内旋_直流复合流化下循环流化床的脱硫_郝晓文
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第27卷第4期 2007年8月动 力 工 程Journal of Power EngineeringVol.27No.4 Aug.2007文章编号:1000-6761(2007)04-596-05内旋P 直流复合流化下循环流化床的脱硫郝晓文, 马春元, 张立强, 董 勇(山东大学能源与动力工程学院,济南250061)摘 要:提出了内旋P 直流复合流化方式的循环流化床脱硫方法,并用热线风速仪测量了直管段内的冷态气相流场。
试验表明,内旋P 直流流化是非均匀布风的流化方式;2股气流的混合在距直管段入口2倍直径前基本结束,切向速度在直管段下游近壁处仍较大。
复合流化的轴向紊流度接近壁面处最强,而切向紊流度在半径中心有最大值。
叶片装在喉部的综合效果好于装在渐扩段,内旋P 直流流化的效果好于直流流化。
关键词:环境工程学;烟气脱硫;循环流化床;复合流化;切向速度;紊流度中图分类号:X701.3 文献标识码:ADesulphurization in Circulating Fluidized Beds Under CompositeInternally Swirling and Straight Flowing ConditionsHAN Xiao -wen , MA Chun -yuan , Z HANG Li -qiang , DONG Y ong(School of Energy and Power Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract :A composite internally swirling -straight flow desulphurization method for circulating fluidized beds is being proposed.The cold state flow field in the straight pipe section was measured with a hot wire ane mometer.Test results indicated that composite internally swirling -straight flow fluidization is a fluidizing method with non -uniform flow distribution;mixing of the two currents basically terminate within a distance,twice the diameter a way from the straightpipe .s entrance,but tangential velocity near the wall,do wn stream the straight pipe section,remains still quite high.Axial turbulence intensity of c omposite fluidization is highest near the pipe wall,but the tangential turbulence intensity is highest midway the radius.Blade effects are more pronounce,if installed in the throat,rather than in the diffuser posite internally swirling -straight flow fluidization is more effective than pure straight flow.Key words :environmental engineering;flue gas desulfurization;C FB;composite fluidization;tangent velocity;turbulence intensity收稿日期:2006-10-10 修订日期:2007-02-22作者简介:郝晓文(1977-),男,山东济南人,博士研究生,主要从事半干法烟气脱硫方面的研究。
传统的循环流化床半干法烟气脱硫技术采用文丘里管直流流化,直管段内以轴向流动为主。
但是有旋流动具有切向速度高,扰动作用强烈,混合与传热传质快速的优点。
通过外旋流内直流复合流化方式的试验研究[1]发现,这种流化方式与直流流化方式相比,具有提高塔内浓度,增强内循环,提高负荷适应性的优点。
为了研究其它的旋流流化方式对循环流化床脱硫塔内流动的影响,并使其加工简单,投资低,布置容易,本文提出内旋P 直流复合流化方式:文丘里管内安装旋转叶片,形成管内外侧的旋流流化与内筒直流流化组合的复合流化方式,它属于衰减旋流流动[2~3]。
复合流化的颗粒物在塔内停留时间增加,流速不变的情况下湍动强烈,利于热质交换。
本文研究了在相同叶片宽度下改变叶片出口仰角和安装位置时脱硫塔直管段轴向、切向速度和紊流度的分布规律,并与直流流化进行比较,为中试以及工业应用打下基础。
1 试验装置简介图1为试验装置系统图。
文丘里管内安装与喉部同轴的圆柱形内筒,旋转叶片有2种安装方式:位置a:旋转叶片装在文丘里管喉部内,叶片出口与喉部出口平齐;位置b:旋转叶片装在文丘里管渐扩段内,叶片入口与喉部出口平齐。
旋转叶片的结构与燃烧器轴向叶片相似。
由于旋转叶片通道的导流作用使气流具有一定的旋转速度,经过渐扩段扩口对旋转的增强作用[4],在脱硫塔直管段内形成具有一定旋转强度的旋转射流。
试验装置与某135MW 机组循环流化床半干法烟气脱硫改造工程的外型相似,几何尺寸比例1B 10。
文丘里管喉部直径300mm,喉部的内筒为喉部面积比的49%;旋转叶片高180m m,叶片数12个;脱硫塔直管段直径D =2R =500mm,出口接引风机。
喉部平均风速约为20m P s,试验进入自模区。
a 旋转叶片装在喉部出口(位置a)b 旋转叶片装在渐扩段入口(位置b)1-文丘里管喉部2-内筒3-旋转叶片4-文丘里管渐扩段5-脱硫塔直管段(虚线内为测量区)图1 试验装置系统图Fig 1 System diagram of the tes ting i ns tallation试验采用TSI 公司生产的IFA300恒温式热线风速仪测量脱硫塔直管段的气相冷态湍流流场。
采用X 型热膜探针测量轴向和切向速度,原因是:循环流化床中轴向速度一般远大于径向速度[5][6];本试验中文丘里管喉部长度长,是充分发展的湍流流场;与轴向、切向速度分布相比,管内旋流的径向速度极小,可以忽略[7];气流直进直出,没有弯头;通过雷诺应力模型的数值模拟得出径向速度的数量级为10-1,因此将直管段内流动近似为二维流场进行处理。
试验参数示于表1。
表1 旋转叶片的试验参数Tab.1 Parameters of the swirl blades for testing叶片位置叶片出口平均仰角P H遮盖度P k旋流数P 8内筒占总风量的比率P %系统阻力系数P F 52.085.62953b20.8463.158.616喉48b 2.4 1.0065.749.088部42b 3 1.2466.069.39634b 4 1.6769.7811.97653b20.8763.449.933渐48b 2.4 1.0467.5911.246扩42b 3 1.2872.3213.747段34b41.7277.9814.1942 试验结果当内旋P 直流流化时,旋转叶片出口仰角H 为叶片与喉部圆截面的夹角。
H 越小,旋流数越大,遮盖度越大,阻力越大,内筒风率越大。
所以,内旋P 直流复合流化是一种非均匀布风的流化方式,有助于提高内循环。
图2为阻力系数随旋流强度变化关系图。
在相同的仰角H 下,旋流数相差不大时,位置a 阻力小于位置b 。
从表1及图2可以看出:系统阻力随仰角H 减小而增加,H 位置a 的阻力迅速增加然后在仰角34b 时增加变慢,而位置b的阻力变化相反。
图2 阻力系数随旋流强度变化关系图Fi g 2 Resis tance coefficient varying with s wirl intensi ty2.1 轴向速度分布规律相对速度指是测量速度与脱硫塔直管段平均速度的比值。
选取的测量截面距脱硫塔直管段入口距离分别为:y =0.04D ,0.6D ,1D ,2D ,3D ,4D 。
定义0[r P R [0.4为中心区,0.4<r P R [0.96为近壁区。
图3及图4为轴向速度变化图。
由于渐扩段内气流的扩散,直管段入口轴向速度呈现中心最高,沿着半径增加方向下降的规律;随着气流的流动,中心轴向速度减小,速度分布逐渐均匀。
#597# 第4期郝晓文,等:内旋P 直流复合流化下循环流化床的脱硫在内旋P 直流流化时,内筒内外风率比远大于面积比,所以直管段上游轴向速度峰值高于直流流化;相同位置下仰角H 越小或在相同H 下位置b 有更大的轴向速度峰值;H 越小,近壁区轴向速度梯度越大,旋流直流混合越快。
直管段上游轴向速度在r P R =0.7~0.8降到最小后反弹,其原因是内筒两侧较厚的边界层和渐扩段内对应轴向位置较小的速度梯度带来的低速区,此区域一直延伸到直管段入口。
a -直流流化b -H =53bc -H =48bd -H =42be -H =34bÓ-轴向速度 u -切向速度图3 旋转叶片装在喉部的速度分布图Fig 3 Axi al veloci ty with swi rl bl ades ins talled in the throata -直流流化b -H =53bc -H =48bd -H =42be -H =34b图4 叶片装在渐扩段的速度分布图Fig 4 A xial velocity w i th s wirl blades i nstalled in the di ffuser在内旋P 直流流化时,在y =2D 截面,除了壁面较低外,其余半径处的轴向速度分布与直流流化类似,这表明内旋P 直流之间的混合基本结束。
H 越小,达到与直流流化类似的轴向速度分布的位置越提前。
2.2 切向速度分布规律由图3、图4可以看出,直流流化时切向速度很小。
内旋P 直流复合流化时,叶片内部出口角小于外部出口角,外部气流旋转强一些,因此接近壁面的切向速度最强。
由于内旋P 直流在渐扩段内的提前混合,直管段内切向速度均有所提高,切向输送被强化。
中心区切向速度较小且变化不大。
