高海拔、低氣壓對循環(huán)流化床燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒的影響

1、高海拔、低氣壓對循環(huán)流化床燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒的影響    煤粒在流化床內(nèi)的燃燒涉及到流動、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)生如下的過程：    煤粒得到高溫床料的加熱并干燥；    熱解及揮發(fā)份燃燒；    發(fā)生顆粒膨脹和一級破碎現(xiàn)象；   

2、; 焦炭燃燒并伴隨著二級破碎和磨損現(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：    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(tǒng)內(nèi)）完成，而循環(huán)流化床在爐內(nèi)完成干燥過程和部分破碎過程。    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。    煤粉爐是一次燃燒，循環(huán)流化床鍋爐通過飛灰循環(huán)實現(xiàn)多次燃燒。   &

3、#160;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。    循環(huán)流化床內(nèi)的溫度梯度較小。    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。    由于干燥過程激烈和快速，揮發(fā)份量有所增加。    化學(xué)反應(yīng)基本是一致的，但傳質(zhì)過程有所不同。    以下就高海拔、低氣壓對循環(huán)流化床內(nèi)煤粒燃燒特性的影響進(jìn)行初步分析。    一、

4、高海拔、低氣壓對揮發(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)部的停留時間。由于揮發(fā)份的析出燃燒過程中，揮發(fā)份的析出時間占絕大多數(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、低氣壓焦炭燃燒過程的影響  

5、;  煤中揮發(fā)份在流化床條件下具有短時大量析出的特點，這對爐內(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)份析出燃燒過程與焦炭燃燒過程存在一定的重疊，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。實踐證明，焦炭的燃盡時間比揮發(fā)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(jù)文獻(xiàn)1介紹，焦炭燃盡時間可用下式表示：    =cRceB-（eB-1）/B/（Mc0D0CfB）-（1）   

6、60;其中：c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；                    灰層厚度，m；    0、B特定煤種的表面灰層結(jié)構(gòu)參數(shù)；    Cf環(huán)境氧濃度，

7、mol/ m3；    D0氣體在灰層中的分子擴(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，焦炭燃盡時間（）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(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。對于高揮發(fā)份的褐煤而言，由于其揮發(fā)

8、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、對流化床內(nèi)煤粒破碎特性的影響    高海拔、低氣壓對爐內(nèi)煤粒破碎特性無明顯影響。    四、對流化床內(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，脫硫劑也會在其外表面形成一個脫硫產(chǎn)物層，因此會影響燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行和脫硫劑的有效性，從這個意義上講，流化床內(nèi)煤粒的

9、磨損有利于燃燒和脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。同時，磨損產(chǎn)生的細(xì)粒子可燃物揚析損失，也會導(dǎo)致燃燒效率的降低。    根據(jù)文獻(xiàn)1介紹，對于低灰份煤（Aar20%），磨損速率可用近似公式表示為：        Ra磨損速率，kg/s；    (u0-umf) 剩余氣速，m/s；    C顆粒濃度，kg/m3；    磨損時間，s。    

10、;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)粒子可燃物揚析損失減少。高揮發(fā)份褐煤燃燒過程中產(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、對流化床內(nèi)流體動力特性的影響    在高海拔、低氣壓條件下，流

11、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)驗公式中分析得出：        式中，阿基米德數(shù)：Ar=dp3 (p-g)g/g2，-（4）    其中dp、g、p、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(huán)流化床而言，由于p>>g， (p-g) p ，于是式（4）

12、可簡化為：    Ar=dp3pg/g2-（5）    根據(jù)文獻(xiàn)2介紹，氣體動力粘度與壓力無關(guān)，而且：                    =g/g-（6）    式中，g為煙氣動力粘度。    將式（6）帶入（5）式中可得： 

13、   Ar=dp3gpg/g 2-（7）    將Recr1= dpcr1g/g（cr1為流化速度）和（7）式帶入（3）式中，經(jīng)推導(dǎo)后得出：    cr1= dp2pg/g/（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（g）的單調(diào)增函數(shù)，而式（8）表明，流化速度（cr1）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

14、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。    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，氣固之間的相對速度可以簡單地用下式計算：    ug-up=4gdp(p-g)/(3×CDg)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

15、增加，提高了爐內(nèi)物料循環(huán)量。    六、結(jié)論    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。    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間延長，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。    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。    從爐內(nèi)動力特性分析可知，為實現(xiàn)一