循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰焦炭燃燒特性研究

1、循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰焦炭燃燒特性研究 摘要：本文建立的數(shù)學(xué)模型是單一的焦炭顆粒燃燒循環(huán)流化床（CFB）鍋爐。在循環(huán)流化床鍋爐的操作條件及其數(shù)值解驗(yàn)證的一種現(xiàn)象，即炭顆粒飛灰中的碳含量的分布具有與它們的直徑的峰值的性質(zhì)。結(jié)果表明，優(yōu)良的焦炭顆粒的溫度接近的床溫，燒出的時(shí)間與它們的直徑的炭顆粒，還存在一個(gè)峰值。提出了以提高燃燒的炭顆粒的對(duì)策，如所使用的飛灰再循環(huán)和熱旋風(fēng)。 關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床;字符;粉煤灰;燃燒 一、引言 循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)已被廣泛用于在中國(guó)，由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，例如，不同的低級(jí)燃料燃燒。然而，操作的通用性的問(wèn)題是，飛灰中的碳含量大大高于一般預(yù)期1，2。在由眾多的CFB鍋爐

2、飛灰取樣分析時(shí)，一個(gè)特別有趣的現(xiàn)象觀察，炭顆粒飛灰中的碳含量的分布具有與它們的直徑（圖1）的峰值。這表明，有一些炭顆粒具有一定的直徑，這是不容易燒壞循環(huán)流化床鍋爐。這種普遍現(xiàn)象，成為循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。因此，為了提高循環(huán)流化床鍋爐的性能，炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中需要深入研究。到目前為止，許多關(guān)于循環(huán)流化床燃燒的論文已經(jīng)發(fā)表。 Lee等人，設(shè)立一個(gè)一維數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)煤在循環(huán)流化床鍋爐的燃燒行為3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)蕭研究循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量4， Remiarova等人，還開(kāi)發(fā)了一種偽穩(wěn)態(tài)假設(shè)下的一個(gè)單一的多孔炭顆粒的燃燒模型5。通過(guò)碎片，卡洛斯6和張等人，7研究了焦炭顆粒在

3、流化床燃燒特性。然而，這些研究沒(méi)有解釋上述現(xiàn)象。因此，飛灰中的炭顆粒的燃燒特性的建模，以找出上述的普遍現(xiàn)象的物理本質(zhì)，并采取措施，以提高燃燒的炭顆粒。 圖1飛灰中的碳含量分布 二、對(duì)于char的數(shù)學(xué)模型 粒子燃燒 可以根據(jù)內(nèi)在孔隙反應(yīng)的機(jī)制焦炭顆粒燃燒設(shè)置幾種燃燒模型 8，9。模型1單粒子密度不變的核心萎縮模型：這個(gè)模型只考慮了表面上的焦炭顆粒，也就是說(shuō)，碳和氧直接反應(yīng)的主要反應(yīng)，它假定粒子的密度是恒定的，它的直徑在焦炭燃燒中逐漸減小。 這種模式是適合高品位燃料，具有低灰分。型號(hào)2-單粒子，直徑恒定的核心萎縮模型：這個(gè)模型還認(rèn)為其燃燒過(guò)程中形成的主要反應(yīng)和灰殼。通過(guò)灰殼的擴(kuò)散阻力大大影響焦炭燃

4、燒?；覛さ哪p速率可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗沁h(yuǎn)低于焦炭顆粒的燃燒速度。這種模式是適合高含灰量的低檔燃料。 模型3單粒子，直徑恒定的核心模型考慮輻射傳熱萎縮：2型的基礎(chǔ)上，這種模式需要考慮到輻射粒子和爐壁之間的熱交換。因此，這種模式進(jìn)一步接近真正的焦炭顆粒燃燒。 在下面的分析中，單個(gè)粒子，恒定直徑的芯收縮模型考慮輻射傳熱，也就是模型3的CFB鍋爐，高含灰量的低級(jí)燃料燃燒的操作條件的基礎(chǔ)上通過(guò)。 采用以下假設(shè)10，11： 1）發(fā)生燃燒反應(yīng)的焦炭顆粒的表面上，將反應(yīng)界面連續(xù)地移動(dòng)過(guò)程中的燃燒顆粒的核心，灰殼形成的核心外，它的直徑是相同的原焦炭顆粒。 2）顆粒流在爐中夾帶的氣體具有一定的滑動(dòng)速度。 3）燃

5、燒反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)過(guò)程，沒(méi)有顆粒內(nèi)部的溫度梯度，沒(méi)有內(nèi)部發(fā)生粒子的固有孔隙度，燃燒反應(yīng)被忽略。 4）式（1）表示，內(nèi)部的氧的擴(kuò)散阻力體現(xiàn)的是灰殼的電阻。 （1） （1）中， DE：擴(kuò)散系數(shù)考慮阻力灰殼（平方米/秒） FN：系數(shù) （2） 厚度灰殼（米） D：擴(kuò)散系數(shù)（平方米/秒） （3） D0：大量氧氣的擴(kuò)散速率在273K燃?xì)猓ㄆ椒矫?秒） （4） 5）焓焦炭顆粒是由化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量的平衡，顆粒和氣體之間的對(duì)流熱傳遞，和之間的顆粒和爐壁的輻射熱交換。 此模型的數(shù)學(xué)描述如下： 熱平衡方程 （5） CO2：氧氣濃度在273K和760毫米汞柱（kg/m3的） CP：焦炭顆粒的比熱容（J /公斤K） K

6、e：有效反應(yīng)速率常數(shù)的值取決于動(dòng)能和擴(kuò)散組件（米/秒） （6） DP：顆粒直徑（m） E：活化能（J/摩爾） K0：反應(yīng)頻率因子（M / S） Nu：努塞爾特號(hào) R：通用氣體常數(shù)（J/摩爾K表） QL：產(chǎn)生的熱量（焦耳/公斤） S：具體的焦炭顆粒表面（平方米/公斤） TP：粒子溫度（K） T：時(shí)間（s） p: 流換熱系數(shù)（J/m2 K） 化學(xué)當(dāng)量系數(shù) 焦炭顆粒發(fā)射率 Stefan-Boltzmann常數(shù)（W/M2 K4） 輻射系數(shù) 在（5）的左邊項(xiàng)代表焦炭顆粒的焓變，然后在右邊的三個(gè)術(shù)語(yǔ)分別代表的化學(xué)反應(yīng)所放出的熱，對(duì)流的粒子和氣體之間的熱傳遞，和粒子之間的輻射熱交換和爐墻上。 質(zhì)量守恒方程

7、（7） （7） 粒密度（kg/m3）的。 3）流動(dòng)的方程 為了簡(jiǎn)化分析，焦炭顆粒的附聚被忽略。因此，單個(gè)粒子的終端速度的代表之間的氣體和焦炭顆粒的滑動(dòng)速度。 （8） （9） （8），（9），Vt：終端速度（米/秒） Pg:氣體密度（kg/m3） U:動(dòng)態(tài)粘度（公斤/ M S） （8）和（9）分別用于雷諾數(shù) Re<500和Re>500。相應(yīng)地， （10） （11） 然后在爐內(nèi)焦炭顆粒的停留時(shí)間是： （12） （12）中， VF：表面氣體速度（米/秒） HBED：床的高度（m） 在循環(huán)流化床鍋爐提高回收分離的操作條件，TS焦炭顆粒的停留時(shí)間是： （13） 在（13）中的循環(huán)分離器的分離

8、效率， （14） （14）中， D50：切割尺寸（米） m：系數(shù)取決于氣旋 初始條件為： （15） 因此，（1）-（14），連同初始條件（15），形成一個(gè)完整的分析模型為一個(gè)單獨(dú)的粒子在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒。 在本文中，已進(jìn)行模型計(jì)算，在清華大學(xué)的電廠使用的煤種。煤的組成數(shù)據(jù)示于表1。電廠清華大學(xué)，包括燃燒室描述（HBED，D50等），工作條件（VF，T等）和燃料（K0，E等也來(lái)自輸入操作參數(shù)（表2） ）。應(yīng)當(dāng)指出的燃料的特性，從燃料得到清華大學(xué)分析中心分析。 表1 煤炭的成分?jǐn)?shù)據(jù) 表2 操作參數(shù) 三、結(jié)果與討論 A.影響焦炭顆粒直徑在其表面溫度 在CFB運(yùn)行條件下的床層溫度不是很高，因此焦

9、炭顆粒的反應(yīng)速度取決于化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。基于數(shù)值分析模型，顆粒表面溫度作為兩個(gè)char粒徑40_m和400_m分別如圖2所示的燃燒時(shí)間的函數(shù)。圖2（a）所示的小粒子的表面溫度快速上升，由于其更少的熱慣性。然后將溫度保持在一個(gè)較低的水平，靠近床的溫度，因?yàn)榛曳稚贇ぷ枇Γ^大的比表面積和較高的周圍的氣體的熱損失。 圖 2（b）表明，較大的一個(gè)較小的一個(gè)相反。它的表面溫度逐漸上升，并保持在一個(gè)高的水平相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，然后突然倒下，因?yàn)楦咻椛錈釗p失較高的表面溫度和低發(fā)熱量釋放化學(xué)反應(yīng)速率。 （a）40微米 （b）400微米 圖2 焦炭顆粒直徑在其表面溫度的影響 B.燒出炭顆粒的時(shí)間作為一個(gè)功能的初始

10、焦炭顆粒直徑 保持煤的性質(zhì)和操作條件不變的情況下的主數(shù)據(jù)，并利用該模型，燒傷時(shí)的炭顆粒作為初始字符粒徑的函數(shù)曲線1所示，圖3。它表明，具有初始顆粒直徑約為40至50_m需要的炭顆粒燒出的時(shí)間最長(zhǎng)的。該曲線示出了這樣的粒子時(shí)，燒出的peak值。這是不同于結(jié)束，燒出的時(shí)間炭顆粒粒徑的平方成正比。存在峰值的主要原因如下： 1）將反應(yīng)率的焦炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐的情況下，依賴于化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，因此，顆粒的溫度是影響燃燒反應(yīng)率的關(guān)鍵因素。鑒于上述討論，它是已知的，更小的顆粒的表面溫度較低，靠近床層溫度。因此，燃燒反應(yīng)速率較低。與此相反，較大的炭顆粒的表面溫度比床的溫度高，因此，較大的炭顆粒的燃燒反應(yīng)速

11、率高于炭顆粒較小。 2）在焦炭顆粒的流動(dòng)特性，在循環(huán)流化床鍋爐（12）的光，更小的炭顆粒的平均停留時(shí)間為短于較大的炭顆粒（圖3曲線2）。因此沒(méi)有足夠的停留時(shí)間為更小的顆粒，以燒去。然而，截面積（形成曲線1和曲線2）的停留時(shí)間比炭顆粒和相應(yīng)的炭顆粒燒盡時(shí)間較長(zhǎng)將完全燒壞。 圖3倦怠的時(shí)間和停留時(shí)間的char 焦炭燃燒 C.分離器性能的影響 從式（13），循環(huán)流化床鍋爐的回收，分離器可以使粉煤灰在燃燒器中再循環(huán)，并大大延長(zhǎng)其停留時(shí)間（圖3曲線3）。燒出的時(shí)間長(zhǎng)于其中曲線1與曲線3相交的區(qū)域中的停留時(shí)間，這是顯而易見(jiàn)的。因此， 在這一地區(qū)的顆粒不容 易燒壞。它是是圖1所示的碳含量的分布。如果分離效率

12、增大，停留時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此，交叉區(qū)域變小，并增加了燃燒效率。上述各種原因?qū)е逻@種現(xiàn)象，這是很難的若干更小的炭顆粒在循環(huán)流化床燃燒。了解該燃燒特性最佳燃燒條件的選擇是很重要的。 四、改善對(duì)策 細(xì)顆粒燃燒 由于一個(gè)char粒子的反應(yīng)速率取決于在循環(huán)流化床鍋爐的操作條件下的化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，顆粒溫度的關(guān)鍵因素影響燃燒反應(yīng)速率。從上面的討論中，它是已知的，細(xì)顆粒的停留時(shí)間也是影響的關(guān)鍵因素。提高床溫，增加氮氧化物的排放。因此，一種可接受的方式是細(xì)顆粒的停留時(shí)間延長(zhǎng)。 A.增加爐膛高度 該爐的高度應(yīng)確保顆粒燃燒，這是不回收的回收分離器，并通過(guò)燃燒器一次。為了得到足夠的停留時(shí)間，循環(huán)流化床鍋爐的爐膛高度是

13、作為一般由于其較高的流化速度的流化床高3至4倍。顯然增加了爐的高度的是不是一個(gè)合理的方式來(lái)延長(zhǎng)停留時(shí)間。 B.減少流化速度 流化速度的降低細(xì)顆粒的停留時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)。然而，這讓大區(qū)熔爐和對(duì)流系數(shù)低。這是必要的安排表面吸收足夠的熱量更多的熱量。因此，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。 C.使用飛灰再循環(huán) 它是已知的，在實(shí)踐中的的商業(yè)循環(huán)流化床鍋爐被送入粗煤顆粒。其結(jié)果是，存在一個(gè)密相區(qū)的燃燒器的底部，這是 主要由粗顆粒。使用飛灰再循環(huán)可能喂飽微粒循環(huán)到燃燒器的底部。大量的循環(huán)在密集的區(qū)域中的細(xì)顆粒的存在提高了密相床層的流化作用，因?yàn)楣瞘asfine粒子流的動(dòng)量大于單獨(dú)的空氣流。另一方面，粗顆粒阻塞循環(huán) 在密集

14、的區(qū)域中的細(xì)顆粒，細(xì)顆粒的停留時(shí)間增加1秒，相當(dāng)于在爐內(nèi)的高度為4m左右的增加。因此，密集的區(qū)域中的存在是良好的，特別是對(duì)細(xì)顆粒燃燒顆粒。 D.使用熱旋風(fēng) 大部分顆粒集中在旋流器壁附近的由于離心力，在旋流器中的中心容積留下很少的微粒。內(nèi)部的旋流器旋流引起的強(qiáng)湍流和渦流，混合得到提高，從而導(dǎo)致細(xì)碳顆粒和CO的提高燃燒時(shí)的熱旋風(fēng)溫度為約850_。許多論文報(bào)道的CO減少的氣 - 固懸浮液中后，通過(guò)熱旋風(fēng)。從燃燒的角度來(lái)看，熱旋風(fēng)是有效的第二階段在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒器，它可以幫助來(lái)解決問(wèn)題的不完全燃燒和CO排放高。使用這些龐大和昂貴的熱氣旋的限制的問(wèn)題由于使用大量的耐火材料鍋爐的啟動(dòng)和關(guān)閉速度。目

15、前正在開(kāi)發(fā)的水冷的熱旋風(fēng)可以克服這些問(wèn)題，并 代表未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。 五，結(jié)論 1）在循環(huán)流化床鍋爐的工作條件下，細(xì)炭顆粒具有較低的表面溫度，靠近床的溫度。 2）曲線的炭顆粒燒出的時(shí)間與他們的直徑有一個(gè)峰值。直徑40至50 微米是最不易燃燒的炭顆粒。 3）部分應(yīng)采取措施，以改善燃燒的微粒，如所使用的飛灰再循環(huán)，熱旋風(fēng)。 參考文獻(xiàn) 1 J. H. Yang, H. R. Yang and G.X. Yue, “Combustion test by changing bed inventory on circulating fluidized bed boiler”, Journal of Powe

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