循環(huán)流化床物料平衡系統(tǒng)的研究

循環(huán)流化床物料平衡系統(tǒng)的研究

作為21世紀(jì)清潔能源的先進(jìn)技術(shù)，循環(huán)流放在工業(yè)中的應(yīng)用日益增多。在流化床鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,物料平衡非常重要,它對鍋爐的流體力學(xué)特性、燃料特性、傳熱特性、變工況特性以及受熱面的布置等影響都很大。循環(huán)量、飛灰量和排渣量等物料平衡參數(shù)相互耦合,相互影響,其中固體物料循環(huán)量及其粒度分布在循環(huán)流化床鍋爐中起著至關(guān)重要的作用,直接決定鍋爐負(fù)荷能否達(dá)到運(yùn)行要求。固體物料循環(huán)量同鍋爐的分離器分離效率、排渣粒度分布和燃煤成灰特性密切相關(guān)。1非均質(zhì)流軸材料的平衡和影響因素1.1煤流系統(tǒng)的循環(huán)流場計(jì)算典型的循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)“一進(jìn)二出”系統(tǒng)如圖1所示,進(jìn)來的給料Gin(i)從飛灰口F(i)和排渣口Gout(i)排出,在穩(wěn)定工況下,對于任一平均灰粒有徑的灰粒:Gin(i)=Gout(i)+F(i)。(1)流化床內(nèi)的循環(huán)量Gin(i)作為攜帶熱量的介質(zhì)在流化床內(nèi)循環(huán)流動(dòng),式(1)中Gin(i)為系統(tǒng)中給煤量燃燒后某一粒徑的灰流率,kg/s;Gout(i)為爐膛底部的同一粒徑的排渣率,kg/s;F(i)為未能被分離器捕捕捉的該粒徑的飛灰流率,kg/s。循環(huán)流化床物料平衡系統(tǒng)由燃燒室、分離器和返料閥組成,分離器入口物料量E∞(i)X(i)等于飛灰物料量F(i)與循環(huán)物料量Cir(i)之和,循環(huán)物料量可表示為Σi=1nE∞(i)X(i)η(i)?E∞(i)Σi=1nE∞(i)X(i)η(i)?E∞(i)為循環(huán)流化床輸送分離高度(TDH)以上的飽和夾帶率;X(i)為密相區(qū)內(nèi)各檔粒子所占的重量百分比;η(i)為分離器分離效率。1.2影響原材料平衡的因素從循環(huán)物料量的表達(dá)式可看出循環(huán)物料量決定于分離器分離效率、楊析率和床料粒度分布,從圖1還可看出,循環(huán)量同排渣系統(tǒng)也有關(guān)。1.2.1分離器效率低在循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,分離器的分離效率是標(biāo)志流化床技術(shù)的關(guān)鍵,它對系統(tǒng)物料平衡很重要。在通常給定的運(yùn)行風(fēng)速下,循環(huán)流化床料中只有某一粒度范圍內(nèi)(100μm～600μm)的物料有用,能夠成為循環(huán)物料。若分離器效率不高,則飛灰量加大,循環(huán)量減少,循環(huán)量不能滿足運(yùn)行要求。設(shè)計(jì)分離器時(shí),不僅嚴(yán)格要求分級效率D50,而且敏感于臨界效率D99,要求D99在給定的夾帶率下盡快達(dá)到D100,若D99不能很快達(dá)到D100,出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,則循環(huán)量必定也上不去,循環(huán)流化床以鼓泡床運(yùn)行。這是因?yàn)镈99不能很快達(dá)到D100,意味著D99所對應(yīng)的顆粒尺寸大(圖2所示),不能被夾帶上去,則循環(huán)量小,只能開成鼓泡床,如二維分離器,其D50不差,但D99很大,在這種情況下,要想以循環(huán)床運(yùn)行,只有加大運(yùn)行風(fēng)速,使運(yùn)行風(fēng)速和分離器效率配合,才能達(dá)到預(yù)定的循環(huán)量,但使風(fēng)機(jī)能耗增加。1.2.2燃煤石灰作為循環(huán)灰的特點(diǎn)排渣系統(tǒng)作為流化床“一進(jìn)二出”系統(tǒng)的一個(gè)出口,其排渣粒度分布對于循環(huán)物料量影響很大。若燃煤灰分小,則排渣最小,排渣系統(tǒng)經(jīng)常關(guān),床內(nèi)物料有足夠的時(shí)間進(jìn)行物料分層,細(xì)顆粒在上,大顆粒下沉,排掉大顆粒,細(xì)顆粒作為循環(huán)灰;若燃煤灰分多,排渣最多,排渣系統(tǒng)經(jīng)常開,床料來不及進(jìn)行物料分層,排渣易帶走細(xì)顆粒,從而使循環(huán)灰減少,造成循環(huán)床上部灰濃度不夠,負(fù)荷上不去,這時(shí)需采用選擇性排渣裝置將排掉的細(xì)粒送回循環(huán)床,以減少循環(huán)灰損失,如圖3所示。另外,灰分的磨耗特性對循環(huán)量的影響也很大。磨耗影響灰分在爐內(nèi)的停留時(shí)間,磨耗越大,停留時(shí)間越小,從渣口跑掉的細(xì)粒越多,則循環(huán)灰越少,對于磨耗程度嚴(yán)重的物料(如石灰石),則于磨耗丟掉的物料遠(yuǎn)比由于分離效率不高減少的多,造成爐內(nèi)物料平衡的困難。1.2.3燃煤成灰灰灰循環(huán)流化床鍋爐的長期運(yùn)行表明循環(huán)床內(nèi)物料循環(huán)結(jié)果為床料非常均勻,床料粒徑為100μm～300μm,即燃煤成灰的灰粒度在100μm～300μm的灰分作為循環(huán)灰,細(xì)粒飛走,粗粒排掉。若煤顆粒的成灰特性差,形不成循環(huán)灰所需的粒度,則循環(huán)量滿足不了運(yùn)行要求,物料平衡困難,流化床只能以鼓泡床運(yùn)行。2減少床內(nèi)燃燒份額,提高床內(nèi)料量循環(huán)流化床與鼓泡床的燃燒機(jī)理的過程不一樣,床結(jié)構(gòu)和受熱面布置不一樣,其根據(jù)原因在于循環(huán)物料量的不同。a)由于循環(huán)床流化風(fēng)速較泡床高,床料粒度又細(xì),故揚(yáng)析到稀相區(qū)的物料量增多,沿床高的物料濃度的變化趨勢不似鼓泡床的劇烈(圖4a)。b)循環(huán)流化床稀相區(qū)的物料量增多,相應(yīng)地其碳顆粒量也會增加,即稀相區(qū)的燃燒份額上升,密相區(qū)的燃燒量也會增加,即稀相區(qū)的燃燒份額上升,密相區(qū)的燃燒份額下降,同時(shí),循環(huán)床密相區(qū)產(chǎn)生的大量的CO和一部分揮發(fā)份額被帶到稀相區(qū)燃燒,使得循環(huán)床密相的燃燒份額遠(yuǎn)低于鼓泡床密相區(qū)的燃燒份額(圖4b)。c)床內(nèi)的物料平衡直接影響床結(jié)構(gòu)和受熱面的布置。循環(huán)床稀相區(qū)物料濃度大,必須設(shè)置分離器以達(dá)到運(yùn)行要求的循環(huán)量,鼓泡床稀相區(qū)物料濃度小,不需設(shè)置分離器;鼓泡床密相區(qū)的燃燒份額為80%左右,為防止床溫超溫,必須設(shè)置埋管受熱面,循環(huán)床密相區(qū)的燃燒份額為60%左右,不需設(shè)置埋管受熱面。d)實(shí)驗(yàn)研究證明物料濃度是影響床內(nèi)換熱系數(shù)的最大因素,其中物料濃度對于固體顆粒對流換熱系數(shù)的影響最為顯著。在流化床密相區(qū)上部總傳熱系數(shù)中,固體顆粒對流換熱系數(shù)約占40%,輻射約占50%,煙氣對流約占10%～20%,循環(huán)床稀相區(qū)物料濃度的增加,大大提高了稀相區(qū)的傳熱系數(shù)(如圖4c)。e)循環(huán)床內(nèi)物料量的加大,使床內(nèi)物料上下傳質(zhì)較鼓泡床加強(qiáng)(圖4d),保證了燃燒室縱向溫度的均勻性。從上面幾點(diǎn)可見循環(huán)床內(nèi)的物料平衡,循環(huán)量的多少是循環(huán)床和鼓泡床最本質(zhì)的區(qū)別,循環(huán)量的不同,使得床體結(jié)構(gòu)、受熱面布置和爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)的不同。3灰特性對物料平衡的影響a)循環(huán)流化床的物料平衡對于循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行非常關(guān)鍵,循環(huán)量能否達(dá)到和維持預(yù)定設(shè)計(jì)值直接影響鍋爐出力能否滿足運(yùn)行需求。分離器分級分離效率、排渣粒度和燃煤成灰特性是影響物料平衡的主要因素。b)分級分離效率D50,D99的高低,決定循環(huán)量的多少。分級分離效率降低,可通過加大運(yùn)行風(fēng)速,使運(yùn)行風(fēng)速和分離效率配合來達(dá)到預(yù)期的循環(huán)量,但風(fēng)機(jī)能耗增加。c)燃料灰分多,則排渣易夾帶細(xì)粒,使物料平衡困難