第23卷第6期电站系统工程V ol.23 No.6 2007年11月Power System Engineering 1 文章编号：1005-006X(2007)06-0001-05
循环流化床外置式换热器结构与布置特性的探讨
重庆大学杨磊陈继辉刘汉周卢啸风
摘要：论述了循环流化床锅炉外置式换热器的特性，通过对当今循环流化床锅炉大型化进程中外置式换热器的分类介绍，总结了各个种类外置式换热器的结构特点。介绍了循环流化床锅炉外置式换热器流动及传热的研究现状及成果，提出了外置式换热器流动和传热研究过程中需要注意的几个问题。
关键词：循环流化床；外置式换热器；分类；定向流动
中图分类号：TK229.6+6 文献标识码：B
Discussion on Characteristics of Structure and Layout of External Heat Exchanger in
Circulating Fluidized Bed Boiler
idol什么意思YANG Lei, CHEN Ji-hui, LIU Han-zhou, LU Xiao-feng
Abstract: The characteristics of the external heat exchanger（EHE）in a circulating fluidized bed boiler (CFBB) are described. Under the basis of introduction of EHEs in a large-scale CFB boiler, the structures, gas-solid flow and heat transfer in an EHE are summarized. Some problems that should be noticed in the study work are put forward.
Key words: CFBB; EHE; classification; directional flow
随着循环流化床锅炉技术的不断发展，其向大型化、高效发展的趋势越来越明显。目前国外已完成600 MW级和800 MW级的超临界大型循环流化床锅炉的设计，我国目前也正在研制国产300 MW循环流化床锅炉机组，并由三大锅炉厂及各大高校组成联合科研团队对600 MW CFBB进行自主研发[1,2]。
在CFBB大型化发展进程中，当锅炉容量增加的时候，炉膛的横断面积基本上随燃料量及其传热量的增加而成比例增加，炉膛边界周长也同时增加。但是，炉膛边界周长增加速度小于横断面积的增加速度（据计算统计从400 MW到800 MW炉膛的周长按比例缩小了18%），这就使得在锅炉容量增加时，炉膛表面积相对炉膛容积减少了。为了补偿这部分丢失的换热面积，出现了附加的内部传热表面（例如翼墙管）和外置式换热器[3]。在炉膛内部增加附加受热面，虽然锅炉本体系统简单，但对回料量、入炉煤粒径分布的要求较高，炉温控制手段要求也较高，况且在炉内布置附加受热面不仅会面临比较
严重的磨损问题，当煤质参数甚至冷渣器结构形式参数发生变化时，还会出现床温控制与负荷控制之间的矛盾。
当采用外置式流化床换热器时，不但避免了严重的磨损（外置床内的流化风速一般只有1 m/s左右），而且床温调节比较灵活，使燃烧与传热分开，可使二者均达到最佳工作状态。此外由于外置式换热器对床温调节的灵活性，也增强了CFBB对于煤种的适应性。但是，客观地讲外置式换热器还存在一些问题。首先，外置式换热器的加入增加了系统的复杂程度。其次，由于外置床回送风风速相对较小，基本不能作为二次风使用，因此对炉膛中心缺氧状态的缓解起不到多大作用，基本不参与燃烧的回送风，反而使过剩氧量增加，
收稿日期: 2007-05-10
杨磊(1981-)，男，硕士研究生。重庆，400044 过剩氧量的增加使引风机负担增加，增加了厂用电，另外容易在高温绝热型旋风分离器内产生后燃现象，对于锅炉效率的计算也产生一定的影响。此外，外置式换热器要用高压风机送风，使厂用电进一步增加。再有，对于带外置式换热器的CFBB，与无外置式换热器的CFBB或煤粉锅炉相比，由于在紧急停炉或突然甩负荷时，外置式换热器内的热灰不能及时排放，增加了高、低压蒸汽旁路的容量，使其过热器和再热器旁路高出一般煤粉锅炉或不带外置床的CFB锅炉的15%左右（带外置式换热器的锅炉的高低压蒸汽旁路要设置主蒸汽流量的50%，比
如秦皇岛热电厂3期2×300 MW循环流化床机组，其高、低压二级串联旁路的设计容量为BMCR的50%，而没有外置式换热器的CFB锅炉和煤粉锅炉只需要相对较小的高低压旁路容量，我国已经建成和正在建设的300 MW 及以上单元机组, 其旁路容量大部分在35%～40%[4]）。此外，当外置床中布置再热器后，低负荷时炉温与再热汽温的矛盾，也不可忽视。
瑕不掩瑜，在CFBB大型化的过程中为了保证锅炉系统的稳定可靠运行，我们更加关注外置式换热器的优点并利用其优点使其成为CFBB大型化进程中的一个亮点。本文旨在通过对外置式换热器分类、结构等的介绍，说明外置式换热器的研究现状和成果及存在的问题，并展望外置式换热器未来发展方向。
1 流化床外置式换热器的主要结构形式
根据目前流化床外置式换热器发展，将现今主流的循环流化床锅炉流化床外置式换热器分为两类：
第一类是机械阀控制冷、热灰比例的机械式外置式换热器（Lurgi/CE型外置式换热器）（图1、2），这类外置式换热器一般采用锥形阀等机械控制阀控制进入炉膛的冷、热灰比例，最为典型的是国内引进的Alstom公司300 MW机组
2 电站系统工程第23卷第6期
中外置式换热器（FBHE），Alstom公司并准备进一步应用到600 MW机组中[5]。在该方案中，外置式换热器兼做回料装置，固体物料进入外置式换热器的流量采用一个水冷锥形阀来控制[6]。
图1 带锥型阀的外置式换热器
图2 水冷锥形阀结构示意图
第二类是气动控制冷、热灰比例的非机械式的外置式换热器，在这一类中又分为3种型式：
第一种，灰量调配机构和换热机构成为一体的型式，最为典型的是美国F&W公司的专利技术，一体化返料换热器（INTREX——Integrated Recycle Heat Exchanger Bed）[7～9]。F&W公司的外置式换热器主要有3种布置方式：“底流式”、“溢流式”和独立布置方式（图3、4、5）。“底流式”INTREX 流化床换热器主要在采用方形分离器的紧凑型循环流化床锅炉中应用，其主要特点是不仅可以冷却高温分离器分离下来的高温循环灰，还可以冷却部分炉内高温床料；“溢流式”INTREX流化床换热器是F&W公司应用较多的布置方式，这种流化床换热器在结构上由不布置受热面的进料通道和布置了受热面的冷却室以及一个共用的返料通道组成，以使冷、热灰比例灵活可控，并使返料温度均匀、返料量大；独立布置方式是指INTREX流化床换热器独立布置在炉外，这种布置方式只需控制冷却室的流化风量就可达到调节灰量的目的。随着此项专利技术的进一步完善，F&W公司将其进一步改进应用于600 MW和800 MW机组研发设计中[3]。另外，我国西安热工院孙献斌等开发研究的紧凑式分离回灰换热器也属于这一种类型，在200 MW级CFB锅炉机组上有成功应用（图6）。
第二种，灰量控制机构和换热机构分离的型式（图7）。对这种外置式换热器，浙江大学王勤辉等做了系统的实验研究，通过控制回料阀和外置式换热器运行时送入的风量来调节进入返料机构和外置式
换热器的高温物料量，从而通过调节进入外置式换热器和返料机构的循环物料量达到调节外置式换热器的运行参数及吸热量的目的[9～10]
。
图3 “底流式”INTREX流化床热交换器
图4 “溢流式”INTREX流化床热交换器
图5 独立布置的INTREX流化床热交换器结构示意图
第6期杨磊等：循环流化床外置式换热器结构与布置特性的探讨 3 第三种，重庆大学自行设计的一体化外置式换热器（图cars
恋爱季节15
8），并对其进行了冷模试验研究和数值模拟的验证，得出结
论：这种新型一体化外置式换热器具有以下特点：①能够独
立控制各个换热仓室的循环灰的流动，进而达到灵活调节各
仓室换热情况的目的；②返料回炉膛前在返料室进行混合，
从而保证了各回料口返料热负荷的均匀性；③此种外置式换
热器具有良好的物料控制特性，能够满足新型“炉膛包围分
离器”的大型化循环流化床锅炉布置方案的运行要求[1]
。
图6 循环流化床紧凑式分离回灰换热器
图7 叠置式外置式换热器结构图
图8 外置式换热器试验装置示意图
2 外置式换热器的流动与传热研究
由于流化床外置式换热器实质上是一个或多个仓室构成的非燃烧细颗粒鼓泡流化床，布置在高温循环灰回路中，位于分离器下方，因此对于外置式换热器的流动与传热研究，主要集中在对鼓泡床埋管情况下灰流动和换热方面的研究。
20世纪90年代对于鼓泡床内水平埋管的研究比较广泛，Saxena对此进行了很好的总结[11]。工作重点主要集中在管子周向、轴向的局部及平均努赛尔数（即传热系数）的分布研究上，大部分还是集中在大管径领域[12～14]。Jacob Friedman等对浸入流化床内单一热管的传热进行了研究[15]，该实验研究的实验室部分是利用冷的矾土沙冲刷浸入其中的电加热不锈钢管。实验表明，不同管子直径对于传热系数的影响，管子直径在1.27～9.52 mm之间，直径越大则努赛尔数越大（即传热系数越高）。此外对于一定管径的管子一定床料平均粒径的外置式换热器，努赛尔数随流化风速的增加，在经历一个快速提升过程后趋于一个定值平稳变化。
Sung Won Kim等[16]利用FBHE流化床热量交换器，并利用光纤探测器等设备检测研究外置式换热器内乳化相的流动特性，并在冷态试验台上用冷灰去冲刷电加热铜管来研究其传热特性。试验得出结论：气速对于FBHE中水平埋管和床层之间的平均换热系数和局部换热系数具有决定性的影响，其中
平均换热系数随着气速的增加趋于一个最大值，局部换热系数在管子边壁处存在一个最大值。对于局部传热系数随着鼓泡频率的增加而增加，随着乳化相接触时间的减少而增加。其中气泡比例和乳化相接触时间都可以用弗鲁德准则数表示：
23
.0
2
2)
(
19
.0
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
=
A
U
U
U
g
d
mf
g
mf
p
b
δ
，
日语1级
225
.0
30
.0
2
2)
(
20
.1⎟⎟
⎠
⎞
欲望都市电影版2
⎜⎜
⎝
⎛
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
=
D
d
A
U
U
催乳方法U
g
d
t p
mf
g
mf
p
e。
浙江大学王勤辉等[10]利用冷灰冲刷电加热管的方法，在冷态试验台上对灰量控制机构和换热机构分离的型外置式换热器的流动特性做了实验研究，压力分布随气流和物料流量的变化都有明显的变化，各压力测点的压力随物料流量增加而有所增加，还利用冷灰冲刷电加热管的方法，在冷态试验台上对外置式换热器的传热特性做了实验研究，研究表明，EHE换热床内的传热系数受流化风速和颗粒流量的影响很明显，随着流化风速和颗粒流量的增加，其传热系数增大，并且换热床内的传热特性并不均匀，床中间区域的传热系数明显高于边壁区域，另外还提出了非机械阀外置式换热器新型布置方案。
dailymotion西安热工院孙献斌等[17]对于紧凑式分流回灰外置式换热器进行了系统的实验研究，他采用的实验方法是用热灰冲刷水冷管，在热态试验台上对外置式换热器的传热特性进行研究，并且在试验的基础上建立了分流回灰换热器的传热计算模型：
γ
α
b
T
k×
=
式中：α——换热系数；k——比例系数；T b——换热器床温；γ——温度指数[17]。
对125 MW CFBB外置式换热器内的流动状况等相关问题刘朝化等[18]作了研究，试验得出非机械式外置式换热器流动特性的相关结论：高温回料室入口的物料流通截面积大小对总的物料流量影响很大；循环流化床的空床速度、物料量和物料粒径对总的物料流量、低温回料室的物料流量和回灰
4 电站系统工程2007年第23卷
份额有影响。
虽然对于鼓泡床埋管换热的传热和流动特性研究已经相当深入，流动和传热模型也纷纷建立，但是由于外置式换热器所特有的一些区别于鼓泡床的特点，使得人们越来越认识到只是针对鼓泡床对外置式换热器进行流动及传热特性的研究是不够的。还应该考虑以下几个重要的问题。
2.1 外置式换热器内颗粒的定向流动问题shengtang
通过对大型循环流化床锅炉流化床外置式换热器的现场数据及运行情况分析，发现外置床内的实际的颗粒流动及换热情况相当复杂。由于流化床外置式换热器中，灰渣一般以溢流形式从一个仓室流入另一个仓室，对于每一个仓室来讲，里面存在着由于气泡抛射作用而随机得到或失去的颗粒和真正溢流进、出的颗粒流，这种溢流作用形成了仓室内颗粒的定向流动，因此循环灰在被空气流化进行垂直方向的运动同时还存在着由进口到出口的定向流动，这种定向流动是一个总体的趋势。这两种流动状况的叠加改变了传统鼓泡床内循环灰的流场状态，而人们以往的研究中对这个问题重视不够。
2.2 传热管束换热的均匀性问题
由于定向流动的存在，使外置式换热器内颗粒与受热面之间的换热情况发生了变化，造成了外置床内换热管排在灰流动方向的温度偏差。当过热器或再热器管束内蒸汽流动方向与循环灰流动方向相垂直时，容易造成较大的热偏差。2.3 不同受热面的传热控制问题
外置式换热器内主要布置有过热器和再热器，对于两种受热面的控制可将过热器和再热器分别放在两个独立的外置式换热器中，利用带有过热器的外置式换热器来控制床温，利用带有再热器的外置式换热器对再热器进行汽温调节和保护，这样过热器通过喷水减温进行汽温调节和保护而再热器不用设置事故喷水减温。现在300 MW级亚临界CFBB 常常出现将外置式换热器中同时布置过热器和再热器，类似这种在同一外置式换热器其中布置不同仓室布置不同受热面的情况对于汽温特性的影响和传热的控制问题一直没见到理论上的研究。
2.4 不同负荷下，过热汽温、再热汽温及床温的协调控制问题
对于循环流化床锅炉外置式换热器内布置的过热器和再热器一般为对流式，其汽温特性一般是随锅炉负荷的降低而降低。
对于外置式换热器的床温及汽温特性，肖峰等[19]通过试验得出结论：如果在FBHE中同时布置过热器、再热器和蒸发受热面（省煤器），锅炉床温、汽温的调节性能将大大提高，增加对流受热面的经济性，并且锅炉具有较强的低负荷稳燃性；每个FBHE中吸热量的分配要充分考虑分离器的数量、循环物料流量、回料器安全可靠运行的范围和灰控制阀的调节能力。
但在通过外置式换热器来调节床温以改变负荷的运行过程中，在过热汽温、再热汽温同床温之间存在着一个矛盾：当锅炉机组降负荷时，希望保持炉温和再热器出口汽温，要保持床温就希望有更多的热
灰不经过外置式换热器进入炉膛，与此同时为了保持再热器出口汽温，就希望更多的热灰经过外置式换热器来提高再热器出口汽温，因此这里就存在一个过热汽温、再热汽温及床温协调控制的问题。本文认为，在外置床中单独布置蒸汽受热面，低负荷时，通过停运布置有蒸发受热面的外置床，可能是解决低负荷时床温与再热汽温矛盾的一种方法。
3 外置床的发展趋势
外置式换热器的一个总体的发展趋势：物料循环方面由传统的机械阀控制向气动控制发展，材质组成方面由传统的厚耐火材料向膜式壁加薄耐火材料发展（图9），安装方式方面由传统的支承方式到悬吊方式再进一步发展到现在的燃烧室、外置床一体的结构（图10）。
图9 带有膜式壁的外置式换热器在CFBB中的应用
图10 外置床、燃烧室一体化结构
对于国内的情况，由于存在很多小机组改造成CFBB的问题和CFBB在工业锅炉领域的应用问题，使我们不光要研究外置式换热器在大型CFBB上的应用，还要关注外置式换热器在小型工业锅炉及老旧锅炉改造领域的应用。
4 结论
(1) 外置式换热器的主要结构形式：机（下转第11页）
第6期樊兆燕等：工业废气物的煅烧及动力学特性实验研究 11
烧温度对最终的失重率影响不大。
(3) 通过比较固体废弃物在相同的反应温度、相同粒径、不同升温速率条件下的反应活化能，可以得到，白泥、电石渣、石灰石三者有着类似的煅烧反应动力学特性，煅烧反应的活化能都是随着煅烧度的增加而减小，碱渣和盐泥的煅烧反应动力学特性相似，煅烧反应活化能随着煅烧度的增加而增大。电石渣的活化能较小，反应活性较大，而相比来说，碱渣和盐泥的活化能较大。 □
参考文献
[1] Milne Corey R, Silcox Geoffrey D, Pershing David W, et al. High
Temperature, short time sulfation of calcium bad sorbents [J]. Ind.
Eng. Chem. Res., 1990, 29: 2192～2201.
[2] Murthy M S, Harish B R, Rajanandam K S, et al. Investigation on the
kinetics of thermal al decomposition of calcium carbonate [J]. J.
Thermal Anal., 1994, 37: 1533～1543.
[3] Hu Naiyi, Scaroni Alan W. Calcination of pulverized limestone
particles under furnace injection conditions [J]. Fuel, 1996, 75:177～
186.
[4] Koga N, Tanaka H [J]. J. Thermal Anal., 1994, 41(2-3): 455～469.
[5] Koga N，Sestak J, Melek J [J]. Thermochim. Acta, 1991, 188(2):
333～336.
[6] Andrew K Galwey. What is meant by the term ‘variable activation
会计凭证的填制energy’ when applied in the kinetic analys of solid state decompositions (crystolysis reaction) [J]. Thermochimica Acta, 2003, 397: 249～268.
[7] 李余增. 热分析[M]. 北京: 清华大学大学出版社, 1987.
[8] 崔之宝. 石灰石原料特性对冶金石灰煅烧的影响[J]. 包钢科技,
1995(1): 35～39.
编辑：闻彰
ear
（上接第4页）械阀控制冷、热灰比例的机械式外置式换热器（Lurgi/CE型外置式换热器）；气动控制冷、热灰比例的非机械式的外置式换热器。
(2) 当前对于外置式换热器的研究存在的几点问题：外置式换热器内颗粒的定向流动问题；传热管束换热的均匀性问题；不同受热面的传热控制问题；不同负荷下，过热汽温、再热汽温及床温的协调控制问题。
(3) 外置式换热器灰量控制方式分为机械阀控制和气动控制，而现今的发展趋势是向着气动方向发展。外置床中的灰量流动方式有溢流式与底流式，不同公司根据自己不同的理念，同一公司根据用途的不同有不同的设计要求。另外，外置式换热器发展创新的过程中存在几点问题，这些问题有基础性的研究问题，有运行中的应用问题，并且这些问题都有待我们去进一步探讨和验证。
(4) 未来的外置式换热器将是：轻型、气动、与炉膛一体式连接。□
参考文献
[1] 黄永军, 卢啸风, 刘汉周.循环流化床大型化技术方案分析[J].电
站系统工程, 2005, 21(6): 11～13, 16.
[2] 刘德昌, 陈汉平, 张世红, 等. 循环流化床锅炉运行及事故处理
[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.
[3] Goidich S J, Fan Z,Sippu O,et al. Integration of Ultra-Supercritical
OTU and CFB Boiler Technologies [A]. 19th International Conference on Fluidized Bed Combustion [C]. Vienna, Austria: 2006.
[4] 高宏伟, 李军. 汽轮机旁路系统探讨[J]. 电力勘探设计, 2005(1):
78～80.
[5] Jean-Xavier Morin. Recent Alstom Power Large CFB and Scale up
aspects including steps to Supercritical [A].47 th International Energy Agency Workshop on Large Scale CFB [C]. Zlotnicki, Poland: 2003. [6] 卢啸风. 大型循环流化床锅炉设备与运行[M]. 北京: 中国电力出
版社, 2006.
[7] Stephen J Goidich, Timo Hyppänen.Foster Wheeler Compact CFB
Boilers For Utility Scale [A]. Proceedings of the 16th International
Conference on Fluidized Bed Combustion [C]. Reno, Nevada: 2001. [8] Stephen J Goidich. CFB Boiler Design And Operation Using The
INTREX™ Heat Exchanger [A]. 6th International Conference on Circulating Fluidized Beds [C]. 1999.
[9] Stephen J Goidich, Ragnar G. The Utility CFB Boiler-Prent Status,
Short and Long Term Future with Supercritical and Ultra-Supercritical Steam Parameters [A]. PowerGen Europe 2002 [C]. Milan: 2001. [10] 王勤辉, 施正伦, 程乐鸣, 等.非机械阀控制外置式换热器的试验
研究[J]. 动力工程, 2001, 21(4): 1324～1330.
[11] Saxena S C. Heat transfer between immerd surfaces and
gas-fluidized beds [J]. Advances in heat transfer, 1989, 19: 97～190.
[12] Hong-Shun Li, Ren-Zhang Qian, Wen-Di Huang, et al. An
investigation on instantaneous local heat transfer coefficients in high-temperature fluidized beds—I. Experimental results [J].
International Journal of Heat and Mass Transfer, 1993, 36(18): 4389～
4395.
[13] Tanveer Khan, Richard Turton. The measurement of instantaneous
heat transfer coefficients around the circumference of a tube immerd in a high temperature fluidized bed [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1992, 35(12): 3397～3406.
[14] Ali Ihsan Karamavruc, Nigel N Clark. A correction factor for
one-dimensional heat transfer coefficients around a horizontal tube in
a fluidized bed [J]. Powder Technology, 1996, 86(2): 209～217.
[15] Jacob Friedman, Polo Koundakjian, Dennis Roro. Heat Transfer to
Small Cylinders Immerd in a Fluidized Bed [A]. 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion [C]. Toronto, Ontario, Canada: 2005.
[16] Sung Won Kim, Jung Yeul Ahn, Sang Done Kim, et al. Heat transfer
and bubble characteristics in a fluidized bed with immerd horizontal tube bundle [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46: 399～409.
[17] 孙献斌, 李志伟, 时正海, 等. 循环流化床锅炉紧凑式分流回灰换
热器的试验研究[J]. 中国电力, 2006, 39(7): 27～30.
[18] 刘朝化, 孙献斌, 等.125 MW CFB锅炉外置换热器试验[J]. 东方
锅炉, 2001(3): 17～26.
[19] 肖峰, 等. 外置床（FBHE）对床温、汽温调节特性的研究[J]. 锅炉
技术, 2003, 34(4): 4～7, 10.
编辑：巨川
