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1、第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧50第三章第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧循环流化床锅炉中煤粒的燃烧3.1 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧过程循环流化床锅炉中煤粒的燃烧过程加入流化床的煤粒将经过如下过程：干燥和加热；挥发分析出和燃烧；膨胀和一级破碎；焦炭燃烧和二级破碎、磨损。图 3-1 定性地给出了煤粒燃烧所经历的各个过程。3.1.1 干燥和加热干燥和加热 当新鲜煤粒被送入流化床后立即被大量灼热的床料所包围并被加热至接近床温，加热速率在1001000 /s 的范围。影响加热速率的因素不少，其中之一为煤的粒度，粒度大则加热速率小。3.1.2 挥发分析出及燃烧挥发分析出及燃烧挥发分析出过程是指煤分
2、解并产生大量气态物质的过程。挥发分由多种碳氢化合物组成，并在不同阶段析出。挥发分的第一个稳定析出阶段大约发生在温度 500600 的范围内。第二个析出阶段则在温度 8001000 的范围内。实际上挥发分析出和燃烧是重叠进行的，很难把两个过程的时间区分开来。因此，较有实际意义的方法是测试挥发分析出和燃烧时间。1980 年 Pillai 对 12 种不同的煤在鼓泡流化床中的挥发分火焰持续时间进行了测试，得出了挥发分析出燃烧时间和煤的初始直径间的经验公式： (3-1)p 0Vadt式中 tV挥发分析出燃烧时间，s；煤的初始直径，mm；p 0dp指数，在 0.320.8 之间；a常数，与成反比，在 0
3、.2222 之间。3.8 BT挥发分燃烧在氧和未燃挥发分的边界上呈扩散火焰，燃烧过程通常是由界面处挥发分和氧的扩散所控制的。对于煤粒，扩散火焰的位置是由氧的扩散速率和挥发分析出速率所决定的。氧的扩散速率低，火焰离煤粒表面的距离就远。对于粒径大于 1 mm 的大颗粒煤，挥发分析出时间与煤粒在流化床中的整体混合时间具有相同的量级。因此，在循环流化床锅炉中，在炉膛顶部有时也能观察到大颗粒煤周围的挥发分燃烧火焰。图图 3-1 煤粒燃烧所经历的各个过程煤粒燃烧所经历的各个过程第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧513.1.3 煤粒在流化床中的破碎特性煤粒在流化床中的破碎特性破碎特性是煤粒在进入高温流化床后
4、其粒度发生急剧减小的一种性质。煤粒破碎的直接结果是在煤粒投入床内后很快形成大量的细小粒子，特别是一些可扬析粒子的产生会影响锅炉的燃烧效率。此外，煤粒的破碎也显著改变了给煤的粒度分布。单用原始的燃料粒度分布预计煤的燃烧过程，会偏离实际情况。煤粒的破碎会使流化床内的燃烧热分配(即密相区的燃烧份额和稀相区的燃烧份额)偏离设计工况，进而影响到流化床锅炉的运行。因此，了解煤粒在高温流化床中的破碎特性具有现实意义。Massimilla 等人发现了煤粒破碎在流化床燃烧系统中的重要性，并提出了“一级破碎”的概念，即认为一级破碎是由于挥发分逸出产生的压力和孔隙网络中挥发分压力增加而引起的。而 Sundback
5、等人根据他们对单颗燃料粒子破碎特性的研究结果进一步提出了“二级破碎”的概念，即二级破碎是由于作为颗粒的联结体形状不规则的联结“骨架”(类似于网络结构)被烧断而引起的破碎。流化床中破碎和磨耗主要是由机械和热力两种因素造成的。机械影响是指碰撞和磨损，如煤颗粒之间；煤颗粒与床料(砂、灰石灰石等)；煤颗粒与流化床炉膛壁面；煤颗粒与床内受热面；由于床内煤的数量较少(12%)，因此煤颗粒之间的碰撞和磨损机率较小。热力影响是指由于化学反应而发生的许多化学变化(热解)和物理变化(破碎和磨耗)时，等温和非等温热分解引起的热力影响，所有这些都取决于床温、加热速率、煤质、煤颗粒尺寸、时间、压力、流化速度和 O2浓度
6、等。简单地讲，煤颗粒在流化床内的爆裂特性是指煤粒在进入高温流化床后，其粒度发生急剧减小的一种性质。而就流化床内粒度变化而言，引起的因素除爆裂外，还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及颗粒与埋管受热面的碰撞等。事实上，对爆裂和磨耗很难确切区分，磨耗就其本质而言是一种缓慢的破碎过程，它着重于固体颗粒间的机械摩擦作用，作用的结果是颗粒表面粗糙不平的物质以磨耗细小颗粒形式分离，因此影响颗粒磨耗的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等，磨耗的过程贯穿于整个燃烧过程。而燃料颗粒的爆裂则主要是自身因素引起的使粒度变化的过程，并且具有短时间内快速改变粒度的特点。煤粒在进入高温流化床后，受到炽热床
7、料的快速加热，首先是水分蒸发，然后当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发分反应，由于热解的作用，颗粒物理化学特性发生急剧的变化，对有些高挥发分煤，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，即颗粒在热解期间经历了固体转化为塑性体，又由塑性体转化为固体的过程。对于大颗粒煤来讲，由于温度的不均匀性，颗粒表面部分最早经历这一转化过程，即在颗粒内部转化为塑性体时，颗粒外表面可能已经固化。因此，随着热解的进行以及热解产物的滞留作用，颗粒内部将产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已固化的颗粒表层可能会崩裂形成破碎，而对于低挥发分劣质煤，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构才能从煤粒
8、中第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧52逸出，因此颗粒内部亦会产生较高的压力。另外，颗粒投入床内受到高温粒子群的挤压、大颗粒内部温度分布的不均匀引起的热应力以及流化床中气泡上升引起的压力波动均会影响到燃料颗粒的爆裂特性。爆裂过程是比较复杂的。煤颗粒进入流化床后会经历一个热解，破碎和燃烧的过程最后变为许多以灰分为主的颗粒，这一过程可以根据不同的破碎机理区分为一次爆裂，二次破碎，渗透破碎和磨耗等现象，如图 3-2 所示。由于挥发分在煤颗粒内析出并产生较大的压力，从而导致颗粒爆裂破碎成具有一定粒径分布的碎片，这一现象称为煤颗粒的一次爆裂。某些煤种的颗粒在这一过程中会有膨胀现象发生。经历过热解过程以后
9、，煤颗粒基本变为焦炭颗粒，由于燃烧反应和颗粒碰撞的综合作用，颗粒网络结构中某些联结部分可以断开，破碎为更小联结的焦炭颗粒，这一过程称为二次爆裂。焦炭颗粒在继续燃烧时会形成具有一定孔隙率的灰壳，由于氧气的渗透作用其碳核会逐渐趋于燃尽，使得整个颗粒的孔隙率不断加大，当孔隙率增大到某个临界值后，整个颗粒就会崩溃，变为许多更小的以灰分为主的颗粒(一般称为灰颗粒)，这就是渗透破碎现象。在许多文献中应用渗透理论模拟，运用 Monte-Carlo 方法计算，或直接通过实验测得了前述的孔隙率临界值，其范围为 0.70.8。在煤颗粒的热解和燃烧全过程中还始终存在着磨耗现象，它是由于固体颗粒间的碰撞磨擦而造成的颗
10、粒表面的磨损现象，其特征是由颗粒表面剥落下来许多微粒。图 3-2 对这几种现象作了形象的描绘。3.1.4 破碎机理分析与定量表征破碎机理分析与定量表征尽管研究了各种煤的爆裂特性(包括热解和焦炭燃烧时)，但是很少有研究者提出一些机理来解释观察到的颗粒爆裂。热解时的爆裂已经公认为与挥发分的析出有关，石油焦颗粒和热解后的南非烟煤焦炭颗粒在流化床中不发生爆裂，而南非煤颗粒在热解时发生爆裂，这些数据表明，热解过程中的爆裂与挥发分的析出密切相关，至少对于烟煤来说是这样的。仔细研究 Acampora 和 Chione 的爆裂实验数据发现，很明显，热解时的爆裂不仅仅是挥时间 一次爆裂 燃烧过程 二次爆裂 磨耗
11、 渗透破碎 图图 3-2 流化床燃烧中的颗粒破碎现象流化床燃烧中的颗粒破碎现象第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧53发分含量或煤质的函数，除了 Snibston 烟煤外，Nout/Nin(破碎比，即爆裂后收集到的颗粒数与给煤颗粒数之比)都随着煤质的提高或挥发分含量的降低而升高，按爆裂的程度排序为：无烟煤烟煤褐煤。随着挥发分含量减少，爆裂程度增加的原因可能是与煤的孔隙结构有关。由于颗粒的内部压力(此压力为挥发分析出速率与传输速率之差的函数)对于一个毫米级的颗粒可达3000atm，当煤的结构无法承受巨大的内部压力时就会发生爆裂。变形的烟煤在热解过程中的爆裂也可能与颗粒内部的较高压力有关。热解过程中
12、烟煤的变形产生了一种无法穿透的孔结构，这种孔结构导致当挥发分析出时在塑性物质内部形成高压区。Simons 认为变形的烟煤颗粒之所以会爆裂是因为这种塑性颗粒不可能在结构上承受高达 10atm 的内部压力。Ragland和 Weiss 以及 Daw 和 Krishnan 都观察到烟煤在热解时的爆裂，尽管 Daw 和 Krishnan 认为爆裂是由于内嵌的灰片和黄铁矿。这样，热解时一次爆裂就是内嵌内部压力的函数，至少某种程度上是。焦炭燃烧时发生的二次爆裂比热解时的一次爆裂理解的要少。Ragland 和 Weiss 以及Beer 都认为 Montana 褐煤颗粒在燃烧时的二次爆裂是在热解阶段就预先注定
13、的，因为热解后的颗粒内部通常都有裂隙，也许这些颗粒在流化床中的扰动下发生破碎，或者 O2渗透至颗粒内部的裂隙，当裂隙之间的焦炭被烧掉之后就破碎了。Kerstein 和 Niksa 假设完全被氧气渗透的颗粒，当其孔隙率达到 7080%时，就会发生爆裂，这种爆裂机理也可以应用于未被完全渗透的颗粒。当被 O2渗透的颗粒的外壳的孔隙率达到临界孔隙率时，会发生外围爆裂。在流化床中燃烧的大焦炭颗粒的氧气渗透深度与颗粒半径相比很小，因为一个大焦炭颗粒在它燃烧的整个过程就象一个收缩的球体，因此，Kerstein和 Niksa 提出的爆裂机理可能有利于解释发生于颗粒外围的次要的爆裂，以及当氧气渗透深度可以与颗粒
14、半径相比时的燃烧后期的主要爆裂。Sundback 根据热解后的焦炭颗粒外观及简单的传热模型的结果，热解时颗粒的爆裂机理如下：三种爆裂可以观察到：F 型、FC 型和 CS 型，如图3-3 所示。它们分别构成煤爆裂主要和次要的机理。典型地，F 型爆裂形成一个大的焦炭颗粒和一个或多个较小的焦炭颗粒(2mm 或更小)，CS 型爆裂会形成两种焦炭颗粒，一个较圆的颗粒和一个或多个壳片(0.51.0mm 厚)，FC 型爆裂形成的颗粒一般为 25mm，F 型和 CS 型很可能发生在煤为塑性的阶段，因为一层床砂附着于焦炭的暴露表面，并且所有焦炭表面均略为发圆。F 型发生在煤的塑性阶段之后，因为焦炭颗粒破裂面上既
15、没有床砂附着，形状也不圆。F 型爆裂机理与颗粒外表面的流动性有关，因为煤只在 150350K 大小的温度范围内呈煤 F 类爆裂 C+S 类爆裂 FC 类爆裂 图图 3-3 一次爆裂的三种类型一次爆裂的三种类型第三章 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧54现塑性状态，一个 7mm 的颗粒的径向流动性不是相同的，因为热解时颗粒内部存在一个较大的温度梯度一个 7mm 颗粒的周围的塑性壳的厚度大约为 1mm(根据简单的传热模型)，这种高流动性的壳片会被床内的床料颗粒和气流的作用而从主体颗粒上撕裂下来，而流动性差或未软化的部分保持原样，计算的塑性壳的厚度(1mm)与实验中测得的壳片的厚度一致。CS 型爆裂与颗粒
16、的流动性及其内部的压力有关。如果颗粒的流动性较差，则挥发分只能塑性的煤慢慢逸出，以致于使得颗粒内部的压力升高，Simons 指出变形的颗粒的爆裂可能发生于较高压力下。实验证实了 CS 型爆裂的机理，颗粒爆裂前，其内部压力较高，这与实验中听到的爆裂声一致，而且壳片的厚度(0.51.0mm)与估算的颗粒外围的塑性壳的厚度一样。此外，随着塑性颗粒流动性的降低(煤的预氧化程度提高)，CS 型爆裂发生的频率相对于 F 型提高了。最后，FC 型爆裂与焦炭颗粒的宏观结构有关。未爆裂的 Kentucky9焦炭颗粒内部有较大的裂隙，并且焦炭很脆，FC 型爆裂发生于类似的裂隙。因此发生于焦炭燃烧之时的爆裂，可以基于以下四个机理：渗透破碎：在化学反应控制的反应中，当颗粒的孔隙率达到 7080%时，渗透破碎可能发生。如果颗粒未被 O2完全渗透，当颗粒外壳的孔隙率达到临界孔隙率时，也会发生外围破碎。化学选择性破碎：由于无机质和各岩相组分在颗粒内部并非均
