循環(huán)流化床鍋爐焦炭顆粒燃燒機(jī)理研究

李富明,馮旭紅

(1.大同市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,大同 037010;2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024)

國(guó)內(nèi)大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐燃用劣質(zhì)煤,燃燒效率往往達(dá)不到設(shè)計(jì)值,飛灰中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%,成為制約循環(huán)流化床發(fā)展的主要因素。在目前能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的形勢(shì)下,焦炭顆粒燃盡方面的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。單顆粒焦炭等徑縮核燃燒數(shù)學(xué)模型的計(jì)算發(fā)現(xiàn),焦炭顆粒的燃盡時(shí)間隨粒徑變化曲線呈峰值特征,粒徑在40～50μm的顆粒相對(duì)難燃盡[1]。焦炭顆粒的破碎是飛灰顆粒形成的重要因素,破碎的類型和程度影響燃燒阻力曲線的發(fā)展[2,3]。焦炭晶格結(jié)構(gòu)的變化影響流化床鍋爐飛灰殘?zhí)嫉男纬?其晶格化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的決定性作用是溫度,其次是煤在加熱中的停留時(shí)間[4,5]。焦炭的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)在燃燒過程中發(fā)生變化,其孔隙結(jié)構(gòu)是一種分形體結(jié)構(gòu),孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)與燃盡率有關(guān)[6,7]。

筆者將從微觀角度出發(fā),對(duì)某循環(huán)流化床鍋爐飛灰進(jìn)行測(cè)試分析,討論飛灰微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與焦炭燃燒狀況之間的關(guān)系,分析飛灰可燃物的生成機(jī)理和燃燒特性,以探討影響飛灰碳生成的主要因素。

1 鍋爐主要參數(shù)

該鍋爐是由四川鍋爐廠生產(chǎn)的CG-35/3.9-MF沸騰燃燒鍋爐經(jīng)多次改造而成。煤樣分析結(jié)果和鍋爐主要參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 煤樣分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從表2可以看出,鍋爐出力嚴(yán)重不足,只有額定蒸發(fā)量的50%;鍋爐熱效率低,主蒸汽溫度偏低,排煙中氧的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)15.6%。

表2 鍋爐主要參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

為了了解焦炭微觀結(jié)構(gòu)與燃燒狀況的相互影響和變化,運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)飛灰的微觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行觀察和測(cè)量。

1)測(cè)定灰樣的粒徑分布和含碳量,了解燃料的物理組成和燃燒產(chǎn)物的燃盡狀況,得到可能與燃燒工況相關(guān)的參數(shù)。將從電除塵器收集的飛灰烘干后,在振篩機(jī)上篩分,確定飛灰的粒徑分布;然后在馬弗爐中做燒失量實(shí)驗(yàn),得到飛灰的粒徑分布和含碳量分布。

2)利用掃描電鏡對(duì)飛灰進(jìn)行微觀形貌觀察,分析不同燃盡率飛灰的微觀典型特征,得到焦炭燃燒過程中微觀形態(tài)的變化趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)采用日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-35C型電子顯微鏡觀察灰樣的微觀結(jié)構(gòu)。將飛灰樣品粘在樣品臺(tái)上,觀察前在表面噴鍍一層導(dǎo)電金屬或碳,鍍膜厚度控制在5～10 nm,噴金后在適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)下對(duì)典型顆粒類型進(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粒徑分布和含碳量

飛灰的粒徑分布和含碳量分布如圖1所示?？梢钥闯?粒徑38～58μm 及大于 150μm 的飛灰質(zhì)量最大,幾乎占到飛灰總質(zhì)量的60%。38～45μm粒徑段的飛灰占總重的1/4;粒徑大于150μm的飛灰的燒失量超過50%;58～150μm的飛灰燒失量在40%左右,表明大粒徑的焦炭燃燒極不完全。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的區(qū)域分布在38～58μm,90～120μm和大于 150μm 的粒徑段 。

圖1 飛灰粒徑分布、燒矢量和飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.2 微觀形貌

圖2為飛灰實(shí)驗(yàn)中燒失量最小的25～38μm顆粒的掃描電鏡圖。從圖中可以看出,盡管這一粒徑顆粒的形狀各異,但顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松,孔洞密布復(fù)雜,顆粒內(nèi)外表面粗糙,有劇烈燃燒特征,表明顆粒燃燒較為完全。粒徑為90～120μm顆粒的含碳量較高,其掃描電鏡圖如圖3所示。從圖中可以看出,顆粒結(jié)構(gòu)致密,表面棱角可見,偶有少量大孔隙分布其上,燃燒痕跡不明顯,表明較大粒徑顆粒未充分燃燒就被排出爐外。粒徑大于150μm飛灰的微觀結(jié)構(gòu)特征與此相似。

圖2 25～38μm 飛灰顆粒

圖3 90～120μm 飛灰顆粒

圖4為粒徑段在38～58μm的飛灰顆粒掃描電鏡圖,燒失量為26%。圖4-b和4-c分別為圖4-a不同部位的局部放大。從圖中可以看出,這一粒徑段的顆粒中同時(shí)存在孔隙率高、燃燒較充分的顆粒和燃燒不完全的顆粒。顆粒的特征表明,它們分別為多孔碳和密實(shí)碳兩種不同孔隙特征的顆粒。圖4-b可能為燃盡較好的大顆粒破碎后的碎片,圖4-c可能為燃燒不完全被帶出爐外的細(xì)顆粒。

3.3 飛灰殘?zhí)挤治?/h3>

對(duì)飛灰的微觀觀察和分析結(jié)果表明,飛灰含碳量最高的區(qū)域分布在粒徑為38～58μm,90～120μm和大于150μm,并且不同粒徑段飛灰碳的來(lái)源不同。從碳球燃盡時(shí)間的計(jì)算中知道,對(duì)于爐膛高為14 m的循環(huán)流化床鍋爐,其粒子飛出時(shí)間小于燃盡時(shí)間的顆粒直徑通常在53～235μm之間。但從前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,不僅是大粒徑,即便是小粒徑的顆粒燃燒也不完全,其原因有如下幾點(diǎn)。

1)鍋爐床溫分布不合理,上部區(qū)域溫度過低。熱工實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鍋爐爐膛上部溫度為588℃,下部為704℃,燃燒層溫度平均為922℃。顯然,爐膛溫度過低,特別是懸浮段溫度過低導(dǎo)致燃料燃燒不完全,同時(shí)表明床內(nèi)溫度沿爐膛高度的分布不合理。

2)返料系統(tǒng)不暢。循環(huán)流化床鍋爐中分離器的切割粒徑(50%)很少低于100μm,循環(huán)灰的平均粒徑約為110～180μm,飛灰粒徑一般不超過100μm。該循環(huán)流化床鍋爐回料系統(tǒng)采用J型返料閥,由于返料系統(tǒng)經(jīng)常堵塞,旋風(fēng)分離器未投入運(yùn)行。因此,在旋風(fēng)分離器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,90～120μm 和大于150μm粒徑段的飛灰可以被旋風(fēng)分離器捕集回爐膛循環(huán)燃燒,增加了這部分燃料的燃燒時(shí)間,可以有效降低飛灰的含碳量。

圖4 38～ 58μm飛灰顆粒

對(duì)于飛灰含碳量最高的38～58μm,90～120μm和大于150μm 的 3個(gè)粒徑段,其殘?zhí)紒?lái)源不同。第一區(qū)段的未燃碳的來(lái)源主要是小顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間過短,未來(lái)得及完全燃燒就被吹出爐外;第二區(qū)段的顆粒含碳多是因?yàn)闋t內(nèi)燃燒狀況欠佳,稀相區(qū)床溫過低,使細(xì)顆粒的燃燒條件惡化;而第三區(qū)段除了爐內(nèi)燃燒狀況欠佳的原因外,還可能是回料系統(tǒng)堵塞,使旋風(fēng)分離器失去對(duì)這部分顆粒的分離作用,直接被排出爐外。

4 結(jié)論

本文以實(shí)際循環(huán)流化床鍋爐飛灰為研究對(duì)象,研究分析了飛灰的篩分特性、孔隙分布及孔隙分形特征,結(jié)果表明:

1)循環(huán)流化床鍋爐飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的區(qū)域分布在38～58μm,90～ 120μm 和大于 150μm的粒徑段,表明飛灰未燃碳具有峰值特征。

2)循環(huán)流化床鍋爐焦炭顆粒的燃盡與燃燒室溫度、顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)及旋風(fēng)分離器的性能關(guān)系密切。

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