传热系数计算方法Word版

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C p 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C p，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C p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

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：

T H K Q ???=

(4-1)

式中 Q ——传热量，W ；

K ——基于烟气侧总面积的传热系数，W/m 2·K； T ——温差，K ； H ——烟气侧总面积，m 2。

4.1.2 受热面结构尺寸对传热的影响

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b

1

α''；工质侧热阻和受热面本身热阻

f t f

1

H H ?

α；λ

δ

1；以及附加热阻as

。

λ

δεαα1a f t

f b 111

+++''=

s H H K

(4-2)

式中 b

α''——烟气侧向壁面总表面的名义换热系数，W/m 2

·K； f

——工质侧换热系数，W/m 2

·K，可按苏1973年热力计算标准求取；

H t ——烟气侧总面积，m 2； H f ——工质侧总面积，m 2；

as

——附加热阻， m 2

·K/W；

1

——管子厚度，m ；

——受热面金属导热系数，W/m 2

·K；

b

s b

b

1]1)1([αεαηα?++-=''P

(4-3)

式中 P ——鳍片面积系数，t

fm

H H P =

； H fin ——鳍片面积，m 2； H t ——受热面外部面积，m 2。

d

s d

s H H P )12

(1t

fm -+--=

=

πδ (4-4)

s , d ——管子节距、外径，m ，见图4-1。

——鳍片利用系数，

h

h th ''?''?=

ββη)

( (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

)

1()

(b s b αεδλδαβ++=

h N

(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

2

d

s h -=

(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 ：

μ

h

h =

' (4-8)

h”——有效高度，m ：

N

h h '

=

'' (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：

2

0.1659+0.3032+0.8608s s d d μ??

=- ???

(4-10)

αb ——烟气侧换热系数，见式(4-15)：

as

——附加热阻，在计算耐火材料涂层受热面时考虑：

a

a

as λδε=

(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 10a T a a +=λ

(4-12)

式中 a 0、a 1——系数；

a T ——耐火层平均温度，K ，按式(4-13)计算：

2/)(w b a T T T +=

(4-13)

式中 T b ——烟气侧温度，K ；

T w ——受热面壁面温度，K ，见式(4-17)：

受热面外内面积比为

???

? ??-----+=12)2(2111f t δδπδπd s H H

(4-14)

式中

1

——管壁厚度，m ；

s ——管节距，m ；

——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

C r b ααα+=

(4-15)

式中

r

——辐射换热系数，W/m 2

·K，见式(4-16)： c

——对流换热系数，W/m 2

·K，见式(4-26)：

))((2

w 2b w b r T T T T ++?=σεα

(4-16)

式中 ——Boltzmann 常数；

T w ——水冷壁管壁温度，按式(4-17)计算：

w f w T T T ?+=

(4-17)

式中 T f ——受热面内工质温度，K 。

水冷壁管壁内外侧温差

()07fin w b f f f

1000

07w

.H T .N T T H ?α??=?-?? ???

(4-18)

式中 T b ——烟气侧温度，K ；

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

w =0.2+0.007

(4-19)

式中 ——金属导热系数，W/m 2

·K；

壁面与烟气侧的系统黑度

可写作式(4-20)的形式：

1

1

1

1w

b

-+

=

εεε

(4-20)

式中

b

——烟气侧黑度，按式(4-21)计算：

w ε——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：

g p g p b εεεεε-+=

(4-21)

式中

p

——固体物料黑度，由式(4-22)计算：

B B B )1(2)1()1(p s p

s p s p s p s p s p

εεεεεεε--???

? ??+-?-= (4-22)

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2

3

； p s ε——物料表面平均黑度，与固体颗粒的浓度有关，可表示为

()p s εp 1exp B C C ε=--

(4-23)

式中 C ——常数；C 为0.1~0.2；

C p ——物料空间浓度，kg/m 3。

g

——烟气黑度，由式(4-24)计算：

()g g g 1exp k s ε=--

(4-24)

烟气辐射减弱系数k 可按下式简单计算：

2b g 0552*******.r T k .r s ∑+????=--? ???

?

(4-25)

式中，O H 2r ——烟气中水蒸气份额；

∑r ——烟气中三原子气体份额；

s g ——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

p c g c c ααα+=

(4-26)

式中 g

c α——烟气对流换热系数，W/m 2

·K，计算见式(4-27)；

p c α——颗粒对流换热系数，计算见式(4-28)。

7.0f g c g c v C ?=α

(4-27)

式中 g

c C ——烟气对流系数，4~6J/m 3

·K；

v f ——烟气速度，m/s 。

p c 5.0f p c p c )(αα?=v C

(4-28)

式中 v f ——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；

p c α——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

置有关；

p c C ——颗粒对流系数，按式(4-29)计算：

()1p c pc p 1exp n C C C =--

(4-29)

式中 C pc ——颗粒系数，0.01~0.02；

C p ——炉膛局部物料浓度，kg/m 3； n 1——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C p 按式(4-30)计算：

pp lt pz lt p pp pz 42

exp 28exp 284277C H H H C ...C H ?-?????

=-?----++?? ? ???????

(4-30)

式中 C pp ——实际温度下炉膛出口处

特征物料浓度，kg/m 3

；该数值可以根据图4-2

选定，并根据经验予以修正。

H lt ——炉膛总高度，m ； H pz ——双面水冷壁屏再或屏过

总高度，m 。

水冷壁物料浓度C p 按式(4-31)计算：

pp

lt h 1p pp

lt 1h 42

exp 28exp 284277C H d h C ...C H h d ??

+????=-?----++ ? ? ?--????

??

(4-31)

式中 h 1——炉膛下部冷灰斗锥体计算高度(从布风板算起)，m ；

d h ——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Q 1：

)100100(y

x ff k 4

6

43ar

net,j 1fh I I I Q q q q q Q B Q -''-++----=?

(4-32)

??

?

??--++----?=17.92111432565.207631003.035.010*******.51105995.0

kJ/h 830516501638250850=?=

MW 4.2313600

1000

833051650=?

=

其中

0lk zf lt 0

rk B Πk )(L I Q ααβ?+?+?''=

(4-33)

18.43.34)06.005.0()1816.4482)()(06.005.02.1(21??++?+--=αα

kJ/kg 5.20768.1568.2060=+=

式中 I ff ——回料器及冷渣器反回风带入的热量，kJ/kg ；

y

x I ''——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=1.2时，kJ/kg 2.111441816.404.2665y

x =?=''I 。 I fh ——离开主循环回路(分离器出口)的飞灰带走的热焓，kJ/kg

()ar sh fh fh fh fh 4

100100

100100-100-A A I a C C q υ+=?

??? kJ/kg

(4-34)

式中 αfh ——飞灰份额，%；

A ar ——燃料中灰份，%； A sh ——加石灰石产生的灰份； C fh ——飞灰可燃物含量，%；

(C υ) fh ——飞灰热烩，kJ/kg 。