循环流化床物料平衡系统的研究

循环流化床物料平衡系统的研究

作为21世纪清洁能源的先进技术，循环流放在工业中的应用日益增多。在流化床锅炉的设计和运行中,物料平衡非常重要,它对锅炉的流体力学特性、燃料特性、传热特性、变工况特性以及受热面的布置等影响都很大。循环量、飞灰量和排渣量等物料平衡参数相互耦合,相互影响,其中固体物料循环量及其粒度分布在循环流化床锅炉中起着至关重要的作用,直接决定锅炉负荷能否达到运行要求。固体物料循环量同锅炉的分离器分离效率、排渣粒度分布和燃煤成灰特性密切相关。1非均质流轴材料的平衡和影响因素1.1煤流系统的循环流场计算典型的循环流化床锅炉是一个“一进二出”系统如图1所示,进来的给料Gin(i)从飞灰口F(i)和排渣口Gout(i)排出,在稳定工况下,对于任一平均灰粒有径的灰粒:Gin(i)=Gout(i)+F(i)。(1)流化床内的循环量Gin(i)作为携带热量的介质在流化床内循环流动,式(1)中Gin(i)为系统中给煤量燃烧后某一粒径的灰流率,kg/s;Gout(i)为炉膛底部的同一粒径的排渣率,kg/s;F(i)为未能被分离器捕捕捉的该粒径的飞灰流率,kg/s。循环流化床物料平衡系统由燃烧室、分离器和返料阀组成,分离器入口物料量E∞(i)X(i)等于飞灰物料量F(i)与循环物料量Cir(i)之和,循环物料量可表示为Σi=1nE∞(i)X(i)η(i)‚E∞(i)Σi=1nE∞(i)X(i)η(i)‚E∞(i)为循环流化床输送分离高度(TDH)以上的饱和夹带率;X(i)为密相区内各档粒子所占的重量百分比;η(i)为分离器分离效率。1.2影响原材料平衡的因素从循环物料量的表达式可看出循环物料量决定于分离器分离效率、杨析率和床料粒度分布,从图1还可看出,循环量同排渣系统也有关。1.2.1分离器效率低在循环流化床的设计和运行中,分离器的分离效率是标志流化床技术的关键,它对系统物料平衡很重要。在通常给定的运行风速下,循环流化床料中只有某一粒度范围内(100μm～600μm)的物料有用,能够成为循环物料。若分离器效率不高,则飞灰量加大,循环量减少,循环量不能满足运行要求。设计分离器时,不仅严格要求分级效率D50,而且敏感于临界效率D99,要求D99在给定的夹带率下尽快达到D100,若D99不能很快达到D100,出现爬行现象,则循环量必定也上不去,循环流化床以鼓泡床运行。这是因为D99不能很快达到D100,意味着D99所对应的颗粒尺寸大(图2所示),不能被夹带上去,则循环量小,只能开成鼓泡床,如二维分离器,其D50不差,但D99很大,在这种情况下,要想以循环床运行,只有加大运行风速,使运行风速和分离器效率配合,才能达到预定的循环量,但使风机能耗增加。1.2.2燃煤石灰作为循环灰的特点排渣系统作为流化床“一进二出”系统的一个出口,其排渣粒度分布对于循环物料量影响很大。若燃煤灰分小,则排渣最小,排渣系统经常关,床内物料有足够的时间进行物料分层,细颗粒在上,大颗粒下沉,排掉大颗粒,细颗粒作为循环灰;若燃煤灰分多,排渣最多,排渣系统经常开,床料来不及进行物料分层,排渣易带走细颗粒,从而使循环灰减少,造成循环床上部灰浓度不够,负荷上不去,这时需采用选择性排渣装置将排掉的细粒送回循环床,以减少循环灰损失,如图3所示。另外,灰分的磨耗特性对循环量的影响也很大。磨耗影响灰分在炉内的停留时间,磨耗越大,停留时间越小,从渣口跑掉的细粒越多,则循环灰越少,对于磨耗程度严重的物料(如石灰石),则于磨耗丢掉的物料远比由于分离效率不高减少的多,造成炉内物料平衡的困难。1.2.3燃煤成灰灰灰循环流化床锅炉的长期运行表明循环床内物料循环结果为床料非常均匀,床料粒径为100μm～300μm,即燃煤成灰的灰粒度在100μm～300μm的灰分作为循环灰,细粒飞走,粗粒排掉。若煤颗粒的成灰特性差,形不成循环灰所需的粒度,则循环量满足不了运行要求,物料平衡困难,流化床只能以鼓泡床运行。2减少床内燃烧份额,提高床内料量循环流化床与鼓泡床的燃烧机理的过程不一样,床结构和受热面布置不一样,其根据原因在于循环物料量的不同。a)由于循环床流化风速较泡床高,床料粒度又细,故扬析到稀相区的物料量增多,沿床高的物料浓度的变化趋势不似鼓泡床的剧烈(图4a)。b)循环流化床稀相区的物料量增多,相应地其碳颗粒量也会增加,即稀相区的燃烧份额上升,密相区的燃烧量也会增加,即稀相区的燃烧份额上升,密相区的燃烧份额下降,同时,循环床密相区产生的大量的CO和一部分挥发份额被带到稀相区燃烧,使得循环床密相的燃烧份额远低于鼓泡床密相区的燃烧份额(图4b)。c)床内的物料平衡直接影响床结构和受热面的布置。循环床稀相区物料浓度大,必须设置分离器以达到运行要求的循环量,鼓泡床稀相区物料浓度小,不需设置分离器;鼓泡床密相区的燃烧份额为80%左右,为防止床温超温,必须设置埋管受热面,循环床密相区的燃烧份额为60%左右,不需设置埋管受热面。d)实验研究证明物料浓度是影响床内换热系数的最大因素,其中物料浓度对于固体颗粒对流换热系数的影响最为显著。在流化床密相区上部总传热系数中,固体颗粒对流换热系数约占40%,辐射约占50%,烟气对流约占10%～20%,循环床稀相区物料浓度的增加,大大提高了稀相区的传热系数(如图4c)。e)循环床内物料量的加大,使床内物料上下传质较鼓泡床加强(图4d),保证了燃烧室纵向温度的均匀性。从上面几点可见循环床内的物料平衡,循环量的多少是循环床和鼓泡床最本质的区别,循环量的不同,使得床体结构、受热面布置和炉内的燃烧状态的不同。3灰特性对物料平衡的影响a)循环流化床的物料平衡对于循环流化床锅炉的设计和运行非常关键,循环量能否达到和维持预定设计值直接影响锅炉出力能否满足运行需求。分离器分级分离效率、排渣粒度和燃煤成灰特性是影响物料平衡的主要因素。b)分级分离效率D50,D99的高低,决定循环量的多少。分级分离效率降低,可通过加大运行风速,使运行风速和分离效率配合来达到预期的循环量,但风机能耗增加。c)燃料灰分多,则排渣易夹带细粒,使物料平衡困难