高海拔、低气压对循环流化床燃煤锅炉炉内燃烧的影响

摘要:

     煤粒在流化床内的燃烧涉及到流动、传热、化学反应及若干相关的物理化学现象.煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料及烟气的加热,首先是水分蒸发,接着是挥发份析出和燃烧,以及焦炭的燃烧,其间还伴随着发生煤粒的破碎、磨损等现象.煤粒在炉内将依次发生如下的过程:

①煤粒得到高温床料的加热并干燥;

②热解及挥发份燃烧;

③发生颗粒膨胀和一级破碎现象;

④焦炭燃烧并伴随着二级破碎和磨损现象.

流化床内煤粒的燃烧包括挥发份的析出燃烧和焦炭的燃烧,这与煤粉炉是一致的.与煤粉炉不同之处在于:

①对煤粉炉而言,煤粒的干燥和破碎是在炉外(也就是在制粉系统内)完成,而循环流化床在炉内完成干燥过程和部分破碎过程.

②由于炉内煤粒浓度较大,循环流化床炉内煤粒间存在磨损现象.

③煤粉炉是一次燃烧,循环流化床锅炉通过飞灰循环实现多次燃烧.

④循环流化床的燃烧是低温燃烧,焦炭的燃烧主要以扩散燃烧为主.

⑤循环流化床内的温度梯度较小.

⑥循环流化床热容量较大,煤粒燃烧产生的热量较总热容量的比例较小.

⑦由于干燥过程激烈和快速,挥发份量有所增加.

⑧化学反应基本是一致的,但传质过程有所不同.

以下就高海拔、低气压对循环流化床内煤粒燃烧特性的影响进行初步分析.



一、高海拔、低气压对挥发份析出燃烧的影响

高海拔、低气压使炉内煤粒的环境压力降低,研究表明,低的环境压力有利于减小挥发份逸出的阻力,缩短其在颗粒内部的停留时间.由于挥发份的析出燃烧过程中,挥发份的析出时间占绝大多数,而燃烧是在瞬间完成,因此,低的环境压力将使挥发份的析出加快,并使挥发份产物有所增加,使燃烧过程加快和更趋于激烈,在浓相区释放出的热量更多,使浓相区的温度升高.因此,对于燃用高挥发份的褐煤而言,应选用较高的流化风速和采取适当的防结焦措施.



二、高海拔、低气压焦炭燃烧过程的影响

煤中挥发份在流化床条件下具有短时大量析出的特点,这对炉内燃烧的组织和后续的焦炭燃烧产生较大的影响.在流化床条件下,煤粒挥发份析出燃烧过程与焦炭燃烧过程存在一定的重叠,即在初期以挥发份的析出和燃烧为主,后期以焦炭燃尽为主.实践证明,焦炭的燃尽时间比挥发份的析出燃烧时间长得多,也就是说,焦炭的燃烧过程控制着煤粒在流化床中的整个燃烧过程.

根据文献[1]介绍,焦炭燃尽时间可用下式表示:

τ=ρcRc[δeBδ-(eBδ-1)/B]/(Mcε0D0CfB)----------(1)

其中:ρc——焦炭表观密度,kg/m3;

       Rc——焦炭含碳量,kg/ kg;

       Mc——碳的摩尔质量,kg/ mol;

       δ——灰层厚度,m;

       ε0、B——特定煤种的表面灰层结构参数;

       Cf——环境氧浓度,mol/ m3;

       D0——气体在灰层中的分子扩散系数,m2/s.

循环流化床的燃烧是低温燃烧,焦炭的燃烧主要以扩散燃烧为主.从式(1)中可看出,焦炭燃尽时间(τ)与环境氧浓度(Cf)成反比关系.高海拔、低气压将使环境氧浓度降低,如果不考虑煤质和其它因素的影响,高海拔、低气压将使焦炭燃尽时间延长.也就是说,高海拔、低气压最终将使煤粒燃尽时间延长.因此,在燃用相同煤种的情况下,高海拔地区的循环流化床锅炉要获得与平原地区循环流化床锅炉相同的燃烧效率,只有提高循环倍率或提高炉膛高度.对于高挥发份的褐煤而言,由于其挥发份大量析出造成焦炭的多孔性,使物性参数得以改善,有助于缩短燃尽时间,这样就使得锅炉燃烧效率得以部分弥补.炉膛高度不需按大气压力成比例地增加.



三、对流化床内煤粒破碎特性的影响

高海拔、低气压对炉内煤粒破碎特性无明显影响.



四、对流化床内煤粒磨损特性的影响

在流化床内,煤粒因燃烧而在其表面有一灰壳生成,脱硫剂也会在其外表面形成一个脱硫产物层,因此会影响燃烧的进一步进行和脱硫剂的有效性,从这个意义上讲,流化床内煤粒的磨损有利于燃烧和脱硫反应的进行.同时,磨损产生的细粒子可燃物扬析损失,也会导致燃烧效率的降低.

根据文献[1]介绍,对于低灰份煤(Aar<20%),磨损速率可用近似公式表示为:

Ra=2.33×10-8(u0-umf)1.2C0.8[exp-(6.2×10-4τ)+0.3]--------(2)

Ra——磨损速率,kg/s;

(u0-umf) ——剩余气速,m/s;

C——颗粒浓度,kg/m3;

τ——磨损时间,s.

从式(2)中可以看出,磨损速率与颗粒浓度(C0.8)有关.在相同的循环倍率和流化速度下,高海拔、低气压必然使炉膛截面增大,炉膛容积增加,空隙率增加,平均颗粒浓度降低,使磨损速率下降.这样,一方面使焦炭燃烧速度和脱硫效率降低,另一方面使细粒子可燃物扬析损失减少.高挥发份褐煤燃烧过程中产生大量的细颗粒,造成剩余气速减小,将进一步减缓磨损作用.所以,为增强磨损作用,提高燃烧效率和脱硫效率,高海拔地区的循环流化床锅炉应选取较高的循环倍率和流化速度.



五、对流化床内流体动力特性的影响

①在高海拔、低气压条件下,流体密度减小,空隙率增加,多相流的表观粘度减小,使流体在同一风速下对颗粒的曳力减小,并使燃料层达到一定的流化状态所需的流速增加.这可从文献[1]中推荐的燃料层能够保持稳定的临界雷诺数经验公式中分析得出:

Recr1=Ar/(1400+5.38Ar0.5)-------(3)

式中,阿基米德数:Ar=dp3 (ρp-ρg)g/ρgυ2,------(4)

其中dp、ρg、ρp、υ分别为颗粒平均尺寸、烟气密度、颗粒真密度、气体运动粘度.

对于循环流化床而言,由于ρp>>ρg, (ρp-ρg) ≈ρp ,于是式(4)可简化为:

     Ar=dp3ρpg/ρgυ2-------(5)

根据文献2介绍,气体动力粘度与压力无关,而且:

    υ=μg/ρg-------(6)

式中,μg为烟气动力粘度.

将式(6)带入(5)式中可得:

Ar=dp3ρgρpg/μg 2-------(7)

将Recr1= dpωcr1ρg/μg(ωcr1为流化速度)和(7)式带入(3)式中,经推导后得出:

ωcr1= dp2ρpg/μg/(1400+5.38 Ar0.5)-------(8)

从式(7)中可以看出,假设颗粒的物性不变,阿基米德数(Ar)是烟气密度(ρg)的单调增函数,而式(8)表明,流化速度(ωcr1)是阿基米德数(Ar)的单调减函数.所以,由于在高海拔、低气压条件下,烟气密度减小,阿基米德数(Ar)相应减小,达到一定的流化状态的流化速度将增加.因此,临界流化风速将有所增加.

②根据文献[1],如果忽略颗粒之间的相互作用,考虑单颗粒在气流中的作用,气固之间的相对速度可以简单地用下式计算:

ug-up=[4gdp(ρp-ρg)/(3×CDρg)]0.5------(4)

式中,CD为曳力系数.

从式(4)中分析得出,由于高海拔、低气压使气体密度降低,最终使气固之间的相对速度增大,有利于絮状物的形成.在相同表观流速下,壁面返流也将增加,提高了炉内物料循环量.



六、结论

①高海拔、低气压条件使得挥发份的析出燃烧增强,密相区燃烧放热量有所增加,密相区升温速度加快.对于燃用高挥发份的褐煤循环流化床锅炉而言,选用较高的流化速度和采取一定的防结焦措施是有必要的.

②由于焦碳燃烧以扩散燃烧为主,高海拔、低气压条件使焦碳燃尽时间延长,为保证燃烧效率,可选用较高的循环倍率或提高炉膛高度.


③为增强磨损作用,提高燃烧效率和脱硫效率,高海拔地区的循环流化床锅炉应选取较高的循环倍率和流化速度.

④从炉内动力特性分析可知,为实现一定的流态化燃烧,应选用较高的流化风速.同时,絮状物和壁面返流的增加有助于提高炉内物料循环量.

⑤高海拔、低气压对炉内煤粒破碎特性无明显影响.