循环流化床流动密封阀的运行特性分析

循环流化床流动密封阀的运行特性分析

回料阀技术特点作为一种高效、清洁的燃烧技术，circubu作为一个整体是世界各国的中心发热技术，受到了世界各国的高度重视。现在，它正朝着建设的方向发展。国内循环流放燃烧技术已进入中型功率锅炉（220吨h、210吨h）和大型锅炉（300吨h）的开发和引入阶段。该技术最大的特点是将大量的固体物料分离下来并送回炉内,实现反复多次燃烧,形成了物料的循环。这种循环对整个锅炉的安全稳定和经济运行有着决定性的作用。运行中循环物料回送阀正常工作是实现物料循环的关键。循环流化床锅炉中返回的物料温度很高,如果采用机械式回料阀,很容易产生卡死、转动不灵活、磨损和阻塞现象,所以多采用非机械式回料阀。其中流动密封阀具有稳定性好、调节性能较好、输送量较大、易大型化等特点,成为循环流化床(简称CFB)锅炉中广泛采用的物料回送装置。由于不同的循环流化床锅炉根据实际需要,会在不同的循环倍率下运行,这就需要对流动密封阀的结构和输送性能有一个全面的认识。近年来,关于回料阀的研究较多,但纵观这些研究成果,对流动密封阀工作特性很少见有比较全面系统的报道。本文正是基于这种情况,从几个方面探讨了回料装置工作性能,以便掌握其运行调节特性,保证机组的可靠运行。1压力平衡关系式水压降控制回料装置与炉膛、分离器构成一个循环回路。循环回路中的压力变化对固体物料回送装置的运行会产生很大的影响,对于采用流动密封阀的回料装置,固体颗粒的循环量与循环回路的压力平衡具有直接的关系。如图1示出的一个采用流动密封阀的固体颗粒循环回路,根据文献研究,它的一个基本规律是循环回路所有部分的压降和等于零,其压力平衡关系式可表示为循环回路中主床压降ΔP1,2、分离器压降ΔP2,3和流动密封阀压降ΔP4,1均靠立管压降ΔP3,4来平衡。当某一部分的压降发生变化,其它部分的压降随之发生变化。如当固体颗粒循环量增加时,ΔP1,2和ΔP4,1均增大,此时ΔP3,4也增加,以维持整个循环回路的压力平衡。流动密封阀主要由立管和分隔的流化床组成,流化床有2个隔离室,位于立管下的称松动室,另一个为返料室。在实际安装的流动密封阀中,其布风系统由风帽、布风板和风室组成,底部充气风中的松动风Q1和返料风Q2分别独立送风,风量由阀门控制,采用空气流化。通过合理调整匹配回料阀内各段压差,实现对回料量的控制。流动密封阀出口的压力略高于炉膛,以防炉膛中的烟气返流进入立管,从而保证回料装置中的气固两相工质稳定地向炉膛方向流动。2流量阀操作特性分析2.1系统压力的影响图2示出了循环固体物料量与回料系统压力和底部充气量的变化关系。当底部充气量小于最小流化风量时,固体颗粒流量为零。而当充气量达到最小流化风量时,物料开始流化,再继续增大风量,循环物料量逐步增加,且增加的速度逐渐加快,曲线的斜率逐步增大。但当该室中物料完全流化时,曲线变的比较平缓,颗粒的循环量基本上不随松动风量和返料风量的变化而变化,而是随着整个固体颗粒循环回路的压力产生变化,此时系统压力对回料量的大小起着决定性的作用。这是因为当物料流化后,在一定的充气量下,随系统压力的增加,气流密度变大,气流对固体颗粒的浮力也提高,在流动密封阀中托起固体颗粒也较容易,使固体颗粒回料量增加。同时文献指出最小流化速度随系统压力的增大而减小,即压力越高颗粒越易流化,这样就导致在高压下,即使在很小的流化风速下,也能达到较高的固体颗粒循环量。2.2在流动阀结构方面2.2.1气体对于灰粒流动的影响水平孔口面积A1对回料阀的调节特性有较大影响。如图3所示,采用底部(Q1+Q2)和Q3同时充气时,当A1较小时,虽然回料阀有较好的稳定性,但回料阀的调节性能较差,会造成充气量很大,而固体颗粒循环量却很小,甚至还会出现由于固体颗粒在窄缝中卡塞而使其流动停滞的现象;文献指出,当A1与返料立管截面积A0之比在0.8到1.2之间时,随充气量的增加,循环回料量也增大,能得到近乎线性的调节性能;当A1/A0≥1.2时,循环回料量随充气量的增加的速度也逐渐增大,曲线变得越来越陡,回料阀的流动稳定性和可控性变得越来越差,充气量微小的变化,就能获得较大的回料量;当A1/A0≥1.5时,甚至一经起动,回料量就能达到最大值,此时回料量几乎不再随充气量的改变而改变,尤其当循环物料颗粒极细时,回料阀有可能完全会失控。另外采用与水平面的夹角在60°以上的倾斜立管,由于逆行向上的气体沿着立管上壁面上行,减少了对沿着立管下壁面下移的灰粒的阻碍,故比采用垂直立管使灰粒循环流动更加稳定。返料斜管的管径愈大愈能降低灰粒流速,可能使燃烧室烟气反窜而结渣。研究表明,返料斜管比立管细一些有助于回料的顺畅、稳定的流动。2.2.2回料阀调节对于图1所示的流动密封阀,可以有多种充气运行方式。主要是Q1,Q2和侧面水平风Q3单独充气;Q1,Q2和Q3中任两个或3个组合充气;以及Q1,Q2与返料室不同高度的返料室中部充气Q4,返料室顶部充气Q5,斜管中充气Q6组合充气等运行方式。各种充气方式对运行调节特性有不同的影响。(1)Q1,Q2和Q3单独充气时,也能实现物料回送。但其运行调节性能不好,且调节幅度小。实际运行时,一般不采用此运行方式。(2)采用Q1和Q2同时在底部充气时,虽然两风量Q1,Q2的变化都会使回料量发生变化,但Q1的变化对回料量变化更加敏感。在Q1小于某一定值的情况下,随Q2的增大,回料量增大,但当风量增大到一定值时,再增大Q1和Q2均会使回料量趋于一个平衡值,此时回料阀变为通流阀。当Q1大于某一定值时,无论增大Q1还是增大Q2,都会导致回料量下降。这是因为Q1在回料阀中的一个作用是克服固体颗粒与管壁之间的摩擦力,以帮助固体颗粒在立管中向下流动。但随充气量的增大,最终使立管内固体颗粒处于临界流化状态,此时无法通过改变充气量去调节循环回料量,再增大Q1将使气体从立管中逸出。这种情况在回料阀的运行过程中是绝不允许的。因此,调节时应先将Q1固定在某一适宜数值,通过调节Q2实现回料量控制。当Q2大于某一值时,物料量则不再增加,若想进一步增大回料量,应再适当调整Q1。当采用Q2,Q3组合充气时,虽可获得比底部(Q1+Q2)充气较好的调节特性,但由于没有Q1,无论Q3多大,在松动室的充气点下面都会存在固体颗粒滞止区。这可能导致固体颗粒结焦,进而使流化不均。(3)采用底部(Q1,Q2)和Q3同时充气,可获得较好的调节性能,但试验证明3种充气对回料阀的调节是有差别的,当采用固定Q1,Q3改变Q2时,在一定的充气量下,Q2对循环物料量的调节作用非常好,但随Q2的增大,回料阀的可控性变差;当采用固定Q2,Q3改变Q1,Q1对循环物料量的调节作用也是非常明显的,但其对循环物料量的调节作用受水平孔口的影响很大,当水平孔口面积A1与返料立管截面积A0之比(A1/A0)在0.8到1.2之间时,还可获得比较满意的效果,而当A1/A0之比超过1.5时,Q2的调节和控制能力较差;当固定Q1,Q2改变Q3时,通过调节Q3使回料阀运行稳定,能获得好的调节性能,并为固体颗粒通过隔板提供主要驱动力,可以使固体颗粒快速的通过隔板,减小阀内结渣的可能性。(4)在实际生产中也有采用底部(Q1+Q2)和Q4充气,或底部(Q1+Q2)与Q5和Q6充气等各种组合方式充气,流动密封阀也可获得较好的控制特性,但采用底部(Q1+Q2)与Q5组合充气形式,其调节特性不佳。(5)实际运行中,风量和风压达不到要求,或风量和风压有一个达到而另一个达不到要求,均会使回料阀中的物料不能正常流化,导致循环灰量少,炉膛内料层压差较小,锅炉蒸发量小,出力不足。由表1分析知,返料风风源压力最高。因为松动风不仅要松动立管物料,还要克服回料阀阻力、炉膛阻力和分离器阻力,才能完成流化返料过程。因此,在运行中为了保证回料阀的返料风压,通常单独设置返料风机,使高压返料风与一次风分开。2.3在锅炉的运行中2.3.1飞灰和立管的温度回料阀的运行温度一般控制在850～900℃之间,虽然在高温下固体颗粒流动性较好,但它会导致物料再燃,造成堵灰和结渣。其主要原因:(1)回料阀内飞灰的燃烧反应属于动力控制而非扩散控制,温度是强化燃烧反应的有效措施。采用高温分离器的锅炉,从其分离下来的飞灰温度(立管入口飞灰的温度)有可能达到或超过了煤的着火温度(与煤种种类有关);(2)当循环飞灰含碳量较高时,或有Q2大量返窜入立管时,发生结渣和堵灰的可能性进一步加剧。(3)在异常情况下一旦发生再燃烧,飞灰的燃烧放出大量的热使回料阀内继续升温,发生结渣和堵灰。堵灰又使阀内热量积聚,进一步加剧了结渣和堵灰。图4所示,在同一物料含碳量下,立管入口分离灰的温度越高,温升值越大,且随物料含碳量增大,温升值也越来越大。同时文献指出立管内最高温度位于立管底部,易在回料阀内发生结焦。在循环流化床锅炉点火升压过程中,由于未建立正常灰循环,此时物料含碳量Cs较大(特别是在燃用无烟煤时更易出现此类情况),故此时应特别注意控制回料阀的风量,使其保证物料流化后不要太大。随回料量的逐步增大,循环物料中碳灰的比例逐步减小,再缓缓的加大煤和风量。2.3.2回料阀的运行和对炉秆出口温度的影响正常运行中,回料阀的物料流出量是根据流入量的多少自动调节的,如负荷没有大的变化,一般不需大的调整。当锅炉的负荷变化较大,即当给煤量和一次风量瞬时同向变化时,将导致密相床内固体颗粒浓度迅速增加(减小),使回料量瞬间减小(增加),同时另一方面炉内扬析夹带量和炉膛出口的固体颗粒浓度迅速增加(减小),又使进入回料阀的固体颗粒量瞬时增大(减小)。在异常运行情况下,循环回料量的瞬间变化使立管内料位发生较大变化,循环回量太大,进而使回料阀发生堵灰和结焦。循环灰量太小,当立管中料位低到不能保证料封时,Q2大量返窜入立管,导致回料阀后期燃烧情况加剧,回料阀的温度增大,严重影响整个系统的正常运行。由于煤占床料的比例很小(3%～5%),物料循环量对给煤量的反应有一定的延迟,故一次风量对循环回料量的影响更为强烈一些,所以锅炉在实际运行中升降负荷时,尤其应严格控制一次风量的大小,使其不要太大,在保证物料流化后,随回料量的变化再逐步改变风、煤量;一旦发现流动密封阀超温,应及时压火,放出阀内一部分循环灰。二次风对回料阀的运行也有一定的影响。二次风量对流化床下部的影响很小,但对炉膛出口温度影响较大。当炉膛出口温度超过1000℃时,从分离器下来的分离灰温度过高,易使回料阀结焦。因此,可以用二次风量控制炉膛出口温度,既保证了燃烧效率又提高了安全可靠性。另外运行中回料风量不可太小,否则使回料阀输送灰量减小,甚至不能输送,逐渐形成结渣,当然总风量也不可太大以防形成烟气旁路、或因风量太大造成二次燃烧。2.3.3循环剂平衡产生的稳定性在排放流动密封阀的物料时,注意要避免突然排渣,因为这样会破坏循环回路压力平衡,使循环回路中的主床、分离器、立管和流动密封阀各段的压降发生改变,循环回料量瞬间发生较大变化,造成运行不稳定。因此在实际运行过程中要“少放勤排”,把沉积在床底的大颗粒排出,保证物料正常流化。2.3.4颗粒形状、煤的温度和回料比对回料阀性能的影响(1)灰颗粒的粒度、粒径分布、形状、流速等也会给回料阀的运行产生严重影响。从燃烧过程有利于固体颗粒的外扩散和内扩散的角度看,显然是粒度小较为有利;但从增加颗粒停留时间、减少夹带损失和提高飞灰回收效率的角度,显然是粒度大较为有利;再从流态化流体动力学的角度,对于极细的C类颗粒(<20μm),由于相互作用力过大,往往很难流化,极易产生沟流和死床;A类颗粒(20～90μm)因为粘度较大,在输送过程中易出现架桥、自流等现象,而对于具有较大的粒度和密度的D类颗粒(>650μm),在流化状态时颗粒混合性能较差,易产生“喷涌”现象。故存在一个较为现实的合适的粒度范围。文献指出,该回料装置对回送粒径为80～800μm的高温物料是比较适宜的(B类颗粒的粒径为80～800μm)。当空气流过返料室中的固体颗粒时,飞灰的雷诺数Ret颗粒的形状对其在阀内受到的阻力有很大的影响。由表2知,在流速一定时,非球形颗粒阻力系数CD随颗粒球形度Φ的增大而减小,同时随流速的增加(雷诺数增大),阻力系数越来越小,所以当流速一定时,在条件允许的情况下,颗粒的球形度越高,颗粒阻力系数CD越小,阀内颗粒间的摩擦力也越小,颗粒越易流化,有更好的流化性能。(2)煤的热值、挥发分、灰分、灰的软化温度等也极大地影响着回料阀的工作性能。燃用热值高的无烟煤时,循环灰的可燃物含量增高,应增大Q2,以免高温热灰停留时间太长,造成燃烧结焦,但由于氧量增加,又起到了助燃作用,因此,投入时,要注意观察回料阀内流化床温度的变化情况,如温度上升幅度大,则要继续开大调节阀,如温度下降幅度大,则要迅速关小调节阀,待流化床温上升到正常后,再加大Q2。如燃用灰分较高的煤时,回料量增大使炉膛压降增加,也应增大Q2至放掉部分循环灰,以便回料阀中的小流化床流化良好;反之燃用灰分较低的煤时,应适当向炉膛加细灰,细灰易携带热量而使炉膛温度分布均匀。但当燃用挥发分含量低、含碳量高的煤时,细灰易导致再燃,故煤粒应粗细适当结合;另外,高温下灰的软化温度低和灰的粘度较大,也易造成灰粒粘附在回料阀的内壁