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(chǎng)的基本特征是，在循環(huán)流材料的循環(huán)系統(tǒng)中，有一個(gè)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(duì)循環(huán)流場(chǎng)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(zhì)過程、傳熱過程和燃燒中的負(fù)荷分布直接受到限制，經(jīng)濟(jì)效益和浪費(fèi)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(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)重要問題。由于煤灰在床料中份額達(dá)到90%以上,所以給煤的成灰特性對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的物料平衡是一個(gè)非常重要的參量。必須對(duì)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(jìn)行熱態(tài)測(cè)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(yán)重限制了此方法的實(shí)際應(yīng)用。岳光溪等人通過實(shí)驗(yàn)指出,對(duì)含灰量高的焦炭顆粒而言,其內(nèi)部存在大量的灰核,當(dāng)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(duì)較低的燃燒溫度(低于一般煤中礦物質(zhì)熔點(diǎn)),所以可以認(rèn)為焦炭中礦物質(zhì)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(xì)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(diǎn),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(shí)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(xì)灰粒子通常則來自于煤礦形成過程中沉積下的塵粒組分。基于上述分析,煤顆粒的碎裂過程對(duì)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(duì)最后灰的粒徑分布影響是相互獨(dú)立的?；诖?提出了靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩的成灰實(shí)驗(yàn)的建議。1實(shí)驗(yàn)與研究1.1溫度波動(dòng)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(nèi)溫度變化。振篩系統(tǒng)由振篩機(jī)和一系列標(biāo)準(zhǔn)篩構(gòu)成,振篩機(jī)為德國Fristch公司生產(chǎn),振幅和振動(dòng)頻率可調(diào)。具體的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)過程參見文獻(xiàn)。1.2揮發(fā)油分煙煤實(shí)驗(yàn)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(wù)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(cè)量的結(jié)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(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行燃前篩分,將煤樣篩分成6個(gè)篩分檔。表2給出了篩分粒徑及相應(yīng)的煤樣粒徑分布。表3給出了6個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行灰樣的磨耗實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)中,通過測(cè)量不同振篩時(shí)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(jié)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(shí)際鍋爐運(yùn)行條件的影響,只和煤種有關(guān)。從磨耗機(jī)理上講,對(duì)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(guān)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)可知,磨耗速率隨時(shí)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(shí)間時(shí)特定尺寸的顆粒的質(zhì)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(shí)間函數(shù),振篩開始階段磨耗速率衰減很快,之后達(dá)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(yīng)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(zhì)量變化與輸入該特定系統(tǒng)的能量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。Merrick和Highley基于Rittinger準(zhǔn)則發(fā)展了一個(gè)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(fēng)速,m/s,Umf為最小流化風(fēng)速,m/s,kaf的單位為min-1,它是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于振動(dòng)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(guān)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(guān)系:其中,A為振動(dòng)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(shí)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(nèi)進(jìn)行顆粒磨耗實(shí)驗(yàn)。從機(jī)理上,對(duì)流化系統(tǒng)來說,系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)可以認(rèn)為是流化介質(zhì)向固體顆粒提供的能量;而在振動(dòng)系統(tǒng)中,系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)則來自于機(jī)械振動(dòng)向固體顆粒提供的能量。這兩種激勵(lì)對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)π1,π2,通過下式關(guān)聯(lián)。表5給出了2mm振幅與不同流化速度間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。圖3給出了經(jīng)過能量關(guān)聯(lián)獲得的流化風(fēng)速為5m/s時(shí)的流化磨耗速率常數(shù)?？梢钥闯隽骰ズ乃俾食?shù)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。從圖3中可以看出,磨耗速率常數(shù)隨時(shí)間衰減,并逐漸趨近于一常數(shù)。同時(shí)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(duì)磨耗速率的影響,取60分鐘時(shí)的流化磨耗速率常數(shù)。從圖4中可以得出,對(duì)于實(shí)驗(yàn)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?？梢杂弥笖?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(shí)驗(yàn)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