循環(huán)流化床燃燒條件下煤的成灰磨耗特性

循環(huán)流化床燃燒條件下煤的成灰磨耗特性

循環(huán)流場的基本特征是，在循環(huán)流材料的循環(huán)系統(tǒng)中，有一個較大的固體材料周期。材料的循環(huán)流率、床材料的顆粒直徑分布和其他參數(shù)對循環(huán)流場的操作非常重要。由于材料循環(huán)系統(tǒng)的工作條件，材料的連續(xù)分析、傳質過程、傳熱過程和燃燒中的負荷分布直接受到限制，經(jīng)濟效益和浪費效率間接受到限制。如何保證物料循環(huán)系統(tǒng)正常工作成為循環(huán)流化床鍋爐設計當中的一個重要問題。由于煤灰在床料中份額達到90%以上,所以給煤的成灰特性對于循環(huán)流化床鍋爐的物料平衡是一個非常重要的參量。必須對不同煤種顆粒的爆裂破碎和磨耗現(xiàn)象深入地研究來加以解決,從而得出煤成灰特性的規(guī)律。得到特定煤種成灰特性的最可靠的方法是在工業(yè)鍋爐中進行熱態(tài)測試,采集成灰數(shù)據(jù)。不過,昂貴成本以及數(shù)據(jù)采集的困難嚴重限制了此方法的實際應用。岳光溪等人通過實驗指出,對含灰量高的焦炭顆粒而言,其內部存在大量的灰核,當焦炭顆粒中的含碳成分燃盡以后,灰核之間的連接段變得非常脆弱,由于碰撞或者顆粒重力即可使得它們斷裂。再考慮到循環(huán)流化床鍋爐相對較低的燃燒溫度(低于一般煤中礦物質熔點),所以可以認為焦炭中礦物質成分即反映了灰的篩分分布。通過研究發(fā)現(xiàn),粗灰顆粒幾乎全部來自于煤中矸石;細粉顆粒除了少量來自于矸石直接破碎形成外,絕大部分來自煤中富灰灰核,這些灰核在一次碎裂和焦炭燃燒過程中并不發(fā)生破碎,由于燃燒溫度較低,低于煤灰的熔點,富灰灰核在這一燃燒過程中并不改變它們的形狀。所以煤中矸石的顆粒尺寸分布實際上就是循環(huán)流化床鍋爐中最后大尺寸成灰的顆粒尺寸分布。而細灰粒子通常則來自于煤礦形成過程中沉積下的塵粒組分?；谏鲜龇治?煤顆粒的碎裂過程對顆粒前期的磨耗并沒有什么影響,在流化床燃燒條件下,磨耗和碎裂對最后灰的粒徑分布影響是相互獨立的?；诖?提出了靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩的成灰實驗的建議。1實驗與研究1.1溫度波動振篩系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)包括電加熱馬弗爐和爐膛溫控系統(tǒng),并通過熱電偶記錄爐內溫度變化。振篩系統(tǒng)由振篩機和一系列標準篩構成,振篩機為德國Fristch公司生產(chǎn),振幅和振動頻率可調。具體的實驗方法和實驗過程參見文獻。1.2揮發(fā)油分煙煤實驗中所采用煤樣為南京新蘇熱電廠所用的高揮發(fā)分煙煤,來自平頂山礦務局。表1列出了所用煤樣的工業(yè)分析和元素分析,以及發(fā)熱量測量的結果,其中工業(yè)分析為干燥基數(shù)據(jù)。1.3灰樣粒徑分布和顆粒磨耗規(guī)律煤樣經(jīng)過振篩實驗臺進行燃前篩分,將煤樣篩分成6個篩分檔。表2給出了篩分粒徑及相應的煤樣粒徑分布。表3給出了6個粒徑檔煤樣的干燥基工業(yè)分析數(shù)據(jù)。將煤樣顆粒送入馬弗爐(850℃)充分燃燼,燃燼的時間取決于煤種和煤樣的粒徑。將得到的灰樣分別送入振篩實驗臺進行灰樣的磨耗實驗,以得到成灰的粒徑分布和顆粒磨耗的規(guī)律。在振篩磨耗實驗中,通過測量不同振篩時間,2mm振幅條件下的灰分粒徑變化來研究灰顆粒的磨耗速率。2結果與分析2.1煤種的磨耗過程,中多煤樣顆粒經(jīng)過初始的快速磨耗階段這一過程以后得到的粒徑分布,稱之為該煤種的本征成灰數(shù)據(jù),它不受實際鍋爐運行條件的影響,只和煤種有關。從磨耗機理上講,對于某一確定煤種,煤灰顆粒的磨耗程度,與系統(tǒng)向固體顆粒所提供的能量有關。所以,用振篩磨耗方法與用冷態(tài)流化磨耗方法所得到的本征成灰數(shù)據(jù)是基本相同的。從實驗結果可以看出,進入50分鐘以后,磨耗過程趨于穩(wěn)定。圖1所列出的成灰數(shù)據(jù),是實驗煤種靜態(tài)燃燒所得灰樣在經(jīng)過50分鐘振篩后的篩分分布。2.2顆粒磨耗速率前期的研究表明,振篩磨耗過程和流化磨耗過程具有相似的行為,但后者更接近工業(yè)流化床中的磨耗過程。由文獻可知,磨耗速率隨時間下降并趨于一常數(shù),因此定義顆粒磨耗速率如下:其中,m是某一時間時特定尺寸的顆粒的質量,單位為kg。磨耗速率R,min-1。圖2表明,磨耗速率符合指數(shù)衰減的時間函數(shù),振篩開始階段磨耗速率衰減很快,之后達到穩(wěn)定值。因此,可以用指數(shù)衰減模型(2)來擬和振篩磨耗速率。表4給出了相應的擬和參數(shù)。2.3顆粒磨耗特性的描述如前所述,大多數(shù)的磨耗模型都是將顆粒的尺寸或者質量變化與輸入該特定系統(tǒng)的能量進行關聯(lián)。Merrick和Highley基于Rittinger準則發(fā)展了一個磨耗模型,該模型描述了流化床中灰的磨耗率與過量氣體流速(U-Umf)成正比,與磨耗速率常數(shù)成正比。U為流化風速,m/s,Umf為最小流化風速,m/s,kaf的單位為min-1,它是時間的函數(shù)。對于振動系統(tǒng),基于簡單的物理概念,系統(tǒng)的能量水平和系統(tǒng)振幅的平方呈線性關系,于是用下式來簡化顆粒磨耗和振篩系統(tǒng)能量水平的關系:其中,A為振動振幅,mm,于是振篩磨耗系數(shù)kas具有1/min·m2的量綱,同樣,它也是時間的函數(shù)。在研究顆粒磨耗的層面上,使用振篩方法完全可以模擬在流化床內進行顆粒磨耗實驗。從機理上,對流化系統(tǒng)來說,系統(tǒng)對顆粒的激勵可以認為是流化介質向固體顆粒提供的能量;而在振動系統(tǒng)中,系統(tǒng)對顆粒的激勵則來自于機械振動向固體顆粒提供的能量。這兩種激勵對于顆粒的磨耗特性影響是一致的。振篩磨耗速率常數(shù)和流化磨耗速率常數(shù)具有相似的衰減規(guī)律,因此可以通過規(guī)范化處理振篩數(shù)據(jù)可以找出二者的聯(lián)系。聯(lián)立公式(3)和公式(4),用兩個轉換系數(shù)π1,π2,通過下式關聯(lián)。表5給出了2mm振幅與不同流化速度間的轉換系數(shù)。圖3給出了經(jīng)過能量關聯(lián)獲得的流化風速為5m/s時的流化磨耗速率常數(shù)。可以看出流化磨耗速率常數(shù)隨時間呈指數(shù)衰減。從圖3中可以看出,磨耗速率常數(shù)隨時間衰減,并逐漸趨近于一常數(shù)。同時也可以看到,不同粒徑的灰粒的磨耗速率常數(shù)并不相同。圖4給出了煤樣成灰粒徑對磨耗速率的影響,取60分鐘時的流化磨耗速率常數(shù)。從圖4中可以得出,對于實驗煤樣,0～500μm這一粒徑段磨耗速率常數(shù)最大,隨著顆粒粒徑增加,磨耗速率常數(shù)呈指數(shù)衰減,到2000μm以上,磨耗速率變化較小。可以用指數(shù)衰減模型(7)來擬和磨耗速率常數(shù)。3振篩磨耗速率在本文中利用穩(wěn)態(tài)燃燒加冷態(tài)振篩的實驗方法研究了南京新蘇熱電廠煤樣的成灰和磨耗特性,給出了煤樣的本征成灰數(shù)據(jù);振篩磨耗速率