（工程热物理专业论文）循环流化床多联供冷态试验研究.pdf

摘要 摘要 在本论文的课题工作中设计搭建了一个循环流化床与移动床相结合的循环 流化床多联供冷态试验台。循环流化床的提升管直径为4 0 0 m m 、高度为6 m ，移 动床的直径为4 7 6 m m 、高度为2 m 。对这个循环流化床多联供系统的冷态物料流 动特性进行了试验研究，验证并完善了这个循环流化床多联供系统。 在不同工况下进行了循环流化床多联供负荷调节试验，验证了气动分配阀的 负荷调节性能。循环流化床多联供系统在正常运行中可以实现气动分配阀的关闭 和开启；气动分配阀调节性能满足循环流化床多联供负荷调节要求；气动分配阀 在合理调节充气量正常运行时可以保证气密性要求。 用来模拟大粒径煤粒的大颗粒在移动床中随循环物料向下移动并能顺利通 过底部的返料器。大颗粒流率、循环物料流率和流化风量的大小共同影响着大颗 粒返料。 根据试验结果对试验台进行了改造，并分析了总固体颗粒循环量对循环流化 床多联供系统的影响。 对循环流化床多联供系统的循环回路压力平衡、气动分配阀负荷调节性能、 移动床的设计等关键技术做了进一步的分析讨论。 关键词：循环流化床；多联供；移动床；气动分配阀 a b s t r a c t a b s t r a c t w a n g w e i m n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn av o n g j i e ac o l dm o d e lo fac i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dm u l t i g e n e r a t i o ns y s t e mi sb u i l t i t c o n s i s t so fa c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e do f4 0 0 m m i nd i a m e t e ra n d6 0 0 0 r a mi nh e i g h t a n dac o m b i n e dm o v i n gb e do f4 7 6 m mi nd i a m e t e ra n d2 0 0 0 m mi nh e i g h t a p n e u m a t i cd i s t r i b u t i o nv a l v ei su s e dt oa d j u s tc i r c u l a t i n ga s hf l o w sb e t w e e nt h et w o b e d s e x p e r i m e n t sm a i n l y o nt h e p n e u m a t i c d i s t r i b u t i o nv a l v ea n d l a r g ep a r t i c l e sf l o w f r o mt h em o v i n gb e dt ot h el i f to ft h ec f ba r em a d ea n dt h er e s u l t sa r ed e s c r i b e di n t h ep a p e n e x p e r i m e n t s o nt h e l o a d a d j u s t m e n t o ft h e c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d m u l t i g e n e r a t i o ns y s t e m a r ec o n d u c t e dt r a d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e p n e u m a t i c d i s t r i b u t i o nv a l v eh a s g o o d l o a d a d j u s t m e n tc a p a b i l i t y t h i sf e a t u r ee n s u r e ss t a b l eo p e r a t i o no ft h ec i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d m u l t i g e n e r a t i o ns y s t e ma tf u l lo rp a r t i a ll o a d sw h e nt h em o v i n gb e d g a s i f i e ri so p e r a t e do ri si ns t a n d b ym o d e t h ep n e u m a t i cd i s t r i b u t i o nv a l v ec a nb e u s e da sg a s s e a l i n gd e v i c eb e t w e e nt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e da n d t h em o v i n gb e d l a r g ep a r t i c l e sf r o mm o v i n gb e dc o a le n t e rt h el i f to ft h ec f bs u c c e s s f u l l y t h r o u g hl o o p s e a lr e c y c l ed e v i c e t h ee f f e c t o fl a r g e p a r t i c l e sf l o w r a t e ，s o l i d s c i r c u l a t i n g f l o w r a t ea n da i rf l o wf i u i d i z a t i o n v e l o c i t y o nl a r g e p a r t i c l e sr e c y c l e p r o p e r t ya r ea n a l y z e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dm u l t i g e n e r a t i o ns y s t e mi sm o d i f e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa f t e rm o d i f i c a t i o ns h o wt h a ts o l i d s c i r c u l a t i n g f l o w r a t ei sc r u c i a lf o rs t a b l e o p e r a t i o no f t h es y s t e m 0 nt h eb a s i so ft h ee x p e d m e n t s s o m ef e a t u r e so f t h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d m u l t i - g e n e r a t i o ns y s t e ms u c ha sp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h ec i r c u l a t i n g s y s t e m ， l o a d a d j u s t m e n to f t h ep n e u m a t i cd i s t r i b u t i o nv a l v ea n dt h ed e s i g nm e t h o d o f g a s i f i e r a r ed i s c u s s e d i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e d b e d ，m u l t i g e n e r a t i o n ，m o v i n gb e d ，p n e u m a t i c d i s t r i b u t i o nv a l v e i i i 符号表 英文字母： 符号表 入口高度 管道横截面积 布风板面积 气化炉横截面积 入口宽度 颗粒直径 风帽孔径 旋风分离器简体直径 排气管直径 气化炉内径 重力加速度 固体颗粒循环量 固体颗粒循环流率 旋风分离器总高 管壁标定距离 排气管插入深度 气化炉高度 实际立管长度 立管最小高度 m m 。 m m 。 m m m m m m 耐 k 尽洳 k g ( m 2 s ) m m m m m m 日 正 4 4 6 嘭碡 风 风 聩 g 锦 g 矗 h 趣 坼 工 符号表 希腊字母 “ y 8 u a p 占 s 棚， 立管料封高度 流化数 风帽孔数 气体风量 最小充气量 时间 临界流化风速 小孔风速 气体的表观速度 固体颗粒在管道中的表观运动速度 旋风分离器入口气体速度 旋风分离器出口气体速度 布风板开孔率 旋风分离器入口高宽比 固体颗粒的堆积密度 粉粒体的重度 气体与颗粒之间的表观速度 a u 2 u i u s 压降 空隙率 临界空隙率 v m ， ， 拥 o 。 眺 觚 觚 桃 觚 眺 ， 0 m m 9 鳊 ， ： u k 。 n n 蚍 跏 以 ， 龇 啪 帆 符号裹 p | p p 咖， 气体的动力粘度 颗粒密度 固体颗粒的形状系数 ( k g 。s ) m 2 k g m 3 第一章前言 第一章前言 1 1 循环流化床锅炉燃烧技术及其发展 我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家，煤炭占总能源消耗的7 5 左右，大大超过了2 7 的世界平均水平，尽管随着新能源的开发利用，能源结构 会有所改变，但煤炭消费仍会占据能源消费主导地位并且在相当长的一段时问内 不会有很大变化。在一次能源中，煤炭的生产和利用造成的环境污染是最严重的， 为了保证国民经济的可持续发展，必须提高煤炭的利用率，减少燃煤对大气的污 染，发展洁净煤技术已成为中国今后一个时期的战略主攻方向f 1 ，。 洁净煤技术涵盖了从煤炭开采到利用的全过程，是煤炭开发和利用宗旨在减 少污染和提高利用效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。我 国煤炭开采和利用的特点决定了我国洁诤煤技术领域与国外洁净煤技术领域有 所不同，中国洁净煤技术是以煤炭洗选为源头、以煤炭气化为先导、以煤炭洁净 燃烧和发电为核心的技术体系。煤炭液化、煤炭气化联产、烟气脱硫技术和低 n o x 燃烧技术列为国家洁净煤技术发展的重点。 循环流化床燃烧技术基本成熟，在保证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物 排放，可以满足目前世界上最严格的环保标准。在当前及今后较长的时间内，循 环流化床燃煤技术将是清洁煤利用技术的主要形式和发展重点。 循环流化床锅炉大量的固体颗粒的循环，以及更为合理的热量释放分布使沿 床高温度分布趋于均匀，不再需要在密相区设置埋管。而且循环流化床采用了将 炉膛逸出的固体颗粒收集并再循环的措施，床内强烈的气固混合提高了燃烧效率 和脱硫剂的利用效率。循环流化床具有较高的燃烧强度，并且由于稀相区的固体 浓度比鼓泡床得到了提高，大大增强了稀相区受热面的传热系数，提高了燃烧室 的使用效率，因此更易于大型化。 循环流化床多联供冷态试验研究 总结起来，循环流化床锅炉具有以下优点： ( 1 ) 燃料适应性广，能够燃烧高灰分、低挥发分等劣质煤。 ( 2 ) 采用分级送风和低温燃烧，可有效降低n o 。排放。 ( 3 ) 炉内直接添加石灰石可以实现高效、低成本脱硫。 ( 4 ) 负荷调节范围大。 ( 5 ) 灰渣易于综合利用。 因此循环流化床燃烧技术是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一。 大型化是当前循环流化床锅炉的主要发展方向。迄今，美国的f o s t e r w h e e l e r 、芬兰的a h l s t r o m ( 己并入f w ) 、德国的l u r g i 和e v t 、奥地利的a e e 、 法国的a l s t h o m 以及a b b c e 等公司都能提供商品化的全套大型( 功率1 0 0 m w 以上) 循环流化床发电设备。 我国于2 0 世纪8 0 年代中期开始投入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研 究开发，虽然起步较晚，但进步很快。目前，国产蒸发量2 2 0 t h 及以下容量的循 环流化床锅炉已经在国内大面积工业推广，实现了商品化。采用中国科学院工程 热物理研究所技术的2 2 0 t h 等级的循环流化床约有6 0 台，其中7 台已经投入运 行。2 0 0 4 年1 2 月中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台采用蜗壳式汽冷 旋风分离技术的2 2 0 j h 高温高压循环流化床锅炉通过新产品技术鉴定，具有自主 知识产权，填补了国内空白，居国内同类产品的领先水平。国产4 1 0 t h 的循环流 化床锅炉已开始投入商业运行。引进设备和技术的3 0 0 m w e 循环流化床锅炉的 工作已经开展，同时，拥有自主知识产权的国产技术2 0 0 m w e 循环流化床锅炉 示范工程也正在积极策划之中。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之 一，发展商效、清洁的循环流化床锅炉，具有长远的战略意义【2 】。 第一章前言 1 2 循环流化床三联产技术及其发展现状 煤炭气化是将煤炭转化为煤气的技术，是洁净、高效利用煤炭的基础技术和 关键技术。它可以生产合成气，生产合成氨、烯烃等化工产品，也可以生产液体 燃料，如甲醇、e t 合成燃料、二甲醚等，还可以生产燃料气用于供电和发热( 如 通过i g c c ) 及城市煤气等。以煤气化技术为源头的技术系统最终可以做到空气 污染物忽略不计，净c 0 2 排放接近零。因此，结合我国国情，以煤气化为基础 的煤炭转化和深加工的多联产技术路线应作为发展我国洁净煤技术的基本路线 【3 1 目前的煤气化技术常将煤视为性质单一的物质，并力图通过单一过程将其全 部转化，但实际上煤是含有多种杂质的有机混合矿物，其不同组分在化学反应性 上差别很大，因而煤中低活性组分反应决定了煤气化过程必须采用高温、高压和 长停留时间。将煤气化过程近似用化学反应控制的缩核模型计算表明，煤全部气 化所需时间是碳转化率达到9 0 所需时间的两倍。另外，为了得到中热值煤气， 常采用细粉给料、纯氧鼓风等措施。这样就使得现行的煤气化装置投资成本较高， 另外还要受煤种的限制，无法为广大中小城市所接受。若根据煤的不同组分和不 同反应阶段反应性各异的特点，实施煤热解、气化、燃烧的分级转化，则可使煤 炭的气化技术简化、成本降低，从而用经济的方法解决煤中污染物的脱除问题 1 4 1 1 5 1 。 挥发分是煤组成中最活跃的组分，通常在较低的温度下析出，同时挥发分也 是煤中较容易利用的组分。以煤热解为基础的多联产技术针对这个特点，将煤加 入热解气化炉，经热裂解析出挥发分，产生的热解气可以作为工业用气和民用煤 气，热解煤气和焦油也可以通过进一步的工艺从中获得苯、萘、蒽、菲及目前尚 无法人工合成的多种稠环芳香烃类化合物及杂环化合物。热解产生的半焦可直接 送到燃烧炉中，作为燃料燃烧产生蒸汽，用于发电或供热【6 】。 目前主要发展的以煤热解为基础的多联供技术是热载体热解技术与循环流 循环流化床多联供冷态试验研究 化床燃烧技术相结合的多联供系统【“，在循环流化床锅炉蒸汽系统中，依附一个 用锅炉循环热灰作热载体的干馏煤气系统，并与发电系统综合成一个既能供热又 能供电和煤气的复合系统，便是热、电、煤气多联供系统嗍。 循环流化床多联供系统的特点是利用循环流化床锅炉的高温循环扶对煤进 行炉前于馏，产出煤气和焦油，气化炉中排出的循环狄和产生的半焦返回锅炉炉 膛继续燃烧产生蒸汽，用于发电或供热。从循环流化床燃烧炉中排出的灰渣可以 综合利用。循环流化床多联供系统集煤热解、气化和燃烧分级转化于一体，同时 产生热、电和煤气，方案结构简单，不需要特殊的制氧设备，而且运行费用较低， 特别适合于中小城镇和工厂【6 】【9 j 。 循环流化床多联供系统与传统煤气化技术相比，有以下特点【6 j ： 1 获得热值较高的热解煤气，且c o 含量较低，经简单净化处理即可以作为 城市煤气。 2 不追求热解气化炉的煤气转化率，且产生的半焦直接作为循环流化床燃烧 炉的燃料燃烧利用，对煤种要求较低，一般挥发分含量较高的烟煤和褐煤均可以。 3 由于把热解气化与半焦燃烧有机集成，半焦可以直接送入燃烧炉燃烧利 用，热解煤气中所含焦油既可以作为副产品，也可作为燃料送入燃烧炉燃烧，所 以系统的煤炭利用率得到很大的提高。 4 将热解和循环流化床燃烧炉相集成，在气化炉中主要获取煤中较易析出的 挥发分，不追求很高的转化率，而半焦被送入目前已很成熟的循环流化床燃烧炉 直接以燃烧方式利用，所以系统工艺简单，运行参数要求低，设备投资低，运行 费用也较低。 5 t 将煤的热解工艺和半焦燃烧相集成，在同一个系统中产生高热值的热解煤 气、蒸汽、电力及其他产品，从而实现在一个系统中同时向城镇供给煤气、蒸汽 4 第一章前言 及电力。 6 煤炭中硫、氮等污染源绝大部分在煤的热解过程中以h 2 s 、n h 3 形式析出， 与直接燃烧产生的烟气中的s 0 2 、n o 。等相比，脱除煤气中的h 2 s 、n h 3 要容易 的多。 对于热、电、煤气“三联产”技术。国内已经进行了多年的研究开发。国家 为了支持和鼓励“三联产”技术的开发，将之列入国家“八五”、“九五”科技攻 关课题，并在1 9 9 7 年颁发的中华人民共和国节约能源法中，将热、电、煤 气一r 三联产”技术列为国家鼓励发展的通用节能技术之- - 4 】【9 【1 0 】【1 l 】。根据气化反 应装置的不同，该技术目前主要有以流化床煤热解为基础和以移动床热解为基础 的热电气多联产技术。 北京动力经济研究所是国内较早进行“三联产”工艺研究的单位之一【妇l _ ”】。 该单位与济南锅炉厂合作完成的“三联产7 工艺小型热态试验课题”，是国家“八 “”重点科技攻关计划的一部分【】。上述两单位搭建的热态试验台如图1 1 ，该 试验台规模为每小时处理原煤1 5 0 k g ，流化床循环倍率约为9 7 。通过热态试验， 证明了工艺的煤种适应性较广。工艺所产煤气的质量较好，热值大于 1 5 8 4 4 k j n m ，c o 含量达到8 以下，干馏工艺的热效率达7 5 以上。干馏工 艺所产生轻质焦油的流动性较好，易于今后送回炉膛燃烧”4 1 。 循环流化床多联供冷态试验研究 图1 1 北京动力经济研究所“三联产”热态试验台系统图【4 】 1 燃烧筒2 燃烧筒煤斗3 _ 络煤机4 一次风机5 冷渣管6 燃烧筒返料器7 燃烧简返料管8 干馏器热灰管9 燃烧筒分离器l o 一级烟气冷却器11 二级烟气冷却器1 2 抽烟机1 3 烟囱 1 4 干燥器引风机1 5 干燥器分离器1 6 干燥器1 7 ，干燥器煤斗1 8 干燥器给煤机1 9 干煤斗 2 0 干燥器送料器2 1 干馏器2 2 观察孔2 3 焦渣返送管2 4 返料器2 5 输送风机2 6 干燥器分 离器2 7 水封2 8 煤气冷却器2 9 壕 气风机3 0 火炬 根据小型热态试验结果，上述两单位提出了工业性试验方案，其原则性系统 图见图1 - 2 。该系统设计依据为设计煤种在热态试验台上的试验数据。锅炉额定 蒸发量为3 5 t h ，设计煤气产率为9 8 8 n m 3 h ( 煤) ，煤气热值预计为4 0 3 2 5 k c a l n m 3 ， 煤气c o 含量为8 9 。该方案与热态试验的最主要区别是取消了煤干燥系统。 此方案分别进行了锅炉能量平衡和物料平衡的计算 1 4 】。 第一章前言 一 图1 - 2 北京动力经济研究所工业性试验方案系统图嘲 1 炉膛2 分离器3 干馏器4 锅炉给煤机5 干馏器给煤机6 热灰输送机 7 于馏器外置旋风子8 返料风机9 返料管 该方案的主要系统设计说明：( 1 ) 热灰输送系统。热灰由循环流化床中的 分离器料腿处分流，经热灰输送绞龙送至干馏器。( 2 ) 半焦输送系统。半焦及 热灰在干馏器下方分两路进入半焦输送绞龙，并被送至风力输送管道，再被喷入 炉膛内燃烧。( 3 ) 于馏器给煤系统。原煤经皮带输送机从一次煤仓送到二次煤 仓，再经绞龙给煤机送入干馏器。( 4 ) 干馏器本体。干馏时间接8 m i n 设计，千 馏器巾煤灰比1 ：8 。热灰入口位于干馏器的中部，给煤入口在干馏器上部中央， 煤气出口在上部侧面。干馏器为移动床式，煤与灰的混合依靠散落自然混合i ”1 。 此方案未见后续报道。该方案对干馏器结构进行了特殊设计，考虑了相关机 械手段来强化混合与煤气的析出，但其抗磨损及耐高温性能也是需要解决的问 题。 中国科学院工程热物理所从2 0 世纪9 0 年代初开始对循环流化床多联供技术 循环流化床多联供冷态试验研完 的研究工作” 1 1 7 1 。中国科学院工程热物理研究所建立了给煤量为5 0 k g h 的循环 流化床多联供热态试验台，浚试验台由循环流化床燃烧室，循环流化床热解室和 循环物料输送系统等组成，如图1 3 所示。热解室采用循环煤气做流化介质，工 作温度为7 0 0 8 0 09 c ，煤热解的热量由高温循环物料提供。煤给入热解室，在 热解室内发生快速热解析出挥发分。热解室产生的煤气经净化、降温后，一部分 作为产品输出，一部分重新进入热解室作为流化介质。同时生成的半焦随循环物 料进入燃烧室燃烧。燃烧室工作温度为8 5 0 9 5 0 。 图1 3 中国科学院工程热物理研究所循环流化床煤热解碳燃烧装置示意图1 0 l 、【1 1 1 通过热态试验，试验装置可以稳定、安全地生产出基本符合要求的城市煤气， 证明了该工艺的可行性。该工艺特点一是热解室采用循环流化床工作方式，延长 了细颗粒在炉内的停留时间，同时热灰和煤掺混强烈，可提高热解室内的温度均 匀性，从而有利于提高煤气产率和煤种适应性。特点二是热解室采用循环煤气作 为流化介质，使高温物料和原煤混合更加均匀，克服了水蒸汽作流化介质所生成 的煤气热值偏低，c o 含量偏高等缺点。但采用煤气作循环流化气体有一个缺点， 第一章前言 就是将净化干净的煤气再循环会加重煤气净化系统的负担，并且损失一部分粗煤 气中所带走的显热。 清华大学是国内较早进行“三联产”工艺研究的单位之一 1 8 】一【2 l j ，其三 联产”工艺小型热态试验项目，也是国家“八五”重点科技攻关计划的一部分。 清华大学搭建的小型试验台系统图见图1 - 4 ，它主要由循环流化床燃烧室、高温 卧式旋风分离器、流化床热解室、循环物料送料阀及回料阀等部分组成，干馏器 的最大处理煤的能力为1 5 0 k g h 。试验在可控条件下所产煤气能满足民用要求( 试 验煤种产气热值为1 3 9 1 3 k j , n m 3 ) 。该方案应用了过热蒸汽( 4 5 04 c ) 作为流化 介质来强化传热传质过程。但从技术经济角度上说，这个方案带来了额外的热损 失，必然会影响系统的经济性【1 4 l 。清华大学热能工程系已与北京锅炉厂联合开发 出蒸汽产量为3 5 t h 的多联产系统，也准备与郑州锅炉厂、江西锅炉厂和天津锅 炉厂共同开发1 0 t h 和2 0 t h 多联产系统 2 l 】。 图1 - 4 清华大学热态试验台系统图1 2 1 j 1 燃烧室2 分离器3 送料阀4 ，气化室5 回料阀6 燃烧室给煤机7 气化室给煤机8 扁压头 风机9 一级冷却器1 0 _ 二级冷却器1 1 储气罐1 2 冷却水箱1 3 送风机1 4 引风机1 5 过热 器 循环流化床多联供冷态试验研究 利用循环流化床锅炉热灰对煤进行干馏，在国际上已较早得到了重视，在俄 罗斯，这样的系统已运行了若干年。俄罗斯的“三联产”系统见图1 - 5 。原煤经 二燥器和干燥分离器后进入混合器，循环床热灰也由灰分离器进入其中。二者在 分离器中被绞龙送进回转子4 中，回转子相当于干馏器。运行中，回转子靠自身 的旋转来解决煤灰的混合问题。煤灰混合物从回转子出来后进入煤气分离器，被 分离出来的煤气进入煤气处理系统，混合物料将进一步被绞龙输送到锅炉中进行 燃烧。该方案中的系统也有绞龙输送热灰系统，同样存在焦油的析出及处理、回 转子两端的密封等问题f 闱。 五 吸 只 机 图1 5 俄罗斯的三联产实际投运图【1 4 】 1 干燥器2 干燥器分离器3 混合器4 回转子5 煤气发生器6 锅炉7 分离送料器8 螺旋输 送机 浙江大学热能工程研究所提出了循环流化床热、电、气三联产工艺1 2 2 】_ 【3 0 1 ， 已完成了基础试验和小型装置热态试验研究。浙江大学三联产工艺主要特点：气 化室为常压流化床，采用自供蒸汽和再循环煤气气化，产生煤气主要由干馏气 和部分水煤气组成，煤气热值较高，可达1 2 1 4 m j m 3 ( 标准状态) 以上，c o 含量低。而且流化床气化由于加热速度快，于馏时间可大大缩短仅为l 2 m i n ， 故流化床气化炉反应容积要比固定床小。气化后半焦直接用作锅炉燃料，送燃烧 1 0 第一章前言 室燃尽。 薰 童生 图1 - 6 浙江大学1 m w 三联产试验台【2 6 1 【 1 m w 热念试验装置见图1 - 6 ，气化室为圆形，下部直径为m 3 5 0 m m ，高l m ， 上部稀相区为0 5 0 0 n u n ，高2 m ，运行温度为7 5 0 8 0 0 ，采用再循环煤气鼓风， 燃料经螺旋给料机给入。燃烧室为圆形，下部密相区为0 2 7 0 r n m ，高1 2 m ，上 部为d 0 3 5 0 m m ，高4 8 m 。两段之间布有二次风，采用空气鼓风，燃料经风控l o o p s e a l 返料器送入的气化半焦。燃烧室运行温度为9 0 0 9 5 0 。c 。在燃烧室出口， 布置两个高温旋风分离器，分离后的高温物料经煤气鼓风的j 阀返入气化室中， 气化室产生粗煤气经旋风分离器除尘，煤气冷却器冷却，洗涤塔洗涤、过滤后， 变成净煤气由煤气泵送入煤气罐。燃烧室、烟气冷却器、煤气冷却器产生的蒸汽 小部分送回气化室供气化密封蒸汽用，大部分则外供。浙江大学、无锡锅炉厂、 扬中长旺热电厂台作设计了7 5 t h 热电气三联产示范装置，结构图见图1 7 。主要 循环流化床多联供冷态试验研究 参数如r ：蒸汽量7 5 t h 、蒸汽压力3 8 2 m p a 、过热蒸汽温度4 5 0 。c 、煤气产量 3 5 0 0 m 3 h ( 标准状态) 、煤气热值1 2 1 4 m j m 3 ( 标准状态) 、燃烧炉高2 0 0 3 m 、 燃烧炉截面2 4 5 m 2 4 5 m 、气化炉高1 5 m 、气化炉直径2 5 m 2 5 】- 【30 1 。 图1 71 2 m w 热电气多联产装置结构图 1 - 7 1 内蒙赤峰富龙热电厂在广西梧州锅炉厂制造的7 5 1 h 循环流化床锅炉上进行 了热、电、气三联产工业性试验p ”。其三联产原理图见图l 一8 。旋风分离器前侧 回料系统中设有上、下两个u 型阀。三联产装置的气化炉配置在分离器前，旋 风分离器捕集的循环灰经给料腿进入集驮箱，然后两路进入气化炉或经回料阀进 第一章前言 入炉膛，当不产生煤气时，则物料直接经集灰箱进入回料阀送入炉膛，该炉与常 规循环流化床锅炉运行相同。当生产煤气时关闭直接进入炉膛的物料回路，使物 料进入气化炉，煤首先经过气化炉与旋风分离器分离f 来的热灰载体混合，将煤 加热干馏，把煤中挥发成分分离出来经过进一步处理后作为民用煤气，产生的半 焦与部分原煤送入流化床中迸一步燃烧。 攥 图1 - 8 赤峰富龙热电厂三联产原理图【3 l 】 1 3 论文背景及工作任务 循环流化床锅炉热、电、气多联供装置的关键技术是物料循环系统、返料和 气体密封、气化炉的设计和多联供装置负荷调节。 物料能否顺利加入系统、完成反应后能否顺利返回炉膛，关系到循环流化床 多联供系统能否平稳运转。同时要保证燃烧室和气化室间有足够的循环物料来提 供气化热源。 传统的机械阀由于依赖于机械驱动和通常都包含移动部件，所以在实际工业 过程的高温和高压环境下，易造成具有机械驱动部件的机械阀卡塞、变形、磨损 循环流化床多联供冷态试验研究 以及烧蚀，同时又存在高温密封问题。和机械阖楣比，气控返料器在高温高压工 作条件下具有运行可靠，返料量大等特点3 2 1 ，但要有良好的密封性防止两炉间的 气体窜通，并能完成负荷调节“。所以设计一种性能可靠的气动分配阀是实现循 环流化床多联供系统正常运行的关键之一。 当气化炉是移动床时，一方面要考虑大颗粒与循环灰在移动床气化炉中的掺 混；另一方面由于通过气化炉返料器的颗粒为大颗粒和循环灰的混合物，而返料 器的设计和运行受颗粒特性的影响【3 4 l 。【3 6 1 ，所以需要研究大颗粒和循环灰的混合 物在返料器的返料特性。而相关的公开报告很少，因此需要对循环流化床多联供 物料流动系统进行进一步的研究。 中国科学院工程热物理研究所受广东省韶关市坪石发电厂有限公司( b 厂) 的委托，合作开发多联供系统，首先进行循环流化床多联供物料流动系统冷态试 验。 本文的主要工作任务有： 1 建设循环流化床热、电、气多联供冷态固体物料流动试验系统，试验尺 度与实际装置具有可比性，实现正常运转。 2 。通过冷态实验考察其性能，并进行改进。 3 通过调节参数和优化结构实现最佳的流动系统，进行循环流化床多联供 负荷调节试验、大颗粒与循环灰掺混及返料特性试验。 4 为循环流化床热电气多联供热态试验台的建立和工程设计提供基础数据 和指导。 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 2 1 循环流化床多联供冷态试验台总体结构 根据项目要求，于2 0 0 4 年4 月建成了循环流化床热、电、气多联供冷态试 验台，命名代码为c f b g 4 0 0 。试验台的本体由提升管、旋风分离器、气动分配 阀、料腿、气化炉、返料器等组成，见图2 1 。提升管直径为m 4 0 0 m m ，高6 0 0 0 m m 。 提升管、旋风分离器用厚度为3 m m 的冷轧钢板制造，气动分配阀、返料器、气 化炉、料腿均为有机玻璃制成，便于观察和拍摄试验物料的运行情况。为了使试 验台与实际装置具有可比性，主要管道直径为2 0 0 m m 。 在c f b g 4 0 0 试验台中试验物料有两个循环回路。回路一：提升管寸旋风分 离器斗气动分配阀斗料腿j 提升管；回路二：提升管斗旋风分离器斗气动分配阀 一气化炉斗返料器j 提升管。 整个系统为一封闭系统。在试验中，控制床内主要部分( 提升管、旋风分离 器内) 处于负压状态，可以防止颗粒泄漏。 系统风源由已有的三台风机提供。风机的额定出力为5 0 0 0 m 3 h ，最大出力 约为7 0 0 0 m 3 h 。通过调整风机出力能使布风板截面处的风速在3 6 1 1 1 s 之问变 动。进出口风道安装自制简易闸板阀，以控制空气流量，同时隔开与其他共用气 源的实验台相互影响。 距地面高度4 4 7 0 m m 处设试验平台，以便于加料、测量和其它操作。气化炉、 气动分配阀和返料器用支架支撑。 c f b g 4 0 0 试验台外观如照片2 - 1 。 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 3 图2 - 1 循环流化床多联供冷态试验台简图 1 引风机2 一次风机3 鼓风机4 提升管5 旋风分离器6 气动分配阀7 气化炉 8 返料器 1 6 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 照片2 - 1 试验台外观 1 7 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 2 2 循环流化床多联供冷态试验台测量系统 根据试验要求，需要测量的参数包括：鼓风机总风量、提升管内、气动分配 阀内、返料器内各处的压力( 压差) 、各吹气1 3 ( 如气动分配阀、返料器) 的风 量。试验台测量系统基本结构和压力、流量测点如图2 2 所示，以下分别加以介 绍。 图2 - 2 试验台测量系统图 1 引风机2 一次风机3 鼓风机4 提升管5 旋风分离器6 气动分配阀7 气化炉 8 返料器 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 压力测点共有1 2 个，其中提升管沿高度分布三个测点( 测点高度如图所示) 测量提升管密相区、稀相区压降；旋风分离器出口一个测点，测量旋风分离器压 降；气动分配阀进口、出l 、水平孔l _ _ _ | 都布有测点，测量气动分配阀压力变化； 返料器进口、出口、水平孔i ：j 布测点，测量返料器压力变化。流量谴共有7 个， 分别记录鼓风机总风量、气动分配阀各风量、返料器各风量。 试验台各处压力( 压降) 的测量使用u 形压力计测量，可根据需要测量各 处的压力或两点之削的压差值。绝对压力可用于控制床内压力，调整风机与阀门 丌度；压差值可以表示部件的压降特性，床层压差还可用于计算床层的浓度( 空 隙率) 。 2 1 。 各吹气口的风量测量采用流量计测量并由计算机采集记录，编号和型号见表 表2 - 1 流量计的编号和型号 崖里苤塞茎塑当鳖煎墨量猩丞塞亟隧塞缝箍 l 鼓风机总风量q 70 1 9 0 0 0 m 弧l # ：a 9 9 # 1 4 a j 5 涡街流量计 2 气动分8 1 恩箩动风一q j o 1 0 0 m 3 h 1 # ：a 1 01 0 # 1 4 a j 5 涡轮流量计 3 气动分6 ：黔动风二q 2 o 1 0 0 m 3 l l1 # ：a 1 21 5 # 1 4 u 5 涡轮流量计 4 气动分4 ：警化风三q 3 o 2 0 0 m 3 ，hl # ：a 1l11 # 1 4 a j 5 涡轮流量计 5 气动分5 ：警化风四g j o 2 0 0 m 1 # ：a 1 31 6 # 1 4 u 5 涡轮流量计 6 返料器松动风五风量q 5 0 1 0 0 m 3 h1 # ：a 1 l # 1 4 p 1 4 u 5 涡轮流量计 ，三堡整墅鳖垫墨查垦量望! = ! 塑里蛰! ! ! 垒!型兰里型! 塑整堕里盐 2 3 循环流化床多联供冷态试验台的设计、制造和安装 2 3 1 试验台的关键部件的设计 根据试验研究的设想，c f b g 4 0 0 试验台的设计从2 0 0 4 年2 月开始，关键部 件的设计如下。 j 9 循环流化床多联供冷态试验研究 1 旋风分离器的设计 旋风分离器的设计参考文献 3 7 1 、【3 8 】及4 4 0 t h 循环流化床锅炉的旋风分离 器，结构及符号如图2 3 所示： d e bii 。l r j 图2 - 3 旋风分离器结构简图 旋风分离器采用涡壳进口，涡壳进口虽结构复杂一点，但使气固混合物平滑 进入分离器，减小了气固混合物对筒体内气流撞击和干扰，分离效率较高而阻力 损失相对较小，是一种理想的进口形式。旋风分离器为金属件。 设计方法： 旋风分离器的入口风量按q = 2 2 6 2 m s h ， 入口气速4 = 2 5 m s ， 出口气速圪= 4 0 m s ， i 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 入u 瓤一z 层一m ， 入1 2 1 宽度b = a c x = o 1 l m ， 排气管直径缺= 鹰m ， 排气管插入深度h c = o 2 5 m ， 旋风分离器简体直径d o - = 0 5 m ， 旋风分离器总高矗= 1 5 m 。 2 气动分配阀的设计 为了实现循环流化床多联供系统c f b g 4 0 0 的负荷调节，气动分配阀为双向 返料结构，其结构图为图2 - 4 所示。气动分配阀的结构左右对称，顶部有一个循 环物料的入口，左右侧面各有一个循环物料的出口，其中一个出口接提升管的料 腿，另个出口接气化炉，这样构成了2 个循环回路：提升管旋风分离器一气 动分配阀一料腿一提升管，提升管一旋风分离器一气动分配阀一气化炉一返料器 一提升管。气动分配阀底部的四个流化风室完全隔离，对应的风量分别称为松动 风一风量q l 、松动风二风量q 、流化风三风量q 3 、流化风四风量q 4 。在运行 状态下，气动分配阀两侧分配的循环物料流率由底部风室的风量q i 、q 、q 3 、 q 4 调节。气动分配阀为有机玻璃件，以便于观察气动分配阀的工作情况。 循环灰 l 图2 - 4 气动分配阀结构图 循环流化床多联供冷志试验研艽 为了稳定气动分配阀的运行，在气动分配阀的流化床部分设置了两个平衡风 孔( 如图2 4 ) ，两个平衡风孔直接与锅炉的稀相区相连，这样可以使流化床下部 的充气进入炉膛，以保持气动分配阀的流量稳定。根据试验研究，充气量一定时， 设置旁路后并不改变固体颗粒的流量，仅仅是增加流动的稳定性和减少气体进入 立管的可能1 3 引。 气动分配阀本体高0 5 0 8 m ，返料器本体宽0 6 0 8 m ，挡板高0 3 5 0 m ，均为设 计数据。设计简图如图2 5 所示。 图2 5 气动分配阀设计简图 1 平衡风孔2 ，入口段3 j j n 料 4 出口段5 挡板6 花板7 风帽8 风室 9 进风f i 气动分配阀各风室的风帽采用内嵌逆流柱形风帽，结构如图2 - 6 所示。取设 计流量q 时，松动风室小孔风速u m = 2 9 m s ，流化风室小孔风速r 2 ：2 6 m s ， 第二章循环流化床多联供冷态试验系统 风帽弓花板连接。 则风室布风板开孔率为： ( 刊p z “ 松动风室布风板开孔率：5 瓦- q i i 。面砭i 1 西5 6 i 薅丽。0 0 7 流化风室布风板开孔率：耽= 瓦多衰= 丽6 3 6 = 。0 1 5 其中： x ：布风板的开孔率 a p ：布风板的面积，【m 2 】 松动风帽孔径4 l = o 0 0 4 m ，松动风帽孔数s l = 6 ；流化风帽孔径d s 2 o 0 0 6 m ，松动风帽孔数帆严6 。 图2 - 6 内嵌逆流柱形风帽结构简图 循环流化床多联供冷态试验研究 由于循环流化床锅炉分离器出口与提升管的返料n 之间的高度差有限，为了 保证气化炉的高度尽可能大，气动分配阀的入口立管为最短设计，实际立管长度 三一21 l m m ，式中三。为立管的最小高度，具体计算式为： ， 一l a 兄b 十a 冀m + 毪s ) 。 洫一丽i 厂p 口u s r 侣 ( 2 1 ) 式中，哦。为提升管内返料口至顶部出口之间的压降，a p s p 为分离器压降 气。为回送装置阀部分的压降，p p 为颗粒密度，p m ，为临界空隙率。 3 气化炉的设计 气化炉为移动床设计，结构如图2 7 所示，为保证加入煤反应的时间和空间， 气化炉内径9 , = 0 4 7 6 m ，气化炉高度所= 2 m 。气化炉为有机玻璃件，方便观察 大颗粒与循环灰的掺混和在移动床气化炉中的运动特性。循环灰入口在气化炉上 方中心处，加料口在循环灰入口上方，有助于煤和循环灰的混合，结构如图2 - 5 所示。循环流化床多联供系统c f b g 4 0 0 运行时，煤和循环灰依靠散落自然混合。 一 j l j o o l 图2 7 气化炉结构简图 2 4 循环流化床多联供冷态试验研究 4 返料器的设计 位于气化炉底都的返料器采用方形结构，见图2 - 8 ，只有一个入口科一个出 口。返料器的物料供给室和返料室底部各对应一个风室，对应的风量分别为松动 风五风量q 5 和流化风六风量轨。返料器为有机玻璃件，便于观察返科器的工作 情况。 一 l 1 9 2 j l 一 、 八一2 1 9 一 r寻 | | 剐、 1 一生i 生一 6 2 5 图2 _ 8 返料器结构简图 1 出口段2 入口段3 挡板4 花板5 凤帽6 风室7 进风口 返料器本体高o 5 0 8 m ，本体宽o ，4 3 9 m ，挡板高o ，3 5 0 m ，底部两个风室的风 帽均采用内嵌逆流柱形风帽( 与气动分配阀上所用风帽相同) ，取设计流量q 时， 松动风室小孔风速一3 3 1 1 1 s ，流化风室小孔风速u o r 4 = 2 6 m s ，风帽与花板连 接。 松动风室布风板的丌孔率尬2 a p 望3 l m o r 3 。i 西i 3 西6 3 i 丽石2 。6 o u 5 3 3 x3 6 ( ) 1 ) 循环流化床多联供冷态试验研究 流化风室布风板的开孔率柏2 羔2 石j i i i 6 互3 石i 6i i 丽2 0 | 0 1 5 试验台其他部分的设计参考设计图纸。 2 3 2 试验台的制造、安装与调试 试验台的设计工作大约2 0 0 4 年3 月完成。在试验台主体安装结束后，又进 行了测量系统的安装工作，包括涡轮流量计、u 型测压管的安装。数据采集系统 采用原有的数掘采集板，重新编写计算机数据处理程序。安装工作于2 0 0 4 年4 月1 4 日完工。随后，对循环流化床多联供冷态试验台c f b g 4 0 0 进行了试运行。 首先空床运行，运行正常后加入1 0 0 k g 河砂进行调试。试运行结果如下： 试验台系统各部件密封良好，无漏风： 数据采集系统工作正常，计算机数掘处理程序工作正常； 涡轮流量计工作正常 鼓风机总风量波动较大，阀门开最大时总风量在1 8 0 0 2 7 0 0 m 3 h 之间波动， 总风量刚能达到设计流化风速5 m s 时风量2 2 6 1 m 3 h ，但不稳定，总风量在1 8 0 0 1 t 1 3 h 时对应的流化风速为4 m s ； 旋风分离器工作正常 气动分配阀工作正