，可弥补物料浓度降低的影响。

床温越高辐射传热能力越强，屏过、屏再由于其工质温度高，管外壁温度高，所以其辐射传热份额高于水冷壁。无论是水冷壁，还是屏过、屏再，其传热中辐射份额均大于对流份

5001020物料浓度 kg/m330407080r/b%60额，见图4-6。这是因为随着物料浓度的下降，图4-6 辐射换热系数占总换热系数的比例与物料浓度的关系

109

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

床侧黑度下降，见图4-7，其变化最大处对应的物料浓度为2.3kg/m3左右。一旦炉膛中物料浓度低于这个值，带负荷出现困难。

床黑度b1.00.80.60.40.20.01020303物料浓度kg/m图4-7 床黑度与物料浓度的关系 0402) 屏的传热系数取决于其所在位置，由于一般位于炉膛上部，平均物料浓度相对于水冷壁较低，一般低于水冷壁的传热系数，但由于管壁温度较高，表面辐射提高，又使得换热增强，有时达到与水冷壁平等；

3) 水冷壁温压远高于屏的温压，有利于水冷壁的传热；

4) 各公司CFB锅炉炉膛传热系数及本文传热系数计算结果，汇总于表4-10。从几家公司的传热系数看，一般都在180~200W/m2K，只是EVT公司的偏低些，在170~175 W/m2K，到底多少合适，要看实际运行结果。按CE公司和EVT公司设计生产的锅炉屏过都有过超温的记录，按FW公司设计生产的锅炉没有超温现象。按FW技术设计的传热系数高，而且温压高出正常值，原因是FW公司是分段计算炉膛传热的，传热系数不是一个值。表中给出的传热系数是估算的。其总的传热量一定，即Q=FTK，这样已知传热面积再给定K就可以求出温压T，由于给定的传热系数低，则算出的T值高出实际的正常值，如果按正常的温压计算，则其传热系数要高出满负荷下的设计值，而部分负荷下偏差更大。超温爆管的原因很多，不一定都是传热系数选用低、受热面设计过多造成的，最关键的是查看屏式受热面入口的介质温度是否是设计值，如果是设计值，在烟温等于设计值条件下其超温则是由于传热系数偏低受热面选择偏多造成的。虽然原因很多，但是总的看，传热系数选用高些是合适的。

5) 燃料品种对传热系数影响不大，主要在于燃料灰分及钙硫比以及破碎粒度。也就是在于循环物料量以及破碎粒度的大小。

6) 按巴苏方法算得的水冷壁传热系数也都是在180W/m2K以上，巴苏法的特点是，颗粒粒度影响明显。

7) 根据以上分析讨论，本文按清华方法计算的传热系数，从已经投运的100多台100~150MWe CFB锅炉来看，此数值比较合理。本法计算的几台锅炉传热系数见表4-10。但该方法中颗粒直径的影响没有直接显示出来，而是隐含在流化速度中。

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第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

表4-10 各公司CFB锅炉炉膛传热系数计算结果汇总表 电厂名称 FW 公 司 CE 公 司 EVT 公 司 无烟煤炉 贫煤炉 烟煤炉 无烟煤炉 贫煤炉 烟煤炉 贫煤炉 无烟煤炉 烟煤炉 褐煤炉 本 文 计 算 贫煤炉 无烟煤炉 烟煤炉 褐煤炉 注： *修正温压后应将此数乘以1.1；

**修正温压后应将此数除以 1.1 *** 屏过分为高温段和低温段

水冷壁 100%负荷 174* 169.6* 174* 192.2 193 186.3 170 171 168 173 180.5 181.7 180.6 182.8 50%负荷 107 106.6 106.1 130.8 134.3 128 102 107 105 102 109.0 111.3 110.7 112.3 双面水(水冷屏) 100%负荷 186.6 161.3 187.1 165.7 165.7 167.9 170 171 168 173 163.8 166.7 166.2 167.2 50%负荷 125 109 127 115.1 117 116 102 107 105 102 107.0 109.7 114.2 111.8 屏 过 100%负荷 207.2** 173.7** 207.6** 169.8/170.3 170/170 *** 165/170.4 143 151 146 150 170.8 171.8 172.9 171.4 50%负荷 144.2 118.4 143.3 119/126 119.2/129.1 116.4/124.2 99 105 101 96 119.3 120.7 121.6 120.2 屏 再 100%负荷 196 184 196.1 无 无 无 142 150 141 151 170.5 172.6 171.8 172.2 50%负荷 157.3 122.5 155.7 无 无 无 82 91 85 81 122.2 123.6 122.5 123.4 111

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

9) 传热系数计算偏差的自调节特性以及检查传热系数选取正确性的措施

 当传热系数选高了受热面选少了的时候，炉膛出口温度会升高，因而对流竖井的受热面温

压升高，可以部分提高对流部分吸热量，以弥补炉内吸热量之不足；

 如果仍然达不到设计参数时司炉会适当增加给煤量，但排烟温度要提高；所以排烟温度升

高除了尾部吹灰不够外，可能是传热系数选择偏低的结果；

 注意当传热系数选高了，但是受热面内外温差t低了，可使选用的受热面积变化不大；  检查传热系数是否高了，可看炉膛出口温度变化，如果传热系数选用高了，受热面选用少

了，则炉膛出口温度会提高；

 检查屏爆管的原因，先检查屏入口汽温是否比设计值高了，如果高了则是尾部受热面计算

的问题，如果入口汽温正常，则是屏受热面选多了，也就是传热系数选低了；  如果能测知过热器进出口汽温则可反算出传热系数；

 低负荷时，物料浓度降低，但是物料颗粒度减小，因而传热增强，所以传热系数不会大幅

下降。由巴苏传热计算可看出，颗粒度的影响每差0.1mm，传热系数差10W/m2K。

参 考 文 献

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ed. Proceeding of the 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion. Toronto: ASME, 2005: 327-335

[6] 杨海瑞, 赵新木, 王宇, 等. 循环流化床锅炉后燃特性及其影响因素分析. 电站系统工程, 2005, 21(1):

23~24

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[8] 张建胜, 吕俊复, 刘青, 等. 循环流化床锅炉设计方法研究. 锅炉制造, 2003, 1: 1~6

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system. AIChE Journal, 2002, 48(9): 1910-1916

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 ........................................................................................ 66 4.1 清华的传热理论及计算方法 ................................................................................................ 66 4.1.1 循环流化床传热分析..................................................................................................... 66

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第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算

4.1.2 受热面结构尺寸对传热的影响 ..................................................................................... 67 4.1.3 CFB锅炉烟气侧换热系数b ........................................................................................ 69 4.1.4 按清华方法对一台440 t/h 贫煤CFB锅炉的计算 ..................................................... 72 4.1.5 100%负荷全炉膛传热量计算结果的校核 ................................................................... 72 4.1.6 低负荷传热计算............................................................................................................. 73 4.1.7 CFB锅炉理论燃烧温度计算 ........................................................................................ 85 4.1.8 考虑分离器后燃时的传热计算 ..................................................................................... 86 4.2 巴苏的传热理论及计算方法 ................................................................................................ 88 4.2.1 对流传热 ........................................................................................................................ 89 4.2.4 辐射传热 ........................................................................................................................ 91 4.3 实际工程及本文的传热计算结果 ........................................................................................ 94 4.4 与国外文献发表的经验公式计算结果的对比 .................................................................. 109 4.5 对传热系数计算结果的分析 .............................................................................................. 109 参 考 文 献 ............................................................................................................................. 112

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