cfb锅炉内煤灰平衡的影响因素分析

cfb锅炉内煤灰平衡的影响因素分析

0颗粒停留时间模型随着全球cpb技术的广泛应用，对cpb的环保要求也越来越严格。在某种程度上，研究表明节省cfb是落后于其他行业的。流化床锅炉的最基本特征就是有一定量的床料在系统内循环.这些床料来自于给煤中灰成分和脱硫剂.在某种意义上讲,这些床料是惰性的.流化床的运行性能主要依赖于床料的品质,诸如颗粒粒径分布、沿炉膛的浓度分布等.物料的循环率、床料的粒径分布等参数对于流化床的运行是极其重要的,因为它们直接影响燃烧效率和脱硫效率,并决定燃烧室内的热负荷分布.对于任意给定床存量(主要指示炉膛内的总压降),颗粒粒径分布将影响轴向的压力分布,颗粒密度分布.进而影响物料和受热面间的换热系数.另外,轴向颗粒的混合程度,温度均匀性都受到影响.分离器的设计也依赖于准确的预测床料粒径分布.床料的品质由物料平衡系统来决定,一个入口(给煤和脱硫剂的加入)、两个出口(飞灰和排渣).迄今为止,清华大学和法国EDF对床内的物料平衡进行了一定的研究.研究的结果表明,物料的平衡主要取决于煤的成灰特性、惰性物料的性质(磨耗)、不同粒径在炉内停留时间、分离器的效率、炉膛内颗粒的分层等因素.采用数学模型方法研究物料平衡如燃烧室物料循环流率随主床风速、入炉物料流率及其颗粒分布、分离器效率以及排渣方式的变化规律等具有重要的意义.以往关于循环床物料平衡计算模型大多忽略了床内的磨耗及退档过程对物料平衡的影响,而在使用某些煤种的情况下,磨耗造成的灰量损失可能会与理想无磨耗情况下分离器排灰量相当,这时就必须考虑磨耗对床内灰平衡造成的影响.在实际循环床锅炉里面,不同粒径的颗粒在床内历经的磨耗时间会有很大的不同,这点可以通过不同粒径的颗粒在床内的不同停留时间得以反映.颗粒的停留时间将决定颗粒在床内的磨耗量.颗粒停留时间的计算迄今为止还是难点之一.本文提出了一新的颗粒停留时间概念,并以此为基础对CFB锅炉内的停留时间分布进行了模型计算.用模型模拟了黄姑电厂75t/hCFB锅炉的运行,在5个不同工况下研究了磨耗速率常数和不同灰成分对床料粒径分布及停留时间分布的影响.1煤种的物料平衡循环流化床锅炉一个最基本的特征就是床内有相当数量的床存量.床料的主要来源是给煤的含灰组分、脱硫剂,有时还会有一些惰性床料,比如石英砂.循环流化床可以看成一个输入(给煤和石灰石),两个输出(飞灰和排渣)这样一个系统,该系统中物料质量平衡见图1.模型主要基于以下假设:(1)为了使问题进一步简化,将不考虑炉膛内部的燃烧过程,而将给煤在燃烧室中经过的一系列挥发分释放、焦炭燃烧、燃烧伴随的破碎等复杂的物理、化学反应过程简单归结为最终的成灰,即将入炉煤流率及其颗粒粒径分布用该煤种的实际成灰流率及其粒径分布代替.这样的简化是合理的,因为实际的锅炉中90%以上的床料都是灰分,而且在不同的工况下因颗粒含碳量变化造成的影响是可以忽略的.因此CFB锅炉内物料平衡就简化为床内灰的平衡.(2)给灰的粒径分布为本征成灰特性分布,煤灰颗粒经过燃烧和初始的快速磨耗阶段以后得到的粒度分布,称之为该煤种的本征成灰数据,它不受实际循环床锅炉运行条件的影响,只和煤种有关.1.1煤种成灰特性目前普遍接受的观点是,给煤在进入CFB锅炉之后将经历一系列的尺寸变化.在煤粒进入炉膛的时,煤粒被很快加热,这时煤中的挥发分开始释放出来,裂解气体将充斥颗粒孔隙并使内压增大,当孔隙压力增大到足以克服颗粒本身强度时,该颗粒将发生破裂,生成几个小的颗粒.该过程称为一次破裂.之后煤颗粒基本变成了焦炭颗粒,它们的进一步燃烧将导致颗粒破碎为更小的颗粒,通常称为二次破裂.由于循环流化床中的燃烧温度较低,低于煤灰的灰熔点,所以煤粒中的富灰灰核在这一过程中并不改变形状.煤颗粒的破裂过程对颗粒前期的磨耗并没有什么影响,换言之,在流化床燃烧条件下,磨耗和碎裂对最后灰的粒径分布影响是相互独立的.正是基于这点,清华大学提出了静态燃烧和冷态振筛磨耗进行煤种成灰实验研究,煤灰颗粒经过燃烧和初始的快速磨耗阶段以后得到的粒度分布,称之为该煤种的本征成灰数据,只和煤种有关,它不受实际循环床锅炉运行条件的影响.六种煤种的成灰特性和磨耗研究表明.在煤种的任一筛分档中,成灰分布呈现双峰分布,经计算表明由两种灰成分构成,分别为较细的Earth灰(煤中富灰灰核)、较粗的Stone灰(煤中矸石),两种灰均满足R-R分布.Rash=x1exp[-b1·(dA)a1]+(1-x1)exp[-b2·(dA)a2](1)式中:x1为Earth灰的份额;dA为筛分档内的颗粒粒径;bi,ai为R-R分布常数,由此筛分档内的煤的特性决定.在知道了各个筛分档内的粒径分布后,就可以采用加权的方法得到宽筛分条件下的总灰分布,R1,tot,R2,tot分布为宽筛分下的Earth灰分布和Stone灰分布,zi为筛分档i的质量分额.R1,tot=n∑i=1zi⋅exp(-b1,i(dA)a1)(2)R2,tot=n∑i=1zi⋅exp(-b2,i(dA)a2,i)(3)R1,tot=∑i=1nzi⋅exp(−b1,i(dA)a1)(2)R2,tot=∑i=1nzi⋅exp(−b2,i(dA)a2,i)(3)1.2煤灰中磨耗实验颗粒间的碰撞以及颗粒和床壁之间的碰撞将会导致煤灰颗粒尖角边缘的脱落,这一现象称为磨耗.Blinichev等认为,磨耗是因为颗粒间以及颗粒与床内壁、燃烧器之间的摩擦导致的从母体颗粒上剥落出细小子颗粒的现象.磨耗结果经常一个煤灰颗粒是生成一组细小灰颗粒和一个相对较大的母体灰颗粒.磨耗产生细颗粒的速率为:˙matt(di,tj)=k[u0-umf(i)]m(di,tj)(4)m˙att(di,tj)=k[u0−umf(i)]m(di,tj)(4)磨耗将在母颗粒上产生大量的超细微粒,同时导致母颗粒粒径减少.结果是一些母颗粒将落入较小的颗粒档,其它的颗粒将继续留在原颗粒档内.颗粒档i中的退档速率为:˙mt(di,tj)=dp(i)3×Δdp(i)=˙matt(di,tj)(5)m˙t(di,tj)=dp(i)3×Δdp(i)=m˙att(di,tj)(5)在以下的模型计算中选取磨耗常数k是在特定煤种的磨耗实验的稳定阶段得到的.1.3颗粒的磨耗过程颗粒在床内停留时间的长短直接影响磨耗量的多少.本文提出了一停留时间概念,将物料进行粒径和年龄的分档并通过模型计算出各个粒径档的停留时间分布.推导的停留时间与用床存量除以物料给进率所得的停留时间概念上相符合,但更深刻地反映了同一粒度的物料在床内的停留时间并不相同.即在考虑将灰颗粒按粒径分档的同时,将颗粒按时间(Age)进行分档,灰按一定的流率给入,˙mm˙in(di,t0),在t0时间档内进行磨耗,磨耗产生的退档和超细颗粒分别进入下一档和最小档,经过t1-t0的时间,剩余的颗粒自动转为t1时间档,依次类推,见图2.其中:1,˙mm˙tj→tj+1表示经过tj+1-tj后,从时间档tj转变为tj+1档颗粒的流率,kg/s;2,˙mm˙t(di,tj)表示颗粒退档进入同一时间档,下一粒径档的流率,kg/s;3,˙mm˙att(di,tj)表示磨耗生成的细颗粒的流率,kg/s;D表示排渣和飞灰的总流率,kg/s.˙mtj→tj+1=m(di,tj)tj+1-tj(6)m˙tj→tj+1=m(di,tj)tj+1−tj(6)1.4颗粒终端速度的描述模型的关键是利用经验公式或实际测量值求取沿床高方向的轴向密度分布.由于流化床内气固两相流动的复杂性,目前没有任何一个经验公式可以准确的预测炉膛内的气固流动.因此本文利用较为成熟的多尺度能量最小模型(EMMS)计算沿床高方向的轴向密度分布.并利用下式计算各个小室内物料的向上流率和小室内的总料量.We(h)=A(1-εh)ρs(Ugas-ˉUt/εh)(7)Ηup(h)=A(1-εh)ρsΗcell(h)(8)We(h)=A(1−εh)ρs(Ugas−U¯¯¯t/εh)(7)Hup(h)=A(1−εh)ρsHcell(h)(8)对于CFB锅炉来讲,底部密相区类似于鼓泡床,而上部类似于快速床,在两个床内的分层机理是不尽相同的.在密相床内,由于大颗粒具有较大的终端速度,因此倾向于向底部运动,气泡就像是个搅拌器使颗粒不断的进行混合.在这两种机理的作用下,分层达到平衡.在上部稀相区,颗粒的终端速度和固体颗粒间的相互作用将决定颗粒的分层.显而易见,在底部密相区和上部稀相区颗粒的终端速度对于颗粒分层具有十分重要的影响.本文利用终端速度表示不同颗粒的分层倾向,提出模型来描述CFB炉膛内颗粒分层现象.假设小室内的颗粒的平均粒径对应的终端速度为ˉUtU¯¯¯t,对应的分层系数为ξ=1.0为参考点.具有较小终端速度的颗粒,具有较大的ξ>1.0;具有较大终端速度的颗粒,具有较小的ξ<1.0.假设:当颗粒的粒径小于小室的平均粒径¯dpdp¯¯¯¯时,满足以下关系:ξ=1+(ξ0-1)⋅(1-exp[-(ˉUt-Ut)k1])(9)ξ=1+(ξ0−1)⋅(1−exp[−(U¯¯¯t−Ut)k1])(9)当颗粒的粒径大于小室的平均粒径¯dpdp¯¯¯¯时,满足另一关系:ξ=ξ0+(1-ξ∝)⋅(exp[-(Ut-ˉUt)k2])(10)ξ=ξ0+(1−ξ∝)⋅(exp[−(Ut−U¯¯¯t)k2])(10)由于在ˉUtU¯¯¯t处两条曲线具有相同的斜率,因此,可以得到k1和k2二者的关系式:k2=k11-ξξ0-1k2=k11−ξξ0−1通过分析Werther提供的实验数据,不同工况下ξ0和k1的值,发现分层系数ξ0是物料流率We(i)(kg/s)和循环流率Gs(kg/m2·s)的函数:ξ0=1.0+aUgas⋅We(i)-Gs⋅AGs⋅A(11)k1=bUterm⋅U2gas(12)ξ0=1.0+aUgas⋅We(i)−Gs⋅AGs⋅A(11)k1=bUterm⋅U2gas(12)式中:Uterm炉膛内总的平均粒径对应的终端速度,m/s;A炉膛截面积,m2.1.5磨耗退档引起的流率应用小室模型沿炉膛高度划分小室,各个小室内粒径的灰平衡见第62页图3.i小室内粒径j,年龄档k的平衡为:Wfa,i,j,k+We,i+1,j,k-We,i,j,k+Wd,i-1,j,k-Wd,i,j,k+Wra,i,j,k-Wda,i,j,k+˙mshift,i,j,k+˙mtk-1→tk-˙mtk→tk+1=0(13)Wfa,i,j,k+We,i+1,j,k−We,i,j,k+Wd,i−1,j,k−Wd,i,j,k+Wra,i,j,k−Wda,i,j,k+m˙shift,i,j,k+m˙tk−1→tk−m˙tk→tk+1=0(13)式中:Wfa,i,j,k——给料流率,kg/s;We,i+1,j,k——来自i+1小室的向上流率,kg/s.We,i+1,j,k=We,i+1·bedi+1,j,k·ξi+1,j(14)式中:We,i,j,k——流到i-1小室的向上流率,kg/s.We,i,j,k=We,i·bedi,j,k·ξi,j(15)式中:Wd,i-1,j,k——来自i-1小室的下降流率,kg/s.Wd,i-1,j,k=Wd,i-1·bedi-1,j,k(16)式中:Wd,i,j,k——流到i-1小室的下降流率,kg/s.Wd,i,j,k=Wd,i·bedi,j,k(17)Wra,i,j,k——飞灰回送的物料流率,kg/s(只存在于底部小室);Wda,i,j,k——排到系统外的物料(排渣)流率,kg/s(只存在于底部小室);˙mm˙shift,i,j,k——磨耗退档引起的第(dj,tk)档颗粒净质量变化率,kg/s;˙mm˙tk-1→tk——从时间档tk-1转变为tk档颗粒的流率,kg/s;˙mm˙tk→tk+1——从时间档tk转变为tk+1档颗粒的流率,kg/s.˙mtk→tk+1=Ηupibedi,j,ktk+1-tk(18)kg/s.m˙tk→tk+1=Hupibedi,j,ktk+1−tk(18)式中:Hupi——小室i内的总质量,kg.Ν∑j=1Μ∑k=1bedi,j,k=1(19)∑j=1N∑k=1Mbedi,j,k=1(19)1.6颗粒划分确定的非线性方程组在任意选取的小室内,粒径j,年龄档k的质量分额bedi,j,k和下降流率Wd,i是未知数.当颗粒划分为N筛分、M年龄时,小室内未知数的总数为N×M+1个.模型计算中炉膛划分为L个小室,因此整个系统的未知数L(N×M+1)个.应用POWERSTATIONFORTRAN中IMSLSTAT软件包中的DNEQNF直接求解上述非线性方程组.2颗粒分布的影响应用上述模型模拟了黄姑电厂75t/hCFB锅炉的运行,煤种为大同烟煤.在5个不同工况下研究磨耗速率常数和不同灰成分对床料粒径分布及停留时间分布的影响.锅炉结构图见图4.运行条件和模型的计算结果见表1.从表1可以看出,增加总灰中Stone灰的份额,将降低飞灰量.同时使飞灰平衡粒径、床粒平均粒径,排渣平均粒径增加.而磨耗速率常数的增加将使得单位时间内产生更多的细颗粒,从而使飞灰份额从51.1%增加56%,飞灰平衡粒径降低,相应地,排渣份额降低,更多地粗颗粒留在床内,导致床料平均粒径增加.2.1磨耗速率常数对粒径分布的影响磨耗速率常数对颗粒粒径分布的影响见图4.炉膛内不同位置D为循环灰;C为排渣;B为密相区;I为炉膛顶部.将灰的磨耗速率常数增加10倍,4个位置的粒径分布都相应地变粗.磨耗速率常数的增加,使得单位时间内将生成更多的超细颗粒,且完全被携带出炉膛,同时导致更多的颗粒退档.磨耗的存在,使得床料中细颗粒的份额加大,使得飞灰量加大,飞灰平均粒径降低.同理,飞灰量增大,从而使得排渣量降低,使更多的大颗粒留在床内.床料的平均粒径,排渣的平均粒径也相应增大.从图4可以看出,增大磨耗速率常数,对排渣和密相区的粒径分布的影响要大于炉膛顶部和循环灰粒径分布的影响.2.2影响颗粒停留时间的因素在求解得到任意选取的小室内,粒径j,年龄档k的质量份额后,将某一粒度不同年龄的颗粒作一统计,其年龄对数量的平均就是该粒度的物料平均停留时间.不同工况下床内不同粒径灰颗粒的平均停留时间分布见图5.所有工况下的停留时间分布具有相同的趋势,即在300μm出现最大值,而粗颗粒和细颗粒的停留时间都很短.由