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文章编号: 100026761 (2001) 0521396204一氧化碳在循环流化床锅炉中的燃烧分析王智微1 , 孙宝洪2(1. 国家电力公司热工研究院, 西安 710032; 2. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司, 哈尔滨 150040)摘要: 介绍了一氧化碳在循环流化床 (C FB ) 锅炉中燃烧的研究状况, 结合已有的试验研究结果和 C FB 锅炉运行状况, 对实际测量的一氧化碳浓度场分布进行了分析, 简述了一氧化碳的燃烧对 C FB 锅炉的一些影 响。通过分析一氧化碳燃烧对氧气浓度场的影响, 增加氧气的后期混合有利于提高 C FB 锅炉的燃烧效率。图4 参 9关键词: 循环流化床锅炉; 核2环结构; 一氧化碳; 燃烧效率中图分类号: T K 229. 6文献标识码: A的体积份额比 CO 的体积份额小一个量级。T u rn b u ll 和 D av id so n 3 研究煤在流化条件 下挥发份的燃烧时认为, 挥发份在密相区的燃烧 分为以下 3 个范围:( 1 ) 1170K , 气泡相和乳化相都有挥发份 燃烧。大量的试验研究认为: 在循环流化床燃烧条件下, CO 的燃烧反应速率比纯气相条件下的燃 烧反应速率小得多。( 1) 燃料热解生成的主要气体成分为 CO 、CH 4、CO 2、H 2;(2) CO 是 CH 4 燃烧生成的中间产物;(3) 碳燃烧生成 CO的生成比率为 1. 0。和 CO 2 , 且 CO和 CO 2CFBC 内一氧化碳燃烧分析在掺水或氢气时, CO 的燃烧反应类似于氢 气的分支链式反应, 但更为复杂。在 C FBC 内由于 水蒸汽和氢气的作用, CO 的燃烧反应属于分支 链式反应。CO 在 C FBC 内的燃烧模型可简化为: 在固 体颗粒周围的一定范围内, CO 的燃烧反应难以 进行, CO 的燃烧速率可用如下公式简化4 :1因此, 在 C FBC 内燃料燃烧主要为碳和 CO的燃烧, CO 是 C FB 锅炉的主要燃烧成份之一, CO 的燃烧对 C FBC 内的热量释放分布起着重要 作用, 研究 CO 在 C FBC 内的燃烧以及对 C FB 锅炉的影响是十分重要的。H ayh u r st 等1 的实验研究表明, C FBC 温度 小于 1000C 时, 可燃气体在气泡相和稀相区燃 烧, 可燃气体的着火同流化床内气泡的直径大小 有关, CO 在 29mm 的气泡内着火。P h ilipp ek 等2 在燃烧污泥的循环流化床实验中测得碳氢化合物Ep+ + r X R CO = k 0 exp (-) ()R T R TCO X O 2X H 2O K ev(1)收稿日期: 2000208210作 者简介: 王智微 ( 1970 - ) , 男, 1999 年获清华大学硕士学 位, 现在国家电力公司热工研究院, 主要从事循环流化床锅 炉的设计和研究方面工作。从上式可看出, CO 在 C FBC 内的燃烧速率除了与燃烧温度、压力、气体浓度有关外, 还需要 乘上一个修正系数 有效空间反应系数 K ev。第 5 期动 力工 程1397有效空间反应系数 K ev 同 CO 周围的空隙率 有关:烧的实验中发现, 随着生物质掺加的比例增大, 排烟中的 CO 浓度减小。L eck n e r 和 K a r lsso n 6在 2K ev = 1 - K 3 (1 -台循环流化床的实验研究中也发现此现象。 他们认为: 这是由于生物质的含碳量小, 在旋风分离器 内 CO 的燃烧反应为主要因素, 而对燃烧循环流 化床碳在旋风分离器内的燃烧反应为主要因素。 由于 CO 和碳在旋风分离器内的燃烧, 必然造成 旋风分离器内的烟气温升。L eck n e r 和 K a r lsso n 在实验中还发现: 当锯末和煤的掺烧比 ( 按热量) 达到 27% 时, 旋风分离器内的烟气温升最高可达 到 50。在 C FB 锅炉的实际设计中应充分考虑 CO)(2)cd其中, K cd 为当量直径比, K cd = 1. 5- 1. 7。 由公式 2 可看出: 当空隙率 较小时, 有效空间反应 系数小于零, CO 的燃烧反应不能进行。图 1 是试验测定的沿着炉膛高度方向上 CO体积份额分布5, 在密相区 CO 浓度急剧增大, 在稀相区 CO 逐渐减小; 图 2 是实际测量 C FB 锅炉在炉膛截面上的 CO 体积份额分布。 尽管壁面附 近的氧气浓度较高, 实际测量的 CO 浓度场表现 为中间低两边高。这是因为: 在 C FBC 的密相区, 由于物料浓度较高, CO 的燃烧反应在乳化相和颗粒相很难进行, 而主要在气泡相进行; 在稀相区, 物料流动状态表现为核2环结构, 中心的物料 浓度低, 壁面的物料浓度高, CO 的燃烧反应主要 在 C FBC 的中心区域进行, 而在炉膛的壁面附近 难以进行。因此, CO 在 C FBC 内的燃烧反应是较的燃烧对旋风分离器的影响, 避免大量 CO风分离器内燃烧造成烟气温度的过度升高。2. 2对燃烧效率的影响在旋对常规的粉煤炉设计, 通常不考虑化学未完全燃烧损失。在 C FBC 内的 CO 燃烧温度偏低, 进 入分离器内的 CO 浓度较高, 特别是对贫煤和无 烟煤, 大量碳在旋风分离器内燃烧生成 CO , 忽略 化学未完全燃烧损失是不合适的。 就现有的工程 经验还不足以给出不同容量、不同燃烧 C FB 锅炉 的化学未完全燃烧损失。 实际测量的尾部烟气中CO 浓度约为 20 200m g k g , 设计可简化认为排 烟中 CO 浓度约为 200m gk g 左右, 化学未完全 燃烧损失约为 0. 02% 0. 1% 左右。已有试验证明: 过量空气系数的减小和 C F 2BC 温度的降低会造成排烟中 CO 排放浓度增加。 在低负荷条件下, 由于 C FBC 上部温度的降低, 排烟中 CO 排放浓度比满负荷大9 、化学未完全燃 烧损失增加。2. 3 对炉内氧气浓度场的影响图 3 是实际测量的 C FB 锅炉沿炉膛高度方 向上不同截面的氧气体积份额分布和温度场。 从图中可看出, 随着炉膛高度的增加, 炉膛中心的氧 气体积份额在很快衰减, 而壁面附近的氧气体积份额变化较小。这说明有大量的氧气在 C FBC 中 心区域被消耗, 而壁面附近的氧气消耗很少, 热量主要在C FBC 中心释放。又由于水冷壁的吸热, 截 面方向上温度场表现出中间高四周低的状态, 中心区域的温度与边壁区域的温度相差约 50。 形成这种截面上氧气浓度场分布的原因为:(1) 壁面附近的温度较低, 碳和 CO 的燃烧 速率降低;(2) CO 在稀相区的壁面区域和密相区难以为均匀地进行的, CO均匀地释放。燃烧产生的热量也是较为图 1 不同燃料一氧化碳体积份额分布图 2 炉内一氧化碳体积份额分布一氧化碳对 CFB 锅炉的影响旋风分离器内 CO 的燃烧高挥发份燃料在 C FBC 内燃烧时, 在炉膛出22. 1口处的CO 体积份额都比较高。L eck n e r 和 K a r ls2so n 6 在 165 th C FB 锅炉中测得: 燃烧木块时, 进入旋风分离器的 CO体积份额约为 0. 5% ; 燃烧锯末时, CO 体积份额可高达 1% 2% 。Gu lyu r t lu 7 和V an D oo rn 8在生物质与煤混1398动力工 程第 21 卷构, 造成O 2、CO 和温度场在截面方向上也表现出类似的核2环结构形式。因此, 在 C FB 锅炉的模型 设计中, 将稀相区O 2、CO 和温度场的分布采用核2环结构进行计算和分析是较为符合实际的 C FB 锅炉运行状况。图 4 是模型计算 C FB 锅炉燃烧不 同燃料时沿高度方向上的 CO 体积份额分布。图 4 不同燃料一氧化碳体积份额分布图 3 炉内氧气体积份额分布和温度场(h 炉膛相对高度)结论本文就 CO 在 C FB 锅炉中燃烧的研究状况 作了简单的介绍, 就 CO 燃烧时循环流化床锅炉 的影响作了简单的分析。有关烟气中CO 的排放量、CO 对N O 和N 2O 的影响还需要更多的试验研究和工程实践。 针对 C FB 锅炉的燃烧特点, 加强氧气的后期混合有利 于碳和 CO 的燃尽。C FB 锅炉建模可将稀相区 O 2、CO 和温度场的截面分布采用核2环结构简化 处理。3有效燃烧, 在稀相区中心 CO烧。能够较为充分的燃从图 1 可看出: 在稀相区中、下部 CO 体积份额大量减小, 大量 CO 在此区域燃烧。由于 CO 的 燃烧反应速率较碳更快, 在稀相区中、下部, 大量的氧气同 CO反应, 而在稀相区上部的中心有较大的负氧或缺氧区域出现, 这就造成大量细碳颗粒在 C FBC 的中心区域不能同氧气充分接触进行 有效燃烧。由于负氧或缺氧区域的存在, CO 的燃 烧反应也不能充分进行, 因而稀相区上部的 CO 浓度基本不变, 进入旋风分离器的 CO 浓度较高。 已有的 C FB 锅炉实际运行也证明: 通过二次 风系统的改造和调整可以使飞灰燃物含量有效的 降低。 因此, 要提高碳的燃烧效率, 减小飞灰可燃物含量, 提高氧气的后期混合是十分必要的。2. 4对氮氧化物排放的影响在 催化条件下 ( 催化剂为焦碳和床料) , CO和氮氧化物存在如下反应2 :参考文献:1H ayh u r st A N , T uck e r R F. T h e com bu st io n o f ca rbo nm o no x ide in a tw o 2zo ne f lu id ized bed J . Com bu st io n andF lam e, 1989 ( 79) : 175 189.P h ilipp ek C , Kno b ig T , Scho nfe lde r H , e t a l. N O X fo rm a2 t io n reduc t io n du r ing com bu st io n o f w e t sw eage sludge in th e C FB 2m ea su rem en t s and sim u lt io n J . F lu id ized bed com bu s2t io n, V o lum e2, A SM E 1997: 983 996.T u rnbu ll E , D av id so n J F. F lu id ized com bu st io n o f ch a r and vo la t ile f rom co a l J . A IC h E Jo u rna l, 1984, 30 ( 6 ) : 881889.王智微, 李定凯, 沈幼庭, 等. 一氧化碳在循环流化床燃烧室 中的燃烧模型 J . 清华大学学报 ( 自然科学版) , 2000, 40 ( 2) : 110 113.Knb ig T , W e r th e r J , A m and L E , e t a l. Com p a r iso n o f la rge and sm a ll2sca le c ircu la t ing f lu id ized bed com bu sto r s w ith re sp ec t to.L eck ne r B , Ka r lsso n M . Ga seo u s em issio n s f rom c ircu la t io n f lu id ized bed com bu st io n o f w oo d J . B iom a ss and B io ene r2gy, 1993, 4 ( 5) : 379 389.Gu lyu r t lu L , Bo rda lo C , P enh a E , e t a l. Co 2com bu st io n o f23N O + CO 1 N 2 + CO 2N 2O + CO N 2 +2CO 24L yn gfe lt 和L eck n e r9 试验研究发现, 随着过量空气系数和 C FBC 温度的增加, CO 浓度降低, N O 浓度增大。K nb ig 等5 认为: N O 主要在燃烧室下部生成, 由于 CO 和碳的作用, N O 的浓度随5着炉膛高度的增加会逐渐降低。P h ilipp ek 等2为, CO 对N 2O 的减少起着显著的作用。认6对 CFB 的建模影响以上分析可看出: 由于稀相区物料的核2环结2. 57第 5 期动 力工程1399199221994, V o lum e : B 12.L yngfe lt A , L eck ne r B. Com bu st io n o f w oo d2ch ip s in c ircu2 la t ing f lu id ized bed bo ile r sN O and Co em issio n s a s func2 t io n s o f tem p e ra tu re and a ir2stag ing J . F ue l, 1999, ( 78 ) :1065 1072.co a ls w ith va r io u s typ e s o f b iom a ss in a c ircu la t ing f lu id ized bed com bu sto r J . C lean co a l tech no lo gy p ro g ram , 19921994, V o lum e : B 10.V an D oo rn J , B ruyn P , Ko s B , e t a l. 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T h e b len d in g b e2 tw een o x ygen an d ga s in th e upp e r zo n e o f th e d ilu te p h a se is im po r tan t fo r th e ca rbo n com b u st io n ef2 f ic ien cy.Key word s: c ircu la t in g f lu id ized b ed bo ile r; co re2an n u la r st ru c tu re; ca rbo n m o no x ide; com b u st io n ef2f ic ien cy(上接第 1425 页)值模拟D . 西安交通大学博士学位论文, 1999.车德福, 惠世恩, 徐通模, 等. 四角切圆燃烧锅炉烟道内气体参考文献:3速 度分布的模化试验研究 J .28.动力工程, 1994, 14 ( 5) : 221 姜义道, 李永兴, 刘明仁. 四角切向燃烧大容量电站锅炉烟气参数场偏置问题的研究J . 动力工程, 1994, 14 ( 5) : 16 21.2 周月桂. 大容量四角切向燃烧锅炉烟气偏差的试验研究与数岑可法. 锅炉燃烧试验研究方法及测量技术M . 水利电力出版社, 1987.4Re sea rch on The Form in g M echan ism of The F lue- Ga s Tem pera tureD ev ia t ion in The Hor izon ta l Pa ss f or Tan gen t ia lly F ired Bo ilerZ H OU Y u e2g u i1 ,X U T on g 2m o2 ,H U I S h i2en 2(1. Sh an gh a i J iao to n g U n iv. , Sh an gh a i 200240, C h in a;2. X ian J iao to n g U n iv. , X ian 710049, C h in a)A bstra c t: A co ld 2sta te m o de lin g te st is ca r r ied o u t o n th e m o de l o f H G2200818. 22YM 2 typ e tan gen2t ia lly f

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