賀輝寶, 胡 南, 呂俊復(fù), 劉 青, 蘇 俊,張建春, 趙曉星, 岳光溪

(1.清華大學(xué) 熱能工程系,熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室,北京 100084;2.太原鍋爐集團有限公司,太原 030024)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種高效、低污染的清潔燃煤技術(shù),其主要特點是:鍋爐爐膛內(nèi)含有大量的固體顆粒(物料),在燃燒過程中物料被煙氣攜帶到爐膛上部,通過布置在爐膛出口的分離器將物料從煙氣中分離出來,并經(jīng)過返料閥回到爐膛內(nèi);由于物料濃度高,具有很大的熱容量,因此使鍋爐負荷調(diào)節(jié)范圍廣,對燃料的適應(yīng)性強.

雖然循環(huán)流化床鍋爐對燃料具有較好的適應(yīng)性,但這種適應(yīng)性也是有制約條件的[1-2].理論與實踐分析均表明,循環(huán)流化床鍋爐在燃用低灰分燃料時,需要額外添加循環(huán)物料,才能保證鍋爐的穩(wěn)定運行[3].由于細河沙具有價格低廉、取材方便、不易磨耗、需用量少等特點,在運行過程中的補充量比較少,因而在工業(yè)實踐中得到了普遍應(yīng)用[4].筆者從理論上分析了外加床料的粒度要求,并通過泰國A jnomoto公司的73.2 t/h循環(huán)流化床鍋爐進行了驗證.

1 循環(huán)流化床鍋爐物料平衡分析

1.1 循環(huán)流化床爐膛內(nèi)的物料分布

在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi),高溫固體物料沿封閉的回路循環(huán)流動,形成爐膛中特定的固體物料濃度分布,將燃料燃燒釋放的熱量部分傳遞給受熱面,其余熱量被離開爐膛的煙氣帶走.固體物料在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流動特性對傳熱[5-7]、燃燒[8-9]和脫硫[10-11]有直接的影響,決定了整個鍋爐的性能[12].

通過對不同容量的鍋爐(涵蓋了從熱功率12 MW的小型熱水鍋爐至電功率235 MW的大型電站鍋爐)進行實測,得到了循環(huán)流化床鍋爐燃燒室內(nèi)平均物料濃度的分布(圖1),發(fā)現(xiàn)爐膛下部的高濃度密相區(qū)客觀存在,而上部濃度則遠遠高于鼓泡床上部稀相區(qū)的濃度[13].通過分析測量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)顆粒團聚是形成這一濃度分布的物理基礎(chǔ),因此循環(huán)流化床鍋爐是一個快速床[12].這是循環(huán)流化床鍋爐正常運行所需要滿足的固體顆粒分布狀態(tài),此狀態(tài)是鍋爐設(shè)計時就已經(jīng)選定或默認的一個狀態(tài).

爐內(nèi)受熱面的布置由設(shè)計工況下物料濃度的分布決定[6-7].循環(huán)流化床內(nèi)的物料循環(huán)量有一個設(shè)計假定或默認的狀態(tài),而實際能夠達到的狀態(tài)是一個范圍.隨燃料種類和特性的不同,能夠達到的范圍是變化的,因此,具體設(shè)計的選定或默認狀態(tài)一定要在實際可以達到的范圍內(nèi),否則,一旦循環(huán)量無法滿足設(shè)計要求,將導(dǎo)致爐膛內(nèi)物料濃度出現(xiàn)偏差(圖2).在偏離工況下,氣固兩相流動趨于鼓泡床,從而導(dǎo)致爐膛下部燃燒份額過大,釋放的熱量因無法全部被密相區(qū)的受熱面吸收而使床溫過高,同時,稀相區(qū)內(nèi)又因物料濃度過低而無法將足夠的熱量傳給稀相區(qū)內(nèi)的受熱面,造成鍋爐出力不足[12].

圖1 沿床高物料濃度分布的測量結(jié)果[13]Fig.1 Measured results of material concentration distribution along bed height in a boiler[13]

圖2 沿床高物料濃度分布示意圖Fig.2 Schematic of material concentration distribution along bed height

循環(huán)流化床鍋爐的燃料適應(yīng)性強與爐膛中物料濃度分布這一確定狀態(tài)有很大關(guān)系.維持這一狀態(tài)的核心是保證循環(huán)流率不變,同時維持床料質(zhì)量不變.床料質(zhì)量是指床料的平均粒徑,床料質(zhì)量高表明其平均粒徑細,絕大部分床料能參與物料循環(huán).循環(huán)流化床鍋爐的物料循環(huán)系統(tǒng)對床內(nèi)物料具有選擇性保留功能,床料平均粒度在啟動后逐漸變化趨于某一值,該值完全取決于分離器效率、返料裝置的性能和燃料成灰特性.

1.2 循環(huán)流化床鍋爐的物料平衡實現(xiàn)

循環(huán)流化床鍋爐的主循環(huán)回路是一進二出的系統(tǒng):物料通過給料口進入主循環(huán)回路,分離器捕捉不到的細顆粒以飛灰的形式被煙氣攜帶進入對流受熱面,大顆粒以底部排渣的形式被排出.這樣就形成了固體床料(包括燃料灰分、焦炭、脫硫劑及外加物料)在爐膛、分離器和回料裝置組成系統(tǒng)中的平衡.物料平衡的建立直接影響循環(huán)流化床鍋爐能否按設(shè)計參數(shù)正常運行[14].這是因為固體床料不僅是循環(huán)介質(zhì),而且是燃燒及脫硫等化學(xué)反應(yīng)的參與者,同時決定了軸向和徑向熱交換的情況,通過懸浮段的物料濃度決定了向受熱面的傳熱量,并將熱量由爐膛下部帶到上部[15-16].

如果忽略物料在體系內(nèi)磨耗導(dǎo)致的粒徑變化,在穩(wěn)定條件下,循環(huán)流化床物料系統(tǒng)不僅滿足總質(zhì)量的進出平衡,而且滿足每個粒徑物料的質(zhì)量平衡[12].無論進入循環(huán)流化床鍋爐的物料粒度如何分散,系統(tǒng)均可對其進行“淘洗”,大顆粒由于夾帶能力低,很難被氣流攜帶,集中在密相床并從床底排出;細小顆粒盡管夾帶率高,但是分離效率低,很容易從分離器出口逃逸;只有某一粒度范圍內(nèi)的顆粒,夾帶率和分離效率均很高,可以在床內(nèi)累計,使床料篩分形成一個很尖銳的峰,細顆粒主要由分離器效率決定,粗顆粒主要由排渣效率決定.因此,循環(huán)流化床鍋爐從啟動到帶正常負荷的運行過程也是床內(nèi)物料累積和粒度分布逐漸變窄的過程.

1.3 燃料中的灰分含量與品質(zhì)

試驗和理論研究表明,循環(huán)流化床內(nèi)高濃度物料的形成需要滿足一系列條件[12].循環(huán)流化床物料來自燃煤形成的灰渣以及外加床料,如啟動用河沙、脫硫用石灰石等.加入到循環(huán)系統(tǒng)的合適直徑顆粒的量能否補償循環(huán)物料由于磨耗降檔或者排渣的損失,將直接影響爐內(nèi)循環(huán)物料的大小.燃料中的灰分質(zhì)量決定了燃料本身對循環(huán)物料的貢獻[17].理論上存在一個平衡灰分,燃料灰分只有大于該平衡灰分,才能保證燃料自身的灰分滿足循環(huán)流化床鍋爐正常運行所需要的循環(huán)物料量[3,18].因此,循環(huán)流化床鍋爐適于燃燒高灰分的煤,當(dāng)煤種折算含灰量大于21 g/M J時,鍋爐灰平衡比較容易實現(xiàn);當(dāng)煤種折算灰量小于8.25 g/MJ時,灰平衡較難實現(xiàn),需要定期或連續(xù)補充固體物料[18].

工程上不僅關(guān)心灰的量,更關(guān)心灰的質(zhì),即燃料的成灰特性,也就是實際入爐燃料灰在可能通過底渣被排放出爐膛前有多少灰可以形成循環(huán)物料[3].當(dāng)循環(huán)物料量遠大于所需要的物料量時,則需要額外增加循環(huán)物料的排放量,在實際鍋爐運行中可以通過排底渣或循環(huán)灰實現(xiàn).當(dāng)形成的循環(huán)物料量不夠,則應(yīng)額外添加循環(huán)物料,這是低灰燃料需要添加床料的根本原因.

1.4 外加床料的性能

沿床高的物料濃度分布及攜帶率受到流化速度和床存量的影響.目前循環(huán)流化床鍋爐空塔流速均取為5 m/s左右.因此,添加物料的飽和夾帶速度應(yīng)小于爐膛內(nèi)的空塔流速,以使補充進來的物料能被有效地攜帶到爐膛上部.

式中:ut為顆粒的終端速度;ρf為流體的密度;ρp為循環(huán)顆粒的密度;d p為循環(huán)顆粒的直徑;C D為拽力系數(shù);Re t為終端沉降雷諾數(shù);Ar為阿基米德數(shù).

同時,外加床料應(yīng)該保證循環(huán)量大于保持床存量的最小循環(huán)量Rmin[19]:

森薩塔科技是全球領(lǐng)先的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）供應(yīng)商，具備包括TPMS傳感器芯片在內(nèi)的全套系統(tǒng)開發(fā)及垂直整合能力。在TPMS產(chǎn)品及功能成為全球市場的標(biāo)桿，引領(lǐng)了胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)趨勢：1）在全球率先完成激光焊接殼體TPMS傳感器；2）率先提供相位自定位（PAL）功能；3）首次在傳感器內(nèi)使用環(huán)形PCB印刷天線技術(shù)。森薩塔科技的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)獲得了國內(nèi)外OEM的廣泛認可，全球累計銷售超過5億支，市場占有率超過50%。森薩塔科技在胎壓監(jiān)測領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，目前正在開發(fā)輪胎貼裝式胎壓傳感器（TMS），以及基于TMS傳感器的新功能，如車輛載荷測量、輪胎數(shù)據(jù)追蹤、輪胎磨損監(jiān)測和路面狀態(tài)監(jiān)測等。

根據(jù)上述的物料平衡理論,外加床料的粒度應(yīng)該保證大于分離器分離效率99%時對應(yīng)的顆粒直徑d99.方形分離器的 d99大約為115μm,因此外加床料的粒度應(yīng)大于115μm.

對于處于流化狀態(tài)的流化床,料層阻力約等于單位面積床層的重力:

式中:ρc為床料密度;h為床層高度;ξ為床層空隙率.

由此可知,料層的阻力與床料的密度成正比,若床料的密度較大,將導(dǎo)致一次風(fēng)機壓頭偏高.同時,為了減少外加床料的量,通常選擇磨耗比較小的固體顆粒,而抗磨損物料的硬度一般均較高,因此,應(yīng)注意外加床料可能對爐膛受熱面及風(fēng)帽造成磨損.

2 低灰燃料的循環(huán)流化床鍋爐

2.1 外加床料的粒度要求

泰國A jnomoto公司73.2 t/h方型分離器循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計燃料為進口印度尼西亞的年輕煙煤,煤質(zhì)情況見表1.

由于入爐煤灰分低,折算灰量僅為1.34 g/M J,遠小于21 g/MJ,為了保證爐膛內(nèi)循環(huán)物料的濃度,必須采取額外添加惰性物料的措施.外加床料采用河沙,其密度為2 650 kg/m3.當(dāng)鍋爐設(shè)計滿負荷時,爐膛內(nèi)溫度為885℃,煙氣流速為4.97m/s.由于要求當(dāng)鍋爐為50%負荷時能達到循環(huán)床狀態(tài),此時煙氣流速為2.32 m/s,為了兼顧50%負荷的要求,在固體顆粒密度一定的情況下,由以上計算得到河沙粒度的范圍:根據(jù)式(1),可以得到dp≤253 μm;根據(jù)式(5),可以得到 d p≤238μm;根據(jù)分離器的性能,d p≥115μm.綜合計算結(jié)果,鑒于河沙的天然分布性質(zhì),確定入爐河沙的粒度范圍為 0～1 mm,其中粒度小于300μm的河沙份額應(yīng)≥90%,要求河沙粒徑滿足圖3所示的范圍.

表1 設(shè)計煤種與運行煤種Tab.1 The design and operational coal

圖3 入爐河沙粒度分布推薦范圍Fig.3 The recommended range of size distribution of the feed sand

因燃料中含有一定量的硫,燃燒后直接排放煙氣中將造成SO2濃度超標(biāo),因此需要在床料中加入石灰石進行脫硫.在循環(huán)流化床燃燒溫度區(qū)間內(nèi)脫硫是擴散反應(yīng),如果石灰石粒徑太大,比表面積小,則脫硫反應(yīng)不充分,利用率低,同時顆粒揚折率也較低,不能起到循環(huán)物料的作用;若顆粒太小,則在床內(nèi)停留時間太短,脫硫效果不佳.石灰石及脫硫固體產(chǎn)物同時是循環(huán)物料的一部分,兼顧反應(yīng)和物料循環(huán)要求,石灰石粒徑選擇為0～1 mm,粒度應(yīng)滿足圖4所示范圍的要求.

2.2 熱態(tài)運行實踐檢驗

根據(jù)用戶要求,鍋爐過熱蒸汽流量為73.2 t/h,過熱蒸汽壓力為6.37MPa,過熱蒸汽溫度為455℃.

該鍋爐投入熱態(tài)運行前,對布風(fēng)板阻力及鋪設(shè)500mm厚河沙時的料層阻力進行測試,結(jié)果示于圖5.

圖4 入爐石灰石粒度分布推薦范圍Fig.4 The recommended range of size distribution of the feed limestone

圖5 布風(fēng)板與料層阻力的測定結(jié)果Fig.5 Measured results of flow resistance of air distributor and bed

鍋爐運行后,對運行情況進行跟蹤觀察,并對鍋爐熱效率進行測試,對入爐煤、河沙、循環(huán)物料、底渣、飛灰進行測量.實際運行使用河沙的粒徑分布見圖6,由于與要求的范圍相比偏粗,小于300μm的份額不到25%,因此添加量偏大,約為100 kg/h.若能改善其分布,盡量靠近推薦范圍,則添加量可大大下降.

鍋爐于2007年5月投運,已運行2年,典型運行燃料見表1.鍋爐投運后,運行平穩(wěn),各項主要指標(biāo)與設(shè)計值基本吻合,偏差不大.鍋爐典型運行參數(shù)見表2.用戶根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)自行組織完成了鍋爐熱效率測試,結(jié)果見表3.飛灰化驗分析含碳量＜1%,底渣含碳量接近于0,可見燃燒完全.該73.2 t/h鍋爐的爐膛高度為23.3m,燃料一次通過爐膛的停留時間達4.7 s;印尼年輕煙煤揮發(fā)分極高,單位熱值揮發(fā)分為24.3 g/M J,燃燒活性極好.說明在燃用高揮發(fā)分、低灰分煤時,方型分離器的分離效率可以保證燃料的燃燒效率較高.排煙污染物測量結(jié)果見表4.從表4可以看出,可燃氣體燃燒完全;SO2排放濃度遠低于設(shè)計指標(biāo),脫硫效率達到了91.4%;NO x排放濃度低,達到了低溫分級燃燒的預(yù)期效果.

圖6 運行使用河沙的粒徑分布與要求范圍的比較Fig.6 Comparison of size distribution of the sand used and the requirement range

表2 熱態(tài)運行參數(shù)值Tab.2 The operational parameters of hot state

表3 熱效率測試結(jié)果Tab.3 Measured results of thermal efficiency %

運行1年后檢查,尾部對流受熱面未見磨損,積灰輕微,說明尾部煙氣中灰濃度低,煙氣流速選取合理,但風(fēng)帽磨損嚴重.采用河沙作為外加物料時,由于密度較大,料層實測阻力比以煤灰為底料及循環(huán)物料時增加了約60%.

表4 鍋爐排煙成分分析Tab.4 Composition analysis of the exhaust gas of boiler

3 結(jié) 論

(1)爐膛中定態(tài)的物料濃度分布是循環(huán)流化床鍋爐燃料適應(yīng)性廣的根本原因,燃用低灰燃料時需要額外添加物料以實現(xiàn)物料濃度的定態(tài).

(2)外加床料不僅有量的要求,而且有質(zhì)的要求,提出了對外加物料質(zhì)的要求的計算方法.

(3)河沙取材方便,是補充循環(huán)物料的較好選擇,在爐膛空塔流速為5m/s、密度為2 650 kg/m3時,河沙的粒徑應(yīng)大部分在分離器d99與300μm之間,以提高外加床料的有效利用率.

(4)對泰國A jnom oto公司73.2 t/h循環(huán)流化床鍋爐進行設(shè)計,得到了運行實踐的驗證.

(5)高揮發(fā)分燃料的燃燒活性好,在爐膛高度合理、二次風(fēng)混合較好時,飛灰含碳量低于1%,燃燒效率大于99%,鍋爐效率達到 93.62%(日本標(biāo)準(zhǔn)).

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