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        高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設計研究

        2020-12-28 08:31:04梁紅偉
        中國電氣工程學報 2020年19期
        關鍵詞:影響

        梁紅偉

        摘要:本文主要探究高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設計措施,分析其影響,助力于提高循環(huán)流化床應用效果。研究過程中,從低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數機理出發(fā),分析高海拔區(qū)域下循環(huán)流化床鍋爐設計注意事項,以此為研究基礎,結合查爾汗鹽湖項目提出循環(huán)流化床鍋爐設計改造措施,以期為相關工作者提供有益借鑒。

        關鍵詞:高海拔;循環(huán)流化床鍋爐設計;影響

        前言:

        我國地貌復雜、地域遼闊,存在眾多高海拔地區(qū),如青海、云南等地海拔超過2800m,隨著海拔升高,大氣壓自然會降低,對鍋爐設計及運行具有一定影響。而受到煤質多變的影響,循環(huán)流化床鍋爐對煤種適應性較強,符合我國發(fā)展需求。因此,在高海拔地區(qū),為發(fā)揮循環(huán)流化床鍋爐應用效果,則應當考慮海拔對該機械設備的影響,做好設計工作,進而提高機械設備的應用效果。

        一、低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數機理

        1.換熱系數影響。爐內煙氣在對流放熱中,可將其看作不可壓縮粘性流體穩(wěn)定受迫對流換熱,壓強穩(wěn)定變化不超過1MPa,則其對氣體動力粘度無較大影響[1]。而高海拔區(qū)域大氣壓力變化不超過0.1MPa,則可認為大氣壓力與煙氣動力粘度無關,結合分子運動論,氣體分子的原子溫度及個數,決定兩個氣體定壓比熱容,降低氣壓不會影響其對流換熱系數。

        2.受熱污染系數。結合熱力計算標準,煙氣體積流速與固體燃料基準污染系數息息相關,且煙氣體積流速受到大氣壓力影響,低氣壓下將會增加煙氣流速,進而增加爐內煙氣動能,降低了污染系數。

        3.輻射換熱系數。結合熱力計算標準,降低氣壓后,煙氣黑度與管外壁會五層溫逐漸減小,減小了含灰氣流放熱系數。

        二、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設計

        1.爐膛尺寸

        煤粉鍋爐爐膛截面積是根據截面熱負荷而定,根據爐膛容積熱負荷與截面大小確定爐膛高度。而循環(huán)流化床鍋爐(CFB)則不同,其運行中熱循環(huán)回路中熱循環(huán)物料較多,大幅度增加了爐膛內的熱容量,且低溫燃燒下,使截面熱負荷與容積熱負荷重要性不高,所以設計過程中不采取上述方法。CFB鍋爐設計中,為保證其合理性,爐膛尺寸則應當根據爐膛物料流化狀態(tài)及煙速情況而定,該兩點均與爐膛流化速度相關,所以以流化速度明確其截面大小,根據爐膛內燃料一次停留時間確定其高度。在獲得臨界流化速度中,可應用以下公式:

        式中, 為顆粒平均粒徑; 為氣體密度; 為氣體運動粘度; 為顆粒密度[2]。由此可知, 隨壓強降低而減少,其余參數則不受壓強影響,所以在低壓力下,理論上將會增大鍋爐臨界流化速度。而在工程最低流化速度設計中,相較于臨界流化速度較高,所以為保證流化穩(wěn)定性,可在設計中將海拔影響忽略。

        另外,還應當考慮終端速度,流速增加至一定值后,則顆??芍苯颖粴饬鲙эw的速度。終端速度公式如下:

        隨著海拔提高,降低了氣體攜帶固體顆粒能力,同等流化速度下,CFB鍋爐在高海拔地區(qū)外循環(huán)量低于低海拔區(qū)域。但總體而言,其循環(huán)物料量無過多變化,可借助輔助手段提高,所以可根據常規(guī)區(qū)域選取鍋爐流化速度及停留時間。但是,受到大氣壓力與煙氣比容為一次方正比影響,需適當增加爐膛截面。

        2.分離器

        氣固兩相流進入分離器流態(tài)屬于氣力輸送流態(tài),通常情況下氣固比為3-7kg/Nm?,進入旋風分離器后捕捉了大多數固體顆粒,提高了其中物料濃度,此過程中,以質量流量對分離器出力進行衡量,則高低海拔兩者均無差異;將氣壓降低影響忽略,則實際氣固兩相流進入分離器后,相較于預期其流速有所增加,固體顆粒高速移動將會加強分離器磨損。所以,在計算分離器出力時,將會根據體積流量,適當將其尺寸增加,保證直徑與大氣壓力為0.5次方正比。

        3.爐膛受熱傳熱

        在CFB鍋爐中,由于其傳熱較為復雜,爐內高溫循環(huán)物料較多,大幅度增加了對流傳熱比,結合經驗其比例約為35%,水冷壁灰幕邊壁層與流化床鍋爐水冷壁傳熱相關,且其厚度不會受到壓力影響,所以海拔不會影響對流傳熱[3]。

        4.尾部受熱傳熱

        尾部受熱與煤粉爐基本等同,結合其經驗,低氣壓對受熱影響主要在于對流換熱有所降低,可通過增加受熱面解決,且煙氣體積增大,增加了煙速,進而增加煙氣灰粒子動能,嚴重磨損尾部受熱面,設計中需將尾部煙氣流通截面適當增加,保證尾部受熱面的完整性。

        5.著火與燃盡特性

        當降低氣壓后,易析出煤粒熱解,減慢化學反應速度。在氧濃度為12-25%時,在氧分壓降低下,增加了著火延遲時間,且隨溫度增加減弱,爐內溫度超過850℃不再明顯。而CFB鍋爐燃盡特點,在氣壓下并無顯著變化,主要是CFB鍋爐燃燒溫度通常為900℃左右,不會影響燃料燃盡;應用循環(huán)流化床燃燒方式,熱循環(huán)回路中燃料停留時間充足;熱容較高有效改善著火燃盡條件。

        結合上述分析,海拔盡管對鍋爐燃盡與點火有一定影響,但影響不大,所以在選擇過量空氣系數與燃燒溫度時,無需考慮海拔影響。

        三、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐改造措施

        項目處于查爾汗鹽湖,海拔高達2680m,大氣壓強平均73560Pa,干燥少雨,氣壓低,蒸發(fā)量大、紫外線輻射強,為惡劣高原氣候。應用480t/hCFB鍋爐試運行,其在高負荷工況下,易產生給煤口結焦問題。經過分析后,發(fā)現其主要受到流化風速影響,低氣壓下增強了燃煤揮發(fā),增加燃燒放熱量。

        為此,將床上燃燒風與播煤風改為二次熱風引用,爐底流化風量增加40000m?/h,爐底一次風總風量達到240000m?/h。而流化風速則為4.31m/s,可滿足正常運行需求。并且,在DCS上顯示流化風速,便于人員參考[4]。

        改造風道后增加了爐底一次風量,增大布風板運行阻力。經改造后爐底一次風最大風量為240000m?/h,可滿足鍋爐正常運行需求。

        效果:改造風道后,鍋爐順利試運,在床料添加、清理焦塊及燃煤摻燒天然氣應用方面,節(jié)省眾多人力物力與燃料,為項目生產提供了保障,緩解供熱中心壓力。

        總結:綜上所述,在高海拔地區(qū),受到大氣環(huán)境變化影響,會導致爐內熱量分配及受熱面換熱發(fā)生變化,進而對于鍋爐正常運行造成影響。因此,在設計中應當結合實際情況,從爐膛尺寸、分離器、爐膛受熱傳熱、尾部受熱傳熱、著火與燃盡特性這幾方面出發(fā),加強改進循環(huán)流化床鍋爐,提高其運行可靠性,適應電力部門的發(fā)展,從而滿足我國電力市場需求,為民眾提供充足電力。

        參考文獻:

        [1]鄭東,陳曉平,馬吉亮,劉道銀,梁財.75t/h加壓/常壓富氧燃燒循環(huán)流化床鍋爐方案設計及分析[J].中國電機工程學報,2020,40(13):4226-4236.

        [2]曹勇,周托,那永潔.循環(huán)流化床鍋爐爐膛低氧燃燒加尾部補燃降低NO_x排放的試驗研究[J].鍋爐技術,2019,50(02):35-42.

        [3]張縵,蔡潤夏,姜孝國,呂俊復,高新宇,楊海瑞.660MW高效超超臨界雙爐膛循環(huán)流化床鍋爐的設計開發(fā)[J].動力工程學報,2018,38(05):341-346.

        [4]張建春,顧君蘋,張縵,劉青,楊海瑞,呂俊復.純燃生物質循環(huán)流化床鍋爐設計與運行[J].鍋爐技術,2018,49(01):28-32+64.

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