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循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程報告CombustionProcessofCirculatingFluidizedBedBoiler西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院能動A72謝小軍07031235摘要:作為新一代高效低污染清潔燃煤技術(shù),循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展迅速。本文綜合作者所讀部分文獻(xiàn),介紹了循環(huán)流化床的爐內(nèi)燃燒過程、濃度場分布并針對我校鍋爐教研室循環(huán)流化床試驗臺介紹了生物質(zhì)和石油焦作為實驗材料在實驗過程中。應(yīng)注意的問題。循環(huán)流化床燃燒1循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程煤粒在通過給料機(jī)進(jìn)人流化床后,燃燒過程一般經(jīng)歷以下幾個過程:煤粒的干燥和加熱;揮發(fā)分的析出和燃燒;焦炭的燃燒。一般來說,上述3個過程的界限并不明顯,煤粒燃燒的這3個過程總是重疊進(jìn)行的。在循環(huán)流化床中,煤??扇汲煞謨H占百分之幾,其余全是不可燃床層物料。因此,當(dāng)煤粒加入燃燒的循環(huán)流化床中時,煤粒干燥和加熱過程的吸熱量很小,對床溫的影響不大,而當(dāng)揮發(fā)分和焦炭燃燒時還會放出熱量,所以,床溫總是可以維持在850°C~900°C左右。煤粒送人循環(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),接著是煤中的揮發(fā)分析出并燃燒,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。在循環(huán)流化床的下部即密相區(qū),氣體與固體顆粒的混合程度較為劇烈,其中的流態(tài)一般屬于湍流流態(tài)。循環(huán)流化床上部,即稀相區(qū),呈快速流態(tài)化狀態(tài),其床內(nèi)的氣固流動,包括氣體速度、顆粒
運動速度、床層孔隙率以及顆粒絮狀物的形成與解體都是十分復(fù)雜的,無論周向還是徑向分布都是不均勻的。床內(nèi)氣固流動的規(guī)律與氣體速度,顆粒循環(huán)流率,溫度壓力,氣固物性,流化床結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。循環(huán)流化床內(nèi)部獨特的氣固物料循環(huán)決定了其傳熱機(jī)理與常規(guī)的煤粉爐不同。煤粉爐爐膛內(nèi)部主要通過輻射的方式將燃料燃燒釋放的熱量傳遞給受熱面,而循環(huán)流化床爐膛內(nèi)部的傳熱既要考慮到對流換熱的影響,也要考慮到輻射換熱的作用。至于尾部煙道內(nèi)的傳熱問題,循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐大致相同。具體分析,依照循環(huán)流化床燃燒器的一維擬流體數(shù)值模擬結(jié)果[2]有如下結(jié)論:圖1為模擬計算得到的燃燒器內(nèi)氣體組分沿床高的分布曲線?由于燃燒器二次風(fēng)入口以下區(qū)域的固體物料尤其是煤炭的濃度較高,燃燒過程中的耗氧速率隨之較高,生成二氧化碳及水蒸汽的量相應(yīng)較大,這在圖中表現(xiàn)為該段曲線的斜率較大?二次風(fēng)以上的區(qū)域則情況正好相反,該區(qū)域內(nèi)固體物料呈稀相流動,燃燒耗氧量少,曲線變化較為平緩?計算得到的燃燒器爐
膛出口處的氧氣及二氧化碳的濃度約為5%和14.5%,這與實驗值4.2%和15.4%較為接近.圖2給出了爐膛內(nèi)二氧化硫及一氧化氮的濃度沿床高的分布.由于本模型中假設(shè)揮發(fā)分在二次風(fēng)口以下全部放出,故此在二次風(fēng)以下的固體濃相區(qū)中,SO2及NO的濃度增長很快?由于床內(nèi)石灰石濃度分布也呈上稀下濃的趨勢,床底部煤炭釋放出的SO2被石灰石吸收得也較快,接近二次風(fēng)口的濃度曲線變緩就是脫硫效果的例證?二次風(fēng)的引入使在其入口處的SO2及NO濃度階躍式減小,這種突變式的濃度變化是由于模型中將二次風(fēng)的影響簡化成為兩股風(fēng)簡單的疊加造成的,實際情況中該處的濃度變化應(yīng)該會較為緩和?由于模型中假定二次風(fēng)以上區(qū)域沒有揮發(fā)分釋放出來,故此該區(qū)域的兩條曲線都是單調(diào)遞減的?燃燒器出口處的SO2及NO的濃度計算值分別為166X10?6和167X10?6,這與實驗測定值130X10?6及170X10?6較為接近.Height(m)Height(m)(0X)一匸見匸叢(DlOArniln-od圖3為以上條件下爐膛內(nèi)殘?zhí)亢垦卮哺叩姆植迹捎谌紵鞑僮髟诳?/p>
速流化狀態(tài),物料循環(huán)通量大,混合均勻,固體床料接近全混流狀態(tài),這從圖中較為均一的殘?zhí)糠植伎梢钥闯?另外,床內(nèi)殘?zhí)亢拷栽?%左右,說明燃燒充分,燃燒效率較高?與出口殘?zhí)亢康膶嶒炛迪啾容^可以看出,模型與實際情況吻合較好.1.1251.0001.1251.0000.S750.7500.6250 1 2日斗5 6Height(m)由圖4可見,隨著二次風(fēng)量比例增加,氮氧化物排放濃度不斷降低,這主要是由于二次風(fēng)增加造成爐膛底部濃相區(qū)的炭含量增加,因而脫硝反應(yīng)得以增強?本例的計算結(jié)果與實驗值的趨勢基本相符,但是在數(shù)值上有較大差異
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Secondairratio圖4二次風(fēng)比對0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Secondairratio圖4二次風(fēng)比對NO排放的影響nuo隨著Ca/S摩爾比增加,SO2的排放量逐漸降低?脫硫效率隨Ca/S摩爾比的變化如圖5所示?可以很明顯看出,當(dāng)Ca/S摩爾比小于2時,脫硫效率受Ca/S摩爾比的影響很大,表現(xiàn)為曲線斜率較大;而當(dāng)Ca/S摩爾比大于2時,脫硫效率隨Ca/S摩爾比增長的速度放緩?可見,從經(jīng)濟(jì)角度看,Ca/S摩爾比并非越大越好,一般設(shè)計中可以選用2左右.〔%.)Aou〔%.)Aou(DO亡(D匚°匸(D1(D」WOSCa/Smolarratio圖5Ca/S比對SO2脫除效率的影響因為我們要做的是循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)和石油焦的實驗,考慮到生物質(zhì)的燃料可能在實際燃燒中出現(xiàn)成分不均勻的情況(例如:今天的秸稈是
稻草,明天可能供應(yīng)的是小麥秸稈或玉米秸稈),故討論下流化床變?nèi)剂蠗l件下的調(diào)整:可用改變飛灰再循環(huán)倍率(飛灰循環(huán)量與給煤量之比)的辦法來改變?nèi)紵到y(tǒng)與后部對流受熱面熱負(fù)荷的分配,從而保證了循環(huán)流化床鍋爐對燃料的適應(yīng)性,當(dāng)然用優(yōu)質(zhì)燃料時,可加大循環(huán)灰量,增加燃燒室、水冷壁及外部流化床熱交換器的吸熱量,當(dāng)燒劣質(zhì)煤時,可減少飛灰循環(huán)量,減少燃燒室內(nèi)水冷壁及外部流化床熱交換器的吸熱量。這樣當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐燒優(yōu)質(zhì)燃料時,不會因燃料燃燒釋熱帶不出去而產(chǎn)生高溫結(jié)渣,也不會因燒劣質(zhì)燃料時熱量帶出過多而產(chǎn)生低溫滅火。實際工作中由于煤種變化,這種情況反復(fù)出現(xiàn),經(jīng)調(diào)整循環(huán)灰量對煤種的適應(yīng)也較好。[3]2循環(huán)流化床鍋爐運行時應(yīng)注意的問題由于循環(huán)床鍋爐的流化速度較高,床料粒徑較大的也可流化起來,但是不同的燃料對應(yīng)著不同的最佳給料粒度分布,最佳給料粒度分布對保持物料的循環(huán)平衡以及整個爐膛的熱平衡起著重要的作用。一般來說燃料粒徑的最大值可按照下表選擇:貧煤無煙煤煙煤褐煤8mm6mm10mm13mm不同煤成分不同,開始燃燒反應(yīng)的溫度不同。同樣在流化床啟動燃燒條件下不同煤的投煤穩(wěn)定著火溫度也不同。一般對褐煤,穩(wěn)定著火溫度在450°C
~500°C,煙煤在500°C~600°C,無煙煤通常在650°C以上。因此,實際的CFB鍋爐每次點火運行前必須對燃料進(jìn)行成分分析,進(jìn)而通過調(diào)整流化風(fēng)速以防止燃煤變化帶來的點火時間延長或不必要的爐膛結(jié)焦。煤種分析是循環(huán)流化床鍋爐運行時的一個很重要的工作環(huán)節(jié)。爐內(nèi)飛灰份額一般隨著燃料揮發(fā)份的增加而增加。對褐煤,灰分份額較大一般在80%以上,通常需要添加循環(huán)物料(如細(xì)河沙)維持CFB鍋爐的物料平衡和能量平衡。即使對一些低灰分煙煤,也存在添加循環(huán)物料的需要,只是要控制好量的多少。循環(huán)流化床具有很好的脫硫效果,煤種不同,含硫量就會不同,參與反應(yīng)的石灰石的數(shù)量也會發(fā)生相應(yīng)的變化,運行時就要根據(jù)較大,堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重。解體發(fā)現(xiàn),由于長時間未投該裝置,致使大、小收球網(wǎng)格結(jié)垢嚴(yán)重在網(wǎng)柵和管筒內(nèi)環(huán)上發(fā)現(xiàn)大量的污垢片和銹片。它們的存在使柵格流通面積減小水的流速加大,膠球可能卡在收球網(wǎng)的柵板上,又加劇了膠球的堵塞,形成了惡性循環(huán)。采取人工機(jī)械的方法鉆入人孔對網(wǎng)格及收球網(wǎng)相應(yīng)筒環(huán)內(nèi)壁上的水垢進(jìn)行了認(rèn)真的清除。對操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),四只小收球網(wǎng)傳動桿上直徑8mm的銷子為普通碳鋼,剛度不足常易發(fā)生疲勞斷裂,致使行程開關(guān)顯示為收球位置而實際上并沒有關(guān)嚴(yán)。改造時采用的處理方法是用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料加工銷子取而代之。收球網(wǎng)處于收球位置時,網(wǎng)的上下沿應(yīng)分別與循環(huán)水管壁和下方箱的上沿貼合,有文獻(xiàn)表明如果它們的間隙>6mm,則容易出現(xiàn)跑球或卡球的現(xiàn)想象。我們分別將大、小收球網(wǎng)處于收球位置,進(jìn)入人孔內(nèi)檢查收球網(wǎng)與筒環(huán)配合情況,發(fā)現(xiàn)大收球網(wǎng)與筒環(huán)配合不好,局部有較大間隙,最寬達(dá)15mm。另外下方箱的小濾網(wǎng)條柵分布不均勻。個別小收球網(wǎng)也因水垢卡澀,有關(guān)不到位的情況。為此我們采用了在收球網(wǎng)局部加小圓鋼焊接于邊緣使之配合
良好,對下方箱小濾網(wǎng)柵格間隙寬處焊接小圓鋼,使之不致跑球,同時對下部小收球網(wǎng)上的污物進(jìn)行了徹底的清除,并對其作了相應(yīng)調(diào)整直至能靈活開關(guān)。3生物質(zhì)和石油焦應(yīng)用情況能源是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ),能源結(jié)構(gòu)的重大變革導(dǎo)致了人類社會的巨大進(jìn)步,國民生產(chǎn)總值的增長始終與能源消費同步增長。石油將在21世紀(jì)枯竭,新的能源結(jié)構(gòu)將在新的世紀(jì)中形成,多種能源并存的能源體系將成為新世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)的特征,生物質(zhì)能源將成為21世紀(jì)的重要能源之一。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù),作為一種生物質(zhì)能的利用方式,具有工藝環(huán)節(jié)少,經(jīng)濟(jì)效益突出的優(yōu)點,是我國利用生物質(zhì)能的一條有效途徑。循環(huán)流化床燃燒方式具有燃料適應(yīng)性廣,燃燒溫度低,燃燒效率高,負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等獨特的優(yōu)點,適于燃燒生物質(zhì)燃料,特別是高堿的秸稈類生物質(zhì)燃料。石油焦是石油焦化加工工藝中的主要副產(chǎn)品,是一種很有潛力的燃煤電站的替代或補充燃料。美國是世界上的煉油大國,每年生產(chǎn)2800萬噸左右的石油焦,其中2/3出口。日本和歐洲是石油焦消耗大戶,美國出口的石油焦有3/4左右銷往日本和歐洲。在日本和歐洲,超過50%的石油焦被作水泥窯和鍋爐燃料。在我國,生產(chǎn)石油焦的焦化裝置數(shù)量及規(guī)模不斷增加,產(chǎn)量已由1987年的66.47萬噸/年上升至1997年的319.28萬噸/年。據(jù)統(tǒng)計,2001年,中國石化集團(tuán)公司所屬企業(yè)有19套延遲焦化裝置,實際加工能力為1346萬噸/年,2001年產(chǎn)石油焦310萬噸,其中硫含量在2~4%的焦約占34.75%,2002年的石油焦產(chǎn)量約400萬噸?,F(xiàn)在隨著我國中東高硫原油進(jìn)口量的逐年增
大,另外2005年俄羅斯高硫原油也通過管道輸入我國東北,高硫石油焦的產(chǎn)量將越來越高。我國石油焦市場出現(xiàn)了嚴(yán)重供大于求的局面,中、高硫石油焦的出路已成為石化部門迫切需要解決的問題[4]。由此可見,使用生物質(zhì)和石油焦作為鍋爐燃料不僅解決了我
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