煤燃燒過(guò)程中顆粒磨耗和顆粒碎灰的實(shí)驗(yàn)研究

煤燃燒過(guò)程中顆粒磨耗和顆粒碎灰的實(shí)驗(yàn)研究

煤顆粒熱解和燃燒過(guò)程相關(guān)研究最可靠的方法是在工業(yè)鍋中進(jìn)行熱態(tài)測(cè)試并收集碳灰粉數(shù)據(jù)。然而，成本高、數(shù)據(jù)采集困難等限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。在循環(huán)煤灰層的煤粒形成過(guò)程中，通常假設(shè)煤炭的破裂和磨損是相互結(jié)合的過(guò)程。在煤熱解和燃燒過(guò)程中，總是存在著磨損和浪費(fèi)這兩個(gè)過(guò)程的影響。根據(jù)對(duì)流暢性條件下的實(shí)驗(yàn)研究，晚秋顆粒的破裂過(guò)程對(duì)初始磨損沒(méi)有影響。晚秋磨損和裂縫最終對(duì)最終磨損的粒度分布有獨(dú)立的影響?；诖耍迦A在靜態(tài)燃燒和冷態(tài)破壞的基礎(chǔ)上進(jìn)行了灰粉試驗(yàn)。(1)將特定煤樣分成6檔,每一檔煤樣在800℃溫度的馬弗爐內(nèi)進(jìn)行燃燒,用靜態(tài)燃燒替代CFB內(nèi)燃燒過(guò)程;(2)將收集的灰樣用振篩機(jī)振篩來(lái)模擬流化床內(nèi)的磨耗過(guò)程.本文主要介紹研究煤種成灰特性的靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩磨耗方法,并通過(guò)對(duì)比振篩磨耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和流化床磨耗數(shù)據(jù)對(duì)此種方法的可靠性進(jìn)行論證.1實(shí)驗(yàn)與研究1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和過(guò)程燃燒系統(tǒng)包括電加熱馬弗爐和爐膛溫控系統(tǒng),通過(guò)熱電偶記錄爐內(nèi)溫度變化.振篩系統(tǒng)包括振篩機(jī)和一系列標(biāo)準(zhǔn)篩,振篩機(jī)由德國(guó)Fristch公司生產(chǎn),振幅和振動(dòng)頻率可調(diào).冷態(tài)流化床床體由透明有機(jī)玻璃管組成,床徑100mm,床高4000mm.床體底部使用孔徑40μm的篩網(wǎng)作布風(fēng)板.攜帶出爐膛的灰粒通過(guò)旋風(fēng)分離器分離,用布袋除塵器捕捉從分離器中逃逸的細(xì)顆粒.實(shí)驗(yàn)設(shè)備的詳細(xì)描述見(jiàn)文獻(xiàn).1.2煤炭特征的分析實(shí)驗(yàn)用的煤種來(lái)自法國(guó)Gardanne250MWCFB電廠.表1給出了煤種的工業(yè)分析和元素分析.1.3實(shí)驗(yàn)方法和步驟煤樣經(jīng)過(guò)振篩實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行燃前篩分,每次實(shí)驗(yàn)將煤樣篩分成6個(gè)篩分檔.表2給出了篩分粒徑及相應(yīng)的煤樣粒徑分布.將煤樣顆粒送入馬弗爐(800℃)充分燃盡,燃盡的時(shí)間取決于煤種和煤樣的粒徑.將得到的灰樣同時(shí)送入振篩實(shí)驗(yàn)臺(tái)和冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行灰樣的磨耗實(shí)驗(yàn),以得到成灰的粒徑分布和顆粒磨耗的規(guī)律.研究目標(biāo)是找出這兩種實(shí)驗(yàn)方法的聯(lián)系,以便得到相對(duì)更為簡(jiǎn)單合理的煤成灰實(shí)驗(yàn)方法.在振篩磨耗實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)測(cè)量不同振篩時(shí)間、不同振幅條件下的灰分粒徑變化來(lái)研究灰顆粒的磨耗速率.冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)中主要研究了流化時(shí)間和流化風(fēng)速對(duì)顆粒磨耗的影響.2結(jié)果與討論2.1穩(wěn)定磨耗階段圖1給出了不同振動(dòng)時(shí)間時(shí)灰顆粒的粒徑分布變化.如圖所示,經(jīng)過(guò)約50min的振篩,各折線間距變得微小而均勻,這表明灰顆粒的磨耗進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)定階段,稱(chēng)此階段為穩(wěn)定磨耗階段.圖2中標(biāo)注為Baseline的線是在振幅3.0mm、振動(dòng)時(shí)間70min時(shí)得到的灰粒粒徑分布,此分布可以近似認(rèn)為是灰粒穩(wěn)定磨耗后期的篩分分布.由圖2所示,振幅越大的數(shù)據(jù)越接近穩(wěn)定磨耗后期的篩分分布.這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)時(shí)選用較大的振幅可以使磨耗過(guò)程更快地進(jìn)入穩(wěn)定磨耗階段.2.2流化速度對(duì)顆粒磨耗速率的影響冷態(tài)流化磨耗實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了流化時(shí)間、流化風(fēng)速對(duì)顆粒磨耗特性的影響.進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證振篩磨耗方法的合理性.同振篩實(shí)驗(yàn)一樣,在流化過(guò)程中顆粒的磨耗過(guò)程同樣有一個(gè)初始的快速衰減階段,如圖3所示.在此階段(大約50min),顆粒減損很快,然后便進(jìn)入一個(gè)減損相對(duì)緩慢的區(qū)域,稱(chēng)這一區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定磨耗區(qū).關(guān)于流化風(fēng)速對(duì)顆粒磨耗的影響,不同的學(xué)者對(duì)此存在不同的看法.Kono等人指出,磨耗速率與流化速度的立方(U3)成線性關(guān)系.可是Vaux等人卻指出,顆粒的磨耗速率與過(guò)余流化速度(U-Umf)成線性關(guān)系.其中最小流化速度Umf定義如下Umf=μgdpρg[(33.7)2+0.0408dpρgμ2g(ρs?ρg)g????????????????????????√?33.7]Umf=μgdpρg[(33.7)2+0.0408dpρgμg2(ρs-ρg)g-33.7](1)對(duì)于顆粒介于1000～2000μm的法國(guó)Gardanne煤種得到的灰顆粒,其最小流化速度為0.8098m·s-1.從圖4和圖5可以看出,磨耗速率與過(guò)余流化速度的線性關(guān)系更好一點(diǎn).盡管從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還無(wú)法得出顆粒磨耗速率和流化速度的具體關(guān)系,但可以確定,流化速度直接反應(yīng)了賦予流化系統(tǒng)的能量激勵(lì)大小,激勵(lì)水平越高,顆粒的磨耗速率也越快.在后文中將用過(guò)余流化速度直接和顆粒的磨耗速率進(jìn)行關(guān)聯(lián),因?yàn)榱骰俣戎苯臃从沉肆骰到y(tǒng)的能量水平.3社會(huì)能量激勵(lì)前期的研究表明,振篩磨耗過(guò)程和流化磨耗過(guò)程具有相似的行為,但后者更接近工業(yè)流化床中的磨耗過(guò)程.影響磨耗過(guò)程的因素除了流化、振篩時(shí)間外還和環(huán)境提供的能量激勵(lì)有關(guān),系統(tǒng)的能量水平直接影響了顆粒的磨耗特性.振篩幅度、過(guò)余流化速度分別反映了振篩系統(tǒng)和流化系統(tǒng)對(duì)固體顆粒的能量激勵(lì).3.1指數(shù)衰減模型擬合參數(shù)由文獻(xiàn)可知,磨耗速率隨時(shí)間下降并趨于一常數(shù),因此定義顆粒磨耗速率如下R=?dmmdtR=-dmmdt(2)式中m是某一時(shí)刻特定粒徑顆粒的質(zhì)量.在下面的分析中選取280μm以上的顆粒為特定粒徑顆粒.圖6和圖7表明,磨耗速率是符合指數(shù)衰減的時(shí)間函數(shù),振篩開(kāi)始階段磨耗速率衰減很快,之后達(dá)到穩(wěn)定值.因此,可以用指數(shù)衰減模型式(3)來(lái)擬合振篩和流化磨耗速率.表3給出了相應(yīng)的擬合參數(shù).R=R∞+ae-bt(3)3.2顆粒磨耗速率和流化磨耗速率常數(shù)之間的關(guān)系如前所述,大多數(shù)磨耗模型都是將顆粒的尺寸或者質(zhì)量變化與輸入該特定系統(tǒng)的能量進(jìn)行關(guān)聯(lián).Merrick和Highley基于Rittinger準(zhǔn)則發(fā)展了一個(gè)磨耗模型,該模型認(rèn)為流化床中灰的磨耗率與過(guò)余流化速度(U-Umf)、磨耗速率常數(shù)kaf成正比Raf=kaf(U-Umf)(4)式中kaf是時(shí)間的函數(shù).對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng),系統(tǒng)的能量水平和系統(tǒng)振幅的平方呈線性關(guān)系,可以用下式來(lái)簡(jiǎn)化顆粒磨耗和振篩系統(tǒng)能量水平的關(guān)系Ras=kasA2(5)式中kas是時(shí)間的函數(shù).圖8和圖9給出了兩種系統(tǒng)中磨耗速率常數(shù)隨時(shí)間的變化率(流化系統(tǒng)中的流化速度、振篩系統(tǒng)中的振幅).由圖可見(jiàn),系統(tǒng)的能量激勵(lì)越大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)磨耗階段所需的時(shí)間越短.在研究顆粒磨耗的層面上使用振篩方法完全可以模擬在流化床內(nèi)進(jìn)行顆粒磨耗實(shí)驗(yàn).在流化系統(tǒng)中系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)來(lái)自流化介質(zhì)向固體顆粒提供的能量,而在振動(dòng)系統(tǒng)中系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)則來(lái)自于機(jī)械振動(dòng)向固體顆粒提供的能量,這兩種激勵(lì)對(duì)于顆粒的磨耗特性影響是一致的.振篩磨耗速率常數(shù)和流化磨耗速率常數(shù)具有相似的衰減規(guī)律,因此可以通過(guò)規(guī)范化處理振篩數(shù)據(jù)找出二者的聯(lián)系.聯(lián)立公式(4)和公式(5),用兩個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)π1、π2通過(guò)下式關(guān)聯(lián)π1kas(π2t)A2=R′as?Raf=kaf(U-Umf)π1kas(π2t)A2/(U-Umf)?kaf圖10給出了規(guī)范化得到的磨耗常數(shù)和流化磨耗常數(shù)間的比較.表4給出了不同振幅與不同流化速度間的轉(zhuǎn)換系數(shù).對(duì)于同一流化速度,振幅越大,其控制時(shí)間的轉(zhuǎn)換系數(shù)π2越大.這說(shuō)明,振幅增大,系統(tǒng)的能量激勵(lì)增大,因此達(dá)到流化速度提供能量激勵(lì)水平的時(shí)間越短.4基于系統(tǒng)能量的磨耗特性(1)冷態(tài)流化床和振篩兩種系統(tǒng)中進(jìn)行煤灰顆粒的磨耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流化和振篩的成灰特性呈現(xiàn)出相似的表現(xiàn)行為.(2)影響磨耗過(guò)程的因素除了流化、振篩時(shí)間外還和環(huán)境提供的能量激勵(lì)有關(guān),系統(tǒng)的能量水平直接影響了顆粒的磨耗特性.(3)在流化系統(tǒng)中系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)來(lái)自流化介質(zhì)向固體顆粒提供的能量,而在振動(dòng)系統(tǒng)中系統(tǒng)對(duì)顆粒的激勵(lì)則來(lái)自于機(jī)械振動(dòng)向固體顆粒提供的能量.這兩種激勵(lì)對(duì)于顆粒的磨耗特性影響是一致的.(4)通過(guò)系統(tǒng)能量概念分別提出了振篩系統(tǒng)和流化系統(tǒng)中的磨耗速率常數(shù).振篩磨耗速率常數(shù)和流化磨耗速率常數(shù)具有相似的指數(shù)衰減規(guī)律,通過(guò)規(guī)范化處理振篩數(shù)據(jù)可以找出二者的聯(lián)系.在今后的成灰特性研究中,可以利用簡(jiǎn)單而可靠的振篩法得到不同煤種的成灰數(shù)據(jù),為物料平衡模型提供初始數(shù)據(jù).煤灰的成灰特性A——振動(dòng)振幅,mma,b——擬合參數(shù)dp——固體顆粒直徑,μmkaf——磨耗速率常數(shù),m-1kas——振篩速率常數(shù),m-2·s-1m——顆粒質(zhì)量,kgR——顆粒磨耗速率,min-1t——時(shí)間,minU——流化氣速,m·s-1Umf——最小流化速度,m·s-1μg——流化氣體動(dòng)力黏度,kg·m-1·s-1ρg——流化氣體密度,kg·m3ρs——固體顆粒密度,kg·m-3流化床鍋爐的最基本特征是有一定量的床料在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán).床料來(lái)自于給煤中的灰和脫硫劑.流化床的運(yùn)行性能主要依賴(lài)于床料的品質(zhì),諸如顆粒粒徑分布、沿爐膛的濃度分布等.物料的循環(huán)率、床料的粒徑分布等參數(shù)對(duì)于流化床的運(yùn)行極其重要,因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懭紵屎兔摿蛐?并決定燃燒室內(nèi)的熱負(fù)荷分布.由于灰在床料中份額達(dá)到90%以上,為了合理地進(jìn)行鍋爐本體和附屬設(shè)備的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)者有必要了解燃煤的成灰特性.給煤顆粒在進(jìn)入CFB鍋爐之后將經(jīng)歷一系列的尺寸變化.在煤粒進(jìn)入爐膛