循环流化床锅炉的设计与实验方法

循环流化床锅炉的设计与实验方法

1循环流处理器的设计理论1.1煤的原料流态化t和纺织品级转化sqp的特性转换流态化是固体颗粒与流的接触的一种形式。固体物料在一定气速条件下流化,通过观察床层的空隙率情况可以发现:当气速低于Uc时,固体循环量对床层空隙率无明显影响;气速一旦超过Uc,床层空隙率主要取决于固体循环量。因此,对任一颗粒物料,当U=Uc时,床层达到饱和携带能力,物料便被大量吹出,此时必须补充等同于携带能力的物料量才能使床层进入快速流态化状态。故Uc为该物料进入快速流态化时的操作气速,即初始快速流态化速度。在初始快速流态化Uc时的最小加料率定义为最小循环量Rmin。初始快速流态化速度Uc主要与物料特性有关,按照实验统计Uc=(3.5∼4.0)Ut(1)Uc=(3.5∼4.0)Ut(1)最小循环量可由以下经验式给出Rmin=U2.25cρ1.627f0.164[gdp(ρp−ρf)]0.627(2)Rmin=Uc2.25ρf1.6270.164[gdp(ρp-ρf)]0.627(2)超过最小循环量后,在相同气速下,对应不同的循环量可以有不同的快速床状态。也可以用不同的床存量对应的不同物料沿床高浓度分布表示不同的快速床状态(图1)。输送点速度Ut是快速流态化操作的极限速度,此时床层空隙率纵向分布曲线的拐点恰好位于布风板处,上部呈稀相气力输送状态。而燃煤循环流化床中,始终有部分粗颗粒存在,因此床内是由鼓泡床与快速床叠和而成。上述所论述的状态转换是针对床上部的细颗粒而言。循环流化床是能形成流态化的一种装置,它由带有布风板的提升管、分离器和分离物料回送装置构成的。提升管内的流化状态则因固体物料的性质及流化风速的不同而不同。它的流化状态可以是鼓泡床、湍动床、快速床以致气力输送态。人们公认:循环流化床锅炉需要一个大的循环物料流,以维持燃烧室内沿高度方向物料空间浓度从下向上逐渐变化,而不能象鼓泡流化床锅炉那样密相区以上物料空间浓度迅速减少。仅当沿床高度方向物料浓度逐渐减小并维持一定数值时,才有可能产生高度方向上的较强回混,从而把燃料释放出的热量纵向传递并横向传给受热面。研究证明:随着循环量的增加,燃烧室内物料的平均粒度明显降低,从而使密相区气体的分配中气泡相的比例增大,气相与乳化相传质减弱,相应抑制了密相区的热量释放份额。再加上高度方向上物料回混的加强,才能使循环流化床锅炉在密相段不设置受热面的条件下亦能达到热量平衡。清华大学的热态试验表明,在通常循环流化床5m/s的热态气速下,循环流化床锅炉燃烧室内单位标态烟气携带的固体颗粒量若小于0.7kg/Nm3,则锅炉整体显示出鼓泡床的燃烧特点;若超过1kg/Nm3,稀相段平均空隙率已达到0.98,呈现出与鼓泡床的不同的燃烧特点。1.2定态设计技术因此,循环流化床燃烧室内是由多重粒子构成的下部鼓泡床、上部快速床的复合流态。而快速床的物料循环量可以在一定范围内变化。因此,以物料循环量或物料浓度空间分布状态受到烟速、煤种、煤粒度、分离器效率等不确定因素的影响。但无论如何变化,设计的基本条件是一个假定的确定的状态,即在满负荷条件下的燃烧室物料浓度分布是确定量,相应传热系数沿床高的分布也是确定的。这就是所谓的定态设计原则。能采取定态设计的基本理论根据在于,循环流化床内有一个人为可调量-即床存量,可以在循环量或物料浓度发生漂移时通过调整床存量而把流化状态调整回到设计态。定态设计是循环流化床锅炉燃料适应性的基础。决定流态的关键参数是燃烧室截面烟气速度和燃烧室上部单位截面的物料携带率,它取决于系统物料平衡能力和床存量。床存量是可调参数,它由操作者控制,在确定烟速下,由于其它扰动影响了物料浓度分布偏离设计值时,可以恢复到设计状态。烟速是设计值,选择烟速最低不能小于该平均粒度物料进入快速流态化时的操作气速,即初始快速流态化速度Uc。设计者为追求较大的燃烧室截面热负荷,当然愿意提高操作速度,但是该值受到燃烧室受热面磨损程度的限制。早期研发循环流化床时,曾经选择9m/s的流化速度,但是由于磨损,不能在燃烧室有任何暴露的金属面受热面。在研究后期,各个公司以燃烧室沿气体流向的垂直受热面不磨损为界限,把烟速逐步统一到4～6m/s的范围,也有个别特例,如CPC、circufluid。图2给出了国内外不同锅炉产品的定态设计图谱。在定态设计图谱中,点划线代表床料粒度为200μm时,不同流化风速下的最小循环量,低于最小循环量,锅炉无法达到快速床状态。上面两条曲线分别代表配备一级分离装置和二级分离装置的循环流化床在特定风速下所能达到的最大循环量。与循环量平行的两条曲线分别代表燃用硬煤和褐煤的磨耗极限,两条曲线是在投运锅炉上观察得到的。流态确定后应当对循环系统进行物料平衡的校验,按照平衡理论校验系统分离器效率,在给定煤种的成灰特性下是否可以使床质量达到要求。相应状态下的物料循环量(或用每标米烟气所携带的物料量表示)是否达到指定的状态。如果床质量或循环量达不到定态的要求,要么改进分离器,要么提供辅助惰性床料。同时,应该考虑脱硫石灰石在炉内的爆裂磨耗特性及反应活性对物料平衡的影响。1.3系统保存效率的计算认识燃煤循环流化床的流动形态,必须理解它与化工反应器有所不同。对化工反应器,其固体物料是相对稳定、筛分较窄的催化剂,分离器对该催化剂的分离效率很高。反应器对于固体物料而言是一个闭口体系,仅对气体是开口体系。而燃煤循环流化床中煤中的灰份及脱硫用的石灰石颗粒连续不断的进入系统。为维持系统床存量的稳定,需要连续的向系统外排物料。因此,燃煤循环流化床对气体和固体均是个开口体系(图3)。开口体系的平衡应当是对所有单独粒度的颗粒均应达到平衡,即:Gin(i)=Gout(i)+F(i)(3)Gin(i)=Gout(i)+F(i)(3)式中,Gin(i)为燃煤成灰和石灰石给入带进系统的粒度为di的物料流率;F(i)为从分离器出口逃逸的粒度为di的物料流率;Gout(i)为循环流化床排渣形成的粒度为di的物料排渣流率;X(i)为密相床内粒度为di的物料所占的比例;E(i)为粒度为di的物料的夹带率。而粒度为di的物料的夹带物料流应为E(i)·X(i)以夹带物料流为基分离器效率:ηs(i)=1−F(i)/E(i)⋅X(i)(4)ηs(i)=1-F(i)/E(i)⋅X(i)(4)则有:F(i)=E(i)⋅X(i)⋅(1−ηi)(5)F(i)=E(i)⋅X(i)⋅(1-ηi)(5)同样以夹带物料流为基础定义排渣效率为:ηo(i)=1−Gout(i)/E(i)⋅X(i)(6)ηo(i)=1-Gout(i)/E(i)⋅X(i)(6)系统对物料di的保存效率为:ηm(i)=1−[Gout(i)+F(i)]/[E(i)⋅X(i)]=ηoi+ηi−1(7)ηm(i)=1-[Gout(i)+F(i)]/[E(i)⋅X(i)]=ηoi+ηi-1(7)再考虑物料平衡式有:Gin(i)=Gout(i)+E(i)⋅X(i)⋅(1−ηi)(8)∑X(i)=1(9)Gin(i)=Gout(i)+E(i)⋅X(i)⋅(1-ηi)(8)∑X(i)=1(9)上述方程组对于将颗粒分成任何数目的粒度档均可解。其中E(i)可以引用文献中的经验式计算。总排渣率近似认为:Gout=Gout(i)/X(i)(10)Gout=Gout(i)/X(i)(10)无论进入循环流化床的物料粒度分布如何分散,系统均可对其进行“淘洗”,只有这种夹带率高,而分离效率亦很高的颗粒才可以在床内累积,使床料筛分形成一个很尖锐的峰。再看前文建议的系统对物料i的保存效率ηm(i)为图4所示,系统保存效率象一个山峰,左边细颗粒侧的形状主要由分离器效率决定,右边粗颗粒侧主要由排渣效率决定。床料分布的峰顶恰恰对应系统保存效率的峰顶。根据上述分析,循环流化床锅炉从启动到带负荷的运行过程也是床物料累积和粒度逐渐变细的过程。国外将床料平均粒度称为“床质量”,并以此考察循环流化床物料循环的好坏。循环流化床启动前填充的冷床料粒度分布一般较宽较粗。刚刚运行的循环流化床处于鼓泡床状态,密相床表面有少量细颗粒扬析夹带。随着燃料煤的进入,生成灰份对床料进行补充,循环系统对物料的淘洗,使得细物料所占比例逐渐增加,床料粒度下降,床质量提高。它反过来使颗粒夹带逐渐增加。当夹带超过快床的最小夹带,即最小固体循环量,则循环流化床进入快床状态。若循环量继续增加,则床层空隙率沿高度分布除逐渐增加外,床层下部还会出现细颗粒浓相区。根据清华大学所作的研究,对于目前主流循环床技术,满负荷运行的循环流化床床存量中,可夹带的细颗粒循环物料应当有5kPa压力即可以满足达到上部为具有颗粒团聚行为的快速床状态。床存量多余部分是为了保证大颗粒有足够停留时间完成燃尽而设置的。因此,可以建立宽筛分给煤条件下循环流化床锅炉的一维物料平衡模型,但是其基础是必须考虑燃煤成灰特性,磨耗特性,否则其计算结果必然因为对对象的过度简化而失真,法国EDF公司在对Provence250MW循环流化床锅炉的计算曾经遇到这一问题。若考虑物料磨耗的因素,同时重点研究影响物料平衡的几大因素,包括特定煤种的成灰特性和磨耗特性,颗粒停留时间、颗粒分层、分离器效率等,可以对循环流化床锅炉的主循环回路的物料进行平衡计算。到目前为止,此模型已经经过了国内外多家锅炉运行数据的检验,模型预测了循环流化床锅炉的灰平衡结果。图5为Provence250MW循环流化床锅炉的模型预测结果和现场测试结果的比较,并通过工业循环流化床锅炉灰平衡测试数据进行了验证。事实上,通过模型计算,还可以得到飞灰底渣比,并对原煤粒度的提出要求。如土耳其沥青岩,原煤粒度要求如图6所示,经计算飞灰份额大约为80%,循环流率为15kg/m2·s,此循环物料流率大于锅炉满负荷运行需要的下限值,说明土耳其沥青岩成灰特性可以满足CFB锅炉的物料平衡要求,进而满足燃烧及传热要求。建议适当增加2mm以上大颗粒的质量份额,最大粒径可以为15mm,这样可以大大简化破碎系统,节约运行成本。因此,循环流化床锅炉的设计条件如燃料和石灰石特性,已经超过了煤粉炉的通常范围。这些参数是循环流化床锅炉的设计基础,必须提供。目前,这些参数的测量上没有统一的方法,本文提出了一些建议。2活性测量方法有关煤种成灰特性及其实验方法、石灰石爆裂磨耗特性、反应活性测量方法、由清华大学与法国电力公司(EDF)合作完成。清华大学开发的标准试验设备已经在哈尔滨锅炉厂、山东电力研究院等单位得到应用。2.1煤种成灰实验研究给煤颗粒在进入CFB锅炉之后将经历一系列的尺寸变化。在煤粒进入炉膛时,煤粒被迅速加热,煤中的挥发份开始释放出来,热解气体将充斥颗粒孔隙并使内压增大,当孔隙压力增大到足以克服颗粒本身强度时,该颗粒将发生破裂。由于循环流化床中的燃烧温度较低,低于煤灰的灰熔点,所以煤粒中的富灰灰核在这一过程中并不改变形状。但是,颗粒之间以及颗粒和床壁之间的碰撞将会导致煤灰颗粒尖角边缘的脱落,这一现象称为磨耗。磨耗可以分成两个过程:即伴随破裂的前期磨耗和碳燃尽后的后期磨耗。得到特定煤种成灰特性的最可靠的方法是在工业锅炉中进行热态测试,采集成灰数据。不过,昂贵成本以及数据采集的困难严重限制了此方法的实际应用。对于循环床内煤的成灰过程,通常认为:煤颗粒的碎裂和磨耗是相互耦合的一个过程,在煤颗粒热解和燃烧全过程中始终存在着磨耗现象,而且两类过程相互会发生影响。在流化床燃烧条件下的实验研究表明:煤颗粒的碎裂过程对颗粒前期的磨耗并没有什么影响,磨耗和碎裂对最后成灰的粒径分布影响是相互独立的。正是基于这点,清华大学提出了静态燃烧和冷态振筛磨耗进行煤种成灰实验研究。实验台系统包括:燃烧实验台、振筛实验台。其主要实验流程为:煤样经过振筛实验台进行燃前筛分,得到相应粒径段的煤样颗粒;将煤样颗粒送入燃烧实验台控制在一定温度充分燃烧,得到相应的灰样颗粒;将灰样同时送入振筛实验台进行灰样的磨耗实验。以最终得到其粒径分布和颗粒磨耗的规律。从现场采集到的煤样应该通过振筛机进行筛选,分成7个不同的筛分段,以便分档在燃烧实验台进行燃烧。筛选时的振筛时间约10min。在煤样燃烧及灰样制备过程中,有两个参数需要确定:燃烧温度和燃烧时间。灰样在初始阶段质量份额变化较快,随时间的增加,质量份额变化减弱,达到稳定磨耗阶段,此时的质量分布为本征成灰分布。不同振幅对应下达到稳定磨耗的时间不同。煤灰颗粒经过初始的快速磨耗阶段这一过程以后得到粒度分布,称之为该煤种的本征成灰数据,它不受实际锅炉运行条件的影响,只和煤种有关。通过对煤种的振筛实验,可以方便得到实验煤种的本征成灰数据,图7为龙口褐煤的实验结果。振筛磨耗过程和流化磨耗过程具有相似的行为,但后者更接近工业流化床中的磨耗过程。影响磨耗过程的因素除了流化、振筛时间,还和环境提供的能量激励有关,系统的能量水平直接影响了颗粒的磨耗特性。振筛幅度,过余流化速度分别反映了振筛系统和流化系统对固体颗粒的能量激励。在研究颗粒磨耗的层面上,使用振筛方法完全可以模拟在流化床内进行颗粒磨耗实验。这两种激励对于颗粒的磨耗特性影响是一致的。振筛磨耗速率常数和流化磨耗速率常数具有相似的衰减规律,因此可以通过规范化处理振筛数据可以找出二者的联系。图8为经过能量关联计算后得到的煤样的磨耗速率。这对模型的分析预测提供了基础数据。2.2反应活性的测量在循环流化床锅炉内投入石灰石进行脱硫,可以有效降低烟气中的SO2浓度。石灰石在炉膛内将发生煅烧反应和固硫反应,同时伴随爆裂和磨耗等粒度变化过程。石灰石的爆裂和磨耗特性影响了石灰石脱硫效率,石灰石所经历的粒度变化及成分变化引起的密度变化将进一步影响到循环流化床锅炉的整体物料平衡,在某些条件下,如燃料会含量极低,石灰石是影响物料平衡的关键,因此研究石灰石在循环流化床锅炉内的爆裂和磨耗特性有重要意义。石灰石的爆裂、磨耗及反应活性可以在特定的流化床反应器中进行测量。为了对比不同石灰石自身物理化学性质对结果的影响,需要对实验条件进行规范化。石灰石脱除烟气中SO2的反应活性可以通过特定的实验方法来测量。根据这种方法,首先将样品在850℃温度下煅烧30min,然后在SO2浓度4000×10-6的合成烟气中进行SO2脱除反应,反应时间控制为60min。通过监测出口烟气SO2浓度变化来研究石灰石的反应活性。石灰石样品的准备,首先将样品放在105℃温度下恒温干燥10h,将其破碎成0.125～0.250mm的样品,用来进行反应活性的测量。石灰石中CaCO3和MgCO3含量可以通过测量化学分析方法测量;固硫反应后样品中成份(如C和S含量)可以采LECOSC-444S-C分析仪直接测量。将500g粒径为0.125～0.25mm的样品置于流化床石英反应器中,反应管采用炉下预热电加热方式加热,反应区内的温度采用热电偶进行测量。系统简图示于图9。在温度升高到850℃之前,流化介质为CO2气体。达到850℃之后,CO2气体切换成空气介质,样品在850℃(±7℃)温度下煅烧30min。煅烧反应完成后,将合成气体通入炉膛内,合成气体由以下气体构成。16.0%CO2;3.0%O2;4000×10-6SO2;其余为N2气体。样品在合成气体中反应60min,当固硫反应结束后,测量反应后样品中C和S含量。类似于煤的爆裂研究,采用1台批量给料的鼓泡流化床反应器。其主体为内径为60mm的石英玻璃,此反应器由石英玻璃管外围的硅碳管加热,分上下两端加热,下段为烟气预热段,控制进入反应器内的热风温度;上段为保温段,调节整个反应器的升温速率。采用炉下预热方式进行加热可以避免炉上加热方式下冷风进入反应器导致的测量误差。反应器内的温度由可控硅调压器控制,控制温度的误差范围在±5K。煤颗粒和床料由反应器上部的给料口批量给进,实验结束时,爆裂后的颗粒连同床料一起经过一抽吸系统从上部吸出,被收集分离器瓶收集。流化气体成分通过配气系统进行匹配。床层温度稳定在850℃。从流化床中抽吸出的物料经过一冷却系统迅速冷却,并停止反应。用标准筛轻轻振动,将煅烧爆裂后的颗粒与床料分离,采用马尔文激光粒度分析仪测量石灰石及爆裂后产物的粒度分布,研究不同反应条件下的爆裂特性。图10为某石灰石在不同反应条件下的爆裂引起的粒度变化。可见,流化床内剧烈的颗粒混合促进了颗粒的爆裂程度,而CO2的分压将影响石灰石的爆裂。在相同的实验台上,850℃控温,通过烟气过滤器收集磨耗生成的细颗粒,可以研究在不同流化风速下,不同颗粒粒度的磨耗速率。图11给出了某石灰石的磨耗速率。2.3煤粒点火实验台的建立为确定允许投煤温度,设计点火系统的容量,应确切地了解燃料的着火温度。由于着火条件的差异,着火温度应在流化床条件下测定。在电加热的小型流化床燃烧系统上,采用热烟气炉下点火的方式来研究煤粒在流化床内的燃烧特性。可以通过调配气体组分的份额来模拟实际炉下点火热烟气的成份,用热烟气来加热床料和煤颗粒,研究在床料达到什么温度时可以投放煤粒,并使煤粒着火。锅炉制造商可以用来确定燃料投入流化床炉膛的最低温度。流化床的制造商和运行人员可以利用这个温度来设计锅炉启动和热启动情况下的燃烧安全允许系统。着火实验台由主反应器、温控系统、配气系统、给料系统、取样系统和数据采集系统构成(图12)。由于着火特性受外部操作条件的影响很大。在不同运行条件下得到的着火特性不具有可比性,因此操作运行条件必须被严格控制。规范化操作条件如表1所示。图13为部分着火温度的测量结果及其与其他测量结果的比较流化床实验台测得的着火温度和实际电厂的投煤温度(除了无烟煤)基本一致,因此可以利用实验台测定的着火温度来为锅炉设计和启动投煤提供依据。2.4初始粘结温度实验方法和实验设备燃煤由给料系统在给料风输送下进入炉膛,一般给料风温度在200℃左右。输送特性是为了判断在给料风温度下,燃料是否由于温度升高表面析出粘性物质发生颗粒粘结现象,进而导致给料输送困难。根据达西定律,开始时由于空气粘度和空气