流化床燃烧条件下煤燃烧成灰磨耗的简化方法

流化床燃烧条件下煤燃烧成灰磨耗的简化方法

在循环流场燃烧条件下，煤的成灰特征和磨损特征的传输过程对整个流场的性能有重要影响。在模拟实际条件下，人们研究了流条件下颗粒的粒径变化，但很难在模拟真实条件下的流蓄热态实验台上获得流蓄成灰的参数。焦炭颗粒内部存在大量的灰核,当焦炭颗粒中的含碳成分燃尽以后,灰核之间的连接桥变得非常脆弱,由于碰撞或者颗粒重力即可使得它们断裂.研究发现,温度较低时,煤颗粒燃烧形成大尺寸灰颗粒都是来自煤中的矸石,而细灰粒子通常来自于煤形成过程中沉积下的尘粒组分形成的富灰灰核,这些灰核在一次破裂和焦炭燃烧过程中并不发生破碎.换言之,在流化床燃烧条件下,燃烧、碎裂和磨耗对最后灰的粒径分布影响是互相独立的.基于这一分析,作者把流化床条件下煤燃烧成灰磨耗特性归结到本征参数,把煤在床内爆裂和燃尽引起的尺寸减损和颗粒的磨耗看成是相互独立的两个过程,从而提出利用静态燃烧后的冷态流化得到成灰及磨耗参数的方法.但冷态流化实验仍然比较繁琐,需要寻找更加简单的实验方法.研究发现,流化床中床料颗粒的粒径变化规律与其吸收的能量水平有关,而流化床中的颗粒行为可以用振动方法模拟.这是因为流态化和振动过程中颗粒粒径变化具有相同的机理:从系统中获取能量引起碰撞.本文在文献的方法基础上,提出煤颗粒静态燃烧后冷态振动筛分的方法.1煤体冷态实验实验设备包括马弗炉、振动筛分实验台和冷态流化实验台.实验使用柳江煤,其工业分析和元素分析见表1.初始煤样粒径为0.05～10.00mm.经过破碎,将煤颗粒筛分若干粒径段.本文以0.6～1.2mm的煤样I和粒径范围为1.2～2.0mm的煤样Ⅱ为例介绍实验结果.把煤样放到电加热的马弗炉中加热,温度控制在850℃.一段时间后煤颗粒燃尽.收集灰颗粒并放到流化床和振动筛分机上分别进行实验.振动筛分机的频率为50Hz,振幅是可以改变的.因为循环流化床与固定床燃烧的根本区别是在流化床中有剧烈的粒子间的碰撞导致煤颗粒的尺寸衰减和磨耗,所以从一系列的振动筛分实验可以看出振动筛分中粒子尺寸衰减的效果.每次实验的初始灰量相同,以消除床的空隙率对实验的影响.冷态的流化实验台介绍见文献.将由静床燃烧获得某一粒径煤燃烧制成的灰样置于流化床中,颗粒在流化空气的作用下循环流动一段时间后测量粒径分布并与振动筛分中的同一灰样进行比较.2计算表及结果将由某一粒径段煤在静床中制得的灰样放入振动筛分中测量磨耗率.图1和图2分别为煤样Ⅰ和煤样Ⅱ制得的灰样I和灰样II在振动筛分机振幅控制在1.5mm时的结果.固体颗粒质量累计份额在初始阶段(0～30min)变化比较大,这是颗粒相互碰撞引起的颗粒破碎,尔后进入相对稳定的磨耗阶段,与流化床中冷态的流化完全一致.这表明30min后,对于粒径尺寸的衰减,成灰特性的影响几乎可以忽略,磨耗变为主要因素.对其他粒径的研究发现相同的规律.30min之前即为本征成灰过程,而30min后即为磨耗过程.该结果与流化实验具有相同的物理意义.从图1和图2中可以看出,颗粒的累计质量份额随着时间的增大而增加.当细小颗粒的剥落和子颗粒变得比筛网小时,同时收集到由更大的颗粒产生的子颗粒.上述实验与冷态流化实验结果比较,呈现的规律非常相似.若定义磨耗速率R为R=1WdWdt(1)R=1WdWdt(1)式中:W为固体颗粒的质量.以典型的两个原始粒径为例,磨耗速率随时间的变化规律见图3.与冷态流化实验结果比较,规律几乎完全相同.磨耗速率随着时间下降,趋近一个常数.在磨耗过程中,颗粒的球形度提高.可将磨耗速率R写作式(2)的形式R=R∞(1+ae-bτ)(2)式中:a和b为参数;R∞为磨耗速度在无穷大时间后趋近的常数,可命名为最小磨耗速度.通常认为颗粒变化过程中磨耗的产物大多是粒径di<0.09mm的颗粒.则可将累积份额作为磨耗的特征数据进行研究.将振动筛分和冷态流化实验由结果进行处理,回归出R∞、a和b.表2给出原始粒径为1.2～2.0mm、振幅为1.5mm时,其与3种流化速度实验比较的部分结果.其他结果不再一一列出.流化过程磨耗速度正比于过余速度的平方Raf=kaf(u-umf)2(3)式中:u为流化速度,m/min;umf为初始流化速度,m/min;kaf为流化磨耗系数(min-1·m-2).该式表明磨耗速度与颗粒在系统中获得的能量成正比.而在振动筛分过程中,颗粒从系统获得的能量正比于振幅A的平方.则振动筛分磨耗速率Ras可定义为Ras=kasA2(4)振幅对磨耗速率的影响实验结果见图4.该结果与相同煤种的流化实验的结果趋势非常相似.磨耗速率与振幅的平方显示了良好的线性关系.假设振动筛分与冷态流化磨耗速率两条曲线完全重合,将有kaf=C2(u)kas[C1(u)τ](5)11个煤种的实验结果表明,C1(u)和C2(u)只与实验条件有关.表3给出了部分C1(u)和C2(u)的结果.考虑两种实验方法的兑换关系,坐标线性变换为kas′=C1(u)kas(6)τ′=C2(u)τ(7)以流化速度3m/s和4m/s实验条件下的磨耗系数与时间的变化关系为例,与振幅1.5mm的振动筛分实验比较,结果见图5.其他条件下的实验结果与此具有同样的规律.可以发现,两种实验方法得到的磨耗系数与时间的关系曲线基本重合.对不同煤种和不同粒径段的研究结果均与此相同.提出的流化床煤燃烧成灰磨耗研究方法,是用振动向颗粒提供能量引起颗粒间的磨耗模拟流态化时的成灰磨耗.成灰磨耗速度除与本身性质有关外,仅与振动振幅A的平方及振动时间有关;流化床中磨耗程度与过余速度的平方及时间有关.成灰磨耗速度与颗粒获得的能量成正比是这两种方法具有模拟性的理论基础.按冷态流化和振动筛分两种方法对淮北洗中煤煤种进行最终比较实验,煤质资料见表4,对比实验结果见图6.可见,二者吻合得很好.3颗粒碰撞模拟流化床流化床燃烧煤的成灰磨耗过程可以简化分为燃烧以及相互碰撞产生的成灰磨耗两个相对