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能源转换与环境保护——浅谈循环流化床锅

能源转换与环境保护——浅谈循环流化床锅

点击数:7212 次   录入时间:03-04 11:45:20   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘
三、循环流化床锅炉传热和传质
循环流化床锅炉中的传热可以分为炉膛内气固两相物料与受热面(如水冷壁、屏式受热面等)的传热,以及对流烟道中烟气与受热面的传热。循环流化床炉内的传热过程又涉及固体颗粒与固体颗粒,气体与颗粒之间,气体与受热面之间以及固体颗粒与受热面之间的热交换等换热过程。作为运行应用的我们最关心的是循环流化床热介质与水冷壁及过热器等之间的传热。
(1)传热机理简介:在较高气速的作用下,循环流化床床内物料在运动中聚合成许多絮状颗粒团,它们时而变形,时而分解,时而重新组合,同时,还有许多分散的固体颗粒存在。在快速床运行中,炉膛中心核心区是向上快速流动的低颗粒浓度的两相流体,而周围四壁是高浓度固体颗粒缓慢下流的近壁区,这些流动特性对传热均产生很大的影响。循环流化床床内受热面由一层气膜覆盖,受热面直接与气膜进行热交换,同时,颗粒通过与气膜接触,其热量以传导和辐射两种方式传给受热面;与此同时,被气膜隔开的颗粒团与受热面进行着辐射换热。
(2)影响传热的主要因素:
1、床层密度(床层物料浓度)
在快速床中,壁面上悬浮物浓度对于床层与壁面之间的换热影响是最重要的,而壁面上悬浮物浓度与整个床截面的床层密度成正比。因此随着床层密度的增加,传热系数增大,在循环流化床密相区,由于颗粒浓度高,因此其总的传热系数也比稀相区高很多,粒子浓度随着床高而变化,在循环流化床锅炉的运行中,可通过调节一、二次风的比例来控制床内沿床高方向的颗粒浓度分布,进而达到控制温度分布和传热系数以及负荷调节的目的。
2、流化速度
流化风速对传热系数的影响,在快速床中主要通过对床层密度影响从而产生间接影响。比如在保持循环倍率一定时,随着流化风速的增加,床层密度下

降,会引起传热系数下降,在保持床层密度一定时,不同的流化速度下,传热系数的变化很小。
流化速度对传热没有明显的直接影响:这是因为若保持固体颗粒的循环量不变,当流化速度增加时,床内的颗粒浓度就会减小,从而造成传热系数的下降。而与此同时,由于流化速度的增加又会引起传热系数的上升,这两个相反趋势的共同作用使得当床层粒子浓度一定时传热系数在不同流动速度下变化很小。
3、平均粒径
由于小颗粒具有较大的比表面积,因此在同样的床层密度条件下,小颗粒与受热面的接触面积与频率都高于大颗粒。因此随颗粒平均粒径的增加传热系数下降。
4、床温
床温的增加一方面使颗粒团与受热面的辐射换热增强;另一方面温度升高导热系数也会升高,因此循环流化床传热系数随床温的升高而上升。

5、循环倍率
在床层密度不变的情况下,不同的循环倍率意味着不同的颗粒运行速度。研究表明,当循环倍率增加100%时,传热系数的增加只有10%。因此,颗粒循环倍率对循环床传热性能的影响是不明显的。;
四、流化床内颗粒与流体的传质
物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质,亦称质量传递。正如温度差是热量传递的推动力那样,浓度差是质量传递的推动力。流化床内的传质是指流体流过壁面或液体表面时,如果主流与界面间有浓度差,就引起传质。通常流化床内的传质是对流传质。它和热交换中的对流换热相类似。
循环流化床中的传质系数是较高的,它随着气体流速的增大而增大,但随着固体颗粒流速的增大而减小,这主要是由于固体的屏蔽作用所致。随着固体颗粒粒径的增大其交换表面积减小,和传热系数一样,传质系数减小。另外,传质系数在床层入口附近随床高增加而增加,这说明由于颗粒的聚集及强烈混合,大大强化了气固接触,当进一步增加床高时,由于颗粒聚集倾向减弱,故传质系数随床高而减小。
五、煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性
循环流化床锅炉气固两相流动的复杂性以及煤粉炉完全不同的气固两相流动带来循环流化床锅炉燃烧方面与众不同的特点,其燃烧机理极为复杂。但是,传统煤燃烧理论所认为的燃烧的主要因素:即燃烧时间、燃烧温度以及湍流度仍然是循环流化床组织良好燃烧的必要条件。循环流化床物料循环的特点、沿床高(包括旋风分离器)足够高且均匀的温度分布、以及强烈湍流带来的物料强烈掺混,为循环流化床内煤颗粒创造了良好的燃烧环境。
一、 煤的燃烧阶段
给入流化床的煤颗粒将依次经历如下过程:煤干燥与加热,挥发份析出和燃烧,煤颗粒的膨胀和一次爆裂破碎,焦碳燃烧和二次爆裂、磨损。新鲜的煤粒加入流化床后,被加热与干燥的过程是很快的,这主要是由于循环流化床床层内强烈的掺混作用。在鼓泡床运行中由于气泡的运动,破裂,使得颗粒横向掺混非常剧烈。而循环床随着床层流化速度的提高,这一掺混作用还将得到大大的加强,在2~3秒内就可能达到几米宽度的床表面,同时,由于给煤一般由密相区加入,而密相区聚集着大量处于床温的燃烧着的颗粒(及惰性床料),而通常给煤量只占床料量的1~3%,这些灼热床料包围着新鲜的煤粒,使其被加热干燥。在我厂循环流化床中给煤与循环灰一起给入,因此,进到炉膛前煤颗粒就得到了加热。一般煤颗粒在炉膛内的加热率在100℃/S至1000℃/S的范围。
挥发份的析出主要有两个稳定阶段:第一个稳定析出阶段在500~600℃范围内,第二个稳定析出阶段在800~1000℃范围内。析出的挥发份由多种C—H化合物组成,煤种与挥发份的析出有很大的关系,煤的工业分析为挥发份的析出量提供了大致的范围,但挥发份的析出量与成份受许多因素的影响,如:加热速率、初始温度和床温、停留时间、煤的粒度与种类、挥发份析出时的压力等。
焦碳燃烧通常是挥发份析出完成后开始的,有时与上述过程也有重叠。在焦碳的燃烧中,氧气扩散到焦碳表面并反应生成CO和CO2。由于焦碳是多孔颗粒,焦碳表面确切地说并不完全指碳的外表面,还包括其内孔面积,并且这些内孔面积要比焦碳表面积大好几个数量级。
对燃烧过程起决定性作用的因素主要有两个:一个是燃烧反应本身的化学反应速度,在燃料性质一定的条件下,主要受反应所处环境温度的影响,温度越高化学反应速度越快;另一个决定性的因素是燃料所需的氧气的供应。氧气供应主要是指煤颗粒周围氧气到达反应物表面对燃烧反应所需氧气进行补充的速度,如果氧气供应充分,燃烧反应能够得到足够的氧气补充,燃烧反应就进行的剧烈。对氧气的供应起主要作用的是煤颗粒的表面积与环境中氧气的浓度。燃烧过程可分为扩散控制和动力控制,所谓扩散控制,就是指对燃烧反应起决定性的因素是氧气向燃烧颗粒表面的扩散速度,此时氧气一到达反应物表面即进行燃烧反应,氧气的扩散对燃烧反应的快慢起着决定性作用,而温度对反应速度的影响不显著;动力控制反应与此相反,此时燃烧反应所需的氧气供给充分,燃烧反应的速度由化学反应速度即主要由温度控制。
挥发份燃烧过程通常是由挥发份和氧的扩散所控制,对于大颗粒煤(粒径大于1 mm)挥发份析出时间与煤粒在流化床中整体混合所需时间有相同的量级,因此在循环流化床锅炉中,在炉膛顶部有时也能观察到大颗粒团的挥发份火焰,对挥发份析出时间的研究对煤粒在循环流化床内的着火燃烧,尤其是启动点火有着重要的意义。
进入循环流化床的燃料中,有大量粗颗粒存在,经挥发份析出、膨胀和破碎后,仍有大量粒度为0~6mm范围内的焦碳存在,这些颗粒在循环流化床中比鼓泡床高的多的传质速率进行混合燃烧。但由于颗粒粒度较大,燃烧反应的化学反应速率远高于扩散速率,燃烧反应为扩散控制。随着颗粒温度的升高,挥发份析出的增加,颗粒内孔不断增加焦碳颗粒缩小,燃烧反应的反应速率与内部扩散速率逐步相当,但氧在焦碳中的深入深度有限,接近外表面处的小孔消耗掉大部分氧,这种燃烧情形的焦碳粒径为中等粒度。随着燃烧的继续进行,反应进入第三个阶段,此时化学反应速度远低于扩散速率,反应为动力控制。对于多孔焦碳,氧扩散至整个焦碳颗粒,使燃烧在整个焦碳内均匀进行。
在循环流化床锅炉内,煤的燃烧过程伴随着煤颗粒尺寸的逐渐减小,煤颗粒度的减小主要是由于燃烧过程的膨胀,爆裂和颗粒之间以及颗粒与四壁的磨损造成的,煤颗粒燃烧时的膨胀与爆裂主要是由于挥发份的析出与焦碳的燃烧产生的。它们使颗粒的体积膨胀,颗粒的小孔增大、增加,使煤粒的内部结合力下降。这种爆裂产生的颗粒比由于磨损产生的细颗粒碳(一般小于100μm)大一个数量级。磨损是由于颗粒之间以及颗粒与床四壁之间的碰撞和摩擦产生的。在燃烧使碳粒表面的连接力下降后,这种作用得到了加强。细颗粒的形成对煤的燃尽,特别是大颗粒的燃尽是很有利的,它增大了碳颗粒的接触表面。但是,太细的颗粒会逃离旋风分离器,形成固体未完全燃烧损失的一部分。
二、 影响循环流化床燃烧的主要因素
1、 床温
循环流化床床温的选取是从多方面考虑的,850~900℃是最理想的循环流化床运行温度。这主要是出于下述考虑:
、在该温度下灰不会熔化,从而减少了结渣的危险性;
、脱硫反应的最佳温度为850℃左右;
、在该温度下碱金属不会升华,这样就可降低锅炉受热面的结渣;
、燃烧空气中的氮不能大量转化成NO x。
当然,选取这一温度的前提还是需保证煤的燃尽,循环流化床锅炉之所以可以选择比煤粉炉低的多燃烧温度,一方面是因为循环流化床沿床高的温度(甚至包括旋风分离器与返料装置的温度)可以控制的非常均匀。煤在上述整个空间进行燃烧,这就保证了一次通过炉膛的细颗粒和循环燃烧的粗颗粒都能够很好的燃尽;另一方面还因为循环流化床锅炉的床温比较容易维持,不会因为较小温度、浓度造成灭火与停炉。
事实上,如果单从有利于燃烧的角度来讲温度高是有其优点的。因为逃离分离器的细颗粒带来的未燃烧碳损失是由动力反应控制,提高燃烧温度可缩短燃尽时间,从而降低飞灰未完全燃烧热损失。当然,综合上述因素,床温的控制仍然不宜超过950℃。在运行中,应控制床温在变形温度下100~200℃,以防止炉膛结渣。应当看到,将床温控制在850℃左右是其他燃烧方式(如煤粉炉)所无法办到的,这也是循环流化床的一大优点。

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