循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰焦炭燃燒特性研究

1、循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰焦炭燃燒特性研究 摘要：本文建立的數(shù)學(xué)模型是單一的焦炭顆粒燃燒循環(huán)流化床（CFB）鍋爐。在循環(huán)流化床鍋爐的操作條件及其數(shù)值解驗證的一種現(xiàn)象，即炭顆粒飛灰中的碳含量的分布具有與它們的直徑的峰值的性質(zhì)。結(jié)果表明，優(yōu)良的焦炭顆粒的溫度接近的床溫，燒出的時間與它們的直徑的炭顆粒，還存在一個峰值。提出了以提高燃燒的炭顆粒的對策，如所使用的飛灰再循環(huán)和熱旋風(fēng)。 關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床;字符;粉煤灰;燃燒 一、引言 循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)已被廣泛用于在中國，由于其眾多的優(yōu)點，例如，不同的低級燃料燃燒。然而，操作的通用性的問題是，飛灰中的碳含量大大高于一般預(yù)期1，2。在由眾多的CFB鍋爐

2、飛灰取樣分析時，一個特別有趣的現(xiàn)象觀察，炭顆粒飛灰中的碳含量的分布具有與它們的直徑（圖1）的峰值。這表明，有一些炭顆粒具有一定的直徑，這是不容易燒壞循環(huán)流化床鍋爐。這種普遍現(xiàn)象，成為循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計人員關(guān)注的一個關(guān)鍵點。因此，為了提高循環(huán)流化床鍋爐的性能，炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中需要深入研究。到目前為止，許多關(guān)于循環(huán)流化床燃燒的論文已經(jīng)發(fā)表。 Lee等人，設(shè)立一個一維數(shù)學(xué)模型來預(yù)測煤在循環(huán)流化床鍋爐的燃燒行為3。通過實驗蕭研究循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量4， Remiarova等人，還開發(fā)了一種偽穩(wěn)態(tài)假設(shè)下的一個單一的多孔炭顆粒的燃燒模型5。通過碎片，卡洛斯6和張等人，7研究了焦炭顆粒在

3、流化床燃燒特性。然而，這些研究沒有解釋上述現(xiàn)象。因此，飛灰中的炭顆粒的燃燒特性的建模，以找出上述的普遍現(xiàn)象的物理本質(zhì)，并采取措施，以提高燃燒的炭顆粒。 圖1飛灰中的碳含量分布 二、對于char的數(shù)學(xué)模型 粒子燃燒 可以根據(jù)內(nèi)在孔隙反應(yīng)的機制焦炭顆粒燃燒設(shè)置幾種燃燒模型 8，9。模型1單粒子密度不變的核心萎縮模型：這個模型只考慮了表面上的焦炭顆粒，也就是說，碳和氧直接反應(yīng)的主要反應(yīng)，它假定粒子的密度是恒定的，它的直徑在焦炭燃燒中逐漸減小。 這種模式是適合高品位燃料，具有低灰分。型號2-單粒子，直徑恒定的核心萎縮模型：這個模型還認(rèn)為其燃燒過程中形成的主要反應(yīng)和灰殼。通過灰殼的擴散阻力大大影響焦炭燃

4、燒。灰殼的磨損速率可以忽略不計，因為它是遠低于焦炭顆粒的燃燒速度。這種模式是適合高含灰量的低檔燃料。 模型3單粒子，直徑恒定的核心模型考慮輻射傳熱萎縮：2型的基礎(chǔ)上，這種模式需要考慮到輻射粒子和爐壁之間的熱交換。因此，這種模式進一步接近真正的焦炭顆粒燃燒。 在下面的分析中，單個粒子，恒定直徑的芯收縮模型考慮輻射傳熱，也就是模型3的CFB鍋爐，高含灰量的低級燃料燃燒的操作條件的基礎(chǔ)上通過。 采用以下假設(shè)10，11： 1）發(fā)生燃燒反應(yīng)的焦炭顆粒的表面上，將反應(yīng)界面連續(xù)地移動過程中的燃燒顆粒的核心，灰殼形成的核心外，它的直徑是相同的原焦炭顆粒。 2）顆粒流在爐中夾帶的氣體具有一定的滑動速度。 3）燃

5、燒反應(yīng)是一級反應(yīng)過程，沒有顆粒內(nèi)部的溫度梯度，沒有內(nèi)部發(fā)生粒子的固有孔隙度，燃燒反應(yīng)被忽略。 4）式（1）表示，內(nèi)部的氧的擴散阻力體現(xiàn)的是灰殼的電阻。 （1） （1）中， DE：擴散系數(shù)考慮阻力灰殼（平方米/秒） FN：系數(shù) （2） 厚度灰殼（米） D：擴散系數(shù)（平方米/秒） （3） D0：大量氧氣的擴散速率在273K燃氣（平方米/秒） （4） 5）焓焦炭顆粒是由化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量的平衡，顆粒和氣體之間的對流熱傳遞，和之間的顆粒和爐壁的輻射熱交換。 此模型的數(shù)學(xué)描述如下： 熱平衡方程 （5） CO2：氧氣濃度在273K和760毫米汞柱（kg/m3的） CP：焦炭顆粒的比熱容（J /公斤K） K

6、e：有效反應(yīng)速率常數(shù)的值取決于動能和擴散組件（米/秒） （6） DP：顆粒直徑（m） E：活化能（J/摩爾） K0：反應(yīng)頻率因子（M / S） Nu：努塞爾特號 R：通用氣體常數(shù)（J/摩爾K表） QL：產(chǎn)生的熱量（焦耳/公斤） S：具體的焦炭顆粒表面（平方米/公斤） TP：粒子溫度（K） T：時間（s） p: 流換熱系數(shù)（J/m2 K） 化學(xué)當(dāng)量系數(shù) 焦炭顆粒發(fā)射率 Stefan-Boltzmann常數(shù)（W/M2 K4） 輻射系數(shù) 在（5）的左邊項代表焦炭顆粒的焓變，然后在右邊的三個術(shù)語分別代表的化學(xué)反應(yīng)所放出的熱，對流的粒子和氣體之間的熱傳遞，和粒子之間的輻射熱交換和爐墻上。 質(zhì)量守恒方程

7、（7） （7） 粒密度（kg/m3）的。 3）流動的方程 為了簡化分析，焦炭顆粒的附聚被忽略。因此，單個粒子的終端速度的代表之間的氣體和焦炭顆粒的滑動速度。 （8） （9） （8），（9），Vt：終端速度（米/秒） Pg:氣體密度（kg/m3） U:動態(tài)粘度（公斤/ M S） （8）和（9）分別用于雷諾數(shù) Re<500和Re>500。相應(yīng)地， （10） （11） 然后在爐內(nèi)焦炭顆粒的停留時間是： （12） （12）中， VF：表面氣體速度（米/秒） HBED：床的高度（m） 在循環(huán)流化床鍋爐提高回收分離的操作條件，TS焦炭顆粒的停留時間是： （13） 在（13）中的循環(huán)分離器的分離

8、效率， （14） （14）中， D50：切割尺寸（米） m：系數(shù)取決于氣旋 初始條件為： （15） 因此，（1）-（14），連同初始條件（15），形成一個完整的分析模型為一個單獨的粒子在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒。 在本文中，已進行模型計算，在清華大學(xué)的電廠使用的煤種。煤的組成數(shù)據(jù)示于表1。電廠清華大學(xué)，包括燃燒室描述（HBED，D50等），工作條件（VF，T等）和燃料（K0，E等也來自輸入操作參數(shù)（表2） ）。應(yīng)當(dāng)指出的燃料的特性，從燃料得到清華大學(xué)分析中心分析。 表1 煤炭的成分?jǐn)?shù)據(jù) 表2 操作參數(shù) 三、結(jié)果與討論 A.影響焦炭顆粒直徑在其表面溫度 在CFB運行條件下的床層溫度不是很高，因此焦

9、炭顆粒的反應(yīng)速度取決于化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)?；跀?shù)值分析模型，顆粒表面溫度作為兩個char粒徑40_m和400_m分別如圖2所示的燃燒時間的函數(shù)。圖2（a）所示的小粒子的表面溫度快速上升，由于其更少的熱慣性。然后將溫度保持在一個較低的水平，靠近床的溫度，因為灰分少殼阻力，較大的比表面積和較高的周圍的氣體的熱損失。 圖 2（b）表明，較大的一個較小的一個相反。它的表面溫度逐漸上升，并保持在一個高的水平相當(dāng)長的一段時間，然后突然倒下，因為高輻射熱損失較高的表面溫度和低發(fā)熱量釋放化學(xué)反應(yīng)速率。 （a）40微米 （b）400微米 圖2 焦炭顆粒直徑在其表面溫度的影響 B.燒出炭顆粒的時間作為一個功能的初始

10、焦炭顆粒直徑 保持煤的性質(zhì)和操作條件不變的情況下的主數(shù)據(jù)，并利用該模型，燒傷時的炭顆粒作為初始字符粒徑的函數(shù)曲線1所示，圖3。它表明，具有初始顆粒直徑約為40至50_m需要的炭顆粒燒出的時間最長的。該曲線示出了這樣的粒子時，燒出的peak值。這是不同于結(jié)束，燒出的時間炭顆粒粒徑的平方成正比。存在峰值的主要原因如下： 1）將反應(yīng)率的焦炭顆粒在循環(huán)流化床鍋爐的情況下，依賴于化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)，因此，顆粒的溫度是影響燃燒反應(yīng)率的關(guān)鍵因素。鑒于上述討論，它是已知的，更小的顆粒的表面溫度較低，靠近床層溫度。因此，燃燒反應(yīng)速率較低。與此相反，較大的炭顆粒的表面溫度比床的溫度高，因此，較大的炭顆粒的燃燒反應(yīng)速

11、率高于炭顆粒較小。 2）在焦炭顆粒的流動特性，在循環(huán)流化床鍋爐（12）的光，更小的炭顆粒的平均停留時間為短于較大的炭顆粒（圖3曲線2）。因此沒有足夠的停留時間為更小的顆粒，以燒去。然而，截面積（形成曲線1和曲線2）的停留時間比炭顆粒和相應(yīng)的炭顆粒燒盡時間較長將完全燒壞。 圖3倦怠的時間和停留時間的char 焦炭燃燒 C.分離器性能的影響 從式（13），循環(huán)流化床鍋爐的回收，分離器可以使粉煤灰在燃燒器中再循環(huán)，并大大延長其停留時間（圖3曲線3）。燒出的時間長于其中曲線1與曲線3相交的區(qū)域中的停留時間，這是顯而易見的。因此， 在這一地區(qū)的顆粒不容 易燒壞。它是是圖1所示的碳含量的分布。如果分離效率

12、增大，停留時間會更長。因此，交叉區(qū)域變小，并增加了燃燒效率。上述各種原因?qū)е逻@種現(xiàn)象，這是很難的若干更小的炭顆粒在循環(huán)流化床燃燒。了解該燃燒特性最佳燃燒條件的選擇是很重要的。 四、改善對策 細顆粒燃燒 由于一個char粒子的反應(yīng)速率取決于在循環(huán)流化床鍋爐的操作條件下的化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)，顆粒溫度的關(guān)鍵因素影響燃燒反應(yīng)速率。從上面的討論中，它是已知的，細顆粒的停留時間也是影響的關(guān)鍵因素。提高床溫，增加氮氧化物的排放。因此，一種可接受的方式是細顆粒的停留時間延長。 A.增加爐膛高度 該爐的高度應(yīng)確保顆粒燃燒，這是不回收的回收分離器，并通過燃燒器一次。為了得到足夠的停留時間，循環(huán)流化床鍋爐的爐膛高度是

13、作為一般由于其較高的流化速度的流化床高3至4倍。顯然增加了爐的高度的是不是一個合理的方式來延長停留時間。 B.減少流化速度 流化速度的降低細顆粒的停留時間可能會延長。然而，這讓大區(qū)熔爐和對流系數(shù)低。這是必要的安排表面吸收足夠的熱量更多的熱量。因此，這種方法是不經(jīng)濟的。 C.使用飛灰再循環(huán) 它是已知的，在實踐中的的商業(yè)循環(huán)流化床鍋爐被送入粗煤顆粒。其結(jié)果是，存在一個密相區(qū)的燃燒器的底部，這是 主要由粗顆粒。使用飛灰再循環(huán)可能喂飽微粒循環(huán)到燃燒器的底部。大量的循環(huán)在密集的區(qū)域中的細顆粒的存在提高了密相床層的流化作用，因為共gasfine粒子流的動量大于單獨的空氣流。另一方面，粗顆粒阻塞循環(huán) 在密集

14、的區(qū)域中的細顆粒，細顆粒的停留時間增加1秒，相當(dāng)于在爐內(nèi)的高度為4m左右的增加。因此，密集的區(qū)域中的存在是良好的，特別是對細顆粒燃燒顆粒。 D.使用熱旋風(fēng) 大部分顆粒集中在旋流器壁附近的由于離心力，在旋流器中的中心容積留下很少的微粒。內(nèi)部的旋流器旋流引起的強湍流和渦流，混合得到提高，從而導(dǎo)致細碳顆粒和CO的提高燃燒時的熱旋風(fēng)溫度為約850_。許多論文報道的CO減少的氣 - 固懸浮液中后，通過熱旋風(fēng)。從燃燒的角度來看，熱旋風(fēng)是有效的第二階段在循環(huán)流化床鍋爐中的燃燒器，它可以幫助來解決問題的不完全燃燒和CO排放高。使用這些龐大和昂貴的熱氣旋的限制的問題由于使用大量的耐火材料鍋爐的啟動和關(guān)閉速度。目

15、前正在開發(fā)的水冷的熱旋風(fēng)可以克服這些問題，并 代表未來發(fā)展的趨勢。 五，結(jié)論 1）在循環(huán)流化床鍋爐的工作條件下，細炭顆粒具有較低的表面溫度，靠近床的溫度。 2）曲線的炭顆粒燒出的時間與他們的直徑有一個峰值。直徑40至50 微米是最不易燃燒的炭顆粒。 3）部分應(yīng)采取措施，以改善燃燒的微粒，如所使用的飛灰再循環(huán)，熱旋風(fēng)。 參考文獻 1 J. H. Yang, H. R. Yang and G.X. Yue, “Combustion test by changing bed inventory on circulating fluidized bed boiler”, Journal of Powe

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