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高海拔、低氣壓對循環流化床燃煤鍋爐爐內燃燒的影響

日期:2016年01月17日 來源:河南銀興工業鍋爐有限公司 瀏覽: 次  【字體:

摘要:

     煤粒在流化床內的燃燒涉及到流動、傳熱、化學反應及若干相關的物理化學現象.煤粒送入循環流化床內迅速受到高溫物料及煙氣的加熱,首先是水分蒸發,接著是揮發份析出和燃燒,以及焦炭的燃燒,其間還伴隨著發生煤粒的破碎、磨損等現象.煤粒在爐內將依次發生如下的過程:

①煤粒得到高溫床料的加熱并干燥;

②熱解及揮發份燃燒;

③發生顆粒膨脹和一級破碎現象;

④焦炭燃燒并伴隨著二級破碎和磨損現象.

流化床內煤粒的燃燒包括揮發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(也就是在制粉系統內)完成,而循環流化床在爐內完成干燥過程和部分破碎過程.

②由于爐內煤粒濃度較大,循環流化床爐內煤粒間存在磨損現象.

③煤粉爐是一次燃燒,循環流化床鍋爐通過飛灰循環實現多次燃燒.

④循環流化床的燃燒是低溫燃燒,焦炭的燃燒主要以擴散燃燒為主.

⑤循環流化床內的溫度梯度較小.

⑥循環流化床熱容量較大,煤粒燃燒產生的熱量較總熱容量的比例較小.

⑦由于干燥過程激烈和快速,揮發份量有所增加.

⑧化學反應基本是一致的,但傳質過程有所不同.

以下就高海拔、低氣壓對循環流化床內煤粒燃燒特性的影響進行初步分析.



一、高海拔、低氣壓對揮發份析出燃燒的影響

高海拔、低氣壓使爐內煤粒的環境壓力降低,研究表明,低的環境壓力有利于減小揮發份逸出的阻力,縮短其在顆粒內部的停留時間.由于揮發份的析出燃燒過程中,揮發份的析出時間占絕大多數,而燃燒是在瞬間完成,因此,低的環境壓力將使揮發份的析出加快,并使揮發份產物有所增加,使燃燒過程加快和更趨于激烈,在濃相區釋放出的熱量更多,使濃相區的溫度升高.因此,對于燃用高揮發份的褐煤而言,應選用較高的流化風速和采取適當的防結焦措施.



二、高海拔、低氣壓焦炭燃燒過程的影響

煤中揮發份在流化床條件下具有短時大量析出的特點,這對爐內燃燒的組織和后續的焦炭燃燒產生較大的影響.在流化床條件下,煤粒揮發份析出燃燒過程與焦炭燃燒過程存在一定的重疊,即在初期以揮發份的析出和燃燒為主,后期以焦炭燃盡為主.實踐證明,焦炭的燃盡時間比揮發份的析出燃燒時間長得多,也就是說,焦炭的燃燒過程控制著煤粒在流化床中的整個燃燒過程.

根據文獻[1]介紹,焦炭燃盡時間可用下式表示:

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——碳的摩爾質量,kg/ mol;

       δ——灰層厚度,m;

       ε0、B——特定煤種的表面灰層結構參數;

       Cf——環境氧濃度,mol/ m3;

       D0——氣體在灰層中的分子擴散系數,m2/s.

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



三、對流化床內煤粒破碎特性的影響

高海拔、低氣壓對爐內煤粒破碎特性無明顯影響.



四、對流化床內煤粒磨損特性的影響

在流化床內,煤粒因燃燒而在其表面有一灰殼生成,脫硫劑也會在其外表面形成一個脫硫產物層,因此會影響燃燒的進一步進行和脫硫劑的有效性,從這個意義上講,流化床內煤粒的磨損有利于燃燒和脫硫反應的進行.同時,磨損產生的細粒子可燃物揚析損失,也會導致燃燒效率的降低.

根據文獻[1]介紹,對于低灰份煤(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——磨損時間,s.

從式(2)中可以看出,磨損速率與顆粒濃度(C0.8)有關.在相同的循環倍率和流化速度下,高海拔、低氣壓必然使爐膛截面增大,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,另一方面使細粒子可燃物揚析損失減少.高揮發份褐煤燃燒過程中產生大量的細顆粒,造成剩余氣速減小,將進一步減緩磨損作用.所以,為增強磨損作用,提高燃燒效率和脫硫效率,高海拔地區的循環流化床鍋爐應選取較高的循環倍率和流化速度.



五、對流化床內流體動力特性的影響

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,使流體在同一風速下對顆粒的曳力減小,并使燃料層達到一定的流化狀態所需的流速增加.這可從文獻[1]中推薦的燃料層能夠保持穩定的臨界雷諾數經驗公式中分析得出:

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

式中,阿基米德數: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、氣體運動粘度.

對于循環流化床而言,由于ρp>>ρg, (ρp-ρg) ≈ρp ,于是式(4)可簡化為:

     Ar=dp3ρpg/ρgυ2-------(5)

根據文獻2介紹,氣體動力粘度與壓力無關,而且:

    υ=μg/ρg-------(6)

式中,μg為煙氣動力粘度.

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,經推導后得出:

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

從式(7)中可以看出,假設顆粒的物性不變,阿基米德數(Ar)是煙氣密度(ρg)的單調增函數,而式(8)表明,流化速度(ωcr1)是阿基米德數(Ar)的單調減函數.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(Ar)相應減小,達到一定的流化狀態的流化速度將增加.因此,臨界流化風速將有所增加.

②根據文獻[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,氣固之間的相對速度可以簡單地用下式計算:

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

式中,CD為曳力系數.

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,提高了爐內物料循環量.



六、結論

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

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


③為增強磨損作用,提高燃燒效率和脫硫效率,高海拔地區的循環流化床鍋爐應選取較高的循環倍率和流化速度.

④從爐內動力特性分析可知,為實現一定的流態化燃燒,應選用較高的流化風速.同時,絮狀物和壁面返流的增加有助于提高爐內物料循環量.

⑤高海拔、低氣壓對爐內煤粒破碎特性無明顯影響.


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