（热能工程专业论文）内循环流化床冷渣器内颗粒混合特性试验研究.pdf

摘要 摘要 煤气化是煤基替代燃料、煤基化学品、i g c c 发电、多联产系统、煤制氢等工业过程的主要 单元工艺。“十一五”期间，国家8 6 3 计划设立“以煤气化为基础的多联产示范工程重大项目，其 中方向三为粉煤加压密相输运床气化技术，其中高压高温灰渣的连续排放和冷却装置( 冷渣器) 是该技术中的重要环节和关键技术。本文提出新型内循环流化床灰渣冷却器系统作为解决方案， 并对内循环流化床冷渣器内的颗粒流动与混合特性，颗粒停留时间等进行了系统的试验研究。 本文设计搭建了内循环流化床冷渣器流动显示和熟颗粒示踪荆模拟三维气固混合冷态试验装 置。试验台主体流化床采用有机玻璃制成，床内布风方式设计为倾斜布风板与水平布风板对接组 合方式，采用两风室分别送风，在倾斜布风板上方形成低风速区，水平布风板上方形成高风速区， 从而实现非均匀布风条件下的颗粒内循环流动。在流化床内部三维空间布置多个温度测点，运用 编制的软件采集、记录热颗粒示踪剂在床内扩散与混合的试验数据。 利用热示踪法研究了内循环流化床冷渣器的颗粒混合情况，根据温度响应曲线分析得出了示 踪剂颗粒的运动轨迹，高风速区的颗粒向上运动，低风速区的颗粒向下移动，形成了颗粒的循环 流动。分析发现，除床内整体的颗粒内循环流动以外，还伴随着局部内循环、对流、扩散等分过 程。各种力形成的势差是颗粒运动的原因。 为了定量评价混合的质量，引入混合指数m ，并将它用于考察不同操作参数对颗粒混合过程 的影响。结果表明：床层高度减小有助于内循环流化床内物料的混合；提高高风速区的流化数， 有助于床料的混合；提高低风速区的流化数，低风速区颗粒间摩擦力减小，有助于颗粒运动，但 过高的流化数则会破坏整体内循环；示踪剂粒径增大，导致偏析加剧，混合效果变差。 利用筛分法对颗粒的冷渣器内停留时间分布( i h d ) 进行了研究，分析了各因素对r t d 的 影响。在高速区流化数不变的情况下，随着低速区流化数的增加，示踪粒子的平均停留时闻呈现 先减小后增加的变化趋势。在低速区流化床不变的情况下，随着高速区流化数的增加，示踪粒子 的平均停留时间减小，内循环流动增强。说明存在一个最佳的高风速与低风速的配风比的范围， 使得在增加颗粒内循环的同时，颗粒的停留时间也比较长。 关键词：冷渣器，内循环流化床，混合，停留时间分布t a b s t r a c t a b s t r a c t c o a lg a s i f i c a t i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yi ns o m ei n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，s u c ha sc o a l - b a s e ds u b s t i t u t ef u e l ， c o a l b a s e dc h e m i c a l s ，i g c cs y s t e m ，h y d r o g e np r o d u c t i o nf r o mc o a l ，e ta 1 i nt h es t a t ee l e v e n t h f i v e - y e a rp l a n , t h ep l o y - g e n e r a t i o nd e m o n s t r a t i o np r o j e c tw a se n t e r e di nt h en a t i o n a lh i g t it e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ，i nw h i c has u b p r o j e c to fp u l v e r i z e dc o a l g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo nt h eh i g h - p r e s s u r ea n dd e n s e p h a s ec o n v e y i n gb e di st od e v e l o p ，v e r i f ya n d d e m o n s t r a t et h i sk i n do fg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti sh i g h l yd e m a n d e dt os e t u pah i g hp r e s s u r eh i 曲 t e m p e r a t u r ea s hc o o l e rf o rt h i ss u b p r o j e c t an e wd e s i g n e di n t e r n a lp a r t i c l er e c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e d a s hc o o l e rw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r at e s tr i gw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e do fa ni n t e m a lp a r t i c l er e c i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e da s hc o o l e rt h a t ， w a sm a d eo fp l e x g l a s sf o rf l o wv i s u a la n di st os i m u l a t e3 - 1 9g a s s o l i dm i x i n gb yu s eo fh o tp a r t i c l e sa s at r a e e l t h ef l u i d i z e db e dd i s t r i b u t o rs y s t e mi sc o n s i s t e do fad e c l i n e dp l a t ea n dal e v e lp l a t ei nt h e i r i n d i v i d u a lw i n d b o x a b o v et h ed e c l i n e dd i s t r i b u t o ri sal o w - s p e e dr e g i o n , a n da b o v et h el e v e ld i s t r i b u t o r i sah i g h - s p e e dr e g i o n t h u s ，ap a r t i c l ei n t e r n a lr e c i r e u l a t i o ni sf o r m e db yt h i sn o n u n i f o r md i s t r i b u t o r m a n yt e m p e r a t u r em e a s u r i n gp o i n t sw e r ei n s t a l l e di nt h eb e dt oo n l i n er e c o r dt h et e m p e r a t u r er e s p o n s e b ys o f t w a r eo f d a d ac o l l e c t i o ns ot h a tt h ed i f f u s i o na n dm i x i n go f p a r t i c l ei nt h eb e dc a nb ea n a l y z e d p a r t i c l em i x i n gw a ss t u d i e db yh o tt r a c i n gp a r t i c l e sa n dt h em o t i o nt r a j e c t o r yo ft h et r a c i n gp a r t i c l e s w a sa n a l y z e db a s e do nt h et e m p e r a t u r er e s p o n s ec a lv e t h ep a r t i c l e si nt h eh i g h - s p e e dr e g i o nm o v e s u p w a r d , w h i l et h ep a r t i c l e si nt h el o w - s p e e dr e g i o nm o v ed o w n w a r d ，t h u s ，p a r t i c l er e c i r c u l a t i o nf l o wi s f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r t i c l ei n t e r n a lc i r c i r c u l a t i o nm o t i o ni sm a j o r i t y , w i t hm i n o r i t yo f l o c a lp a r t i c l ei n t e r n a lc i r c u l a t i o n , c o n v e c t i o na n dd i f f u s i o n i no r d e rt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fm i x i n gq u a n t i t a t i v e l y ，ad e f i n i t i o no ft h em i x i n gi n d e xmw a s i n t r o d u c e d , w h i c hw a su s e dt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c e so fs o m eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nt h em i x i n g p r o c e s s t h er e s u l t s s h o wt h a tr e d u c t i o no ft h eb e dh e i g h te n h a n c e sm i x i n go ft h eb e dm a t e r i a l s ； p r o m o t i o no ff l u i d i z a t i o nn u m b e ro ft h eh i 曲一s p e e dr e g i o ni s b e n e f i c i a lt ot h em i x i n go ft h eb e d m a t e r i a l s ；w h i l ei n c r e a s i n go ff l u i d i z a t i o nn u m b e ro ft h el o w - s p e e dr e g i o nw i l lm a k ev i s c o u sf o r c el e s s ； i n c r e a s i n gd i a m e t e r so f t h et r a c e r sw i l ln l a k eb e du n e v e na n dm 议协gw o r s e t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n0 王t d ) o ft h ep a r t i c l e si nt h eb e dw a ss t u d i e db yt h es c r e e n i n gm e t h o d i nt h ee x p e r i m e n t , a n df a c t o r si n f l u e n c i n gr t dw a sa n a l y z e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n t f l u i d i z a t i o nn u m b e ri nt h eh i g h - s p e e dr e g i o n , w i t hi n c r e a s i n go ft h ef l u i d i z a t i o nn u m b e ro ft h e l o w - s p e e dr e g i o n , t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo ft r a c k i n gp a r t i c l e st e n d st or e d u c t i o nf n s ta n dt h e n i n c r e a s i n gl a t e r u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s l a n tf l u i d i z a t i o nn u m b e ri nt h el o w - s p e e dr e g i o n , w i t h i n c r e a s i n go ft h ef l u i d i z a t i o nn u m b e ro f t h eh i g h s p e e dr e g i o n , t h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo ft r a c k i n g a b s t ra c t p a r t i c l e st e n d st or e d u c t i o na n dt h ei n t e r n a lp a r t i c l er e c i r c u l a t i o nt e n d st oe n h a n c i n g i ti ss u g g e s t e dt h a t t h e r ee x i s t sa l lo p t i m a lr a t i oo ft h ef l o w r a t ei nt h eh i g h s p e e dr e g i o nt ot h el o w - s p e e dr e g i o n ，a tw h i c h b o t ht h ei n t e r n a lp a r t i c l er e e i r c u l a t i o ni se n h a n c e da n dt h ep a r t i c l er e s i d e n c et i m ei sl o n g e r k e y w o r d s ：a s hc o o l e r , i n t e m a lc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，p a r t i c l em i x i n g , t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：焦。垒! 盈j日期：也望墨19 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名_ z 生三苤因导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 煤炭是我国重要的基础能源，在国民经济中具有重要的战略地位。近年来，在我国一次能源 的利用中，煤炭发电份额占7 5 左右，同时随着国际石油价格不断攀升，天然气资源日益紧缺， 以及我国煤多油少气少的能源结构，决定了我国以煤为主的一次能源利用方式。“十五”以来，能 源消费速度开始加快，并且逐步超过同期国内生产总值的增长速度，平均能源消费增长速度和平 均能源消费弹性系数分别达到1 0 和1 0 5 。2 0 0 3 年与2 0 0 4 年的能源消费弹性系数分别高达1 5 3 和1 5 9 。2 0 0 5 年能源消费量为2 2 3 3 亿吨标煤，能源消费绝对量增长了8 5 亿吨标煤；其中，煤 炭消费增长了“，石油消费增长了4 5 ，电力消费增长了8 5 i l 2 1 。表1 1 1 3 】反映了我国改革开 放以来一次能源产量及消费构成情况，中国能源结构总体上朝着优质化方向发展。煤炭消费占能 源消费总量的比重由1 9 9 0 年的7 6 。2 ，下降到2 0 0 2 年的6 6 3 。但近年来，煤炭占能源消费的 比重有所上升，2 0 0 6 年达到6 9 4 。 表1 1中国一次能源消费结构 煤炭在能源消费中主要以燃烧、焦化和气化表现出来，而燃烧占绝大比例，煤炭的大量燃烧 为我国经济持续迅速发展和提高人民生活质量提供大量的热能动力的同时，也排放出数量可观的 大气污染物，严重污染了大气环境，形成能源环境问题【4 5 1 。如作为燃煤排放主要污染物的c 0 2 导致全球的气候变暖，造成温室效应，s 0 2 带来全球大面积的酸雨，导致植被破坏等严重危害， 这些均已引起全人类的关注【矗9 】。为了保证国民经济的可持续发展，必须提高煤炭的利用率，减少 东南大学硕士学位论文 燃煤对大气的污染，所以发展煤的清洁燃烧、煤炭气化、液化等洁净煤技术具有重要的战略意义。 煤气化是煤基替代燃料、煤基化学品、i g c c 发电、多联产系统、煤制氢等工业过程的主要 单元工艺1 1 0 1 。“十五”期间进行了千吨级水煤浆四喷嘴对置式气流床工业示范、干煤粉气流床中试 和灰熔聚流化床碎煤气化技术应用，在气化技术领域取得了显著的进步。但是，自主研发的迸步 与我国发展的需求相比，尚存在巨大差距。为支撑我国i g c c 和联产发展的重大需求，需要在可 用性、经济性、多煤种适应性等方面实现突破，在规模化工艺技术方面不断优化完善。针对我国 发展煤基多联产和i g c c 对气化技术的要求，研发能够适应我国高硫、高灰、高灰熔点煤种的且 具有优良调负荷能力的气化技术已经成为共识，亟需进行研发示列1 1 l 。 循环流化床和输运床技术是第三代i g c c 的标志之一。最具代表性的炉型是美国输运床气化 炉1 1 2 1 。“十一五”期间，国家8 6 3 计划设立“以煤气化为基础的多联产示范工程”重大项目，其中方 向三为粉煤加压密相输运床气化技术，此课题的主要任务是研发、验证、示范适应我国多煤种( 尤 其是高灰分、高灰熔点) 的、具有优良变负荷性能的粉煤加压密相输运床气化技术，并应用在我 国i g c c 及联产工程中，形成对我国现有自主气化技术的重要补充。先期主要从事4 8 t d 级中试装 置的研制及试验，然后设计基于i g c c 工程应用的6 0 0 t d - 1 5 0 0 t d 级工业验证装置。 加压条件下高温固体气化炉渣的顺畅排放【l3 】是粉煤加压密相输运气化过程的重要环节和关 键技术。由于输运床气化炉的特征，气化温度高达9 0 0 一l1 0 0 o ，操作气速可达7 1 7 m s ，并且循 环倍率高达5 0 1 0 0 ，固体通量大于2 0 0k g m j s ，这就对气化炉高温炉渣的冷却处理提出了新的要 求。这些要求大致可概括为以下几个方面：( 1 ) 运行压力高达2 m p a ，给排渣系统带来困难，需要 考虑系统密封及排渣时的卸压和排渣后的增压；( 2 ) 为了保持灰渣的活性，有利于水泥及其他材料 的合成及减少水污染，要求实行干法排渣；( 3 ) 炉渣温度高，排量大，要求冷渣系统的换热能力好， 而且最好能利用其物理显热；( 4 ) 由于是工业性装置，要求可靠性较高1 1 4 j 。 从排渣速率控制方式来看，可分为机械控制( 如水冷螺旋加料器或叶轮式加料器) 与非机械 控制( 如l 阀等) 。非机械阀虽然没有易磨损的转动部件，但它对物料控制的定量性较差，因此 随着材料工业的发展，定量准确、不易失控的机械控制方式将成为第一选择。目前国内外都采用 锁斗充压、放压的方式来克服炉内与环境之间的压力位差。国外曾在8 0 年代初提出并试验了许多 越过高压力位差直接输送粒状固体的方法，但至今仍未成功，可见锁斗系统还将保留。从高温炉 渣冷却及其物理热的回收方式来看，可分为炉内冷却与外部冷却，而冷却介质又分为风冷和水冷， 其中首推b a b c o c k p f b c 装置上的炉内风冷结合壁面水冷方式【l 孓l s l 。 1 2 国内外冷渣器的研究现状 冷渣器作为输运床煤气化炉的重要部件，是保证气化炉安全、高效运行的一个关键设备。冷 渣器的开发利用，在降低高温炉渣的热污染、减轻排渣的劳动强度、回收高温炉渣的物理显热及 提高气化炉的热效率等方面起到了重要的作用；此外，能够自动调整炉膛存料量，确保炉内良好 的流化状态，有效地排放和冷却灰渣，因此直接影响到气化炉的安全经济持续运行【1 9 l 。 2 第一章绪论 l - 2 1 常压下冷渣器的研究现状 目前，国内使用的冷渣器设备【2 0 j 主要有：风水联合冷渣器、滚筒冷渣器、钢带风冷式冷渣器、 水冷螺旋式冷渣器等。风水联合冷渣器是各主要锅炉生产厂家作为大型c f b 锅炉冷渣器设备的主 推产品；滚筒冷渣器是小型c f b 锅炉常见且比较成熟的冷渣设备，出渣量较小。在国外，不少循 环流化床电厂选用螺旋式冷渣器即水冷绞龙冷渣【2 1 1 ，材料选用较好但造价很高。美国f o s t e r w h e e l e r 公司开发出流化床分选冷渣器，冷却效果较好，但存在埋管磨损问题；b & w 公司正在研 制开发的冷渣器与浙江大学首先提出的流化移动叠置式灰渣冷却技术的概念较为相似瞄翔】。 1 2 1 1 风水联合式冷渣器 风水联合式冷渣器布置于炉膛两侧，整体采用绝热钢板结构，外部采用保温材料( 如石棉等) 进行绝热处理，内部铺设耐磨耐火浇注料以防止灰渣磨损钢板。结构如图1 1 。每台冷渣器分3 个室，第l 风室( 也被称为“预混室”或“预分离室”) 未布置受热面，采用气力选择性冷却，在气力冷 却灰渣过程中可把较细的底渣( 含未燃尽碳颗粒和未反应石灰石颗粒等) 通过回风管重新送回燃烧 室，不但降低了底渣含碳量，还回收了合格粒径的床料；第2 、3 风室内布置有水冷受热面，能使 底渣得到有效冷却，受热面管束上焊有防磨鳍片。每个风室均有独立的布风板和风箱。布风板为 钢板式结构，上面安装有大直径钟罩式风帽，第3 风室布置1 个粗渣排放管粗渣通过这2 个排渣 口排出，在第3 风室还有溢流渣管，细渣通过其排出冷渣器。3 个风室的配风来自冷渣器流化风 机，3 个风室配风比例为3 ：3 ：4 ，第2 、3 风室的流化风由冷渣器流化风机直供，第l 风室的流化 风先经风冷隔墙预热后进入第1 风室。冷渣器水冷受热面的冷却水来自除盐水( 或凝结水) ，温度 是有要求的：一般进水温度大约为5 0 、出水温度大约为8 0 c 。运行期间可根据排渣量或实际情 况调节，一般有2 种调节方式：一种是根据进水口和出水口的温度增益来调节给水管道的阀门开 度，从而达到经济有效地使用冷却水；另一种是根据水的流速来调节给水阀，有效地利用冷却水。 图1 1 风水联合冷渣器结构 风水联合式冷渣器优点主要包括：煤质适应性强，冷渣器的设计留有较大裕量；低速流化， 使冷渣器始终保持在鼓泡床状态运行，可在保证换热前提下大大减弱材料的磨损，延长了冷渣器 3 东南大学硕士学位论文 使用寿命；独立的流化风机和钟罩式风帽，冷渣器配有专用的罗茨风机，可保证冷渣器流化风具 有稳定的压力和流量：倾斜的床面及多点排渣，冷渣器各风室底部耐磨耐火材料敷设成倾斜状， 分别向排渣口倾斜3 4 0 ，可使冷渣器底部的粗渣自动流向粗渣排渣口【2 4 5 1 。 但从长期的运行中发现，该冷渣器还存在许多问题：灰渣复燃结焦；对进渣粒度要求较 严格( 一般小于2 0 m m 时排渣顺畅) ，处理大渣的能力不够，有时会出现堵渣；因细灰未能有效 的被分离而导致热风管道堵塞；床内埋管磨损；送风系统设计不足，造成调节困难。 1 2 1 2 滚筒式冷渣器 滚筒式冷渣器是目前国内使用较多的一类冷渣器。这类冷渣器的冷却主体是由内外两个滚筒 组成的双层密封套筒，中间的空隙通冷却水。有的还在内筒的内壁上焊接固定的螺旋叶片，供物 料导向前进。冷渣器由电动机驱动做旋转运动，热渣进入内筒由螺旋叶片推动前进，同时与外筒 逆流的冷却水接触降温。冷却风是由出料口进入由入料口排出，逆向与热渣直接接触。在风水联 合的滚筒冷渣器中，冷却风一般是辅助性的【2 6 1 。 镶筒冷渣器也是目前比较适合我国国情的，用于c f b 锅炉较多的冷渣设备，但主要用于中、 小型c f b 锅炉，出渣量小，出渣温度较高。其特点包括：安全可靠，设有低水压和超水温报警 装置；冷却能力强，灰渣的热回收率高达9 0 以上：冷却水温升大，进出水温差达6 0 c ； 调整负荷简单方便；设备密封性好，极大的改善了工作环境；低磨损，使用寿命长。 1 2 1 - 3 钢带冷渣器 钢带冷渣器的主要部件是超强钢带，它是由耐高温钢制成，并与其它部件密闭在壳体中。冷 却介质是冷却风，钢带兼具冷渣及输送功能。整套系统的启动与停运由p l c 控制，设置超温保护、 零转速保护及电气设备保护。钢带冷渣器的工作过程为：超强钢带由头部主动滚筒驱动，将热渣 从入渣口输送到出渣口，与此同时与逆向的冷却风充分接触来降低灰渣的温度。该类冷渣器一般 分两级，每级可以由一条或多条钢带组成；每条钢带的出口处都设有紧急喷淋装置，防止底渣中 可燃物含量超出设计值【2 4 1 。钢带冷渣器主要靠国外引进，价格较高，目前国内很少使用这种冷渣 器，据调查使用效果较好，确保了机组的稳定运行。但风冷换热效果差，降低了锅炉热效率。 1 2 1 4 水冷螺旋式冷渣器 螺旋式冷渣器即水冷绞龙【2 l2 7 , 2 引，结构主要有单螺旋轴或多螺旋轴，冷却方式为外壳、叶片、 和轴水冷，能够在输送过程中实现高温灰渣的间接冷却。采用水冷螺旋式冷渣器除渣系统的主要 优点是系统结构及控制简单，通过控制调速电机的转速来调节锅炉的排渣量：缺点主要是冷却能 力小，对煤种的适应性差，设备抗熟冲击能力差及磨损严重。有的电厂将水冷螺旋式冷渣器和纯 风冷冷渣器串联使用，取得了较好的效果，既解决了设备的热冲击问题，又提高了系统的除渣能 力：但其系统结构及控制都比较复杂。 1 2 2 加压下冷渣器的研究现状 目前国内外都采用锁斗充压、卸压的方式来克服炉内与环境之间的压力位差。国外曾在8 0 年代初提出并试验了许多越过高压力位差直接输送粒状固体的方法，但至今仍未成功。压力下的 排渣系统主要是应用在p f b c 高温炉渣的排放方面。 4 第一章绪论 英国l e a t h e r h e a dp f b c 的排渣冷渣系统，高温炉渣连续的由布风板底部的排渣管引出，依靠 一气控排渣机构来控制排渣速率；热渣用气力输送方式，经过带水夹套的冷却管冷却后送入床料 收集斗，再排入下面的变压锁斗卸压；上述方案的显著优点在于排渣锁斗在空间布置上拥有了很 大的自由【2 9 1 。英国g r i m e t h o r p ep f b c 的排渣系统，该装置是由英、美、德三国联合设计，在流化 床的底部设有一倾斜管，上面安装了隔离阀，高炉渣经此流入y 型容器；热渣在其中呈流态化向 上输送至转向罐，然后借助重力流入一盛水的灰渣淬水罐淬熄；该装置的特点主要是排渣速率依 靠调节燃烧室和淬熄罐之间的差压来控制，高温隔离阀有规律地间断关闭，以使淬熄罐卸压后排 出灰浆。美国c u r i t i s s w r i g h t ，p f b c 高温炉渣自床层底部流入到一个带水夹套的流化床冷渣器中， 冷却后的炉渣被送入与冷渣器上部相联接的出渣管，下行的出渣管上装有隔离阀，其下为一变压 锁斗，炉渣周期性的从变压斗排出。与g r i m e t h o r p e 不同，c u r t i s s w r i s tp f b c 装置上用变压锁 斗取代了淬熄罐，从而使排渣能够连续进行。德国b a b c o c kp f b c 的排渣系统咧，高温炉渣从流 化床床层底部向下移动时，得到一小部分流化风和水冷壁的有效冷却，到出渣口处，渣温已冷至 3 d d 左右；压力壳外有一个在加压环境下工作的叶轮加料器，用以控制排渣速率；冷渣排入镇斗 系统，最后气力输送至灰仓；这种排渣冷渣方式突破了以往的思路，使冷渣过程在炉内完成，从 而提高了空间利用率，并省去了昂贵的高温隔离阀【3 0 1 。 表1 _ 2 1 3 0 世界各主要p f b c 装置的排渣冷渣系统 我国“八五，攻关的p f b c c c 中试装置1 3 1 1 ，其高温炉渣连续排放，冷却系统采用非机械方式 控制排渣速率；高温炉渣在压力下以浅床流化方式进行冷却；冷渣热风回送至炉内沸腾段作二次 5 东南大学硕士学位论文 风；而经过冷却后的炉渣则由变压罐卸压后排入常压环境；东南大学热能工程研究所建立了高温 炉渣连续排放及冷却系统的冷态试验台，并进行了冷态实验 3 2 , 3 3 , 3 4 1 ，灰渣冷却器的设计采用了内 循环浅床的形式【3 5 l ，采用非均匀布风形式，如图1 2 所示，由圆弧形周边向中心倾斜的多孔布风 板，其开孔率从直边的中心区域沿径向作线性递减。这种结构使浅床中溢流堰板附近出现了喷动 区。在喷动区域内，气体流速高，气固混合物密度小，因此形成物料由周边向喷动区移动，实现 了床料的内循环，加强了横向混合，改善了冷却效果。此外，喷动区域的高速气流使颗粒能够获 得足够的动能向上翻腾，甚至被抛离床面；经过一次或多次这种形式的喷动，绝大部分颗粒被抛 出溢流堰，由此避免了浅床长时间运行中可能出现的死床( 不流化) 现象。 图1 2 浅床流化床冷渣器 1 3 内循环流化床的应用研究 由于内循环流化床有很强的换热特性和剧烈的颗粒混合能力，并且能够满足压力和密封要求， 输运床气化炉的冷渣系统主体拟采用内循环流化床的形式，本节将简要介绍内循环流化床的应用 研究。 1 3 1 内循环流化床的应用 内循环流化床目前主要应用于垃圾焚烧，由于原生垃圾是非均质的，并具有多变性，其组分、 性状和热值等有很大的变化。为了使其能直接入炉焚烧且有较好的燃烧速度、燃尽率及较低的污 染物排放效果，非均匀布风内循环流化床燃烧技术随之发展起来。其中以荏原公司开发的内循环 流化床垃圾焚烧技术最为典型p q 。 图1 3 为荏原公司内循环流化床的结构简图。该系统包括炉体、旋风分离器、空气预热器和 除尘器等，共有3 个床料的循环( 主燃烧区内的颗粒循环，换热区的颗粒循环，回燃系统中的未燃 尽炭的循环) 。床内采用倾斜隔板将主燃烧区和换热区隔开，用河砂作为床料，不仅在主燃烧区形 成床料的内循环流动，而且在主燃烧区和换热区之间也有床料的交换。颗粒的循环流动是由非均 匀布风引起的。在主燃烧区包含高速风和低速风，在换热区有换热调节风，这样在主燃烧区形成 流动床( 高风速区) 和移动床( 低风速区) ，在换热区形成移动床。主燃烧区的流速主要控制挥发份的 析出及燃烧速度。换热区内的流速主要控制埋管的传熟速率。换热区内颗粒的下降和循环速度可 6 i上抹 0 、 浅 血们 第一章绪论 以由送入的调节风进行控制，当调节风由0 到u i n f ( 临界流化速度) 增加时，换热区床料的下降速 度几乎呈线性增加，然而当调节风速大于u m f 时，换热区床料的下降速度几乎保持不变。 图l - 3 荏原公司内循环流化床的结构简图 国内许多研究机构，如中科院力学所、中科院工程热物理所等1 3 7 却】，也相继开展了非均匀布 风内循环流化床的研究，开发出各具特色的内循环流化床焚烧炉。鼓泡流化床横向扩散能力较差， 床内颗粒运动无规律，不能形成颗粒的定向运动，针对这一特点，此类流化床垃圾焚烧装置采用 非均匀布风，由低速移动床与高速流化床构成复合结构，除具有鼓泡床的技术特点外，还具有其 他优点： ( 1 ) 通过加热区、主燃烧区与换热区分别布风，利用各区间较大的流化倍率差造成固相颗粒 的内循环，改善燃料横向扩散、离析等特性，减少气泡与沟流对燃烧的影响，使燃料在床内迅速 着火燃烧； ( 2 ) 通过改变加热段流化速度控制燃料的加热速度及挥发份析出与燃烧速率，当燃料成分与 尺寸形状突然变化时，能够维持稳定燃烧； ( 3 ) 在换热区中布置有独立布风的埋管受热面，改变该区的流化倍率能有效的改变换热量， 因此能够控制床温，使负荷调节方便； ( 4 ) 床层下部会形成低风速区至高风速区的颗粒定向运动，因此对大块底渣起到输运作用， 从而及时将底渣排出床外。 内循环垃圾焚烧装置充分利用床料的定向循环流动，增强了物料的横向混合，延长了垃圾燃 料在床内的停留时间；这样便于合理组织炉内燃烧过程、顺畅排出灰渣和大块不可燃物，提高了 运行稳定性、燃烧速度及燃尽率，在城市固体废弃物焚烧领域具有独特的优势1 4 0 , 4 3 1 。 1 3 2 内循环流化床的研究现状 对内循环流化床的研究主要集中在能源与化工领域。目前主要有三种型式的内循环流化床， 可归纳为带垂直隔板的内循环流化床、提升管内循环流化床、非均匀布风内循环流化床。 7 东南大学硕士学位论文 1 3 。2 1 带垂直隔板的内循环流化床 带垂直隔板的内循环流化床在化学工程中得到了应用。该床利用垂直隔板将反应器分开，一 半为流化床，一半为移动床，很容易控制颗粒的循环速率，从而调节燃烧装置的负荷。c h o i 等畔l 对内循环床中的颗粒循环速率和气泡特性进行了比较详细的研究，研究表明颗粒循环速率随着气 流速度的增大而增加，可以用下式计算： 2 岛( 1 一。) 厶0 - i ) 式中，p 。为颗粒密度，m 为床层空隙率，v m 为颗粒向下移动的速率，a 。为移动床的横截面 积。 试验结果发现，气泡长度、容积份额和气泡上升速度随鼓泡区床层厚度和操作气速的增加而 增加，但气泡长度、容积份额和局部气泡频率随移动床区气速的增加而减少。在流化床的边缘， 气泡尺寸较小，在r r = 0 5 0 8 处，气泡尺寸达到最大值。随着床层厚度的增加，最大气泡向床 中间移动。当平均气泡直径大于0 0 7 m 时，气泡上升速度减小，这时床内的流型在鼓泡床和节涌 床之间。 1 3 ，2 ，2 提升管内循环流化床 顾名总义，提升管内循环流化床( d r a f tt u b ei c f b ) 在床内布置提升管。提升管直接固定在气体 喷嘴上，在管的底部周围布置有小孔，固体颗粒由这些小孔进入提升管，并由喷动气体携带向上 运动。顶部的“r 型管简单而有效地使颗粒分离落入床内。在环形区和提升管小孔间维持一定的正 压，这样可以使颗粒顺利进入提升管，并防止管中的喷动气体旁路至环形区。提升管周围布置有 辅助气体，可以促进颗粒的移动。提升管内循环流化床与通常的循环流化床( c f b ) 可以比拟，提 升管相当于c f b 中的颗粒上升段，环形区颗粒流相当于c f b 中的下降立管，提升管顶部的“r 型管相当于c f b 中的分离器，气体分布的配合和提升管的小孔操作起来类似于c f b 中的l 阀、 v 阀等回料装置。提升管内循环流化床的结构见图1 - 4 。 提升鹜 穗琏援 图1 4 提升管内循环流化床结构简图 目前关于提升管内循环流化床的研究很多，其中有一些模型和试验是研究床内颗粒的循环流 动。研究表明，气流速度、颗粒尺寸、提升管的直径及高度等对颗粒的内循环流动有重要的影响 【4 5 闱。 8 第一章绪论 1 3 2 3 非均匀布风内循环流化床 非均匀布风内循环流化床是一种新型的内循环流化床【3 9 】，采用多风室分别送风，从而实现床 内颗粒的大尺度循环流动。按照布风方式分为人字型、v 型和水平布风板三种型式，如图1 5 所 示。 1 ) 人字型铅堍授伪 v 型强j 焉版啦) 水，卜稚脆援 图1 5 三种不同布风方式的内循环流化床 人字型布风板内循环流化床用的较多，两侧为高风速区，中间为低风速区。排渣口布置在两 侧布风板低端。床层上部的两侧设有偏转板。v 型布风板内循环流化床与人字型布风板内循环流 化床正好相反，中间为高风速区，两侧为低风速区，排渣口布置在中间，同样在高风速区上侧布 置偏转板。水平布风板内循环流化床也是通过非均匀布风实现颗粒的内循环运动，这种形式的内 循环流化床研究的较早，其排渣口布置在床层上部，因此只能排出溢流渣，而不能排出大块的底 渣。 以上三种型式的内循环流化床都可以实现床料颗粒的循环流动，从而增强床料的混合。因其 内部结构简单，目前用于城市固体废弃物焚烧处理的大多为非均匀布风内循环流化床。流化床内 气固运动复杂多变，一直是流态化研究领域的重点。非均匀布风条件下，床内颗粒流动特征又具 有与以往不同的特征和规律【3 习。 ， m e r r y 和d a v i d s o n 4 7 1 研究了采用非均匀布风时，床内固体颗粒的循环运动。在床的两侧布置 高风速区，大量气泡携带着颗粒向上运动；在床中央布置低风速区，颗粒向下移动，整个床内形 成两个规则的旋涡。试验结果表明流化床的最佳深宽比为0 4 l ，床内颗粒运动的模型预测与试验 结果相似，这表明颗粒内循环运动可以改善流化床的横向扩散特性。 采用非均匀布风时，流化床内的颗粒循环运动非常复杂。为了详细研究颗粒运动轨迹的交化， g a m c a r e k 等阳j 采用正电子放射颗粒探测技术去探测示踪颗粒在床内位置的变化，测量结果表明 床内存在颗粒循环运动。目前，对带倾斜布风板的非均匀布风内循环流化床的研究大多以试验为 基础【4 9 1 。 1 4 本文的主要研究内容 结合国内外已有研究成果，在东南大学承担的8 6 3 项目子课题“加压煤粉密相输运床气化炉冷 9 l 东南大学硕士学位论文 渣系统”( 2 0 0 6 a a 0 5 a 1 0 3 ) 资助下，本文对冷渣系统进行了研究设计，冷渣系统主体采用非均匀 布风内循环流化床的形式，在常压下进行了冷态试验研究，掌握内循环流化床内颗粒的混合规律 及工作参数。具体研究内容如下： ( 1 ) 设计、搭建常压非均匀布风内循环床冷渣器冷态试验台； ( 2 ) 采用热示踪法研究床内颗粒的混合特征，跟踪床料的运动轨迹，探讨操作参数等因素对 床内颗粒三维扩散及混合的影响规律； ( 3 ) 利用筛分法对示踪颗粒的床内停留时间分布进行研究，考察相关因素对停留时间分布的 影响。 1 5 本章小结 本章首先阐述了国内能源和环境污染的紧张形势，分析了粉煤加压密相输运床气化技术的必 要性和先进性。加压条件下高温固体气化炉渣的顺畅排放是粉煤加压密相输运气化过程的重要环 节和关键技术，概括了国内外冷渣器的发展现状和各自特点，重点介绍了本文拟采用的内循环流 化床的工业应用和研究现状。最后，提出了本文的主要研究内容。 参考文献 【l 】 【2 】 【3 】 【4 】 史丹我国能源经济运行的总体特征川中国工商学报，2 0 0 7 , 8 王桢中国能源消费的总量与结构分析【j 】社会观察，2 0 0 5 ，2 ：1 0 3 - 1 0 5 江泽民对中国能源问题的思考田上海交通大学学报，2 0 0 8 ，4 2 ( 3 ) ：3 4 5 3 5 9 李永旺，吴新，赵长遂鲁端峰，韩松梯度磁场中燃煤p m i o 聚并实验阴东南大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 7 , 3 7 ( 1 ) ：8 4 - 8 8 陈传敏，赵长遂，梁财，庞克亮高c 0 2 浓度下石灰石硫化特性实验研究阴燃烧科学与技术，2 0 0 6 , 1 2 ( 5 ) ： 4 5 3 - 4 5 6 a - s a g h a f i , m f a i z , d r o b e r t s c 0 2s t o r a g ea n dg a sd i f f u s i v i t yp r o p e r t i e so fc o a l sf r o ms y d n e yb a s i n , a u s t r i a j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f c o a lg e o l o g y , 2 0 0 7 , 7 0 ( 1 3 ) ：2 4 0 - 2 5 4 k h a n hq n g u y e n i m p a c t so fw i n dp o w e rg e n e r a t i o na n dc 0 2e m i s s i o nc o n s w a i n t so i lt h ef u t u r ec h o i c eo ff u e l s a n dt c c l m o l o g i e si nt h ep o w e rs e c t o ro f v i e t n a m y e n e r g yp o l i c y , 2 0 0 7 ，3 5 ( 4 ) ：2 3 0 5 2 3 1 2 e k r e mo z d e m i r , b a d i ei m o r s i ，k a r ls c h r o c d e r c 0 2a d s o r p t i o nc a p a c i t yo fa r g