片状化石燃料的循环流化床燃烧(Ⅱ)——片状颗粒在循环流化床的运行表现和片状颗粒在密相区和稀相区的行为

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.008 第27卷第4期 北京科技大学学报 Vol.27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag2005 片状化石燃料的循环流化床燃烧() 一片状颗粒在循环流化床的运行表现和片状颗粒在密相区和稀相区的行为 刘柏谦)郭勇》赵禹民”王金鑫)戚峰) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京吴煜公司电厂，北京100083 摘要测试了燃烧京西无烟煤循环流化床锅炉的实际运行参数，分析了颗粒度分布、球形 度变化等特征对锅炉运行的影响，研究了片状无烟煤颗粒在循环流化床燃烧过程中的行为， 研究表明，颗粒的片状形貌对炉膛密相区和稀相区的颗粒度分布、平均悬浮密度分布有着重 要影响，是造成炉膛温度大幅度波动和扬析量大幅度波动的直接原因。 关键词循环流化床：燃烧：锅炉：无烟煤：颗粒形貌：扬析 分类号TK16 流化床燃烧技术有两个重要的理论和技术 150℃，排烟温度150℃，设计床温900-1000℃，设 内容，一是流态化理论与技术，二是燃烧理论与 计炉膛出口温度800℃：锅炉设计效率81.1%. 技术，从流态化角度看，组成流化床的颗粒的性 1.2燃料和锅炉结构 质，包括密度、粒度分布、形貌特征等因素影响着 锅炉设计燃料特性为C,48.67%;H,0.74%; 流态化的质量：从燃烧角度看，粒度分布、颗粒成 0,2.92%:N,0.4%;Sr,0.14%;灰分Aw,43%;水 分、化学活性及流态化质量影响着燃烧质量 分M,4.13%;挥发分V,6.0%:发热量2， 因此，颗粒自身的性质对流化床燃烧过程有着十 16875kkg.其中下标ar代表收到基，daf代表 分重要的影响.文献[]将京西无烟煤作为典型 无灰干燥基. 的I类无烟煤，王平村煤是片状化非常严重的京 这台锅炉在结构上与其他循环流化床锅炉 西无烟煤，在流化床燃烧过程中，不仅表现出不 不同的是密相区截面积大，稀相区截面积小，炉 易烧透、大颗粒严重沉积等不良现象，锅炉运行 膛下部截面3730mm×5230mm,上部截面2830 起来，还需经常放冷渣，严重时每l0min就得放 mm×5230mm,两者的截面积比为1.318.如果不 一次渣.运行风室风压经常在8~10kPa下运行， 考虑温度变化的影响，密相区和稀相区将有 而只有在9kPa以上时，运行人员才感到锅炉运 1318倍的表观速度差别.即当密相区处于鼓泡 行稳定.发电标准煤耗已经接近900gkW-1h1. 床运行时，稀相区有可能已进入循环流化床锅炉 为了降低发电煤耗，北京科技大学和吴煜公司对 的运行范围.上部高度约13m:密相区埋管受热 京西无烟煤和该公司的循环流化床锅炉进行了 面积61.146m;炉膛稀相区布置受热面223.7m, 运行考察联合研究 过热器受热面303.7m2,省煤器受热面728m2,空 气预热器受热面1056m,布风板面积18.36m2. 150MW循环流化床锅炉锅炉 13颗粒形貌特征对锅炉运行的影响 考察要求操作人员按照工作习惯操作，主要 1.1锅炉规范 表现为：运行人员以床层温度为主要监控对象， 北京吴煜公司50MW循环流化床锅炉1997 为了保证床层温度，采用频繁放冷渣进行调整. 年7月投入运行.过热蒸汽温度450℃，给水温度 记录的风室压力为周期性波动，周期大致为10 收稿日期：20040410修回日期：200406-10 基金项目：国家自然科学基金资助课题No.50476082) 29min左右.排放的冷渣由铁矿车拉走，根据铁 作者简介：刘柏谦(1958一)，男，教投 矿车的容积可以估算出冷渣排放量

第 2 7 卷 第 4期 2 0 0 5 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr 衍 o f s e让 n c e a n d eT c h n o le gy B e ij恤 g M〕】 . 2 7 N o . 4 A u g . 2 0 0 5 片状化石燃料的循环流化床燃烧 ( H ) — 片状 颗粒 在循 环流 化 床 的运行 表 现 和 片状颗粒在 密 相 区和 稀相 区 的 行 为 刘 柏 谦 ” 郭 勇 ” 赵 禹民 ” 王 金 鑫 ” 戚 峰 2 , l) 北 京科技 大学机械 工 程 学院 , 北京 10 0 0 83 2 )北 京昊煌 公司 电厂 ` , 北京 10 0 0 83 摘 要 测 试 了燃 烧京 西无烟 煤循 环流 化床锅 炉 的实际运 行参 数 , 分 析 了颗 粒度 分布 、 球 形 度 变化 等特 征对锅 炉运行 的影 响 . 研究 了片 状无烟 煤颗粒 在循环 流化 床燃烧 过程 中的行 为 . 研 究表 明 , 颗粒 的片 状形貌 对炉 膛密相 区 和稀 相 区的颗粒 度分 布 、 平均 悬浮 密度分 布有着 重 要 影响 , 是造成 炉膛温 度 大幅度 波动和 扬析 量大幅 度波动 的直 接原 因 . 关键 词 循环 流化床 ; 燃烧 : 锅 炉 ; 无烟 煤 ; 颗粒形 貌 : 扬 析 分 类号 T K 16 流 化 床燃 烧 技 术 有 两 个 重要 的理 论和 技术 内容 , 一是 流态 化理 论 与技 术 , 二 是燃烧 理 论与 技术 . 从 流态 化 角度 看 , 组成 流 化床 的颗 粒 的性 质 , 包 括密度 、 粒 度分 布 、 形貌特 征等 因素影 响着 流 态化 的质量 ; 从 燃烧 角度看 , 粒 度分布 、 颗 粒成 分 、 化学 活性 及流 态 化质 量影 响着 燃烧 质 量 「团 . 因此 , 颗粒 自身 的性质 对流 化床燃 烧过 程有 着十 分重要 的影 响 . 文献 【5] 将 京西 无烟 煤作 为 典型 的 I 类 无烟 煤 , 王平 村煤 是 片状 化非 常严 重 的京 西无烟 煤 , 在 流 化床燃 烧 过程 中 , 不仅表 现 出不 易烧透 、 大颗 粒 严重 沉积 等 不 良现 象 , 锅 炉运 行 起 来 , 还 需经 常放 冷渣 , 严 重 时每 10 m in 就 得放 一次渣 . 运行 风 室风 压经 常在 8一 10 妙 a 下 运 行 , 而只 有 在 g kP a 以上 时 , 运行 人 员才 感 到锅 炉运 行 稳 定 . 发 电标 准煤 耗 己经接 近 9 0 g’ k w 一 ’ · h 一 , . 为 了降低 发 电煤耗 , 北京科 技大 学和 昊煌公 司对 京西 无烟 煤 和 该 公 司 的循 环流 化 床锅 炉 进 行 了 运 行考 察 联合 研究 . 1 5 0 M 、 V 循环 流 化床 锅 炉锅 炉 L l 锅炉 规 范 北 京昊 煌 公司 50 M W 循环 流 化床 锅炉 19 97 年 7 月投 入运 行 . 过 热蒸 汽温 度 4 50 ℃ , 给水 温度 收稿 日期 : Zo 4 es D今10 修 回 日期 : Zo 4 es 习-6 10 墓金项 目 : 国家 自然 科学基 金资 助课题 N( 。 5 0 4 7 60 82) 作者简 介 : 刘 柏谦 ( 1 9 5 8一) , 男 , 教 授 1 5 0 oC , 排 烟温 度 15 0 ℃ , 设计 床温 9 0 0一 1 0 0 0 oC , 设 计 炉膛 出 口 温度 80 ℃ : 锅 炉设 计效 率 81 . 1% . 1.2 燃料 和 锅炉 结构 锅炉 设计 燃料 特 性为 C ar , 48 . 67 % ; 氏 , .0 74 % ; O , , .2 9 2 % ; N 。 , .0 4 % ; S ar , 0 . 14 % ; 灰 分 凡 , 43 % ; 水 分 M 。 , 4 . 13 % ; 挥发 分 V , , .6 0 % ; 发热 量 以 net , 16 8 7 5 kJ · kg 一 ’ . 其 中下 标 ar 代 表收 到基 , d af 代表 无 灰干 燥基 . 这 台锅 炉 在 结 构 上与 其 他 循环 流 化 床 锅 炉 不 同 的是密 相 区截 面积 大 , 稀 相 区截面 积 小 , 炉 膛 下 部 截 面 3 7 30 m m x 5 2 3 0 m , 上 部 截 面 2 8 3 0 m m x s 2 3 0 nu , 两者 的截 面积 比 为 1 . 3 1 8 . 如果 不 考 虑 温 度 变 化 的 影 响 , 密 相 区 和 稀 相 区 将 有 1 . 3 18 倍 的表 观速 度 差别 . 即当密 相 区 处 于鼓泡 床 运行 时 , 稀 相 区 有可 能 已进 入循环 流化 床锅 炉 的运行 范 围 . 上部 高 度约 13 m ; 密 相 区埋 管受 热 面 积 61 . 14 6 m , ; 炉膛 稀 相 区布置 受 热面 2 23 . 7 m , , 过 热器 受热 面 3 03 . 7 耐 , 省煤 器 受热 面 7 28 耐 , 空 气 预热 器 受热面 1 0 56 m 2 ,布 风板 面积 18 .3 6 耐 . 1 .3 颗 粒形 貌特 征对 锅 炉运 行 的影 响 考 察要求 操 作人 员按照 工 作习惯 操作 , 主要 表 现 为 : 运行 人 员 以床 层 温度 为主 要 监控对 象 , 为 了保 证 床层温 度 , 采用 频繁 放冷 渣 进行 调整 . 记录 的风 室压 力 为周 期性 波动 , 周 期 大致 为 10一 2 9 m in 左 右 . 排放 的冷 渣 由铁 矿车 拉走 , 根据 铁 矿 车 的容 积可 以估 算 出 冷 渣排 放量 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 04. 008

VoL.27 No.4 刘柏谦等：片状化石燃料的循环流化床燃烧（Ⅱ） ·419· 图1为锅炉运行时床温变化、风室压力变化 低.而炉膛上部运行风速大约在6m·s附近，已 和流化风速变化.图1（©）可见，为维持良好燃烧 经高于目前循环流化床锅炉的运行风速，由于运 状态，炉膛出口温度比设计温度高出约40℃：由 行风速高所造成的磨损等问题，也会在长时间运 于流化床下部装有埋管，埋管上下的温度相差约 行后表现出来. 40℃，但都在设计床温范围内.图1(b)可见，按运 行人员操作习惯，20min左右要放一次冷渣，冷渣 2运行状况分析与讨论 量约为2t.表现在风室压力变化呈周期性波动， 21布风板不适应燃料特性 床温下降过程就是放冷渣过程，冷渣放完，床温 (1)燃料球形度特性.通常无烟煤热值高、硬 又继续上升.运行人员的运行调整已经不像其他 度大、破碎后没有明显的复杂形状，但京西无烟 流化床锅炉那样根据风室压力调整运行，而是根 煤与普通无烟煤相比，表现出不同特点，京西无 据运行床温来决定放冷渣的频繁程度.图l(a)显 烟煤受热以后表现出明显的热裂性.颗粒受热以 示，运行时由于片状颗粒沉积造成风室压力比要 后，沿着纹理破碎成明显的片状颗粒.实际测量 求的风室压力大出许多，运行风速已经处于比较 显示，冷渣的球形度比原煤的球形度低一个数量 特别的运行范围.流化床底部运行风速介于45 级，说明床料的球形度比原煤小，片状颗粒在流 m·s之间，比鼓泡流化床锅炉高，比循环流化床 化床底部沉积.如果不能及时排出，将增加鼓风 (a)炉内运行风速 机负荷.排冷渣周期延长2h后，冷渣含碳量只降 上部炉腔 低0.21%0.23%，未完全燃烧热损失降低0.088% ~0.096%.说明延长大颗粒在炉内停留时间不能 收到显著效果 (2)布风板阻力.单孔风帽有两个优点：一是 下部炉膛 自身阻力低，适应循环流化床高风速运行；二是 定向吹风，可以造成颗粒在布风板上定向运动. 20 40 60 80 100 但这台循环流化床锅炉在炉膛下部的运行风速 t/min 约为4ms',比鼓泡流化床略高，比循环流化床 11.0 ()风室压力变化 低.测定的冷态运行风速为1.0680.970ms'.对 10.5 于采用08mm粒度的I类无烟煤，推荐的冷态 左风室 流化风速为070.9ms,运行风速已经明显偏 高.根据对单个单孔风帽的测定，在运行范围内， 布风板运行阻力大约为2kPa左右，而风室压力 右风室 测量值为8~9kPa(最高11kPa).则床料的压降在 6~7kPa.而推荐的I类无烟煤的风室压降为4.5~ 50 100 150 6.5kPa.表明至少有1.5-2.0kPa左右的压降消耗 t/min 1050 在含碳量己经接近最小值的大颗粒床料上面. (©)运行温度变化 埋管下温度 2.2炉膛热力责任分配 (1)埋管受热面.埋管规格和布置结构：埋管 950 埋管上温度 规格为φ57mm×10mm,横向节距200mm,纵向节 距130mm,横向管22排，纵向管4排，埋管倾角 炉膛出口温度 850 15°，埋管面积61.146m2,根据经验，燃料热值为 16875kJ-kg>12560kJkg时，鼓泡流化床所需 750 要的埋管面积为60~80m.由于无烟煤热值大，故 0 0 100 150 在取值上偏于较小值， t/min 图1实际运行参数 (2)水冷壁和顶棚总受热面积为223.7m2.50 Fig.1 Operating parameters MW鼓泡流化床上部受热面积应该为75~140m

Vd l . 2 7 N o . 4 刘柏 谦 等 : 片状化 石燃 料 的循环 流化 床燃 烧 ( 1 ) . 4 1 9 - 图 1 为锅 炉运 行 时床 温 变化 、 风 室 压力 变化 和 流化 风速 变 化 . 图 1 (c) 可 见 , 为维 持 良好 燃烧 状 态 , 炉 膛 出 口 温度 比 设计 温 度 高 出约 40 ℃ ; 由 于流 化床 下 部装有 埋 管 , 埋管 上下 的温 度相 差 约 40 ℃ , 但 都 在设 计床 温 范 围 内 . 图 1(b) 可见 , 按运 行人 员操 作 习 惯 , 20 m in 左右 要放 一次 冷渣 , 冷渣 量 约为 tZ . 表 现 在风 室 压力 变 化呈 周 期性 波 动 . 床温 下 降过 程 就是 放 冷渣 过 程 , 冷 渣放 完 , 床 温 又继 续上 升 . 运行 人 员 的运行 调整 已经 不像 其他 流化床 锅 炉那 样根 据风 室压 力 调整 运行 , 而 是根 据 运 行床 温 来 决定 放冷 渣 的频 繁 程度 . 图 1(a) 显 示 , 运行 时 由于片 状颗 粒沉 积造 成风 室 压力 比要 求 的风 室压 力 大 出许 多 , 运 行风 速 己经 处于 比 较 特 别 的运 行 范 围 . 流 化 床底 部 运行 风 速介 于 4一 5 m · s 一 ’之 间 , 比鼓 泡 流化 床 锅炉 高 , 比循 环 流化 床 低 . 而 炉 膛上 部 运行 风速 大 约 在 6 m · s 一 ` 附近 , 己 经 高于 目前 循环 流化床 锅 炉 的运 行 风速 . 由于运 行 风速 高所 造成 的磨 损等 问题 , 也 会在 长时 间运 行 后表 现 出来 . ( a) 炉 内运行风速 一 上部炉膛 / / ~ 、 叭 _ 厂一、 一~ 一 广 - 、 一 / 一 \ V \ , 少 \ \ 、 了 \ ~ / 一 下部炉膛 / 尹一、 ~ 、 、 _ 广 . 一 ` 一 广 - - 一 ~ ~ 一 一 一~ ~ ~ - 了 一、 ~ ~ ~ ~ ~ 了 ~ ~ 一、 尹 r - 甘 l 口 . ǎ ō l已, í瑕喊哪报 t 八n i n 1 1 0 1 0 . 5 一 室 室 时ó洲ù只侧国区 t / n l l n 1 0 50 9 5 0罗咒一带 温度 温度 一 \ \ 一 / 一 \ 月 了 丫气从丫撰 出口 温度 尸、侧蛆 t /m in 图 l 实际 运 行参数 F i.g 1 O P e r a d n g P a r a m e t e sr 2 运 行 状 况 分 析 与讨 论 .2 1 布风 板 不 适应 燃料 特 性 ( l) 燃 料 球 形度特 性 . 通 常 无烟 煤热 值 高 、 硬 度大 、 破碎 后 没 有 明显 的复 杂 形状 . 但 京 西无 烟 煤 与 普 通无 烟煤 相 比 , 表 现 出不 同特 点 . 京 西 无 烟 煤 受热 以后 表现 出 明显 的热裂 性 . 颗粒 受热 以 后 , 沿 着纹 理 破碎 成 明显 的 片状 颗粒 . 实 际测 量 显 示 , 冷 渣 的球形度 比 原煤 的球 形度低 一个 数量 级 . 说 明床 料 的球 形度 比 原煤 小 , 片状 颗粒 在 流 化 床底 部 沉 积 . 如 果不 能 及 时排 出 , 将 增加 鼓风 机 负荷 . 排 冷渣 周 期延 长 Z h 后 , 冷渣 含碳 量 只 降 低 .0 21 % 一.0 23 % , 未 完全 燃烧 热 损 失 降低 .0 0 8 % 一 .0 0 9 6% . 说 明延 长大 颗 粒在 炉 内停 留时间 不 能 收 到显 著 效果 . (2 ) 布风 板 阻 力 . 单 孔 风帽 有 两个 优 点 : 一是 自身阻 力低 , 适 应循 环 流化 床 高风速 运 行 ; 二 是 定 向吹 风 , 可 以 造成 颗粒 在布 风 板 上定 向运 动 , 但 这 台循 环 流 化床 锅 炉 在 炉膛 下 部 的运 行 风 速 约 为 4 m · s 一 , , 比 鼓泡 流化 床 略 高 , 比循 环流 化床 低 . 测 定 的冷态 运 行 风速 为 1 . 0 6 8一.0 9 70 m · s 一 ’ . 对 于采 用 0一 s r n l l l 粒度 的 I 类 无烟 煤 , 推 荐 的冷态 流 化 风速 为 .0 7一.0 9 m · s 一 ’ , 运 行 风速 己经 明显偏 高 . 根 据对 单个 单孔 风帽 的测 定 , 在运行 范 围 内 , 布 风板 运 行 阻力 大 约为 Z kP a 左 右 , 而风 室 压力 测 量值 为 8一9 廿a( 最 高 H 廿 a) . 则床料 的压 降在 6一 7 kP a . 而推 荐 的 I 类 无烟 煤 的 风室 压 降为 4 . 5一 6 . 5沙 a . 表 明至少 有 1 . 5一 2 . 0 廿 a 左 右 的压 降 消耗 在 含 碳 量 己 经接 近 最 小值 的大 颗粒 床 料上 面 . .2 2 炉膛 热 力 责任 分配 ( l) 埋 管受 热 面 . 埋 管规 格和 布 置 结构 : 埋 管 规 格 为中5 7 m m X 10 m m , 横 向节 距 2 00 们n r n , 纵 向节 距 13 0 m m , 横 向管 2 2 排 , 纵 向管 4 排 , 埋 管倾 角 15 “ , 埋管 面积 61 . 14 6 m , , 根 据 经验 , 燃 料 热值 为 z 6 s 7 5 ld · kg 一 ’ > 12 5 6 o kJ · k g 一 ’ 时 , 鼓 泡流 化床 所 需 要 的埋管 面积 为 6 0一 80 m , . 由于 无烟煤 热值 大 , 故 在 取 值上 偏 于较 小 值 . (2 ) 水冷 壁 和 顶棚 总受 热 面积 为 223 . 7 m , . 50 MW 鼓 泡 流化 床 上部 受 热面 积应 该 为 75 一 14 0耐

·420· 北京科技大学 学报 2005年第4期 采用膜式壁的循环流化床上部受热面积为210 600 230m2.由于炉膛上部截面缩小1,3倍，运行风速 500 800℃ 约提高约1.3倍，已经达到约6ms,超过目前循 400 环流化床的运行风速，应该认为此部分受热面积 300 900℃ 足够50MW蒸发量用.但由于炉膛高度不够，造 200 成了炉膛水冷度偏高以及悬浮可燃物停留时间 100 960℃ 过短同时存在，增大了燃烧损失.其情形严重到 04 燃料含碳量为48.68%，飞灰含碳量40%~42%.也 密相区 稀相区 稀相区上部 就是说炉膛中只燃烧了6%的挥发分和6%~8%的 测量位置 固定碳（忽略冷渣损失）， 图2平均悬评密度与床温的关系 Fig.2 Relations of the average suspension density with furnace temperature 3颗粒在密相区和稀相区的表现 由图2可见，在循环流化床正常的运行参数 气固流态化体系中，片状颗粒与球形颗粒的 范围内，随着温度的上升平均悬浮密度下降，当 流化行为相差十分巨大.不仅在密相区表现出压 炉膛温度达到960℃时，密相区平均悬浮颗粒密 力的明显喘动，导致流化床扬析颗粒量出现巨大 度降到880℃运行工况时的1/2以下，说明密相区 波动，进而导致炉膛温度大幅度波动：而且扬析 气固两相的流态化行为己经发生明显的改变，而 起来的颗粒也表现出明显的随机行为，一方面表 此时，燃烧达到非常稳定的状态，可以依靠调节 现在不同炉膛高度上颗粒度分布相似并相近；另 风煤供应来控制运行， 一方面，显示扬析颗粒量明显大于同工况下球形 从图3可见，随着炉膛温度上升，密相区平均 颗粒的扬析量.在循环流化床正常运行风速下， 颗粒密度明显下降，而在稀相区，前三个工况为 一定炉膛高度上取样发现了许多不可能杨析起 下降趋势，达到960℃时，平均悬浮密度出现反 来的大颗粒：在不同运行工况下取样分析发现， 弹，也说明960℃工况与前三种工况发生了近乎 当其他条件不变时，扬析颗粒度有随着炉膛运行 质的变化. 温度变化的趋势，当炉膛温度升高，扬析颗粒明 1000 显变粗. 密相区 31运行表现 稀相区 这样一台结构上与众不同，燃用片状颗粒的 100 循环流化床锅炉运行时有一系列的特殊表现：(1) 期 当风量进行调节以后，密相区温度反应迟钝，时 间延迟是以分为单位计算的：(2)床温波动很大： 10 稀相区出口 (3)与其他循环流化床相比，要求较大的运行风 880 900 920 940 960 速，因而密相区平均颗粒密度较小：(4)循环灰和 平均温度/℃ 冷渣对密相区温度有非常大的影响：(5)机械不完 图3平均悬浮密度与床温和床高的关系 全燃烧热损失主要表现在很高的飞灰含碳量：(6) Fig.3 Relations of the average density with operation tempera- ture along the furnace height 只有当密相区温度达到一定高度后，才可以与其 他循环流化床锅炉一样，依靠调节风煤比例来调 图4是不同运行工况下密相区颗粒度分布. 节锅炉负荷和运行床温， 由图可见，随着温度上升，密相区颗粒变粗.其原 32.密相区和稀相区的颗粒行为 因可能是随着温度提高，表观气速上升，平均扬 为弄清楚片状颗粒的稀相区行为，测量了几 析量上升，使得密相区存留的只剩下大颗粒，这 个高度上的平均悬浮密度，取样分析了不同运行 一现象也可从图5得到印证. 工况、不同炉膛高度悬浮颗粒的颗粒度分布， 图5是在稀相区取样获得的悬浮颗粒的颗粒 图2是不同运行工况下沿着炉膛高度的平均悬 度分布，随着温度上升，一方面平均悬浮颗粒的 浮密度分布. 颗粒度上升：另一方面，随着温度上升，悬浮颗粒

一 4 2 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 05 年 第 4期 采 用膜 式 壁 的循环 流 化床 上 部受 热 面积 为 2 1 0一 32 0耐 . 由于炉 膛上 部 截面 缩小 1 . 3 倍 , 运 行 风速 约 提 高约 1 . 3 倍 , 已 经达 到约 6 m · s 一 , , 超 过 目前循 环流 化床 的运 行风速 , 应该 认为此 部分 受热 面积 足够 50 M W 蒸发 量用`2 , . 但 由于炉膛 高度 不够 , 造 成 了炉 膛 水冷 度 偏 高 以及 悬 浮可 燃 物停 留时 间 过 短 同时存在 , 增大 了姗烧 损 失 . 其情 形严 重 到 燃料 含 碳量 为 48 . 68 % , 飞灰 含碳 量 40 %~4 2% . 也 就是 说炉膛 中只 燃烧 了 6% 的挥发 分和 6% 一 8% 的 固定 碳 (忽 略冷 渣 损 失) . 蒸 \ \ 9 6 0 oC ǎ 2043510 州侧栩贬顺溜除召í日山 0 1一 - 密 相区 稀 相区 测量位 置 稀 相区 上 部 ǎ 、日 · 巴、侧却助啪刁除的 3 颗粒在 密相 区和 稀 相 区 的表 现 气 固流态 化体 系 中 , 片状 颗粒 与球 形颗 粒 的 流 化行 为相差 十 分 巨大 . 不 仅在 密相 区 表现 出压 力的 明显喘动 , 导致流 化床 扬析颗 粒量 出现 巨大 波 动 , 进 而 导致炉 膛温 度 大幅 度波 动 ; 而 且扬 析 起 来 的颗 粒也 表现 出 明显 的随机行 为 一方 面表 现 在不 同炉膛 高度 上颗粒 度分布相 似 并相近 ; 另 一 方面 , 显示 扬 析颗粒 量 明显 大 于同工 况下 球形 颗 粒 的扬析 量 . 在 循 环流 化床 正常 运 行风 速下 , 一 定 炉膛 高度 上 取 样 发现 了许 多不 可 能扬 析 起 来 的大 颗粒 ; 在不 同运行 工况 下取 样 分析 发现 , 当其 他条件不 变时 , 扬析 颗粒 度有随着炉膛运 行 温度 变 化 的趋 势 . 当炉 膛温 度升 高 , 扬 析 颗粒 明 显 变粗 . .3 1 运行 表 现 这样一 台 结构上 与众 不 同 , 燃 用 片状 颗粒 的 循环 流化床 锅炉 运行 时有一 系列 的特 殊 表现 : ( l) 当风 量进 行 调节 以后 , 密相 区温 度 反应 迟钝 , 时 间 延迟 是 以分 为单位 计 算 的 ; (2) 床温 波 动很 大 ; (3 ) 与 其他 循环 流 化床 相 比 , 要求 较大 的运 行 风 速 , 因而 密相 区 平 均颗 粒 密度 较 小 ; (4 )循环 灰 和 冷渣对 密相 区温度 有非 常大 的影响 ; (5) 机 械不 完 全燃烧 热损 失主 要表现 在很 高的飞 灰含碳 量 : (6) 只 有 当密 相 区温 度达 到一 定高 度后 , 才 可 以与其 他循 环流 化床 锅炉 一样 , 依靠 调节 风煤 比例来 调 节 锅炉 负荷 和运 行床 温 . 1 2 . 密相 区和 稀相 区的颗 粒行 为 为弄 清楚 片状 颗粒 的稀 相 区行 为 , 测量 了几 个 高度上 的平 均悬 浮密度 , 取样 分析 了不 同运行 工 况 、 不 同炉 膛 高 度 悬 浮 颗 粒 的颗 粒 度 分 布 . 图 2 是 不 同运 行 工 况 下 沿 着 炉膛 高度 的平 均 悬 浮 密度 分 布 . 图 2 平 均悬 浮密度 与床温 的关系 F ig . 2 砒l a it o . s o f th e vae ar ge s u s P e n s io n d e . s iyt 衍t卜 fu r n a e e t e m p e ar t u er 由图 2 可 见 , 在 循环 流化 床 正常 的运 行 参数 范 围内 , 随着 温度 的上升 平均 悬浮 密度 下 降 , 当 炉 膛温 度 达到 9 60 ℃ 时 , 密 相区 平均 悬浮 颗粒 密 度 降到 8 80 ℃ 运行 工况 时 的 12/ 以下 , 说 明密 相区 气 固两相 的流 态化行 为 已 经发 生 明显 的改变 . 而 此 时 , 燃烧 达 到 非常稳 定 的状 态 , 可 以依 靠调 节 风煤 供应 来 控制 运行 . 从 图 3可 见 , 随着炉 膛温度 上升 , 密 相区 平 均 颗 粒密度 明显下 降 . 而 在稀 相 区 , 前三 个 工况 为 下 降趋 势 , 达 到 9 60 ℃ 时 , 平 均悬 浮密 度 出现 反 弹 , 也 说 明 9 60 ℃ 工况 与前 三种 工 况发 生 了近 乎 质 的变化 . 1 0 0 0 — 一一— 一孟叁眶从 \ \ \ 稀相区 稀相区 出口 一 ~ ~ ~ . 8 8 0 9 00 9 2 0 9 40 9 6 0 平均温 度 /℃ 图 3 平均 悬浮 密度 与床 温和床 高的 关系 F .ig 3 eR la iot n s o f 伍 e a v e r a 沙 d e o s iyt w it h o p e ar U o “ t e m p e ar - t u 比 a lo o g ht e fu rn a e e 卜e ig h t 图 4 是 不 同运 行工 况下 密 相区颗 粒 度分 布 . 由图可见 , 随着 温度 上升 , 密相 区颗粒 变粗 . 其 原 因 可能 是 随着温 度提 高 , 表 观 气速 上升 , 平均 扬 析 量上 升 , 使 得密 相 区存 留 的只剩 下大 颗 粒 , 这 一 现象 也 可从 图 5 得 到 印证 . 图 5是 在稀 相区取 样获 得 的悬 浮颗粒 的颗 粒 度 分布 . 随着 温度 上 升 , 一方 面平 均 悬浮颗 粒 的 颗 粒度上 升 ; 另一 方面 , 随着温 度 上升 , 悬浮颗 粒

Vol.27 No.4 刘柏谦等：片状化石燃料的循环流化床燃烧（Ⅱ） 421· 100 150 80 60 Row coal 880℃ 100 40 900℃ 图 940℃ *960℃ 0 50 4 6 8 10 2 880 900920940960 平均粒度/mm 温度℃ 图4密相区床料粒度分布随温度的变化 图6布风板上900mm处温度波动 Fig.4 Dense bed material size distribution with furnzce tempera- Fig.6 Temperature fluctuations at 900 mm from the air distribu- ture tor 100 6.0 80 5.5 稀相区 60 5.0 +800℃ 分 40 4.5 *900℃ 4.0 密相区 20 e980℃ 彩 3.5 0 2 3 4 3.0 80 900 920 940 960 平均粒度mm 温度/℃ 图5稀相区粒度分布随温度的变化 Fig.5 Particle size distribution in the dilute zone with furnace 图7密相区和稀相区的表观速度 Fig.7 Superficial gas velocity at the dense bed and dilute bed temperature 0.5 分布变粗.表明运行温度变化对气固两相流动有 着巨大影响.与瑞典Charlmer大学l2MW循环流 E0.4 化床相比，片状颗粒的悬浮密度变化明显，密相 区平均密度低，而稀相区平均悬浮密度高. 33炉内参数波动及其与颗粒形貌的关系 0.3 (1)温度波动.不同运行工况下炉膛温度波动 非常大，导致一系列运行参数的波动，如运行风 0.2 880 900 920 940 960 速波动，扬析颗粒量及其颗粒度分布波动等连锁 温度/℃ 反应.图6是监视布风板上900mm高度处每个工 图8表观速度波动 况连续运行至少2h得到的温度波动.温度上升， Fig.8 Fluctuation of superficial velocity 则温度波动减小，达到960℃后可以不依赖冷渣 排放，而用调节风煤比来控制运行.图7是相同 表观气速波动.由图可见，表观气速波动在02 工况下计算得到的表观气速变化.运行温度上升 0.46m/s之间，而这一波动范围会跨越几个档次 以后，表观气速上升，对颗粒的拖曳作用加强，扬 颗粒的颗粒终端速度，可见由于颗粒的片状特 稀量上升.这一点在图5不同工况悬浮颗粒度分 征，使得颗粒扬稀充满了不定因素。 布曲线上可以明显看得出来. (2)表观气速波动.炉膛温度波动将直接引起 4结论 炉内烟气速度波动.由图7可见，随着炉膛气体 (I)Krumbein球形度能很好地描述片状颗粒 积波动，进而引起表观气速波动，由此而连续引 的形貌特征， 起炉内传热量波动，进而造成锅炉运行参数的不 (②)京西无烟煤片状特征明显，其球形度比其 稳定.图8是根据图6和图7的结果计算得到的 冷灰高

V b l . 2 7 N o . 4 刘柏 谦等 : 片状 化 石燃料 的循 环流 化床 燃烧 ( 11) 10 0 1 ~ se 一 一- - 一 一二二二二剑 , . 早兰 , , . . . ~ . . - - ~ ~ , 1 5 0 『 一 一 一 - 一一 〕 一 R o v v c o al 一 88 0℃ ~ 9 0 0℃ 一 9 4 0℃ ~ 9 6 0℃ 芝氟佘咧馒 侧尸、尽彰明 0 妞兰一一一 . 一一 J 一 一 一』 D 2 4 6 8 10 12 平 均粒 度加m 图 4 密相 区床 料粒 度分 布随温 度 的变化 F ig . 4 D e n s e b e d m a t e ir a l s流 d is tir b u it o n w i th fu r . z e e et m P e r a - t U比 50 t -一 - 一一上- - - - - - - - - - - J一 8 8 0 9 0 0 9 2 0 9 4 0 9 6 0 温度 /℃ 图 6 布风 板上 , o m m 处 温度 波动 F ig · 6 eT m P e ar tU代 n u e t u a ti o o s a t 9 00 m m ’fOI m th e a i r d is tir b u · t o r 稀相区 哎nl J 可 O : 6 ù、 、óJ n 、r : 4 内ú、 ē 一l 得坦侧瑕琳豁à、日, 8 0 0℃ 90 0℃ 密相区 9 8 0℃ ǔù-e 400862 象尔喇馒芝 O 七乙一一一一一一一上一一一 - - 一占 - - 0 1 2 3 4 5 平均粒 度 /m m 图 5 稀 相 区 粒度 分布 随温度 的 变化 F ig . 5 P a irt c l e s is e d如itr b u it o n i n th e d妞u t e z o n e 衍t b fu r n a c e 妞 m P e r a t u er 3 . O -L 一一 一一 - -一 - - ` 8 80 9 0 0 9 2 0 9 4 0 9 60 温 度 /℃ 图 7 密相 区和 稀 相 区的表观 速度 R g · , S u P e 币 e i a l g a s v e l o c i yt a t t h e d e n s e b e d a n d d il u et b e d 0 . 5 广es es es es es es es es . ` ~ ~ se ~ ~ ~ 一一 , 4 r 气乙j o n八曰ù ǎ 一l 分布 变粗 得娜侧粥瑕豁、à日, , 表 明运行 温度 变化对 气 固两相 流动 有 着 巨大 影 响 . 与瑞 典 C h ar lm er 大 学 12 M W 循 环流 化床 相 比 , 片 状颗 粒 的悬 浮 密度 变 化 明显 , 密相 区 平 均 密度 低 , 而 稀 相 区平 均悬 浮 密度 高 . .3 3 炉 内参数 波 动 及其 与颗 粒 形貌 的关 系 ( l) 温 度波 动 . 不 同运行 工况 下 炉膛温 度 波动 非 常 大 , 导 致一 系列 运 行 参数 的波 动 , 如运 行 风 速 波动 , 扬 析颗 粒量 及其 颗粒 度 分布 波动 等连 锁 反应 . 图 6 是监 视布 风 板上 9 0 m m 高度 处每 个 工 况连 续运 行 至少 Z h 得 到 的温度 波 动 . 温 度上 升 , 则温 度 波动 减 小 , 达 到 9 60 ℃ 后可 以不 依赖 冷渣 排 放 , 而用 调 节风煤 比 来 控制 运 行 . 图 7 是相 同 工 况下 计算 得 到 的表 观气 速 变化 . 运 行温 度 上升 以后 , 表观 气速 上升 , 对 颗粒 的拖 曳作 用加 强 , 扬 稀 量上 升 . 这 一 点在 图 5 不 同工 况 悬浮 颗 粒度 分 布 曲线 上 可 以 明显看 得 出来 . (2 )表 观气 速 波动 . 炉膛 温度 波 动将 直接 引起 炉 内烟气 速度 波 动 . 由图 7 可见 , 随着 炉 膛气 体 积波 动 , 进 而 引起 表观 气 速波 动 . 由此 而 连 续 引 起炉 内传 热 量波 动 , 进 而造 成锅 炉运 行参 数 的不 稳定 . 图 8 是根 据 图 6 和 图 7 的结 果计 算得 到 的 8 8 0 9 00 92 0 94 0 温度 /℃ 图 8 表观速度 波动 F i g . 8 F l u e t u a it o n o f s u P e 币 e i a l v c l o c iyt 表观 气速 波 动 , 由图 可见 , 表 观气 速 波动 在 .0 2 - .0 4 6 耐 s 之 间 , 而这 一波 动 范 围会跨 越 几个 档 次 颗 粒 的颗 粒 终端 速 度 . 可见 由于颗 粒 的片 状特 征 , 使得 颗 粒扬 稀 充满 了不定 因 素 . 4 结 论 ( l) K r u m b ie n 球 形度 能很好 地 描述 片状 颗粒 的形 貌特 征 . (2 )京 西无 烟煤 片状特 征 明显 , 其 球形度 比其 冷 灰 高

·422 北京科技大学学报 2005年第4期 (3)片状燃料颗粒的流化床燃烧，运行风室压 参考文献 力高于普通形状颗粒，灰浓度和灰平衡对锅炉运 []刘柏谦.煤颗粒形状因子对流化床锅炉燃烧器的影响分 行影响非常大.排放冷渣或循环灰，对炉膛温度 析.发电设备，1997,7(1)：2 影响很大，因而要求特殊的燃烧和返料机构. [2]岑可法，倪明江，骆仲泱，等.循环流化床锅炉理论设计与 运行.北京：中国电力出版社.1998 (4)片状颗粒形貌是造成循环流化床炉膛温 [3】刘柏谦，王金鑫，郭勇，等，片状化石燃料的流化床燃烧 度、表观风速和扬析量波动的直接原因. ①.北京科技大学学报，2005,27(2)：159 (5)炉膛温度波动对密相区和稀相区颗粒尺 [4]Basu P,Frazer S.Circulating Fluidized Bed Boilers:Design and Operations.Boston,London,Oxford,Sydney,Toronto,Welling- 寸分布有重要影响，将直接影响到炉内传热和锅 ton:Butterworth-Heinemann,1991.297 炉运行参数.炉膛温度越高，密相区和稀相区的 [层状燃烧及沸腾燃烧工业锅炉热力计算方法.上海：上 颗粒就越粗 海工业锅炉研究所，1980 Combustion behavior of chip-like particles in a circulating fluidized bed boiler(ID): Effect of particle morphology on fluidization quality in dense and dilute phases LIU Baigian",GUO Yong",ZHAO Yumin,WANG Jinxin,QI Feng 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Thermal Power Plant of Haoyu Company,Beijing 100083,China ABSTRACT The effect of particle morphology on the operating parameters of a circulating fluidized bed boiler such as sphericity and size distribution in dense and dilute phases was analyzed,and the combustion behavior of chip-like anthracite was studied through the measured operating parameters.The results showed that particle mor- phology has huge impact on the average suspension density and partical size distribution in the dense bed and dilute bed of a furnance,and might be the direct reason of the flucluatons of furnace temperature and elutriation. KEY WORDS circulating fluidized bed;combustion;boiler;anthracite;particle morphology;elutriation

一 4 2 2 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 05 年 第 4 期 (3 )片 状燃料 颗粒 的流 化床燃 烧 , 运行 风室压 力高 于普通 形状颗 粒 , 灰浓 度和 灰平 衡对锅 炉运 行影 响非 常大 . 排放 冷渣 或循 环 灰 , 对 炉膛 温度 影 响很 大 , 因而 要求 特殊 的燃 烧和 返料 机 构 . (4 )片 状颗 粒 形 貌 是造 成 循环 流 化 床炉 膛 温 度 、 表 观 风速和 扬 析 量波动 的直 接 原 因 . ( 5) 炉膛 温度 波 动对 密相 区和 稀 相 区颗 粒 尺 寸分 布有 重要影 响 , 将直 接影 响到 炉 内传 热和锅 炉运 行 参数 . 炉膛温 度越 高 , 密相 区和 稀相 区 的 颗粒 就越 粗 . 考 文 献 刘柏谦 . 煤颗粒 形状 因子对流 化床锅炉 燃烧 器的影 响分 析 . 发 电设备 , 19 9 7 , 7( l ) : 2 岑 可法 , 倪 明江 , 骆仲映 , 等 . 循环 流化床 锅炉理 论设计 与 运 行 . 北京 : 中 国电力 出 版社 . 19 98 刘柏 谦 , 王 金鑫 , 郭勇 , 等 , 片状化 石燃 料的流化 床燃烧 a) . 北 京科技 大学 学报 , 2 0 5 , 27 (2 ) : 15 9 B as u P, F r a z e r 5 . C icr u lat i n g F lul d i z e d B e d B o i lm : D e s i助 阴 d 吻 e art i osn B os ont ,L o n d on , xO of dr , Sy dn ey, OT r o n t o , We l ign - ot n : B u t e r 胃 。 d 五 一 H e l n e 们n a n n , 1 99 1 . 2 9 7 层状 燃烧 及沸腾 燃烧工 业锅 炉热力计 算方法 . 上 海 : 上 海工业 锅炉研 究所 , 19 80 参l[]43[]2 C o m b u s t i o n b e h va i o r o f e h iP 一 lik e P art i e l e s i n a e ire u l iat n g fl u i di z e d b e d b o i l e r ( 11) : E fe e t o f P art i e l e m o rp h o l o g y o n fl u id i z at i o n qu a lity i n d e n s e an d d ilut e Ph a s e s LI U B a iq ia n , ), G UO oY叮 , ), Z月叼 0 uY m i n , ), 环月 N G iJ xn i n ,气 QI eF 心 , l ) M e e h an i e a 1 E n g ien e r i n g S ch o o l , nU iv e rs i ty o f s e i e n c e an d 介 e hn o l o 盯 B e ij ign , B e ij ign l 0 0 0 8 3 , Ch in a 2 ) hT erm al p o w e r P l ant o f H a o y u C o mP an y , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T T五e e fe ct o f p alt i e l e m o rp h o l o gy on ht e op e r iat gn P ar am et e r s o f a e icr ul at i gn fl iu d 议e d b e d b o il e r s cu h as hsP e ir e ity an d s i z e d i s itr b ut i o n in d e n s e an d d i l ut e Ph a s e s aws an ly ze d , an d het e o mb us it on b e h va i o r o f e h iP 一 li k e an t h r a c i t e aw s s ut d i e d htr o u g h ht e m e as uer d op e r a t ign P a r 印m e t e r s . hT e er s ul st s h ow e d ht at P州i c l e m o -r hP o l o gy h as h u g e im P act o n ht e va e r a g e s u sP e n s i on d e n s iyt an d P a rt i c al s坛e d i s itr b ut i on in ht e d en s e b e d an d d iluet b e d o f a fu r l l an c e , an d m i hgt b e het d i er e t er as o n o f ht e fl uc l uat o n s o f fu m a c e t e m P ear t U e an d e 1 u itr at ion . K E Y W O R D S e icr u l at 吨 fl ul d iZ e d b e d : e o m b u s t i o n ; b o il er ; a n t h r a c i t e : p a rt i e l e m o rp h o l o gy : e l u t r i at i o n