循環(huán)流化床鍋爐中煤粒的燃燒

1、第三章第三章 循環(huán)流化床鍋爐中煤粒的燃燒循環(huán)流化床鍋爐中煤粒的燃燒3.1 循環(huán)流化床鍋爐中煤粒的燃燒過程循環(huán)流化床鍋爐中煤粒的燃燒過程加入流化床的煤粒將經(jīng)過如下過程：干燥和加熱；揮發(fā)分析出和燃燒；膨脹和一級(jí)破碎；焦炭燃燒和二級(jí)破碎、磨損。圖 3-1 定性地給出了煤粒燃燒所經(jīng)歷的各個(gè)過程。3.1.1 干燥和加熱干燥和加熱 當(dāng)新鮮煤粒被送入流化床后立即被大量灼熱的床料所包圍并被加熱至接近床溫，加熱速率在1001000 /s 的范圍。影響加熱速率的因素不少，其中之一為煤的粒度，粒度大則加熱速率小。3.1.2 揮發(fā)分析出及燃燒揮發(fā)分析出及燃燒揮發(fā)分析出過程是指煤分解并產(chǎn)生大量氣態(tài)物質(zhì)的過程。揮發(fā)分由多

2、種碳?xì)浠衔锝M成，并在不同階段析出。揮發(fā)分的第一個(gè)穩(wěn)定析出階段大約發(fā)生在溫度 500600 的范圍內(nèi)。第二個(gè)析出階段則在溫度 8001000 的范圍內(nèi)。實(shí)際上揮發(fā)分析出和燃燒是重疊進(jìn)行的，很難把兩個(gè)過程的時(shí)間區(qū)分開來。因此，較有實(shí)際意義的方法是測試揮發(fā)分析出和燃燒時(shí)間。1980 年 Pillai 對(duì) 12 種不同的煤在鼓泡流化床中的揮發(fā)分火焰持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了測試，得出了揮發(fā)分析出燃燒時(shí)間和煤的初始直徑間的經(jīng)驗(yàn)公式： (3-1)p0Vadt式中 tV揮發(fā)分析出燃燒時(shí)間，s；煤的初始直徑，mm；p0dp指數(shù)，在 0.320.8 之間；a常數(shù)，與成反比，在 0.2222 之間。3.8BT揮發(fā)分燃燒在氧

3、和未燃揮發(fā)分的邊界上呈擴(kuò)散火焰，燃燒過程通常是由界面處揮發(fā)分和氧的擴(kuò)散所控制的。對(duì)于煤粒，擴(kuò)散火焰的位置是由氧的擴(kuò)散速率和揮發(fā)分析出速率所決定的。氧的擴(kuò)散速率低，火焰離煤粒表面的距離就遠(yuǎn)。對(duì)于粒徑大于 1 mm 的大顆粒煤，揮發(fā)分析出時(shí)間與煤粒在流化床中的整體混合時(shí)間具有相同的量級(jí)。因此，在循環(huán)流化床鍋爐中，在爐膛頂部有時(shí)也能觀察到大顆粒煤周圍的揮發(fā)分燃燒火焰。圖圖 3-1 煤粒燃燒所經(jīng)歷的各個(gè)過程煤粒燃燒所經(jīng)歷的各個(gè)過程3.1.3 煤粒在流化床中的破碎特性煤粒在流化床中的破碎特性破碎特性是煤粒在進(jìn)入高溫流化床后其粒度發(fā)生急劇減小的一種性質(zhì)。煤粒破碎的直接結(jié)果是在煤粒投入床內(nèi)后很快形成大量的細(xì)

4、小粒子，特別是一些可揚(yáng)析粒子的產(chǎn)生會(huì)影響鍋爐的燃燒效率。此外，煤粒的破碎也顯著改變了給煤的粒度分布。單用原始的燃料粒度分布預(yù)計(jì)煤的燃燒過程，會(huì)偏離實(shí)際情況。煤粒的破碎會(huì)使流化床內(nèi)的燃燒熱分配(即密相區(qū)的燃燒份額和稀相區(qū)的燃燒份額)偏離設(shè)計(jì)工況，進(jìn)而影響到流化床鍋爐的運(yùn)行。因此，了解煤粒在高溫流化床中的破碎特性具有現(xiàn)實(shí)意義。Massimilla 等人發(fā)現(xiàn)了煤粒破碎在流化床燃燒系統(tǒng)中的重要性，并提出了“一級(jí)破碎”的概念，即認(rèn)為一級(jí)破碎是由于揮發(fā)分逸出產(chǎn)生的壓力和孔隙網(wǎng)絡(luò)中揮發(fā)分壓力增加而引起的。而 Sundback 等人根據(jù)他們對(duì)單顆燃料粒子破碎特性的研究結(jié)果進(jìn)一步提出了“二級(jí)破碎”的概念，即二級(jí)

5、破碎是由于作為顆粒的聯(lián)結(jié)體形狀不規(guī)則的聯(lián)結(jié)“骨架”(類似于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))被燒斷而引起的破碎。流化床中破碎和磨耗主要是由機(jī)械和熱力兩種因素造成的。機(jī)械影響是指碰撞和磨損，如煤顆粒之間；煤顆粒與床料(砂、灰石灰石等)；煤顆粒與流化床爐膛壁面；煤顆粒與床內(nèi)受熱面；由于床內(nèi)煤的數(shù)量較少(12%)，因此煤顆粒之間的碰撞和磨損機(jī)率較小。熱力影響是指由于化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的許多化學(xué)變化(熱解)和物理變化(破碎和磨耗)時(shí)，等溫和非等溫?zé)岱纸庖鸬臒崃τ绊?，所有這些都取決于床溫、加熱速率、煤質(zhì)、煤顆粒尺寸、時(shí)間、壓力、流化速度和 O2濃度等。簡單地講，煤顆粒在流化床內(nèi)的爆裂特性是指煤粒在進(jìn)入高溫流化床后，其粒度發(fā)生急劇

6、減小的一種性質(zhì)。而就流化床內(nèi)粒度變化而言，引起的因素除爆裂外，還有顆粒與劇烈運(yùn)動(dòng)的床層間磨損以及顆粒與埋管受熱面的碰撞等。事實(shí)上，對(duì)爆裂和磨耗很難確切區(qū)分，磨耗就其本質(zhì)而言是一種緩慢的破碎過程，它著重于固體顆粒間的機(jī)械摩擦作用，作用的結(jié)果是顆粒表面粗糙不平的物質(zhì)以磨耗細(xì)小顆粒形式分離，因此影響顆粒磨耗的主要因素是顆粒表面的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械強(qiáng)度以及外部操作條件等，磨耗的過程貫穿于整個(gè)燃燒過程。而燃料顆粒的爆裂則主要是自身因素引起的使粒度變化的過程，并且具有短時(shí)間內(nèi)快速改變粒度的特點(diǎn)。煤粒在進(jìn)入高溫流化床后，受到熾熱床料的快速加熱，首先是水分蒸發(fā)，然后當(dāng)煤粒溫度達(dá)到熱解溫度時(shí)，煤粒發(fā)生脫揮發(fā)分反應(yīng)，

7、由于熱解的作用，顆粒物理化學(xué)特性發(fā)生急劇的變化，對(duì)有些高揮發(fā)分煤，熱解期間將伴隨一個(gè)短時(shí)發(fā)生的擬塑性階段，即顆粒在熱解期間經(jīng)歷了固體轉(zhuǎn)化為塑性體，又由塑性體轉(zhuǎn)化為固體的過程。對(duì)于大顆粒煤來講，由于溫度的不均勻性，顆粒表面部分最早經(jīng)歷這一轉(zhuǎn)化過程，即在顆粒內(nèi)部轉(zhuǎn)化為塑性體時(shí)，顆粒外表面可能已經(jīng)固化。因此，隨著熱解的進(jìn)行以及熱解產(chǎn)物的滯留作用，顆粒內(nèi)部將產(chǎn)生明顯的壓力梯度，一旦壓力超過一定值，已固化的顆粒表層可能會(huì)崩裂形成破碎，而對(duì)于低揮發(fā)分劣質(zhì)煤，塑性狀態(tài)雖不明顯，但顆粒內(nèi)部的熱解產(chǎn)物需克服致密的孔隙結(jié)構(gòu)才能從煤粒中逸出，因此顆粒內(nèi)部亦會(huì)產(chǎn)生較高的壓力。另外，顆粒投入床內(nèi)受到高溫粒子群的擠壓、大

8、顆粒內(nèi)部溫度分布的不均勻引起的熱應(yīng)力以及流化床中氣泡上升引起的壓力波動(dòng)均會(huì)影響到燃料顆粒的爆裂特性。爆裂過程是比較復(fù)雜的。煤顆粒進(jìn)入流化床后會(huì)經(jīng)歷一個(gè)熱解，破碎和燃燒的過程最后變?yōu)樵S多以灰分為主的顆粒，這一過程可以根據(jù)不同的破碎機(jī)理區(qū)分為一次爆裂，二次破碎，滲透破碎和磨耗等現(xiàn)象，如圖 3-2 所示。由于揮發(fā)分在煤顆粒內(nèi)析出并產(chǎn)生較大的壓力，從而導(dǎo)致顆粒爆裂破碎成具有一定粒徑分布的碎片，這一現(xiàn)象稱為煤顆粒的一次爆裂。某些煤種的顆粒在這一過程中會(huì)有膨脹現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)歷過熱解過程以后，煤顆?；咀?yōu)榻固款w粒，由于燃燒反應(yīng)和顆粒碰撞的綜合作用，顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中某些聯(lián)結(jié)部分可以斷開，破碎為更小聯(lián)結(jié)的焦炭顆粒

9、，這一過程稱為二次爆裂。焦炭顆粒在繼續(xù)燃燒時(shí)會(huì)形成具有一定孔隙率的灰殼，由于氧氣的滲透作用其碳核會(huì)逐漸趨于燃盡，使得整個(gè)顆粒的孔隙率不斷加大，當(dāng)孔隙率增大到某個(gè)臨界值后，整個(gè)顆粒就會(huì)崩潰，變?yōu)樵S多更小的以灰分為主的顆粒(一般稱為灰顆粒)，這就是滲透破碎現(xiàn)象。在許多文獻(xiàn)中應(yīng)用滲透理論模擬，運(yùn)用 Monte-Carlo 方法計(jì)算，或直接通過實(shí)驗(yàn)測得了前述的孔隙率臨界值，其范圍為 0.70.8。在煤顆粒的熱解和燃燒全過程中還始終存在著磨耗現(xiàn)象，它是由于固體顆粒間的碰撞磨擦而造成的顆粒表面的磨損現(xiàn)象，其特征是由顆粒表面剝落下來許多微粒。圖 3-2 對(duì)這幾種現(xiàn)象作了形象的描繪。3.1.4 破碎機(jī)理分析與

10、定量表征破碎機(jī)理分析與定量表征盡管研究了各種煤的爆裂特性(包括熱解和焦炭燃燒時(shí))，但是很少有研究者提出一些機(jī)理來解釋觀察到的顆粒爆裂。熱解時(shí)的爆裂已經(jīng)公認(rèn)為與揮發(fā)分的析出有關(guān)，石油焦顆粒和熱解后的南非煙煤焦炭顆粒在流化床中不發(fā)生爆裂，而南非煤顆粒在熱解時(shí)發(fā)生爆裂，這些數(shù)據(jù)表明，熱解過程中的爆裂與揮發(fā)分的析出密切相關(guān)，至少對(duì)于煙煤來說是這樣的。仔細(xì)研究 Acampora 和 Chione 的爆裂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，很明顯，熱解時(shí)的爆裂不僅僅是揮 時(shí)間 一次爆裂 燃燒過程 二次爆裂 磨耗 滲透破碎 圖圖 3-2 流化床燃燒中的顆粒破碎現(xiàn)象流化床燃燒中的顆粒破碎現(xiàn)象發(fā)分含量或煤質(zhì)的函數(shù)，除了 Snibst

11、on 煙煤外，Nout/Nin(破碎比，即爆裂后收集到的顆粒數(shù)與給煤顆粒數(shù)之比)都隨著煤質(zhì)的提高或揮發(fā)分含量的降低而升高，按爆裂的程度排序?yàn)椋簾o煙煤煙煤褐煤。隨著揮發(fā)分含量減少，爆裂程度增加的原因可能是與煤的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于顆粒的內(nèi)部壓力(此壓力為揮發(fā)分析出速率與傳輸速率之差的函數(shù))對(duì)于一個(gè)毫米級(jí)的顆粒可達(dá)3000atm，當(dāng)煤的結(jié)構(gòu)無法承受巨大的內(nèi)部壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生爆裂。變形的煙煤在熱解過程中的爆裂也可能與顆粒內(nèi)部的較高壓力有關(guān)。熱解過程中煙煤的變形產(chǎn)生了一種無法穿透的孔結(jié)構(gòu)，這種孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致當(dāng)揮發(fā)分析出時(shí)在塑性物質(zhì)內(nèi)部形成高壓區(qū)。Simons 認(rèn)為變形的煙煤顆粒之所以會(huì)爆裂是因?yàn)檫@種塑性顆粒不

12、可能在結(jié)構(gòu)上承受高達(dá) 10atm 的內(nèi)部壓力。Ragland和 Weiss 以及 Daw 和 Krishnan 都觀察到煙煤在熱解時(shí)的爆裂，盡管 Daw 和 Krishnan 認(rèn)為爆裂是由于內(nèi)嵌的灰片和黃鐵礦。這樣，熱解時(shí)一次爆裂就是內(nèi)嵌內(nèi)部壓力的函數(shù)，至少某種程度上是。焦炭燃燒時(shí)發(fā)生的二次爆裂比熱解時(shí)的一次爆裂理解的要少。Ragland 和 Weiss 以及Beer 都認(rèn)為 Montana 褐煤顆粒在燃燒時(shí)的二次爆裂是在熱解階段就預(yù)先注定的，因?yàn)闊峤夂蟮念w粒內(nèi)部通常都有裂隙，也許這些顆粒在流化床中的擾動(dòng)下發(fā)生破碎，或者 O2滲透至顆粒內(nèi)部的裂隙，當(dāng)裂隙之間的焦炭被燒掉之后就破碎了。Kerst

13、ein 和 Niksa 假設(shè)完全被氧氣滲透的顆粒，當(dāng)其孔隙率達(dá)到 7080%時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆裂，這種爆裂機(jī)理也可以應(yīng)用于未被完全滲透的顆粒。當(dāng)被 O2滲透的顆粒的外殼的孔隙率達(dá)到臨界孔隙率時(shí)，會(huì)發(fā)生外圍爆裂。在流化床中燃燒的大焦炭顆粒的氧氣滲透深度與顆粒半徑相比很小，因?yàn)橐粋€(gè)大焦炭顆粒在它燃燒的整個(gè)過程就象一個(gè)收縮的球體，因此，Kerstein和 Niksa 提出的爆裂機(jī)理可能有利于解釋發(fā)生于顆粒外圍的次要的爆裂，以及當(dāng)氧氣滲透深度可以與顆粒半徑相比時(shí)的燃燒后期的主要爆裂。Sundback 根據(jù)熱解后的焦炭顆粒外觀及簡單的傳熱模型的結(jié)果，熱解時(shí)顆粒的爆裂機(jī)理如下：三種爆裂可以觀察到：F 型、FC

14、 型和 CS 型，如圖3-3 所示。它們分別構(gòu)成煤爆裂主要和次要的機(jī)理。典型地，F(xiàn) 型爆裂形成一個(gè)大的焦炭顆粒和一個(gè)或多個(gè)較小的焦炭顆粒(2mm 或更小)，CS 型爆裂會(huì)形成兩種焦炭顆粒，一個(gè)較圓的顆粒和一個(gè)或多個(gè)殼片(0.51.0mm 厚)，F(xiàn)C 型爆裂形成的顆粒一般為 25mm，F(xiàn) 型和 CS 型很可能發(fā)生在煤為塑性的階段，因?yàn)橐粚哟采案街诮固康谋┞侗砻妫⑶宜薪固勘砻婢詾榘l(fā)圓。F 型發(fā)生在煤的塑性階段之后，因?yàn)榻固款w粒破裂面上既沒有床砂附著，形狀也不圓。F 型爆裂機(jī)理與顆粒外表面的流動(dòng)性有關(guān)，因?yàn)槊褐辉?150350K 大小的溫度范圍內(nèi)呈煤 F 類爆裂 C+S 類爆裂 FC 類爆裂

15、 圖圖 3-3 一次爆裂的三種類型一次爆裂的三種類型現(xiàn)塑性狀態(tài)，一個(gè) 7mm 的顆粒的徑向流動(dòng)性不是相同的，因?yàn)闊峤鈺r(shí)顆粒內(nèi)部存在一個(gè)較大的溫度梯度一個(gè) 7mm 顆粒的周圍的塑性殼的厚度大約為 1mm(根據(jù)簡單的傳熱模型)，這種高流動(dòng)性的殼片會(huì)被床內(nèi)的床料顆粒和氣流的作用而從主體顆粒上撕裂下來，而流動(dòng)性差或未軟化的部分保持原樣，計(jì)算的塑性殼的厚度(1mm)與實(shí)驗(yàn)中測得的殼片的厚度一致。CS 型爆裂與顆粒的流動(dòng)性及其內(nèi)部的壓力有關(guān)。如果顆粒的流動(dòng)性較差，則揮發(fā)分只能塑性的煤慢慢逸出，以致于使得顆粒內(nèi)部的壓力升高，Simons 指出變形的顆粒的爆裂可能發(fā)生于較高壓力下。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 CS 型爆裂的機(jī)

16、理，顆粒爆裂前，其內(nèi)部壓力較高，這與實(shí)驗(yàn)中聽到的爆裂聲一致，而且殼片的厚度(0.51.0mm)與估算的顆粒外圍的塑性殼的厚度一樣。此外，隨著塑性顆粒流動(dòng)性的降低(煤的預(yù)氧化程度提高)，CS 型爆裂發(fā)生的頻率相對(duì)于 F 型提高了。最后，F(xiàn)C 型爆裂與焦炭顆粒的宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。未爆裂的 Kentucky9焦炭顆粒內(nèi)部有較大的裂隙，并且焦炭很脆，F(xiàn)C 型爆裂發(fā)生于類似的裂隙。因此發(fā)生于焦炭燃燒之時(shí)的爆裂，可以基于以下四個(gè)機(jī)理：滲透破碎：在化學(xué)反應(yīng)控制的反應(yīng)中，當(dāng)顆粒的孔隙率達(dá)到 7080%時(shí)，滲透破碎可能發(fā)生。如果顆粒未被 O2完全滲透，當(dāng)顆粒外殼的孔隙率達(dá)到臨界孔隙率時(shí)，也會(huì)發(fā)生外圍破碎?；瘜W(xué)選擇性

17、破碎：由于無機(jī)質(zhì)和各巖相組分在顆粒內(nèi)部并非均勻分布，所以煤顆粒的反應(yīng)性也不可能是完全相同的，如果顆粒內(nèi)部反應(yīng)性強(qiáng)的部分優(yōu)先氧化，那么在較高轉(zhuǎn)化率時(shí)可能發(fā)生爆裂。床內(nèi)擾動(dòng)：流化床內(nèi)的劇烈擾動(dòng)、摻混也可能導(dǎo)致破碎的發(fā)生。顆粒宏觀結(jié)構(gòu)的氧化：熱解后的焦炭顆粒通常內(nèi)部有較大的孔隙(裂隙)，如果這些裂隙足夠大，氧能夠完全滲透進(jìn)去，那么當(dāng)裂隙之間的顆粒物質(zhì)被燃盡時(shí)，就有可能發(fā)生破碎。破碎產(chǎn)生的炭粒一般將保留在床內(nèi)，而磨損產(chǎn)生的炭粒則很快揚(yáng)析掉，當(dāng)風(fēng)速加大時(shí)，由破碎產(chǎn)生的細(xì)顆粒的揚(yáng)析粒度也就增大了。Chirone 和Massimilla 等人對(duì)南非煤做了試驗(yàn)，并記 Nin為投入的煤粒數(shù)，Nout為破碎后的煤

18、?？倲?shù)，得出了破碎比 Nf(Nout/Nin)隨時(shí)間變化的曲線，如圖 3-4 所示。煤粒在流化床中的破碎，對(duì)揮發(fā)分的析出有一定影響。Stubington 等人認(rèn)為，由于煤種的不同，煤粒的破碎特性也不同，但破碎總是發(fā)生在揮發(fā)分析出的早期。破碎增加了揮發(fā)分的析出率，減少了圖圖 3-4 破碎比破碎比 Nf 隨時(shí)間變化的曲線隨時(shí)間變化的曲線揮發(fā)分的析出時(shí)間。煤粒在流化床中受到高強(qiáng)度的加熱，其破碎程度較大，因而揮發(fā)分析出時(shí)間更短。前面提到的破碎比 Nf值的大小一定程度上反映了煤粒的破碎特性，其值越大表示單位顆粒的破碎數(shù)越多。但 Nf值不能全面反映煤的破碎特性，它無法體現(xiàn)破碎后的粒度組成。還須結(jié)合分析其破

19、碎后的粒度分布來判斷，為此再引入第二個(gè)參數(shù)粒度變化率 Fd。其定義式為： (3-2)01iidddXFni式中 Xi某粒度范圍內(nèi)的質(zhì)量比率；di某粒度范圍的平均直徑，mm；d0投入時(shí)原始煤粒直徑，mm。從式(3-2)可以看出，粒度變化率 Fd綜合反映了破碎后的粒度分布。顯然，F(xiàn)d值越小，破碎后的粒度越細(xì)，也即破碎程度越厲害。綜上所述，破碎比 Nf和粒度變化率 Fd各體現(xiàn)了破碎的一個(gè)方面，如結(jié)合起來分析，可全面判斷煤粒在流化床內(nèi)的破碎特性。為此浙江大學(xué)引入一個(gè)綜合的破碎指數(shù) Fs，其定義式為： (3-3)dfs/ FNF 從式(3-3)可以看出，破碎比 Nf越大，破碎后粒度變化率 Fd越小，則

20、Fs越大，表明該煤種的破碎程度越嚴(yán)重；反之，Nf越小、Fd越大，即破碎指數(shù) Fs越小，表示破碎程度越輕。因此式(3-3)確定的破碎指數(shù)能正確反映流化床內(nèi)燃料顆粒破碎的實(shí)際情況，可作為區(qū)分不同煤種破碎特性的判據(jù)，即具有相近破碎指數(shù)值的煤種其破碎特性也基本相同。煤粒的破碎主要是在煤熱解期間，由揮發(fā)分析出所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的不均勻和內(nèi)部壓力造成的。煤粒在投入高溫床內(nèi)后，顆粒外層已不能承受內(nèi)部揮發(fā)分析出造成的壓力和顆粒的熱應(yīng)力，破碎也就發(fā)生了。隨著煤粒尺寸的增加，破碎程度加劇。這是因?yàn)?，粒度增大后，熱解引起的壓力梯度以及顆粒內(nèi)部溫度不均勻性問題更加突出，也就是說，大粒度的煤比小粒度的煤更易破碎。床層溫度主

21、要是通過影響揮發(fā)分析出過程而對(duì)煤粒的破碎特性產(chǎn)生影響的。煤種對(duì)一次爆裂特性也有重要影響。一般地，隨著揮發(fā)份含量的升高，爆裂程度增強(qiáng)；灰份對(duì)爆裂程度有雙重影響，一方面增加顆粒不均勻，形成內(nèi)部分界面，加劇一次爆裂，另一方面灰份又可以提高顆粒的強(qiáng)度；碳含量對(duì)爆裂特性的影響與揮發(fā)份含量的影響恰恰相反。一次爆裂最直接的結(jié)果就是影響了固體顆粒在流化床內(nèi)的粒度分布，進(jìn)而對(duì)物料的揚(yáng)析夾帶過程、床內(nèi)傳熱過程、煤和焦炭顆粒的燃燒過程以及燃燒室內(nèi)熱負(fù)荷的分布都有重要的影響。爆裂前后顆粒的粒度分布有較明顯的變化，初始給煤的粒度分布較窄，而爆裂后焦炭顆粒的粒度分布要比原煤寬。而且，原煤的粒度越大，原煤粒度分布和爆裂后焦

22、炭的粒度分布差別越大，爆裂后焦炭的粒度范圍越大。爆裂后的焦炭顆粒中，相當(dāng)大的一部分質(zhì)量集中于較大的碎片，而小顆粒雖然數(shù)量較多，但是其所占的質(zhì)量份額卻很低。3.1.5 煤粒的磨損煤粒的磨損流化床中被揚(yáng)析的煤顆粒的來源有 3 個(gè)：原始給煤中的細(xì)顆粒；煤在揮發(fā)分析出階段破碎形成的細(xì)顆粒；在燃燒的同時(shí)，由于磨損造成的細(xì)顆粒。DAmore 等人認(rèn)為，與原始給煤中的細(xì)粒量相比，磨損和破碎對(duì)細(xì)粒的產(chǎn)生起著決定作用。Chirone 等人把磨損又分為純機(jī)械磨損和有燃燒的磨損兩種，它們的磨損機(jī)理見圖 3-5。他們發(fā)現(xiàn)，在有燃燒的情況下發(fā)生的磨損比純機(jī)械磨損要嚴(yán)重得多。有燃燒時(shí)的焦炭磨損率可表達(dá)為下式： (3-4)

23、ccBscaattr)/(dmGuKm式中 (uc-Gs/B)焦炭顆粒與床料間的平均相對(duì)速度，m/s；mc焦炭的質(zhì)量，kg；dc焦炭的直徑，m；Ka磨損速率常數(shù)；uc焦炭顆粒速度，m/s；B床層(床內(nèi)固體物料)的密度，B=s(1-)，kg/m3；s顆粒密度，kg/m3；Gs床內(nèi)的固體粒子循環(huán)流率，kg/(m2s)；mattr有燃燒時(shí)的焦炭磨損速率，kg/s。 圖圖 3-5 磨損機(jī)理圖磨損機(jī)理圖(a) 純機(jī)械磨損 (b) 有燃燒的磨損總之，破碎的發(fā)生可使揮發(fā)分析出速率增加，對(duì)早期的著火和燃燒有利；破碎和磨損的結(jié)果可產(chǎn)生更多的揚(yáng)析粒子。細(xì)粒子有利于燃燒，但由于停留時(shí)間的減少，對(duì)難燃煤種可能造成更多

24、的飛灰可燃物損失。事實(shí)上，煤的磨耗對(duì)循環(huán)流化床燃燒過程的影響是非常重要的，因?yàn)樗侨紵^程焦炭反應(yīng)活性失活的重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，煤粉爐飛灰中殘?zhí)嫉姆磻?yīng)性的降低與焦炭中碳的散亂微晶結(jié)構(gòu)的有序程度即焦碳分子定向排列特征尺寸的大小有明顯的關(guān)聯(lián)。高溫條件下，碳結(jié)構(gòu)有序化程度隨時(shí)間逐步提高，10001800C 下熱解短短 2s 反應(yīng)性便下降 30 到 50 倍。但是在 CFB 燃燒條件下，盡管溫度并不高，但仍然存在失活的現(xiàn)象。若以標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下TGA 在 500oC 下等溫得到的平均反應(yīng)速率作為反應(yīng)活性的指標(biāo)，對(duì)四個(gè)煤種的焦炭在管式爐熱解過程中的反應(yīng)性變化進(jìn)行測量，得到典型的結(jié)果見圖 3-6。焦炭失活的

25、兩個(gè)條件是溫度和時(shí)間。在 CFB 燃燒條件下，盡管宏觀床溫較低，在 900oC 左右，但燃燒的顆粒內(nèi)部的溫度是比較高的，例如采用模型分析，對(duì)粒徑為 400m 的焦炭顆粒的進(jìn)行計(jì)算，床溫900oC 時(shí)，計(jì)算結(jié)果中，顆粒的溫度可達(dá)1500oC；同時(shí)，由于本身的氣固兩相流動(dòng)特性，CFB 鍋爐中煤顆粒，無論是大顆粒還是大于分離器的分離臨界直徑的小顆粒，在主循環(huán)回路中的停留時(shí)間都很長；因此，CFB燃燒條件下，焦炭失活是存在的。焦炭反應(yīng)活性降低的本質(zhì)，是燃燒過程中碳原子的重新排列。一般認(rèn)為，單原子層平面內(nèi)的碳原子的活性比邊緣的碳原子要低。在熱處理過程中，焦炭的原子排列會(huì)變得越來越規(guī)則，碳原子有序排列區(qū)域增

26、大。因此了解焦炭微觀結(jié)構(gòu)有利于對(duì)失活進(jìn)行分析。焦炭的微觀結(jié)構(gòu)可以用 X 射線衍射(XRD)技術(shù)進(jìn)行測量。芳香層堆垛高度 Lc是表征碳結(jié)構(gòu)有序化的指標(biāo)，Lc越小，表示碳層間距越小，可由 XRD 衍射譜上計(jì)算得到。焦碳中碳結(jié)構(gòu)越緊密有序，反應(yīng)性越差。對(duì)E1、E2、E3和 E4四個(gè)煤種測量發(fā)現(xiàn)，Lc隨著焦炭顆粒的溫度增加而增大，有序化程度提高，見圖 3-7。入爐煤在脫掉揮發(fā)份后形成煤焦，煤焦燃燒是煤燃燒過程的重要組成部分。對(duì)于粒徑 dp小于 300m 的小顆粒，其 Bi 遠(yuǎn)小于 1，可以認(rèn)為炭粒內(nèi)溫度相對(duì)比較均勻。進(jìn)入爐內(nèi)后很 0 0 10 20 30 40 50 3.2 10 32 100 316

27、 停留時(shí)間 lgrs/min 反應(yīng)活性指標(biāo) R500/%min-1 熱處理溫度 800C 熱處理溫度 900C 圖圖3-6焦炭熱處理過程中的活性變化焦炭熱處理過程中的活性變化 0 10 20 30 40 50 芳香層堆積高度 Lc/10-10m 煤 E4 煤 E3 煤 E2 煤 E1 3.2 10 32 100 316 停留時(shí)間 lgrs/min 圖圖3-7芳香層堆垛高度芳香層堆垛高度Lc隨停留時(shí)間的變化隨停留時(shí)間的變化(900oC)快被煙氣攜帶上升至爐膛上部溫度和氧濃度均較低的區(qū)域，隨即進(jìn)入分離器，且不能被捕集下來，所以停留時(shí)間很短，不能燃盡而形成殘?zhí)?。但?duì)于大顆粒焦炭來說，其 Bi 大于

28、1 或接近于 1，焦炭顆粒的溫度分布不再均勻，尤其是流化床內(nèi)的床料處于流化狀態(tài)，炭顆粒表面的溫升非常快，使得炭粒內(nèi)部溫度的不均勻程度尤為加劇，這樣就產(chǎn)生了熱應(yīng)力，導(dǎo)致煤焦發(fā)生燃燒破碎。這時(shí)在炭粒的內(nèi)部產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，特別是在炭粒內(nèi)部的氣孔、裂隙處會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，當(dāng)該應(yīng)力大于炭的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，炭粒將發(fā)生破碎，形成大量的細(xì)小顆粒。如圖 3-2 所示，破碎和磨耗將產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒。若這些顆粒來源于相對(duì)直徑較大的焦炭顆粒，則由于焦炭顆粒在高溫區(qū)的停留時(shí)間足夠長，顆粒表面的部分碳結(jié)構(gòu)反應(yīng)性降低，那么磨耗下來的細(xì)小焦炭顆粒將成為飛灰中的高含碳量部分。這是小粒徑飛灰中，含碳量較高的顆粒的主要來源。

29、因此，從燃燒效率的角度來看，給煤中大顆粒的份額應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，盡管使其在密相區(qū)的停留時(shí)間延長，但是長時(shí)間的伴隨著磨耗的燃燒過程，將產(chǎn)生大量的反應(yīng)性很低的細(xì)小碳顆粒，這些顆粒既不能被分離器分離下來，而且一次通過燃燒室不能夠燃盡，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的高含碳量小飛灰顆粒。與此同時(shí)，也要合理控制給煤中的細(xì)小顆粒，這些顆粒不能夠被分離器分離下來，一次通過爐膛，若沒有非常好的氣體混合，也將形成未完全失活的大飛灰碳顆粒。3.1.6 焦炭燃燒焦炭燃燒焦炭燃燒通常是揮發(fā)分析出完成后開始，有時(shí)這兩個(gè)過程也有所重疊。在焦炭燃燒過程中，氣流中的氧先被傳遞到顆粒表面，然后在焦炭表面與碳氧化生成 CO2和 CO。焦炭是多孔

30、顆粒，有大量不同尺寸和形狀的內(nèi)孔，這些內(nèi)孔面積要比焦炭外表面積大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。有些情況下，氧通過擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)空并與內(nèi)空表面的碳產(chǎn)生氧化反應(yīng)。在不同的燃燒工況下，焦炭燃燒可在外表面或內(nèi)孔孔壁發(fā)生。燃燒工況由爐膛的工作條件和焦炭特性決定。循環(huán)流化床鍋爐中的焦炭按照燃燒模式可分為 3 類：即細(xì)顆粒、碎片和粗顆粒。(1) 細(xì)顆粒焦炭燃燒當(dāng)燃用 010 mm 寬篩分煤粒時(shí)，其中必然有一部分細(xì)顆粒。不同煤種所占份額會(huì)不同。另外粗顆粒煤在燃燒時(shí)經(jīng)一級(jí)、二級(jí)破碎和磨損也會(huì)產(chǎn)生一部分細(xì)顆粒焦炭。細(xì)顆粒焦炭一般小于 50100 m。燃燒區(qū)域大部分在爐膛上部的稀相區(qū)，也會(huì)有少量在高溫分離器內(nèi)燃燒。部分細(xì)顆粒由于隨顆粒

31、團(tuán)運(yùn)動(dòng)而被分離器捕集，其余部分則逃離分離器，構(gòu)成鍋爐飛灰未燃盡損失的主要部分。由于設(shè)計(jì)、布置的困難和降低鍋爐造價(jià)，不得不采用大直徑旋風(fēng)分離器，這使分離器的切割直徑增大，降低了分離效率。但在實(shí)際循環(huán)流化床鍋爐中，分離效率要比理論計(jì)算值高得多。這是因?yàn)樵诳焖倭骰仓羞M(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣固混合物中固體顆粒濃度比其他應(yīng)用場合中要高得多，這樣細(xì)顆粒就容易以顆粒團(tuán)的形式出現(xiàn)，分離器的分離效率就比普通假定氣固均勻布流時(shí)的預(yù)測值高。固體物料除了通過爐膛、旋風(fēng)分離器和再循環(huán)系統(tǒng)的外循環(huán)以外，也在爐膛內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)循環(huán)。細(xì)顆粒焦炭在中心區(qū)隨氣流作向上運(yùn)動(dòng)，在貼近爐墻區(qū)向下運(yùn)動(dòng)。因此細(xì)顆粒焦炭在爐內(nèi)停留時(shí)間取決于內(nèi)循環(huán)、

32、爐膛高度和分離裝置的性能。為使細(xì)顆粒焦炭充分燃盡，其停留時(shí)間必須大于燃盡所需的時(shí)間。細(xì)顆粒焦炭燃盡時(shí)間取決于反應(yīng)表面積、反應(yīng)特性和反應(yīng)級(jí)數(shù)。(2) 焦炭碎片燃燒碎片尺寸相對(duì)較大，它們由一次破碎和二次破碎產(chǎn)生。代表性尺寸為 100500m。對(duì)于焦炭碎片，作為飛灰逃離爐膛和由床層底部冷渣口排出爐膛的可能性不大。因此外循環(huán)倍率是影響焦炭燃燒碎片停留時(shí)間的主要因素。分離器效率高，固氣比高，循環(huán)倍率也會(huì)提高，有利于焦炭碎片燃盡。(3) 粗顆粒焦炭燃燒粗顆粒焦炭直徑大于 1mm，這些顆粒焦炭和床料間的相對(duì)速度高。這些粗顆粒一部分在爐膛下部密相區(qū)燃燒，一部分被帶往爐膛上部稀相區(qū)繼續(xù)燃燒。被夾帶出爐膛的這些顆

33、粒也很容易被分離器捕集后送回爐膛內(nèi)再燃，因而粗顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間長，燃盡度高。粗顆粒一般從爐膛底部的冷渣口排出。粗顆粒爐渣的含碳量很低，由粗顆粒煤粒產(chǎn)生的固體未完全燃燒損失最小。3.2 CFB 鍋爐燃燒份額的分布鍋爐燃燒份額的分布燃料燃燒熱量釋放規(guī)律表現(xiàn)為不同位置上燃燒份額的分布。如果知道了燃燒份額沿爐膛高度的分布，就可以把爐膛分為幾個(gè)區(qū)段，假設(shè)每個(gè)區(qū)段內(nèi)各種物理性質(zhì)、參數(shù)基本均勻一致，然后結(jié)合爐內(nèi)流動(dòng)特性、傳熱特性建立適當(dāng)?shù)哪芰亢唾|(zhì)量平衡方程，可計(jì)算出各區(qū)段內(nèi)的各性能參數(shù)，并相應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)在國內(nèi)外大多數(shù)的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)，采用了分區(qū)計(jì)算的方法。國外對(duì)于燃燒份額的計(jì)算是建立在

34、大量的研究基礎(chǔ)上，通過計(jì)算各區(qū)域中炭顆粒和揮發(fā)分的燃燒量得到燃燒份額的分布，而國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)中，沿床高的燃燒份額的選取主要是憑經(jīng)驗(yàn)。燃燒份額的概念最早應(yīng)用在鼓泡流化床鍋爐的設(shè)計(jì)中，鼓泡流化床鍋爐中密相區(qū)和稀相區(qū)分界較明顯，而且燃燒份額主要集中在密相區(qū)。我國長期的工程實(shí)踐對(duì)鼓泡流化床密相區(qū)燃燒份額的數(shù)量及影響因素已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)公開發(fā)表。而在循環(huán)流化床燃燒鍋爐中，由于其流動(dòng)情況與鼓泡流化床鍋爐有很大區(qū)別，因此其熱量釋放規(guī)律也有較大不同。在循環(huán)流化床鍋爐中，稀相區(qū)的燃燒份額占相當(dāng)大的一部分，并且在分離器中也有一定的燃燒反應(yīng)發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)過程中，需要知道鍋爐內(nèi)燃燒份額的分

35、布，由此才可確定受熱面的布置，使鍋爐各性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。鼓泡流化床中，燃燒份額是一個(gè)確定值，密相區(qū)的熱量平衡取決于一次風(fēng)冷卻效果、埋管吸熱及密相區(qū)床面對(duì)懸浮段的輻射換熱。而由揚(yáng)析夾帶傳質(zhì)引起的傳熱影響甚小。在循環(huán)流化床條件下，外部物料循環(huán)促使床內(nèi)物料平均粒度變細(xì)。燃燒室上部物料濃度遠(yuǎn)高于鼓泡床懸浮段。由此引起了燃燒室沿高度強(qiáng)烈的質(zhì)交換，因而帶來了上下強(qiáng)烈的熱交換。這在很大程度上均化了燃燒室縱向溫度分布。外部循環(huán)物料進(jìn)人燃燒室當(dāng)然也參與了燃燒室的熱平衡。例如魯奇型帶有外置換熱床的循環(huán)流化床鍋爐，部分循環(huán)灰在外置換熱器中被冷卻到 650700，該循環(huán)灰返送回燃燒室時(shí)，必然起到冷卻燃燒室的作用。

36、更典型的例子是德國 Circofluid 循環(huán)床技術(shù)，其循環(huán)灰被燃燒室上部的受熱面冷卻到 480500，該循環(huán)灰返送回燃燒室后其冷卻作用已經(jīng)達(dá)到。循環(huán)流化床鍋爐和鼓泡流化床鍋爐中密相區(qū)的燃燒狀況有著很大不同，鼓泡流化床鍋爐密相區(qū)燃燒表現(xiàn)為氧化狀態(tài)，而循環(huán)流化床鍋爐密相床燃燒處于一個(gè)很特殊的欠氧狀態(tài)，雖然床中有大量的氧氣存在，然而床內(nèi)的 CO 濃度仍維持在很高的水平，如在密相區(qū)底部測得的氧氣濃度在 13%左右，而 CO 濃度高達(dá)近 2%，表明循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)燃燒局部處于欠氧狀態(tài)。通過對(duì)燃燒份額分布影響的實(shí)驗(yàn)研究，可以得到下面燃燒份額分布的規(guī)律：(1)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒份額分布與鼓泡流化床鍋

37、爐的燃燒份額分布有很大不同，循環(huán)流化床鍋爐密相床內(nèi)的燃燒份額遠(yuǎn)低于鼓泡流化床鍋爐密相區(qū)的燃燒份額，雖然循環(huán)流化床鍋爐密相床內(nèi)存在相當(dāng)量的 O2，密相床內(nèi)的燃燒表現(xiàn)為特殊的欠氧燃燒狀態(tài)，而且在密相區(qū)會(huì)有大量的 CO 產(chǎn)生，這些 CO 會(huì)同部分的揮發(fā)分被帶到稀相區(qū)燃燒，從而將部分熱量轉(zhuǎn)移到燃燒室上部。(2)增加一次風(fēng)比例，密相區(qū)的燃燒份額會(huì)有所上升，但是受密相區(qū)氣泡相和乳化相之間傳質(zhì)阻力的限制，密相區(qū)燃燒份額的增加遠(yuǎn)低于一次風(fēng)增加的比例。(3)床溫增高會(huì)使密相區(qū)的燃燒份額有所增加，但增加的幅度并不大，然而床溫越高，加快了過渡區(qū)中揮發(fā)分的析出和炭顆粒的燃燒速率，過渡區(qū)的燃燒份額增加較多，整個(gè)燃燒室內(nèi)

38、燃燒量增加，燃燒效率有所提高。(4)煤中揮發(fā)分含量對(duì)燃燒份額分布的影響比較大，當(dāng)揮發(fā)分含量增加，稀相區(qū)的燃燒份額將增加，這是由于大量的揮發(fā)分在稀相區(qū)燃燒的結(jié)果。(5)一二次風(fēng)比固定，在一定范圍內(nèi)增加過量空氣系數(shù)，密相區(qū)的燃燒份額有所增加，床內(nèi)物料的含碳量降低，整個(gè)床內(nèi)的燃燒效率升高。(6)分離器分離效率是循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它的分離效率直接影響著燃燒份額的分布。提高分離器效率，則稀相區(qū)的燃燒份額增加，降低分離器的分離效率，密相區(qū)的燃燒份額會(huì)增加，而且如果分離器的分離效率過低，在循環(huán)流化床內(nèi)無法形成大的循環(huán)量，此時(shí)循環(huán)流化床的運(yùn)行類似于鼓泡流化床。這是目前國內(nèi)密相床溫度超溫的一個(gè)很重要

39、的原因。3.3 影響流化床燃燒的主要因素影響流化床燃燒的主要因素影響流化床燃燒的因素很多，如燃煤特性、燃煤粒徑級(jí)配、流化質(zhì)量、給煤方式、床溫、床體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行水平等。3.3.1 燃煤特性的影響燃煤特性的影響燃煤的結(jié)構(gòu)特性、揮發(fā)分含量、發(fā)熱量、灰熔融特性等對(duì)流化床燃燒均會(huì)帶來影響。對(duì)于揮發(fā)分含量較高、結(jié)構(gòu)比較松軟的煙煤、褐煤和油頁巖等燃料，當(dāng)煤進(jìn)入流化床受到熱解時(shí)，首先析出揮發(fā)分，煤粒變成多孔的松散結(jié)構(gòu)，周圍的氧向粒子內(nèi)部擴(kuò)散和燃燒產(chǎn)物向外擴(kuò)散的阻力小，可以提高燃燒速率。對(duì)于揮發(fā)分含量少、結(jié)構(gòu)密實(shí)的無煙煤、石煤等，當(dāng)煤受到熱解時(shí)，分子的化學(xué)鍵不易破裂、內(nèi)部揮發(fā)分不易析出、四周的氧氣難向粒子內(nèi)部擴(kuò)散

40、，燃燒速率降低。對(duì)于揮發(fā)分含量少，揮發(fā)分析出后對(duì)煤質(zhì)結(jié)構(gòu)影響不大和那些灰分高、含碳量又低的石煤、無煙煤等，煤粒表面燃燒后形成一層堅(jiān)硬的灰殼，阻礙著燃燒產(chǎn)物向外擴(kuò)散和氧氣向內(nèi)擴(kuò)散，煤粒燃盡困難。從燃用石煤的流化床鍋爐溢流渣切片分析表明，這些灰渣在床內(nèi)雖經(jīng)過了較長時(shí)間的停留和燃燒，但在灰殼所包覆的炭核中不僅存在可燃的固定碳，而且還含有揮發(fā)分。當(dāng)一臺(tái)鍋爐燃用比設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量低得較多的煤種時(shí)，可能會(huì)使流化床密相區(qū)溫度偏低而對(duì)燃燒帶來影響。當(dāng)煤的發(fā)熱量降低時(shí)，其折算灰分和折算水分必然增加，每公斤燃料帶出密相區(qū)熱焓增加，使密相區(qū)燃料放熱和吸熱可能失去平衡。如果其發(fā)熱量低至 7500 kJ/kg以下，會(huì)更加

41、敏感。對(duì)于新設(shè)計(jì)的鍋爐，燃用低熱值的煤，應(yīng)在密相區(qū)少布置受熱面，才能保證密相層溫度維持在正常燃燒所需要的溫度。不同的燃料具有不同的灰熔融溫度。當(dāng)溫度達(dá)到灰分的軟化溫度 t2時(shí)，灰分開始有黏性。在流化床中最忌諱結(jié)渣；結(jié)渣后流化床難以維持正常的硫化狀態(tài)，更無法保證燃煤在爐膛內(nèi)有效燃燒，最終造成被迫停爐。3.3.2 燃煤粒徑的影響燃煤粒徑的影響在盡量降低顆粒揚(yáng)析的情況下，適當(dāng)減少燃煤粒徑，縮小篩分范圍乃是提高燃燒效率的一項(xiàng)有效措施。我國流化床鍋爐大多數(shù)燃用 010 mm 的寬篩分煤粒。由于采用反擊式破碎機(jī)加工，其中小于 0.5mm 的煤粒約占 25%30%，有的甚至更高。不同粒徑的燃料，有著各自的臨

42、界速度和飛出速度。為使粗顆粒不致沉積，保證流化良好，一般選用的運(yùn)行速度為平均粒徑 dp的臨界速度的 1.52 倍。計(jì)算表明，直徑為 2.0mm 的粒子的運(yùn)行速度已經(jīng)超過 0.5mm 顆粒的飛出速度。因此燃料中 0.5mm 以下的細(xì)煤粒送入流化床后很快就會(huì)隨煙氣帶出床層，固體不完全燃燒損失主要來自這部分細(xì)煤粒的不完全燃燒。為提高流化床鍋爐的燃燒效率，應(yīng)采取措施力求減少細(xì)煤粒被帶出爐膛，并把帶出爐膛的細(xì)煤粒收集起來，再送回爐膛循環(huán)燃燒，提高循環(huán)倍率，可以提高燃燒效率。3.3.3 布風(fēng)裝置和流化質(zhì)量的影響布風(fēng)裝置和流化質(zhì)量的影響流化床要求布風(fēng)裝置配風(fēng)均勻，以消除死區(qū)和粗顆粒沉積，使底部流化質(zhì)量良好。

43、進(jìn)入床層的空氣不僅要求分配均勻，而且要形成細(xì)流，以減小初始?xì)馀葜睆健Ｔ诠呐萘骰癄顟B(tài)中，氣泡在沿床層上升的過程中不斷增長、合并，形成大氣泡。氣泡上升速度又隨氣泡直徑增大而增加，這導(dǎo)致從氣泡補(bǔ)充到乳化相中炭粒子表面的擴(kuò)散阻力增加，燃燒速率降低。大氣泡動(dòng)量大，上升到床層表面破裂時(shí)，把氣泡尾渦中攜帶的細(xì)顆粒拋向上部空間，增加了煙氣中顆粒的夾帶，這會(huì)造成燃燒效率降低。因此，合理的布風(fēng)結(jié)構(gòu)是減小氣泡尺寸，改善流化質(zhì)量，減少細(xì)粒帶出量，提高燃燒效率的有效途徑。一般采用小直徑風(fēng)帽，合理布置風(fēng)帽數(shù)量和風(fēng)帽排列方式，設(shè)計(jì)良好的等壓風(fēng)室，對(duì)提高流化質(zhì)量均有明顯的效果。我國的循環(huán)流化床鍋爐多數(shù)采用 010 mm 寬篩

44、分煤粒。且床層底部按一次風(fēng)量計(jì)算出的空塔速度比鼓泡流化床鍋爐也高不了多少。因此，我國很大一部分循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)還是處于鼓泡流化的狀態(tài)。同樣有氣泡的生成、長大和破裂，有氣泡相和乳化相。所以在這種循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)中同樣應(yīng)注意布風(fēng)的均勻性和流化質(zhì)量。3.3.4 給煤方式的影響給煤方式的影響加入到床層的燃料要求在整個(gè)床面上播散均勻，防止局部碳負(fù)荷過高，以免造成局部缺氧。因此給煤點(diǎn)應(yīng)分散布置，給煤量不宜集中加入?，F(xiàn)在多數(shù)流化床鍋爐給煤口附近煤量過于集中，煤熱解后揮發(fā)物首先析出和燃燒，消耗了大量氧氣，在給煤口附近形成缺氧區(qū)，使該處的細(xì)顆粒因缺氧而無法燃燒，隨上升氣流直接穿過床層進(jìn)入稀相區(qū)。如果在稀相區(qū)

45、無足夠的停留時(shí)間和較高的溫度，就會(huì)形成飛灰的固體不完全燃燒損失，燃煤的細(xì)顆粒組分越高，這種損失也越大。對(duì)于揮發(fā)物含量很高的煙煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的揮發(fā)物都不能在床內(nèi)完全燃盡，進(jìn)入鍋爐尾部受熱面后受到冷卻，形成焦膠和灰分黏附在受熱面上，堵塞煙氣通道，影響鍋爐的安全運(yùn)行。3.3.5 床溫的影響床溫的影響在床層中煤粒揮發(fā)物的析出速率和碳的反應(yīng)速率隨床溫的增加而增大。因此，提高床溫有利于提高燃燒速率和縮短燃盡時(shí)間。但床溫的提高受到灰熔融溫度的限制。通常要求床溫比煤的變形溫度(DT)低 100200 。所以床溫的高限應(yīng)根據(jù)煤的變形溫度來確定，一般床溫控制在 9001000，最高不

46、超過 1050 。對(duì)于采用添加劑在床內(nèi)進(jìn)行脫硫的流化床鍋爐，脫硫的最佳反應(yīng)溫度為 850870 ，床溫過高，脫硫效率急劇降低，鈣硫比增大。稀相區(qū)的溫度也特別重要。對(duì)于燃燒細(xì)顆粒份額較高和揮發(fā)物含量大的燃料，提高稀相區(qū)溫度，可以使這部分可燃物進(jìn)一步燃燒，降低煙氣中的可燃物損失。尤其對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，通過分離器收集送回爐膛的細(xì)顆粒，其中主要是固定碳，必需在 800 以上的溫度才會(huì)著火、燃燒，而這部分細(xì)顆粒的燃燒區(qū)域主要在稀相區(qū)。因此應(yīng)保持稀相區(qū)溫度在850900 ，提高稀相區(qū)的溫度的措施主要是根據(jù)稀相區(qū)熱量的平衡，適當(dāng)匹配稀相區(qū)受熱面。3.3.6 床體結(jié)構(gòu)和飛灰再燃的影響床體結(jié)構(gòu)和飛灰再燃的影響

47、床體結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒效率有很大影響，除影響流化質(zhì)量外，還影響細(xì)顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。設(shè)計(jì)床體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)合理組織氣流，使可燃物與空氣在床內(nèi)得到充分混合與攪拌，有利于細(xì)顆粒在床內(nèi)進(jìn)行重力分離。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)減少稀相區(qū)斷面積，使稀相區(qū)達(dá)到一定的氣流速度和一定的粒子濃度，在爐膛內(nèi)形成環(huán)核流動(dòng)，形成內(nèi)循環(huán)，延長粒子在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。對(duì)飛出爐膛的細(xì)粒子，采用分離性能好的高溫或中溫分離器，將細(xì)粒子捕集下來，送回爐膛循環(huán)燃燒，也就是組織好爐膛外的循環(huán)。另外，將鍋爐尾部除塵器下的飛灰再循環(huán)也是提高燃煤效率的有效措施。3.3.7 運(yùn)行水平影響運(yùn)行水平影響流化床的燃燒與運(yùn)行水平亦有密切關(guān)系。一臺(tái)設(shè)計(jì)

48、比較好的流化床鍋爐，如運(yùn)行水平不高，技術(shù)管理不善，有可能降低燃燒效率。鍋爐在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)負(fù)荷和煤質(zhì)的變化，隨時(shí)調(diào)整燃燒工況，保持正常的床溫和合理的風(fēng)煤比，以降低氣體和固體不完全燃燒損失。要維持適當(dāng)?shù)牧蠈痈叨?。料層過高，不但會(huì)增大風(fēng)機(jī)電耗，而且會(huì)增大氣泡尺寸和揚(yáng)析帶來的損失；料層過薄，又會(huì)使燃燒工況不穩(wěn)定，燃料在床內(nèi)的停留時(shí)間縮短，增加溢流渣含碳量。排放冷渣應(yīng)根據(jù)風(fēng)室靜壓變化、勤排、少排，避免造成過大的冷渣不完全燃燒損失和物理熱損失。為保證循環(huán)流化床鍋爐飛灰循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行，多采用自動(dòng)調(diào)整型回料器，當(dāng)采用流化密封回料器時(shí)應(yīng)小心地調(diào)整松動(dòng)和送灰風(fēng)，維持料腿中一定的灰位高度。這股風(fēng)過大會(huì)使料腿吹空，

49、造成煙氣短路，送灰器結(jié)渣，并且分離器分離效果會(huì)明顯降低。這股風(fēng)太小，回送的飛灰太少，達(dá)不到設(shè)計(jì)的循環(huán)倍率，影響鍋爐負(fù)荷和燃燒效率。送灰風(fēng)量應(yīng)大于松動(dòng)風(fēng)量。松動(dòng)風(fēng)只松動(dòng)料柱，而送灰風(fēng)是輸送飛灰進(jìn)爐膛。另外還要認(rèn)真調(diào)整一、二次風(fēng)的比例，很好地組織在密相區(qū)和稀相區(qū)的燃燒。3.4 CFB 鍋爐分離器內(nèi)的后燃現(xiàn)象及其影響因素鍋爐分離器內(nèi)的后燃現(xiàn)象及其影響因素3.4.1 后燃現(xiàn)象后燃現(xiàn)象循環(huán)流化床分離器內(nèi)存在后燃現(xiàn)象，即部分可燃物在分離器內(nèi)燃燒，導(dǎo)致分離器出口煙氣溫度升高，出入口溫差達(dá) 3070左右，見圖 3-8。分離器后燃導(dǎo)致煙氣溫度上升，使得煙氣對(duì)尾部對(duì)流受熱面?zhèn)鳠崃吭黾?，運(yùn)行中會(huì)導(dǎo)致再熱器超溫。具體

50、表現(xiàn)為在高負(fù)荷時(shí)，再熱器的兩個(gè)事故噴水減溫器及兩個(gè)微量噴水減溫閥全開，才能控制再熱器不超溫。類似的問題在 75480t/h 容量的其它鍋爐上也較普遍。分離器后燃導(dǎo)致再熱器超溫現(xiàn)象，說明鍋爐實(shí)際運(yùn)行條件與鍋爐定態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大差異。圖圖 3-8 分離器進(jìn)出口溫差分離器進(jìn)出口溫差3.4.2 后燃特性的影響因素后燃特性的影響因素后燃現(xiàn)象與燃料在爐內(nèi)不同位置的燃燒份額有關(guān)，與入爐總風(fēng)量、一二次風(fēng)量的配比有關(guān)，與入爐煤的粒度分布有關(guān)，同時(shí)還與煤的特性(Vdaf,Aar的大小及揮發(fā)分析出規(guī)律)有關(guān)。(1) 給煤粒徑分布的影響某廠給煤粒度變化見表 3-1表表 3-1 實(shí)際給煤粒度與要求得比較實(shí)際給煤粒度與

51、要求得比較最大粒徑/mm中位粒徑/mm4 占 10%0.6524%26%給煤實(shí)測值 26 占 22%1.268%在滿負(fù)荷條件下以給煤粒度 1(粒度較粗)運(yùn)行時(shí)，分離器進(jìn)出口溫差達(dá)到 50。以給煤粒度 2 在滿負(fù)荷工況下，爐膛內(nèi)流化風(fēng)速一定時(shí)，分離器內(nèi)的進(jìn)出口溫差降低到 30。這主要是進(jìn)入分離器內(nèi)燃燒的細(xì)顆粒減少的結(jié)果。(2) 煤特性影響運(yùn)行表明，燃燒高揮發(fā)分煤種時(shí)，分離器進(jìn)出口溫差要低于燃燒低揮發(fā)分煤種對(duì)應(yīng)的分離器進(jìn)出口溫差。國外循環(huán)流化床鍋爐大多燃用揮發(fā)分高的褐煤，因此分離器中后燃現(xiàn)象不明顯。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為貧煤，揮發(fā)分較少，Vdaf在 1418 之間，碳含量大，灰分大(Aar約 30%左右)

52、，煤粒的燃盡程度差，燃燒過程中產(chǎn)生的灰殼將可燃物包裹其中，這都進(jìn)一步延緩了碳的燃燒，使得大量的可燃物在分離器、立管內(nèi)，甚至是在出口尾部煙道內(nèi)繼續(xù)燃燒。分離器出口溫度比入口高 3050，立管內(nèi)分離下來的循環(huán)物料溫度達(dá)到 910920，都證明了后燃現(xiàn)象的存在。(3) 總風(fēng)量及一二次風(fēng)配比影響隨著入爐總風(fēng)量的增大，爐膛流化風(fēng)速增加，在一定的給煤粒徑下，爐膛上部的灰濃度增加，密相區(qū)的燃燒份額降低，稀相區(qū)的燃燒份額會(huì)相應(yīng)地加大，后燃現(xiàn)象也會(huì)加劇，分離器進(jìn)出口溫差會(huì)加大。反之在鍋爐負(fù)荷較低或者總風(fēng)量較小時(shí)，后燃現(xiàn)象會(huì)有所減弱。一二次風(fēng)配比對(duì)燃燒份額的分布也有一定的影響，當(dāng)一次風(fēng)比例增大后，由于氧氣供應(yīng)量增加，密相區(qū)內(nèi)的燃燒份額會(huì)有所上升，但由于密相區(qū)氣泡相和乳化相之間傳質(zhì)阻力的限制，密相區(qū)燃燒份額的增加遠(yuǎn)低于一次風(fēng)增加的比例。同時(shí),一次風(fēng)份額的增加會(huì)使得爐膛上部濃度有所增加，進(jìn)入分離器內(nèi)的可燃物也會(huì)增加。因此一