王志鋒, 梁 鵬, 張艷輝, 畢繼誠(chéng)

(1.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030001;2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院,寧波315103;3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,寧波315100)

循環(huán)流化床燃燒(CFBC)技術(shù)與煤粉爐、鼓泡流化床鍋爐以及鏈條爐等相比,具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：CFBC屬于低溫燃燒,因此NO x排放遠(yuǎn)低于煤粉爐,并且可以實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)直接脫硫;燃料適應(yīng)性廣,尤其適合于低熱值劣質(zhì)煤;排出的灰渣活性好,無(wú)二次灰渣污染;負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大[1-2];此外,循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)存在著穩(wěn)定的高溫?zé)峄已h(huán)流,它攜帶了大量可以在爐外利用的熱量.利用循環(huán)流化床的這種特性可將燃燒/熱解或燃燒/氣化有機(jī)地結(jié)合起來(lái),并可利用循環(huán)流化床鍋爐的高溫循環(huán)熱灰作為熱載體來(lái)熱解或氣化原煤,在得到高質(zhì)量煤氣和焦油的同時(shí),熱解或氣化后的半焦還可作為燃料送回爐內(nèi)進(jìn)行燃燒以產(chǎn)生蒸汽,用來(lái)發(fā)電與供熱,實(shí)現(xiàn)氣、油、熱、電多聯(lián)供[3-5].由于在該多聯(lián)供系統(tǒng)中,高溫循環(huán)熱灰是作為熱量提供者,其流動(dòng)狀況直接影響著系統(tǒng)的熱效率、熱解產(chǎn)物的分布以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此研究循環(huán)灰在該系統(tǒng)中的流動(dòng)特性具有重要的實(shí)際意義.筆者在自行建立的CFB燃燒/熱解雙反應(yīng)器冷態(tài)試驗(yàn)裝置上驗(yàn)證了電廠循環(huán)灰的流動(dòng)特性,并結(jié)合前期所做的研究工作[6-10],為熱態(tài)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)和參考.

1 試驗(yàn)裝置

循環(huán)流化床煤燃燒/熱解雙反應(yīng)器冷態(tài)試驗(yàn)裝置示于圖1.除旋風(fēng)分離器外,其余的組件都由有機(jī)玻璃構(gòu)成,其中提升管的內(nèi)徑為100 mm、高為6.7 m,立管的內(nèi)徑為44 mm、高為3 m.固體顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后,在料腿內(nèi)保持一定高度的料封,以避免熱解室與旋風(fēng)分離器互相影響.固體顆粒經(jīng)料腿底端U閥進(jìn)入底部帶有錐形氣體分布板的熱解室,然后再通過(guò)立管底部U閥返回到提升管內(nèi),其中熱解室的截面積為200 mm×200mm,高為770 mm.提升管內(nèi)表觀氣速及進(jìn)入熱解室的松動(dòng)氣量分別由不同的流量計(jì)進(jìn)行控制,雙反應(yīng)器系統(tǒng)的壓力分布則由壓力自動(dòng)采集系統(tǒng)來(lái)完成.圖2給出了熱解室及立管上的壓力測(cè)點(diǎn)位置,其中立管上安裝了5個(gè)壓力傳感器,在立管底部選一基準(zhǔn)點(diǎn),各壓力測(cè)點(diǎn)從下到上距此基準(zhǔn)點(diǎn)依次為270 mm、800mm、1 690mm、2 505mm及2 810mm,并在熱解室上安裝了1個(gè)壓力傳感器.立管內(nèi)的氣固流動(dòng)速度分別采用氣體示蹤法與光導(dǎo)纖維進(jìn)行測(cè)量.

試驗(yàn)所用物料為電廠循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)灰,其堆集密度為1 055 kg/m3,平均粒徑為0.428 mm,最小流化速度為0.112 m/s.

圖1 CFB燃燒/熱解雙反應(yīng)器冷態(tài)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the cold test rig of CFB bi-reactor for combustion and pyrolysis

圖2 熱解室及立管上的壓力測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic of the positions of pressu remeasu rement point in pyrolysis chamber and standpipe

2 結(jié)果與討論

2.1 提升管內(nèi)表觀氣速U r的影響

固定立管底部U閥的松動(dòng)風(fēng)與流化風(fēng),同時(shí)調(diào)節(jié)旋風(fēng)料腿底部U閥的輸送風(fēng),使旋風(fēng)料腿內(nèi)的料封保持一定的高度.通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)改變提升管內(nèi)表觀氣速U r的大小,由于CFB鍋爐爐膛內(nèi)截面風(fēng)速通常為4～6 m/s,所以試驗(yàn)中的表觀氣速Ur均在此范圍內(nèi)變化.立管內(nèi)壓力分布隨Ur的變化示于圖3.從圖3可知：隨著U r的增加,立管內(nèi)壓力稍有增大但變化不明顯,尤其是立管與熱解室相連位置處的壓力隨Ur的變化很小,這是因?yàn)榱贤葍?nèi)保持有一定高度的料封,料封的存在避免了顆粒從旋風(fēng)分離器夾帶下來(lái)的氣體對(duì)熱解室的影響;而且在熱解室上設(shè)有模擬熱解氣的出口,因此熱解室內(nèi)的壓力很小.隨著提升管內(nèi)表觀氣速U r的增加,雖然提升管內(nèi)固體顆粒的質(zhì)量分率減少,但由于熱解室的截面積與立管相比大得多,因此提升管內(nèi)顆粒濃度的變化對(duì)熱解室內(nèi)料位高度的影響不大,從而熱解室與立管相連處的壓力隨Ur的變化很小.在U r變化范圍內(nèi),立管內(nèi)為負(fù)壓差移動(dòng)床流動(dòng).從圖3可看出：立管內(nèi)負(fù)壓差隨著表觀氣速U r的增加而降低,這與采用硅膠顆粒進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果相似.

圖3 表觀氣速U r對(duì)立管內(nèi)壓力分布的影響Fig.3 Effect of ap parent gas velocity U r on pressure distribution in the standpipe

2.2 系統(tǒng)循環(huán)量G s的影響

在提升管內(nèi)表觀氣速一定的情況下,系統(tǒng)循環(huán)量G s通過(guò)改變立管底部U閥的松動(dòng)風(fēng)與流化風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié).立管內(nèi)壓力分布隨循環(huán)量的變化示于圖4.從圖4可看出：除立管入口外,在相同立管高度處,隨著循環(huán)量的增大,該點(diǎn)的壓力也趨于升高.這是由于隨著循環(huán)量的增大,立管內(nèi)顆粒流動(dòng)速度加快,顆粒對(duì)氣體的作用增強(qiáng)所致.在循環(huán)量變化范圍內(nèi),立管內(nèi)為負(fù)壓差移動(dòng)床流動(dòng),隨著循環(huán)量的增大,立管內(nèi)負(fù)壓差梯度隨之增大,這主要是因?yàn)檠h(huán)量G s的增加,使得提升管內(nèi)固體濃度和壓降均增加,從而使提升管和立管底部壓力升高,導(dǎo)致立管的負(fù)壓差梯度增大.而在熱態(tài)過(guò)程中,由于CFB鍋爐的實(shí)際循環(huán)量比冷態(tài)試驗(yàn)中的循環(huán)量大,因此立管內(nèi)的負(fù)壓差梯度也隨之增大,同時(shí)立管的穩(wěn)定性隨之降低,這主要因?yàn)閷?duì)于一定高度的立管,其移動(dòng)床料封能力是有限的,即不能超出臨界料封能力(△p/Z)?C,否則就會(huì)發(fā)生氣體返竄和料封破壞等情況.而對(duì)于該系統(tǒng),必須保證提升管內(nèi)的氧化性氣體不能返竄進(jìn)入熱解室內(nèi),以免發(fā)生危險(xiǎn).因此,在熱態(tài)過(guò)程中,為了保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行,在立管內(nèi)的壓降小于臨界料封能力的條件下還應(yīng)留有一定的操作余地;同時(shí),還要控制好煤與熱灰在熱解室內(nèi)的停留時(shí)間及混合均勻程度,使煤熱解完全后再進(jìn)入立管,以增加立管運(yùn)行的穩(wěn)定性.

2.3 熱解室內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響

在熱態(tài)過(guò)程中,高溫循環(huán)熱灰作為熱載體與煤在熱解室內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng),釋放出大量的熱解氣,熱解氣的逸出會(huì)對(duì)熱解室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響.為了模擬這種狀態(tài),在冷態(tài)試驗(yàn)中,在熱解室里加入一定的松動(dòng)氣量Qa.由固體熱載體-粉煤快速熱解試驗(yàn)可知：1 kg煤大約可產(chǎn)生0.07 m3左右的煤氣,若以灰煤比為6∶1計(jì),當(dāng)灰的循環(huán)量為99.36 kg/(m2?s)時(shí),可干餾煤90 kg/h,則可產(chǎn)生約6.3 m3/h左右的煤氣,因此在冷態(tài)試驗(yàn)中加入到熱解室內(nèi)松動(dòng)氣量的變化范圍應(yīng)包括此值.在系統(tǒng)的循環(huán)量為99.36 kg/(m2?s)、提升管內(nèi)表觀氣速為4.95 m/s時(shí),立管內(nèi)的壓力分布隨加入到熱解室內(nèi)松動(dòng)氣量的變化示于圖5和圖6.當(dāng)松動(dòng)氣量Qa小于5.5m3/h時(shí),熱解室內(nèi)為移動(dòng)床流動(dòng),當(dāng)松動(dòng)氣量Qa為6m3/h時(shí),熱解室內(nèi)達(dá)到流化狀態(tài).從圖5和圖6中可看出：松動(dòng)氣量Qa對(duì)立管上部壓力分布的影響比較明顯,即立管上部同一測(cè)壓點(diǎn)位置上的壓力隨著松動(dòng)氣量Q a的增加而增大,這主要是因?yàn)殡S著松動(dòng)氣量Qa的增加,從熱解室流向立管的顆粒所夾帶的氣量也隨之增加,導(dǎo)致顆粒對(duì)氣體的壓縮作用增強(qiáng)所致.而且在試驗(yàn)中可看出：在操作范圍內(nèi),熱解室內(nèi)無(wú)論是移動(dòng)床還是流化床,立管內(nèi)均可保持穩(wěn)定的移動(dòng)床流動(dòng),即熱解室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)立管的穩(wěn)定運(yùn)行影響不大.可以預(yù)測(cè),在熱態(tài)過(guò)程中即使熱解氣的正常導(dǎo)出會(huì)改變熱解室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài),但立管也完全能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行.

圖4 循環(huán)量G s對(duì)立管內(nèi)壓力分布的影響Fig.4 E ffect of circulating amoun t G s on pressu re distribution in the standpipe

圖5 松動(dòng)氣量Q a對(duì)立管內(nèi)壓力分布的影響(熱解室內(nèi)為移動(dòng)床)Fig.5 Effect of aeration gas amount Q a on pressu re distribu tion in the standpipe(w ith moving bed in the pyrolysis cham ber)

圖6 松動(dòng)氣量Q a對(duì)立管內(nèi)壓力分布的影響(熱解室內(nèi)為流化床)Fig.6 Effect of aeration gas am ount Q a on p ressure distribution in the standpipe(with fluidized bed in the pyrolysis chamber)

2.4 熱解室內(nèi)壓力的影響

在熱態(tài)過(guò)程中,如果熱解氣的導(dǎo)出造成系統(tǒng)故障,導(dǎo)致熱解室內(nèi)的壓力升高,則會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)熱解室內(nèi)壓力升高至5 000 Pa左右時(shí),熱解室上部的U型閥逐漸停止返料,導(dǎo)致料腿內(nèi)的料位高度升高.但由于系統(tǒng)其他操作條件不變,所以熱解室及立管內(nèi)的料位逐漸降低,并最終導(dǎo)致料封破壞,系統(tǒng)癱瘓.料封破壞的時(shí)間很短,約為1 min左右,詳細(xì)情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[11].

2.5 立管內(nèi)的氣固流動(dòng)速度

立管內(nèi)的氣固流動(dòng)形式主要取決于立管內(nèi)的滑移速度U sl,而U sl決定了立管內(nèi)移動(dòng)床的壓力梯度,可由修正的Ergun方程表示[12].當(dāng)提升管內(nèi)表觀氣速Ur為4.95 m/s時(shí),由于系統(tǒng)循環(huán)量的增加而引起立管內(nèi)壓力梯度與氣固滑移速度之間的變化關(guān)系示于圖7.從圖7可知：隨著立管內(nèi)壓力梯度的增加,立管內(nèi)氣固滑移速度也隨之增大,這與Ergun方程預(yù)測(cè)的結(jié)果基本一致.

圖7 G s對(duì)立管內(nèi)U sl的影響Fig.7 Effect of G s on U sl in the standpipe

3 結(jié) 論

(1)在系統(tǒng)循環(huán)量G s基本不變的情況下,立管內(nèi)的壓力分布隨提升管內(nèi)表觀氣速U r的增加變化不明顯,立管內(nèi)負(fù)壓差梯度隨Ur的增加而稍有減小.

(2)在提升管內(nèi)表觀氣速U r一定的情況下,立管內(nèi)負(fù)壓差梯度隨著循環(huán)量G s的增加而增大.

(3)熱解室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)立管的料封能力影響不大.

(4)熱解室內(nèi)壓力的變化對(duì)立管內(nèi)料封的穩(wěn)定性影響很大.當(dāng)熱解室內(nèi)的壓力超過(guò)某一值時(shí),立管內(nèi)的料封很快被破壞,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行.

(5)修正的Ergun方程可用于CFB燃燒/熱解雙反應(yīng)器系統(tǒng)中立管內(nèi)移動(dòng)床流動(dòng)的描述.

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