摘要:

     煤粒在流化床內(nèi)的燃燒涉及到流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)及若干相關(guān)的物理化學(xué)現(xiàn)象.煤粒送入循環(huán)流化床內(nèi)迅速受到高溫物料及煙氣的加熱,首先是水分蒸發(fā),接著是揮發(fā)份析出和燃燒,以及焦炭的燃燒,其間還伴隨著發(fā)生煤粒的破碎、磨損等現(xiàn)象.煤粒在爐內(nèi)將依次發(fā)生如下的過(guò)程:

①煤粒得到高溫床料的加熱并干燥;

②熱解及揮發(fā)份燃燒;

③發(fā)生顆粒膨脹和一級(jí)破碎現(xiàn)象;

④焦炭燃燒并伴隨著二級(jí)破碎和磨損現(xiàn)象.

流化床內(nèi)煤粒的燃燒包括揮發(fā)份的析出燃燒和焦炭的燃燒,這與煤粉爐是一致的.與煤粉爐不同之處在于:

①對(duì)煤粉爐而言,煤粒的干燥和破碎是在爐外(也就是在制粉系統(tǒng)內(nèi))完成,而循環(huán)流化床在爐內(nèi)完成干燥過(guò)程和部分破碎過(guò)程.

②由于爐內(nèi)煤粒濃度較大,循環(huán)流化床爐內(nèi)煤粒間存在磨損現(xiàn)象.

③煤粉爐是一次燃燒,循環(huán)流化床鍋爐通過(guò)飛灰循環(huán)實(shí)現(xiàn)多次燃燒.

④循環(huán)流化床的燃燒是低溫燃燒,焦炭的燃燒主要以擴(kuò)散燃燒為主.

⑤循環(huán)流化床內(nèi)的溫度梯度較小.

⑥循環(huán)流化床熱容量較大,煤粒燃燒產(chǎn)生的熱量較總熱容量的比例較小.

⑦由于干燥過(guò)程激烈和快速,揮發(fā)份量有所增加.

⑧化學(xué)反應(yīng)基本是一致的,但傳質(zhì)過(guò)程有所不同.

以下就高海拔、低氣壓對(duì)循環(huán)流化床內(nèi)煤粒燃燒特性的影響進(jìn)行初步分析.



一、高海拔、低氣壓對(duì)揮發(fā)份析出燃燒的影響

高海拔、低氣壓使?fàn)t內(nèi)煤粒的環(huán)境壓力降低,研究表明,低的環(huán)境壓力有利于減小揮發(fā)份逸出的阻力,縮短其在顆粒內(nèi)部的停留時(shí)間.由于揮發(fā)份的析出燃燒過(guò)程中,揮發(fā)份的析出時(shí)間占絕大多數(shù),而燃燒是在瞬間完成,因此,低的環(huán)境壓力將使揮發(fā)份的析出加快,并使揮發(fā)份產(chǎn)物有所增加,使燃燒過(guò)程加快和更趨于激烈,在濃相區(qū)釋放出的熱量更多,使?jié)庀鄥^(qū)的溫度升高.因此,對(duì)于燃用高揮發(fā)份的褐煤而言,應(yīng)選用較高的流化風(fēng)速和采取適當(dāng)?shù)姆澜Y(jié)焦措施.



二、高海拔、低氣壓焦炭燃燒過(guò)程的影響

煤中揮發(fā)份在流化床條件下具有短時(shí)大量析出的特點(diǎn),這對(duì)爐內(nèi)燃燒的組織和后續(xù)的焦炭燃燒產(chǎn)生較大的影響.在流化床條件下,煤粒揮發(fā)份析出燃燒過(guò)程與焦炭燃燒過(guò)程存在一定的重疊,即在初期以揮發(fā)份的析出和燃燒為主,后期以焦炭燃盡為主.實(shí)踐證明,焦炭的燃盡時(shí)間比揮發(fā)份的析出燃燒時(shí)間長(zhǎng)得多,也就是說(shuō),焦炭的燃燒過(guò)程控制著煤粒在流化床中的整個(gè)燃燒過(guò)程.

根據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹,焦炭燃盡時(shí)間可用下式表示:

τ=ρcRc[δeBδ-(eBδ-1)/B]/(Mcε0D0CfB)----------(1)

其中:ρc——焦炭表觀密度,kg/m3;

       Rc——焦炭含碳量,kg/ kg;

       Mc——碳的摩爾質(zhì)量,kg/ mol;

       δ——灰層厚度,m;

       ε0、B——特定煤種的表面灰層結(jié)構(gòu)參數(shù);

       Cf——環(huán)境氧濃度,mol/ m3;

       D0——?dú)怏w在灰層中的分子擴(kuò)散系數(shù),m2/s.

循環(huán)流化床的燃燒是低溫燃燒,焦炭的燃燒主要以擴(kuò)散燃燒為主.從式(1)中可看出,焦炭燃盡時(shí)間(τ)與環(huán)境氧濃度(Cf)成反比關(guān)系.高海拔、低氣壓將使環(huán)境氧濃度降低,如果不考慮煤質(zhì)和其它因素的影響,高海拔、低氣壓將使焦炭燃盡時(shí)間延長(zhǎng).也就是說(shuō),高海拔、低氣壓最終將使煤粒燃盡時(shí)間延長(zhǎng).因此,在燃用相同煤種的情況下,高海拔地區(qū)的循環(huán)流化床鍋爐要獲得與平原地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐相同的燃燒效率,只有提高循環(huán)倍率或提高爐膛高度.對(duì)于高揮發(fā)份的褐煤而言,由于其揮發(fā)份大量析出造成焦炭的多孔性,使物性參數(shù)得以改善,有助于縮短燃盡時(shí)間,這樣就使得鍋爐燃燒效率得以部分彌補(bǔ).爐膛高度不需按大氣壓力成比例地增加.



三、對(duì)流化床內(nèi)煤粒破碎特性的影響

高海拔、低氣壓對(duì)爐內(nèi)煤粒破碎特性無(wú)明顯影響.



四、對(duì)流化床內(nèi)煤粒磨損特性的影響

在流化床內(nèi),煤粒因燃燒而在其表面有一灰殼生成,脫硫劑也會(huì)在其外表面形成一個(gè)脫硫產(chǎn)物層,因此會(huì)影響燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行和脫硫劑的有效性,從這個(gè)意義上講,流化床內(nèi)煤粒的磨損有利于燃燒和脫硫反應(yīng)的進(jìn)行.同時(shí),磨損產(chǎn)生的細(xì)粒子可燃物揚(yáng)析損失,也會(huì)導(dǎo)致燃燒效率的降低.

根據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹,對(duì)于低灰份煤(Aar<20%),磨損速率可用近似公式表示為:

Ra=2.33×10-8(u0-umf)1.2C0.8[exp-(6.2×10-4τ)+0.3]--------(2)

Ra——磨損速率,kg/s;

(u0-umf) ——剩余氣速,m/s;

C——顆粒濃度,kg/m3;

τ——磨損時(shí)間,s.

從式(2)中可以看出,磨損速率與顆粒濃度(C0.8)有關(guān).在相同的循環(huán)倍率和流化速度下,高海拔、低氣壓必然使?fàn)t膛截面增大,爐膛容積增加,空隙率增加,平均顆粒濃度降低,使磨損速率下降.這樣,一方面使焦炭燃燒速度和脫硫效率降低,另一方面使細(xì)粒子可燃物揚(yáng)析損失減少.高揮發(fā)份褐煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒,造成剩余氣速減小,將進(jìn)一步減緩磨損作用.所以,為增強(qiáng)磨損作用,提高燃燒效率和脫硫效率,高海拔地區(qū)的循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)選取較高的循環(huán)倍率和流化速度.



五、對(duì)流化床內(nèi)流體動(dòng)力特性的影響

①在高海拔、低氣壓條件下,流體密度減小,空隙率增加,多相流的表觀粘度減小,使流體在同一風(fēng)速下對(duì)顆粒的曳力減小,并使燃料層達(dá)到一定的流化狀態(tài)所需的流速增加.這可從文獻(xiàn)[1]中推薦的燃料層能夠保持穩(wěn)定的臨界雷諾數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式中分析得出:

Recr1=Ar/(1400+5.38Ar0.5)-------(3)

式中,阿基米德數(shù):Ar=dp3 (ρp-ρg)g/ρgυ2,------(4)

其中dp、ρg、ρp、υ分別為顆粒平均尺寸、煙氣密度、顆粒真密度、氣體運(yùn)動(dòng)粘度.

對(duì)于循環(huán)流化床而言,由于ρp>>ρg, (ρp-ρg) ≈ρp ,于是式(4)可簡(jiǎn)化為:

     Ar=dp3ρpg/ρgυ2-------(5)

根據(jù)文獻(xiàn)2介紹,氣體動(dòng)力粘度與壓力無(wú)關(guān),而且:

    υ=μg/ρg-------(6)

式中,μg為煙氣動(dòng)力粘度.

將式(6)帶入(5)式中可得:

Ar=dp3ρgρpg/μg 2-------(7)

將Recr1= dpωcr1ρg/μg(ωcr1為流化速度)和(7)式帶入(3)式中,經(jīng)推導(dǎo)后得出:

ωcr1= dp2ρpg/μg/(1400+5.38 Ar0.5)-------(8)

從式(7)中可以看出,假設(shè)顆粒的物性不變,阿基米德數(shù)(Ar)是煙氣密度(ρg)的單調(diào)增函數(shù),而式(8)表明,流化速度(ωcr1)是阿基米德數(shù)(Ar)的單調(diào)減函數(shù).所以,由于在高海拔、低氣壓條件下,煙氣密度減小,阿基米德數(shù)(Ar)相應(yīng)減小,達(dá)到一定的流化狀態(tài)的流化速度將增加.因此,臨界流化風(fēng)速將有所增加.

②根據(jù)文獻(xiàn)[1],如果忽略顆粒之間的相互作用,考慮單顆粒在氣流中的作用,氣固之間的相對(duì)速度可以簡(jiǎn)單地用下式計(jì)算:

ug-up=[4gdp(ρp-ρg)/(3×CDρg)]0.5------(4)

式中,CD為曳力系數(shù).

從式(4)中分析得出,由于高海拔、低氣壓使氣體密度降低,最終使氣固之間的相對(duì)速度增大,有利于絮狀物的形成.在相同表觀流速下,壁面返流也將增加,提高了爐內(nèi)物料循環(huán)量.



六、結(jié)論

①高海拔、低氣壓條件使得揮發(fā)份的析出燃燒增強(qiáng),密相區(qū)燃燒放熱量有所增加,密相區(qū)升溫速度加快.對(duì)于燃用高揮發(fā)份的褐煤循環(huán)流化床鍋爐而言,選用較高的流化速度和采取一定的防結(jié)焦措施是有必要的.

②由于焦碳燃燒以擴(kuò)散燃燒為主,高海拔、低氣壓條件使焦碳燃盡時(shí)間延長(zhǎng),為保證燃燒效率,可選用較高的循環(huán)倍率或提高爐膛高度.


③為增強(qiáng)磨損作用,提高燃燒效率和脫硫效率,高海拔地區(qū)的循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)選取較高的循環(huán)倍率和流化速度.

④從爐內(nèi)動(dòng)力特性分析可知,為實(shí)現(xiàn)一定的流態(tài)化燃燒,應(yīng)選用較高的流化風(fēng)速.同時(shí),絮狀物和壁面返流的增加有助于提高爐內(nèi)物料循環(huán)量.

⑤高海拔、低氣壓對(duì)爐內(nèi)煤粒破碎特性無(wú)明顯影響.