循环流化床燃烧条件下煤的成灰磨耗特性

循环流化床燃烧条件下煤的成灰磨耗特性

循环流场的基本特征是，在循环流材料的循环系统中，有一个较大的固体材料周期。材料的循环流率、床材料的颗粒直径分布和其他参数对循环流场的操作非常重要。由于材料循环系统的工作条件，材料的连续分析、传质过程、传热过程和燃烧中的负荷分布直接受到限制，经济效益和浪费效率间接受到限制。如何保证物料循环系统正常工作成为循环流化床锅炉设计当中的一个重要问题。由于煤灰在床料中份额达到90%以上,所以给煤的成灰特性对于循环流化床锅炉的物料平衡是一个非常重要的参量。必须对不同煤种颗粒的爆裂破碎和磨耗现象深入地研究来加以解决,从而得出煤成灰特性的规律。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。岳光溪等人通过实验指出,对含灰量高的焦炭颗粒而言,其内部存在大量的灰核,当焦炭颗粒中的含碳成分燃尽以后,灰核之间的连接段变得非常脆弱,由于碰撞或者颗粒重力即可使得它们断裂。再考虑到循环流化床锅炉相对较低的燃烧温度(低于一般煤中矿物质熔点),所以可以认为焦炭中矿物质成分即反映了灰的筛分分布。通过研究发现,粗灰颗粒几乎全部来自于煤中矸石;细粉颗粒除了少量来自于矸石直接破碎形成外,绝大部分来自煤中富灰灰核,这些灰核在一次碎裂和焦炭燃烧过程中并不发生破碎,由于燃烧温度较低,低于煤灰的熔点,富灰灰核在这一燃烧过程中并不改变它们的形状。所以煤中矸石的颗粒尺寸分布实际上就是循环流化床锅炉中最后大尺寸成灰的颗粒尺寸分布。而细灰粒子通常则来自于煤矿形成过程中沉积下的尘粒组分。基于上述分析,煤颗粒的碎裂过程对颗粒前期的磨耗并没有什么影响,在流化床燃烧条件下,磨耗和碎裂对最后灰的粒径分布影响是相互独立的。基于此,提出了静态燃烧和冷态振筛的成灰实验的建议。1实验与研究1.1温度波动振筛系统燃烧系统包括电加热马弗炉和炉膛温控系统,并通过热电偶记录炉内温度变化。振筛系统由振筛机和一系列标准筛构成,振筛机为德国Fristch公司生产,振幅和振动频率可调。具体的实验方法和实验过程参见文献。1.2挥发油分烟煤实验中所采用煤样为南京新苏热电厂所用的高挥发分烟煤,来自平顶山矿务局。表1列出了所用煤样的工业分析和元素分析,以及发热量测量的结果,其中工业分析为干燥基数据。1.3灰样粒径分布和颗粒磨耗规律煤样经过振筛实验台进行燃前筛分,将煤样筛分成6个筛分档。表2给出了筛分粒径及相应的煤样粒径分布。表3给出了6个粒径档煤样的干燥基工业分析数据。将煤样颗粒送入马弗炉(850℃)充分燃烬,燃烬的时间取决于煤种和煤样的粒径。将得到的灰样分别送入振筛实验台进行灰样的磨耗实验,以得到成灰的粒径分布和颗粒磨耗的规律。在振筛磨耗实验中,通过测量不同振筛时间,2mm振幅条件下的灰分粒径变化来研究灰颗粒的磨耗速率。2结果与分析2.1煤种的磨耗过程,中多煤样颗粒经过初始的快速磨耗阶段这一过程以后得到的粒径分布,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。从磨耗机理上讲,对于某一确定煤种,煤灰颗粒的磨耗程度,与系统向固体颗粒所提供的能量有关。所以,用振筛磨耗方法与用冷态流化磨耗方法所得到的本征成灰数据是基本相同的。从实验结果可以看出,进入50分钟以后,磨耗过程趋于稳定。图1所列出的成灰数据,是实验煤种静态燃烧所得灰样在经过50分钟振筛后的筛分分布。2.2颗粒磨耗速率前期的研究表明,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。由文献可知,磨耗速率随时间下降并趋于一常数,因此定义颗粒磨耗速率如下:其中,m是某一时间时特定尺寸的颗粒的质量,单位为kg。磨耗速率R,min-1。图2表明,磨耗速率符合指数衰减的时间函数,振筛开始阶段磨耗速率衰减很快,之后达到稳定值。因此,可以用指数衰减模型(2)来拟和振筛磨耗速率。表4给出了相应的拟和参数。2.3颗粒磨耗特性的描述如前所述,大多数的磨耗模型都是将颗粒的尺寸或者质量变化与输入该特定系统的能量进行关联。Merrick和Highley基于Rittinger准则发展了一个磨耗模型,该模型描述了流化床中灰的磨耗率与过量气体流速(U-Umf)成正比,与磨耗速率常数成正比。U为流化风速,m/s,Umf为最小流化风速,m/s,kaf的单位为min-1,它是时间的函数。对于振动系统,基于简单的物理概念,系统的能量水平和系统振幅的平方呈线性关系,于是用下式来简化颗粒磨耗和振筛系统能量水平的关系:其中,A为振动振幅,mm,于是振筛磨耗系数kas具有1/min·m2的量纲,同样,它也是时间的函数。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。从机理上,对流化系统来说,系统对颗粒的激励可以认为是流化介质向固体颗粒提供的能量;而在振动系统中,系统对颗粒的激励则来自于机械振动向固体颗粒提供的能量。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。联立公式(3)和公式(4),用两个转换系数π1,π2,通过下式关联。表5给出了2mm振幅与不同流化速度间的转换系数。图3给出了经过能量关联获得的流化风速为5m/s时的流化磨耗速率常数。可以看出流化磨耗速率常数随时间呈指数衰减。从图3中可以看出,磨耗速率常数随时间衰减,并逐渐趋近于一常数。同时也可以看到,不同粒径的灰粒的磨耗速率常数并不相同。图4给出了煤样成灰粒径对磨耗速率的影响,取60分钟时的流化磨耗速率常数。从图4中可以得出,对于实验煤样,0～500μm这一粒径段磨耗速率常数最大,随着颗粒粒径增加,磨耗速率常数呈指数衰减,到2000μm以上,磨耗速率变化较小。可以用指数衰减模型(7)来拟和磨耗速率常数。3振筛磨耗速率在本文中利用稳态燃烧加冷态振筛的实验方法研究了南京新苏热电厂煤样的成灰和磨耗特性,给出了煤样的本征成灰数据;振筛磨耗速率