循环流化床锅炉粉煤灰焦炭燃烧特性研究

1、循环流化床锅炉粉煤灰焦炭燃烧特性研究摘要：本文建立的数学模型是单一的焦炭颗粒燃烧循环流化床（CFB）锅炉。在循环流化床锅炉的操作条件及其数值解验证的一种现象，即炭颗粒飞灰中的碳含量的分布具有与它们的直径的峰值的性质。结果表明，优良的焦炭颗粒的温度接近的床温，烧出的时间与它们的直径的炭颗粒，还存在一个峰值。提出了以提高燃烧的炭颗粒的对策，如所使用的飞灰再循环和热旋风。关键词：循环流化床;字符;粉煤灰;燃烧一、引言循环流化床（CFB）燃烧技术已被广泛用于在中国，由于其众多的优点，例如，不同的低级燃料燃烧。然而，操作的通用性的问题是，飞灰中的碳含量大大高于一般预期1，2。在由众多的CFB锅炉飞灰取样

2、分析时，一个特别有趣的现象观察，炭颗粒飞灰中的碳含量的分布具有与它们的直径（图1）的峰值。这表明，有一些炭颗粒具有一定的直径，这是不容易烧坏循环流化床锅炉。这种普遍现象，成为循环流化床锅炉设计人员关注的一个关键点。因此，为了提高循环流化床锅炉的性能，炭颗粒在循环流化床锅炉燃烧过程中需要深入研究。到目前为止，许多关于循环流化床燃烧的论文已经发表。 Lee等人，设立一个一维数学模型来预测煤在循环流化床锅炉的燃烧行为3。通过实验萧研究循环流化床锅炉飞灰含碳量4， Remiarova等人，还开发了一种伪稳态假设下的一个单一的多孔炭颗粒的燃烧模型5。通过碎片，卡洛斯6和张等人，7研究了焦炭颗粒在流化床燃

3、烧特性。然而，这些研究没有解释上述现象。因此，飞灰中的炭颗粒的燃烧特性的建模，以找出上述的普遍现象的物理本质，并采取措施，以提高燃烧的炭颗粒。图1飞灰中的碳含量分布二、对于char的数学模型粒子燃烧可以根据内在孔隙反应的机制焦炭颗粒燃烧设置几种燃烧模型 8，9。模型1单粒子密度不变的核心萎缩模型：这个模型只考虑了表面上的焦炭颗粒，也就是说，碳和氧直接反应的主要反应，它假定粒子的密度是恒定的，它的直径在焦炭燃烧中逐渐减小。这种模式是适合高品位燃料，具有低灰分。型号2-单粒子，直径恒定的核心萎缩模型：这个模型还认为其燃烧过程中形成的主要反应和灰壳。通过灰壳的扩散阻力大大影响焦炭燃烧。灰壳的磨损速率

4、可以忽略不计，因为它是远低于焦炭颗粒的燃烧速度。这种模式是适合高含灰量的低档燃料。模型3单粒子，直径恒定的核心模型考虑辐射传热萎缩：2型的基础上，这种模式需要考虑到辐射粒子和炉壁之间的热交换。因此，这种模式进一步接近真正的焦炭颗粒燃烧。  在下面的分析中，单个粒子，恒定直径的芯收缩模型考虑辐射传热，也就是模型3的CFB锅炉，高含灰量的低级燃料燃烧的操作条件的基础上通过。采用以下假设10，11：1）发生燃烧反应的焦炭颗粒的表面上，将反应界面连续地移动过程中的燃烧颗粒的核心，灰壳形成的核心外，它的直径是相同的原焦炭颗粒。2）颗粒流在炉中夹带的气体具有一定的滑动速度。3）燃烧反应

5、是一级反应过程，没有颗粒内部的温度梯度，没有内部发生粒子的固有孔隙度，燃烧反应被忽略。4）式（1）表示，内部的氧的扩散阻力体现的是灰壳的电阻。 （1）（1）中，DE：扩散系数考虑阻力灰壳（平方米/秒）FN：系数 （2）· 厚度灰壳（米）D：扩散系数（平方米/秒） （3）D0：大量氧气的扩散速率在273K燃气（平方米/秒） （4）5）焓焦炭颗粒是由化学反应释放的热量的平衡，颗粒和气体之间的对流热传递，和之间的颗粒和炉壁的辐射热交换。此模型的数学描述如下：热平衡方程（5）CO2：氧气浓度在273K和760毫米汞柱（kg/m3的）CP：焦炭颗粒的比热容（J /公斤K）Ke：有效反应速率常数

6、的值取决于动能和扩散组件（米/秒） （6）DP：颗粒直径（m）E：活化能（J/摩尔）K0：反应频率因子（M / S）Nu：努塞尔特号R：通用气体常数（J/摩尔K表）QL：产生的热量（焦耳/公斤）S：具体的焦炭颗粒表面（平方米/公斤）TP：粒子温度（K）T：时间（s）p:􀀝对流换热系数（J/m2 K）化学当量系数 焦炭颗粒发射率· 􀀓􀀝Stefan-Boltzmann常数（W/M2 K4）· 辐射系数  在（5）的左边项代表焦炭颗粒的焓变，然后在右边的三个术语分别代表的化学反应所放出的热，对流的粒子和气

7、体之间的热传递，和粒子之间的辐射热交换和炉墙上。质量守恒方程 （7）（7）􀀃颗粒密度（kg/m3）的。3）流动的方程为了简化分析，焦炭颗粒的附聚被忽略。因此，单个粒子的终端速度的代表之间的气体和焦炭颗粒的滑动速度。 （8） （9）（8），（9），Vt：终端速度（米/秒）Pg:气体密度（kg/m3）U:动态粘度（公斤/ M S）（8）和（9）分别用于雷诺数Re<􀀟500和Re􀀡>500。相应地， （10） （11）然后在炉内焦炭颗粒的停留时间是： （12）（12）中，VF：表面气体速度（米/秒）HBED：床的高度（m）在循环流化床

8、锅炉提高回收分离的操作条件，TS焦炭颗粒的停留时间是： （13）在（13）中的循环分离器的分离效率， （14）（14）中，D50：切割尺寸（米）m：系数取决于气旋初始条件为： （15）因此，（1）-（14），连同初始条件（15），形成一个完整的分析模型为一个单独的粒子在循环流化床锅炉中的燃烧。在本文中，已进行模型计算，在清华大学的电厂使用的煤种。煤的组成数据示于表1。电厂清华大学，包括燃烧室描述（HBED，D50等），工作条件（VF，T等）和燃料（K0，E等也来自输入操作参数（表2） ）。应当指出的燃料的特性，从燃料得到清华大学分析中心分析。表1 煤炭的成分数据表2 操作参数三、结果与讨论A.

9、影响焦炭颗粒直径在其表面温度  在CFB运行条件下的床层温度不是很高，因此焦炭颗粒的反应速度取决于化学反应的动力学。基于数值分析模型，颗粒表面温度作为两个char粒径40_m和400_m分别如图2所示的燃烧时间的函数。图2（a）所示的小粒子的表面温度快速上升，由于其更少的热惯性。然后将温度保持在一个较低的水平，靠近床的温度，因为灰分少壳阻力，较大的比表面积和较高的周围的气体的热损失。图2（b）表明，较大的一个较小的一个相反。它的表面温度逐渐上升，并保持在一个高的水平相当长的一段时间，然后突然倒下，因为高辐射热损失较高的表面温度和低发热量释放化学反应速率。（a）40微米（b）

10、400微米图2 焦炭颗粒直径在其表面温度的影响B.烧出炭颗粒的时间作为一个功能的初始焦炭颗粒直径保持煤的性质和操作条件不变的情况下的主数据，并利用该模型，烧伤时的炭颗粒作为初始字符粒径的函数曲线1所示，图3。它表明，具有初始颗粒直径约为40至50_m需要的炭颗粒烧出的时间最长的。该曲线示出了这样的粒子时，烧出的peak值。这是不同于结束，烧出的时间炭颗粒粒径的平方成正比。存在峰值的主要原因如下： 1）将反应率的焦炭颗粒在循环流化床锅炉的情况下，依赖于化学反应的动力学，因此，颗粒的温度是影响燃烧反应率的关键因素。鉴于上述讨论，它是已知的，更小的颗粒的表面温度较低，靠近床层温度。因此，燃

11、烧反应速率较低。与此相反，较大的炭颗粒的表面温度比床的温度高，因此，较大的炭颗粒的燃烧反应速率高于炭颗粒较小。  2）在焦炭颗粒的流动特性，在循环流化床锅炉（12）的光，更小的炭颗粒的平均停留时间为短于较大的炭颗粒（图3曲线2）。因此没有足够的停留时间为更小的颗粒，以烧去。然而，截面积（形成曲线1和曲线2）的停留时间比炭颗粒和相应的炭颗粒烧尽时间较长将完全烧坏。图3倦怠的时间和停留时间的char焦炭燃烧C.分离器性能的影响  从式（13），循环流化床锅炉的回收，分离器可以使粉煤灰在燃烧器中再循环，并大大延长其停留时间（图3曲线3）。烧出的时间长于其中曲线

12、1与曲线3相交的区域中的停留时间，这是显而易见的。因此，在这一地区的颗粒不容易烧坏。它是是图1所示的碳含量的分布。如果分离效率增大，停留时间会更长。因此，交叉区域变小，并增加了燃烧效率。上述各种原因导致这种现象，这是很难的若干更小的炭颗粒在循环流化床燃烧。了解该燃烧特性最佳燃烧条件的选择是很重要的。四、改善对策细颗粒燃烧由于一个char粒子的反应速率取决于在循环流化床锅炉的操作条件下的化学反应的动力学，颗粒温度的关键因素影响燃烧反应速率。从上面的讨论中，它是已知的，细颗粒的停留时间也是影响的关键因素。提高床温，增加氮氧化物的排放。因此，一种可接受的方式是细颗粒的停留时间延长。 A.增

13、加炉膛高度该炉的高度应确保颗粒燃烧，这是不回收的回收分离器，并通过燃烧器一次。为了得到足够的停留时间，循环流化床锅炉的炉膛高度是作为一般由于其较高的流化速度的流化床高3至4倍。显然增加了炉的高度的是不是一个合理的方式来延长停留时间。B.减少流化速度  流化速度的降低细颗粒的停留时间可能会延长。然而，这让大区熔炉和对流系数低。这是必要的安排表面吸收足够的热量更多的热量。因此，这种方法是不经济的。C.使用飞灰再循环它是已知的，在实践中的的商业循环流化床锅炉被送入粗煤颗粒。其结果是，存在一个密相区的燃烧器的底部，这是主要由粗颗粒。使用飞灰再循环可能喂饱微粒循环到燃烧器的底部。大量

14、的循环在密集的区域中的细颗粒的存在提高了密相床层的流化作用，因为共gasfine粒子流的动量大于单独的空气流。另一方面，粗颗粒阻塞循环在密集的区域中的细颗粒，细颗粒的停留时间增加1秒，相当于在炉内的高度为4m左右的增加。因此，密集的区域中的存在是良好的，特别是对细颗粒燃烧颗粒。D.使用热旋风 大部分颗粒集中在旋流器壁附近的由于离心力，在旋流器中的中心容积留下很少的微粒。内部的旋流器旋流引起的强湍流和涡流，混合得到提高，从而导致细碳颗粒和CO的提高燃烧时的热旋风温度为约850_。许多论文报道的CO减少的气 - 固悬浮液中后，通过热旋风。从燃烧的角度来看，热旋风是有效的第二阶段在循环流化

15、床锅炉中的燃烧器，它可以帮助来解决问题的不完全燃烧和CO排放高。使用这些庞大和昂贵的热气旋的限制的问题由于使用大量的耐火材料锅炉的启动和关闭速度。目前正在开发的水冷的热旋风可以克服这些问题，并代表未来发展的趋势。五，结论1）在循环流化床锅炉的工作条件下，细炭颗粒具有较低的表面温度，靠近床的温度。2）曲线的炭颗粒烧出的时间与他们的直径有一个峰值。直径40至50 微米是最不易燃烧的炭颗粒。3）部分应采取措施，以改善燃烧的微粒，如所使用的飞灰再循环，热旋风。参考文献1 J. H. Yang, H. R. Yang and G.X. Yue, “Combustion test by changing

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