孫佰仲, 譚 平, 王 擎, 劉洪鵬, 李少華
(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林132012;2.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,沈陽110001)
循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)特性是考察鍋爐性能的重要指標(biāo)[1].在鍋爐啟動(dòng)過程中,床料顆粒間劇烈碰撞,導(dǎo)致床料破碎[2],進(jìn)而形成大量的細(xì)小顆粒并產(chǎn)生揚(yáng)析現(xiàn)象,使床料量減少、床料粒度分布發(fā)生變化、床壓降低,影響床料正常流化[3],必要時(shí)需補(bǔ)充床料,以彌補(bǔ)由于揚(yáng)析或夾帶引起的床料損失.因此,研究流化床內(nèi)床料的磨損機(jī)理對(duì)于確定合理的初始料層厚度及粒度分布范圍是非常必要的.
油頁巖是儲(chǔ)量巨大的化石能源,對(duì)其開發(fā)和利用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),特別是針對(duì)油頁巖及半焦在循環(huán)流化床中燃燒特性已開展了大量的研究工作[4-9],然而對(duì)循環(huán)流化床中頁巖灰床料磨損特性的研究卻鮮見報(bào)道.在流化床物料磨損方面,Hartge等[10]利用顆粒群模型從理論上研究了顆粒磨損和能量傳遞作用,結(jié)果表明原始顆粒的磨損率大于流化一段時(shí)間后的樣品顆粒的磨損率.Rodrigue等[11]考察了氧化鐵流化揚(yáng)析情況,確定了揚(yáng)析速率常數(shù).王輝等[12]對(duì)石英砂的熱態(tài)流化磨損規(guī)律進(jìn)行了研究,并采用灰色關(guān)聯(lián)分析考察了操作參數(shù)的影響.呂俊復(fù)等[13]通過試驗(yàn)研究認(rèn)為磨損速度與過余流化速度的平方成正比,磨損系數(shù)與顆粒初始粒徑和流化時(shí)間有關(guān).筆者以燃燒油頁巖流化床鍋爐的床料灰為研究對(duì)象,考查了流化風(fēng)速、流化時(shí)間和床料溫度對(duì)磨損的影響,同時(shí)建立了二階磨損模型.
試驗(yàn)樣品取自吉林樺甸65t/h低倍率油頁巖循環(huán)流化床電站鍋爐的油頁巖灰渣,其粒度分布見表1.
表1 頁巖灰樣品粒度分布Tab.1 Particle size distribution of shale ash samples
試驗(yàn)在小型流化床燃燒反應(yīng)器(圖1)上進(jìn)行.反應(yīng)器本體由上下兩部分組成,下部為流化氣體預(yù)熱段,上部為試驗(yàn)樣品流化反應(yīng)段.反應(yīng)段高1.0 m,采用直徑為51mm、壁厚為3.5mm的25Cr-20Ni耐熱鋼管制成.反應(yīng)段與預(yù)熱段中間設(shè)置布風(fēng)板,由兩層孔徑為0.065mm的不銹鋼細(xì)網(wǎng)制作而成,反應(yīng)器本體采用電加熱方式.流化介質(zhì)由空氣壓縮機(jī)提供,經(jīng)過預(yù)熱段加熱后進(jìn)入反應(yīng)段,將床料流化.試驗(yàn)前對(duì)不同粒徑下的頁巖灰進(jìn)行稱重、記錄,將稱好的頁巖灰裝入床內(nèi)(料層靜止高度約150 mm),當(dāng)爐內(nèi)流化風(fēng)量和溫度達(dá)到試驗(yàn)工況設(shè)定值時(shí)開始計(jì)時(shí),到預(yù)定時(shí)間后關(guān)閉進(jìn)氣閥,使床料自然冷卻至室溫后取出,并進(jìn)行篩分和稱重,記錄不同粒徑頁巖灰的質(zhì)量,從而獲得磨損后頁巖灰的粒度分布.頁巖灰球形度φ=0.6,表觀密度ρs=1 450kg/m3,冷態(tài)臨界流化風(fēng)速為0.425 3m/s.油頁巖著火溫度較低,一般320℃以上即可著火.根據(jù)鍋爐實(shí)際啟動(dòng)情況,確定試驗(yàn)床溫為20~350℃.
圖1 小型流化床燃燒反應(yīng)系統(tǒng)Fig.1 Systematic sketch of the bench-scale fluidized bed
定義質(zhì)量保持率ε為經(jīng)過t時(shí)間磨損后頁巖灰的質(zhì)量與床內(nèi)初始頁巖灰質(zhì)量之比.
式中:W0為床內(nèi)樣品的初始質(zhì)量,g;W 為流化t時(shí)間后床料的質(zhì)量,g.
圖2給出了20℃時(shí)不同流化風(fēng)速下床料質(zhì)量隨時(shí)間的變化.由圖2可知,120min內(nèi)頁巖灰質(zhì)量保持率下降明顯,而后變化趨于平穩(wěn).在熱態(tài)流化初始階段,床料顆粒表面相對(duì)粗糙且有明顯的凸起部分,顆粒之間、顆粒與床體之間劇烈的碰撞導(dǎo)致表面細(xì)小顆粒從母體剝落,當(dāng)流化風(fēng)速高于細(xì)小顆粒的終端沉降速度時(shí),細(xì)顆粒即被攜帶出反應(yīng)器,造成揚(yáng)析量增大,床料量減少.之后顆粒的碰撞使顆粒表面趨于光滑,磨損量減少,床料質(zhì)量變化平穩(wěn),磨損進(jìn)入穩(wěn)定區(qū).所以在流化床啟動(dòng)過程中,當(dāng)床料經(jīng)歷快速衰減階段后需對(duì)床料進(jìn)行補(bǔ)充,以保證流化床內(nèi)傳質(zhì)、傳熱以及燃燒室熱負(fù)荷符合鍋爐設(shè)計(jì)值.從圖2中還可以發(fā)現(xiàn),流化風(fēng)速是控制磨損量和揚(yáng)析量的主要因素之一,它直接反映了對(duì)床料的能量激勵(lì)水平.流化風(fēng)速越大,激勵(lì)水平越強(qiáng),顆粒磨損速率越快,揚(yáng)析量也就越大.在相同流化風(fēng)速下,質(zhì)量保持率與時(shí)間的關(guān)系可以用指數(shù)衰減模型來描述.
圖2 床料質(zhì)量與流化時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Residual mass of bed material vs.fluidizing time
式中:ε∞為進(jìn)入穩(wěn)定磨損區(qū)的質(zhì)量保持率.
利用此模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,相關(guān)系數(shù)都大于0.97,說明床料質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律符合指數(shù)衰減模型.
圖3給出了0~0.5mm頁巖灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律.由于顆粒的磨損,不同粒徑顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也發(fā)生了變化,原試驗(yàn)顆粒粒徑范圍為0.5~5mm,未選擇粒徑范圍為0~0.5mm的頁巖灰作為試驗(yàn)樣品,試驗(yàn)后顆粒粒徑發(fā)生了“退檔”現(xiàn)象,0~0.5mm的頁巖灰也占據(jù)一定質(zhì)量分?jǐn)?shù).
圖3 0~0.5mm頁巖灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 Mass fraction vs.time for 0-0.5mm shale ash
圖4給出了流化風(fēng)速為0.48m/s時(shí)不同溫度下床料質(zhì)量隨時(shí)間的變化.從圖4中可以看出,溫度升高造成頁巖灰磨損加劇,這主要是由于溫度升高時(shí),相同粒徑下顆粒的臨界流化風(fēng)速降低,過余流化速度增大,顆粒的平均碰撞次數(shù)增加,磨損加劇.Lin等[14]對(duì)床溫為600~800℃范圍內(nèi)床料石英砂的磨損特性進(jìn)行了研究,得出了相同的結(jié)論.
圖4 不同溫度下床料質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.4 Residual mass vs.time at different bed temperatures
隨著磨損的進(jìn)行,產(chǎn)生細(xì)小的顆粒,部分小顆粒發(fā)生揚(yáng)析現(xiàn)象,磨損越劇烈,揚(yáng)析量越大,留在床內(nèi)頁巖灰的質(zhì)量越少.從圖2中發(fā)現(xiàn),在相同流化風(fēng)速下,床料質(zhì)量隨時(shí)間呈指數(shù)衰減變化.筆者采用文獻(xiàn)[15]中提出的二階磨損模型來描述床料磨損規(guī)律:
當(dāng)W=Wmin時(shí),對(duì)式(3)兩邊進(jìn)行積分得
式中:Wmin為進(jìn)入穩(wěn)定磨損區(qū)床內(nèi)樣品的最小質(zhì)量,g;Ra為磨損速率常數(shù),g-1·s-1.
若已知W0、Wmin以及W,就可以求出方程(4)左值Y,進(jìn)而求出磨損速率常數(shù)Ra.
磨損時(shí)間分別取 10min、30min、50min、70 min、90min、120min和240min 7個(gè)時(shí)間點(diǎn),試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在240min以后已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定磨損區(qū),床料質(zhì)量幾乎不變,即Wmin.圖5給出了按照方程(4)進(jìn)行直線擬合的情況,該直線的斜率就是磨損速率常數(shù)Ra.由圖5可知,擬合相關(guān)系數(shù)均在0.97以上,說明二階磨損模型適合磨損速率常數(shù)的描述;磨損速率常數(shù)隨著流化風(fēng)速的增大而增大,定量分析與定性分析得出的結(jié)論相同.
圖6和圖7分別給出了磨損速率常數(shù)Ra與過余流化速度(U-Umf)及其倒數(shù)的關(guān)系,擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.966和0.983,說明磨損速率常數(shù)與過余流化速度成反比,可以用式(5)表示.
式中:ka為磨損速率.
圖6 磨損速率常數(shù)與過余流化速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between attrition rate constant and excess gas velocity
圖7 磨損速率常數(shù)與過余流化速度倒數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between attrition rate constant and inverse of excess gas velocity
圖8給出了不同溫度下方程(4)的擬合曲線,擬合直線的斜率即磨損速率常數(shù).由圖8可知,隨著溫度的升高,直線斜率增大,表明磨損速率常數(shù)增大.表2給出了不同溫度下的磨損速率常數(shù)及擬合相關(guān)系數(shù).
圖8 不同溫度下方程(4)的擬合直線Fig.8 Straight line fitting of equation(4)at different temperatures
表2 不同溫度下的磨損速率常數(shù)及擬合相關(guān)系數(shù)Tab.2 Attrition rate constant and fitting correlation coefficient at different temperatures
圖9給出了磨損速率常數(shù)與溫度的關(guān)系.從圖9中可以看出,指數(shù)形式可以很好地描述二者的關(guān)系,采用改進(jìn)的 Arrhenius方程[15]得出式(6).
式中:E為磨損活化能,J/mol;R為通用氣體常數(shù),8.314J/(mol·K);k0為指前因子,m/(s2·g).
對(duì)式(6)左右兩邊取對(duì)數(shù)整理得:
作ln Ra+ln(U-Umf)~1/T 的Arrhenius直線,求出其斜率及節(jié)距,進(jìn)而求出磨損活化能E和指前因子k0.
圖9 磨損速率常數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between attrition rate constant and temperature
圖10為Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程的直線擬合圖,相關(guān)系數(shù)為-0.967 1,可計(jì)算出磨損活化能E=1.072kJ/mol,k0=5.507 4×10-7m/(s2·g).因此,可得到溫度為20~350℃、流化風(fēng)速為0.73~1.25m/s時(shí)頁巖灰的質(zhì)量關(guān)聯(lián)式.
圖10 Arrhenius直線擬合Fig.10 Straight line fitting according to Arrhenius formula
將以上關(guān)聯(lián)式的理論計(jì)算結(jié)果與大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者相對(duì)誤差控制在2%內(nèi),試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好,說明二階磨損模型能夠很好地描述頁巖灰在流化床內(nèi)的磨損規(guī)律,具有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)性.
(1)循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)床料的磨損過程先后經(jīng)歷快速衰減階段和穩(wěn)定磨損階段,床料質(zhì)量變化率在啟動(dòng)過程中呈指數(shù)衰減趨勢(shì).
(2)流化風(fēng)速對(duì)床料磨損影響很大,隨著流化風(fēng)速的增大,顆粒之間碰撞的能量水平增大,顆粒的磨損速率加快;隨著床溫升高,磨損程度加劇.
(3)二階磨損模型能夠很好地預(yù)測(cè)流化床內(nèi)床料質(zhì)量的變化規(guī)律,在流化床啟動(dòng)過程中,床料的磨損率與過余流化速度成反比,且滿足Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程Ra=k0e-E/RT(U-Umf)-1,計(jì)算獲得磨損活化能E=1.072kJ/mol,指前因子k0=5.507 4×10-7m/(s2·g).
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