片状化石燃料的循环流化床燃烧(Ⅰ)——片状颗粒的形貌描述和流态化阻力特征描述

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.02.040 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 片状化石燃料的循环流化床燃烧() 一片状颗粒的形貌描述和流态化阻力特征描述 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)北京吴显公司电厂，北京100083 摘要比较了不同球形度概念对片状化石燃料的描述效果，研究了片状化石燃料球形度变 化对其流态化特征的影响.分析了Krumbein球形度为0.I-0.4的京西无烟煤在一台50MW循 环流化床锅炉上表现出来的特殊现象，如运行床温和炉膛压力大幅度波动、依靠排放冷渣保 持稳定运行，揭示了这些现象发生的原因. 关键词流化床：燃烧：颗粒形貌：球形度：形状因子 分类号TK16 片状颗粒在流化床中的运动方式与球形颗 1片状颗粒的形貌描述 粒的运动方式差别巨大，片状颗粒的最大投影面 积迎风和最小投影面积迎风的受力状态相差一 1.1经典球形度、Krumbein球形度和Zig熙指数 个数量级以上，但这两种状态的转变只是在瞬间 描述机械破碎后化石燃料颗粒的形貌特征 就完成了，并且可以保持一段时间.对于循环流 有多种指标，如扁平度、伸长度、球形度、形状系 化床锅炉运行而言，这种颗粒受力状态变化，将 数，但在流态化领域应用最广泛的是球形度的概 导致锅炉不同部位的温度、风室压力和细颗粒扬 念.经典球形度的定义是：与任意形状颗粒体积 析量的明显波动，既造成己有的计算方法失效， 相同的球体表面积A,p与颗粒表面积A,之比. 也使锅炉运行人员不得不在远离经济工况下操 完学=器品 π (1) 作锅炉 形状系数可分为三种： 本文在研究京西无烟煤循环流化床燃烧时 发现，片状结构十分明显的燃料颗粒在循环流化 体积形状系数 9.=ndn (2a) 床锅炉燃烧时，不仅造成了炉膛温度大幅度波 表面积形状系数 ,=d (2b) 动，而且运行人员依靠排放冷渣来维持锅炉运 比表面积形状系数 (2c) 行，远远偏离了锅炉的经济运行状态，锅炉效率 式中：d,为颗粒折算粒径；。为颗粒体积；A,为颗 不足50%.形成这种状态的原因，一方面可能是 粒表面积：d和dp分别为颗粒具有相同表面积 设计上没有针对片状结构颗粒设计燃烧装置和 或体积的球体直径：S,为单位体积表面积；d.为与 分配热力责任，更主要的是对片状颗粒流态化特 颗粒具有相同表面积的球体直径， 征研究不够，致使细颗粒扬析量过大，而分离器 机械破碎后的颗粒都是成一定规律分布的， 分离下来的颗粒仍然是片状结构明显的颗粒，运 采用Krumbein球形度对个别烟煤、褐煤和油页岩 行上只好采用放循环灰来解决.这种运行方式， 进行的测量显示，在流化床锅炉宽筛分粒度范围 一方面加大了运行投煤量，同时也加重了飞灰对 内，随着筛分粒度增大，Krumbein球形度单调下 烟气下游受热面金属的磨损，片状颗粒球形度小 降，片状结构越来越明显.当颗粒群由片状结构 不仅影响了流态化过程，对炉内传热也有比较大 颗粒组成时，其流化特征变得十分复杂，燃烧过 的影响. 程出现异常，Krumbein球形度的定义为： 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项目No.50476082) 怡 (3) 作者简介：刘柏谦(1958一)，男，教授 式中，h为片状颗粒的最小投影尺寸，w为与片状

第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s i ty o f s c ic n e e a n d l 泛c h n o l o gy B e ij in g V b l . 2 7 N 0 . 2 A P r. 2 0 0 5 片状化石燃料 的循环流化床燃烧(I) — 片状颗粒 的形 貌描 述和 流 态化 阻力特 征 描 述 刘 柏谦 ” 郭 勇 ” 赵 禹民 ` , 王 金鑫 2 , 戚 峰 2 , l )北 京科 技大 学机械 工 程 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 2 )北 京昊 显公 司 电厂 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 比较 了不 同球 形度 概念对 片状 化 石燃料 的描 述 效果 , 研 究 了片状 化石 燃料 球形 度变 化对 其流 态化 特征 的影 响 . 分 析 了 K r u m be in 球形度 为 0 . 1一.0 4 的京西 无烟煤 在 一 台 50 M W 循 环流 化床 锅炉 上表现 出来的特 殊现 象 , 如 运行 床温 和 炉膛压 力大 幅度波 动 、 依靠排 放冷 渣保 持稳 定运 行 , 揭 示 了这些 现象 发生 的原 因 . 关键 词 流化床 ; 燃烧 ; 颗 粒形 貌 ; 球 形度 : 形状 因 子 分类 号 T K 16 片状 颗 粒 在 流 化 床 中的 运 动 方 式 与球 形颗 粒 的运动 方 式差 别 巨 大 , 片状 颗粒 的最 大投 影面 积迎 风 和 最 小 投 影面 积 迎 风 的受 力 状 态 相 差 一 个数 量级 以上 , 但 这两 种状 态 的转 变只 是在 瞬 间 就完 成 了 , 并 且可 以保 持一 段 时 间 . 对 于循 环流 化床 锅 炉运 行 而 言 , 这种 颗 粒受 力 状态 变 化 , 将 导致 锅炉 不 同部位 的温 度 、 风 室压 力和 细颗 粒扬 析量 的明显 波 动 , 既造 成 已 有 的计 算 方法 失 效 , 也使 锅 炉 运 行人 员不 得 不 在远 离 经 济 工 况 下操 作锅 炉 . 本文 在 研 究 京 西 无 烟 煤 循 环 流化 床 燃 烧 时 发现 , 片状 结构 十分 明显 的燃 料颗 粒在 循环 流化 床 锅 炉燃 烧 时 , 不仅 造 成 了炉膛 温 度 大 幅 度波 动 , 而且 运 行人 员依 靠 排 放冷 渣 来 维 持 锅 炉运 行 , 远 远偏 离 了锅 炉 的经 济 运行 状 态 , 锅 炉 效率 不足 5 0% . 形成 这种 状 态 的原 因 , 一 方面 可 能 是 设 计 上没 有 针对 片状 结 构 颗 粒 设计 燃 烧 装 置和 分配 热 力责 任 , 更主 要 的是对 片状 颗粒 流 态化特 征研 究不够 , 致 使细 颗 粒扬 析 量过 大 , 而分 离 器 分离 下来 的颗 粒仍 然 是片状 结 构 明显 的颗粒 , 运 行 上只 好采 用 放循 环 灰来 解 决 . 这 种 运 行方 式 , 一 方面 加大 了运 行投 煤量 , 同时 也加重 了飞 灰 对 烟气 下 游受 热面 金属 的磨 损 . 片状 颗粒 球 形度 小 不 仅影 响 了流态 化过 程 , 对 炉 内传 热 也有 比较 大 的影 响 . 收稿 日期 : 2 0 04 -() 午10 修 回 日期 : 2 0 04 - D-6 10 基 金项 目 : 国家 自然 科 学基金 资助项 目困 。 . 5 04 76 08 2) 作 者简介 : 刘 柏谦 ( 19 5 8一) , 男 , 教授 1 片状 颗 粒 的形 貌描 述 1 . 1 经 典球 形 度 、 K r u m b e i n 球形 度 和 2 199 指数 描 述 机 械 破 碎 后 化 石燃 料 颗 粒 的形 貌 特 征 有 多种 指标 , 如 扁平 度 、 伸长 度 、 球形 度 、 形状 系 数 . 但在 流态 化领 域应 用最 广泛 的是球 形度 的概 念 . 经 典球 形 度 的定 义 是 : 与任 意 形状 颗 粒体 积 相 同 的球体 表 面积 vA ,sP 与颗 粒 表 面积 A p之 比 . ` =兰鳖 = 丛亚 = 甲 p A , A p 二 岭 , 0 . 2 0 7A p ( l ) a(2bc(2(2 形状 系 数可 分 为三 种 : 体积 形 状系 数 表 面积 形状 系 数 比 表 面积 形 状 系数 嘴 vS 姚 沪 : 二 匹兰笙 嵘 域 里 式 中 : 侨为 颗 粒 折算 粒 径 ; 气为 颗粒 体 积 ; A p为 颗 粒 表 面 积 ; ds, , 和 vd, , 分 别 为颗 粒 具有 相 同表面 积 或体 积 的球体 直径 ; vS 为单位 体积 表面 积 ;ds 、 为与 颗 粒具 有相 同表面 积 的球 体 直径 . 机械 破碎 后 的颗 粒都 是成 一 定规 律 分布 的 , 采用 K ur m b e in 球形 度对 个 别烟煤 、 褐 煤和 油 页岩 进行 的测 量显 示 , 在 流化床 锅 炉 宽筛分 粒度 范 围 内 , 随着 筛 分粒 度 增 大 , K ur m b e in 球 形度 单 调下 降 , 片状 结 构越 来越 明显 . 当颗粒 群 由片状 结构 颗 粒 组成 时 , 其 流化 特 征变 得 十分 复 杂 , 燃烧 过 程 出现 异 常 . K ur m be in 球 形 度 的定 义 为 : f h 丫 h 丫 p k :I 不丁 ” ~ 丁 , 、 r F 产 、 盛 j ( 3 ) 式 中 , h 为 片状 颗粒 的最 小 投 影 尺 寸 , w 为 与 片状 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 040

·160· 北京科技大学学报 2005年第2期 颗粒最大投影面积垂直的最大尺寸，1为片状颗 分数，Re为雷诺数. 粒最大投影长度，另一个在地质学上应用的指标 13片状颗粒的流态化特征 是Zigg指数，定义为： 直接和间接描述流化特征的参数有雷诺数 21=h (4) Re、临界流化风速Ur、颗粒群运动阻力Ca以及阿 基米德数Ar等.为了展示片状颗粒的流态化特 1.2经典球形度和Krumbein球形度对片状颗粒 征，以京西无烟煤在900℃，运行风速5.8ms工况 描述效果的比较 为对象进行计算.京西无烟煤的筛分特性见表1. 使用式(1)和式(2)的最大困难是任意形状颗 按照文献[3]提供的计算方法，d,和临界流化 粒的面积和体积不容易测量准确，因此使用时几 速度U的计算公式分别为： 乎都是采用推荐数据.而Krumbein球形度和Zigg d。=中∑xd, (6) 指数的最大优点就是可以对颗粒进行直接测量. Ur=0.0882Ar (7) 由于按照正方体逐步变化到片状颗粒时Zgg指 式中，x为某一筛分范围的质量分数，d为某一筛 数为线性变化，为了知道那种概念能更好地描述 片状颗粒及其流态化特征，将经典球形度、 分范围的平均粒径，r=。D为阿基米德 VPu Krumbein球形度分别描述规则片状颗粒，研究其 数.分别将计算得到的中和中代入式(5)(T),可以 流态化特征. 得到片状颗粒体系的临界流化速度和颗粒群的 取边长为1的单位正方体，将正方体的一个 阻力系数. 边长连续减小，使其片状特征逐步明显，则颗粒 图l是片状和柱状颗粒Krumbein球形度p和 类型1~5得立方体结构分别为1×1×1,1×1×0.8,1 经典球形度的对比.中对片状结构十分敏感，能 ×1×0.6,1×1×0.4,1×1×0.2.将其一个边连续加长， 很好地描述片状颗粒的形貌特征.当单位正方体 使其柱状特征逐步明显，则颗粒类型1~5得立方 的一个边长缩小到原来的1/5而其他两个边长不 体结构分别为1×1×1,1×1×2,1×1×4,1×1×6,1×1×8. 变时，经典球形度仍然保持为0.59，接近煤粉颗 分别用经典球形度和Krumbein球形度描述两种 粒的球形度：而Krumbein球形度由1变到0.008， 变化，检验两种球形度对变化的敏感程度.然后 球形度很小.说明颗粒最大尺寸与最小尺寸之差 采用基于周期性脉动气流绕流颗粒群的阻力系 已经足够大，与颗粒实际形貌吻合，但描述柱状 数C计算流态化过程中的阻力特性： 颗粒时，与经典球形度相比Krumbein球形度没 C,20.041+s1+e'1+c"6<Re20)6 有特别的优越性.而经典球形度对柱状颗粒形貌 Re06so 变化比较敏感，而对片状结构颖粒形貌变化却比 式中，S为斯顿坦数，E为相对振幅，c,为颗粒体积 较迟钝， 表1京西无烟煤筛分特性 Table 1 Size distribution and mass fraction of particles 4/mm11.4028.9446.6934.7333.3472.3661.6731.1830.8430.5960.4210.2890.2120.1500.1060.0750.045 x,/%0.980.382.777.4713.765.7210.0710.709.11 7.536.135.084.133.572.658.09 1.86 1.0 0.9 (a) (b) 0.8 0.8 0.6 片状颗粒 遵 露 0.4 片状颗粒 最 0.7 柱状颗粒 0.2 柱状颗粒 0.6 3 2 3 颗粒类型 颗粒类型 图1片柱状颗粒球形度对比，(a)Krumbein球形度；b)经典球形度 Fig.1 Sphericity comparsion between chip-shaped and beam-shaped particles:(a)Krumbein sphericity;(b)classical sphericity

. 16 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 2 期 颗 粒 最 大 投 影 面 积 垂直 的 最 大尺 寸 , l为 片 状 颗 粒 最大投 影 长度 , 另一个 在 地质 学上应 用 的指 标 是 21 9 9 指数 , 定义 为 : ~ , hl 乙 l = 叮飞 ~ W ( 4 ) ` 、尹夕. 月Uz 了.、 1 . 2 经典 球 形度 和 K ur m be in 球 形度 对 片 状颗 粒 描 述效 果 的 比 较 使用 式 ( l) 和式 (2) 的 最 大 困难 是 任 意形 状 颗 粒 的面 积和 体积 不容 易测 量 准确 , 因此使 用 时几 乎 都 是采 用推 荐 数据 . 而 K ur m be in 球 形度 和 21 9 9 指 数 的最大优 点就是 可 以对颗 粒进 行 直接 测量 . 由于 按照 正方 体 逐 步变化 到片 状颗 粒 时 21 9 指 数 为线 性变 化 , 为 了知道 那 种概 念 能更好 地描 述 片 状 颗 粒 及 其 流 态 化 特 征 , 将 经 典 球 形 度 、 K r Ll l l l b ie n 球 形度 分 别描 述 规则 片状 颗粒 , 研 究 其 流 态化 特 征 . 取 边长 为 1 的单 位 正方 体 , 将 正方 体 的一 个 边 长连 续 减 小 , 使其 片状特 征 逐 步 明显 , 则颗 粒 类 型 1一5 得 立方 体 结构 分 别为 1 ` l xl , 1 ` 1 ` .0 8 , 1 、 l x o . 6 , x x l x o . 4 , 一只 l x o . 2 . 将 其一 个边 连 续加 长 , 使 其 柱状特 征 逐 步 明显 , 则 颗粒 类 型 1一5 得立 方 体 结构 分别 为 l x l x l , l “ l x Z , l x l x 4 , l x l X 6 , l x l x s . 分 别用 经 典球 形 度和 K r l u n b ie n 球形 度 描述 两 种 变 化 , 检 验 两种 球 形度 对 变化 的 敏感 程度 . 然 后 采 用 基 于周 期 性 脉 动气 流 绕 流 颗粒 群 的 阻力 系 数 G 计 算流 态 化 过程 中 的 阻力特 性口 , : ~ 2 0 . 0 4 ( 1+ tS ) 3“ 2 ( l + ’s ) , 2 ( l + e 、 ) 6 5 8 , _ _ _ 公 一 = 二蔺六认舒竺一三` 一 贬勺< 入仑 < Z U U j `勺) 八 e - 一 式 中 , tS 为 斯顿 坦数 , 尽 为 相对 振幅 , c 、 为颗 粒体 积 分 数 , R e 为雷 诺 数 . 1 .3 片状 颗 粒 的流 态 化特 征 直 接 和 间 接 描 述 流 化特 征 的 参 数 有 雷 诺 数 R e 、 临界 流化 风速 mU f 、 颗粒 群 运动 阻力 口 以及 阿 基 米 德 数 A r 等 . 为 了展 示 片状 颗 粒 的流 态 化特 征 , 以京 西无 烟煤 在 9 0 ℃ , 运 行 风速 5 . 8耐 s 工 况 为对 象进 行 计算 . 京 西无 烟煤 的筛分 特性 见表 1 . 按 照文 献 3[ ]提 供 的计 算 方 法 , 姚和 临 界流 化 速 度 mU f 的计 算 公 式分 别 为 : 姚= 价艺x 从 mU f = 0 . 0 8 8 2A 尸 , 2 8 式 中 , x ,为某 一 筛分 范 围 的质 量 分数 , 试为 某一 筛 一 二 , 二 * 蛤 , 才 。 一 醚远二喧 、 。、 , 、 , 分 范 围 的 平 均 粒 径 , A 犷 一 。竺〔徽严 为 阿 基 米 德 数 . 分别将 计 算得 到 的咖和丸代 入式 ( 5卜( 7) , 可 以 得 到 片 状颗 粒 体 系 的临 界 流化 速 度 和 颗 粒 群 的 阻力 系数 . 图 l 是片 状和 柱 状颗 粒 K n 刀 n b e in 球形 度咖和 经 典球 形 度 的对 比 . 叭对 片状 结 构 十分 敏 感 , 能 很 好地 描述片状颗 粒 的形貌特 征 . 当单 位 正方 体 的一个 边 长缩 小 到原 来 的 1/ 5 而其 他两 个 边长 不 变 时 , 经典 球 形度 仍 然 保 持为 .0 59 , 接近 煤 粉 颗 粒 的球 形 度 ; 而 K ur m b e in 球 形度 由 1 变 到 0 . 0 08 , 球 形度 很 小 . 说 明颗粒 最大 尺 寸 与最 小尺 寸之 差 己 经足 够 大 , 与颗 粒 实 际形 貌 吻合 . 但描 述 柱 状 颗 粒 时 , 与 经 典球 形 度 相 比 K n l l l l b ie n 球 形 度 没 有特 别 的优 越性 . 而经 典球 形度 对 柱状颗 粒 形貌 变 化 比较敏 感 , 而 对片 状 结构 颗粒 形貌 变 化却 比 较 迟钝 . 表 1 京 西无 烟 煤筛 分特 性 aT b l e 1 5晚e d i s tir b u it o n a n d m a s , fr a e it o n o f P a币 e les 减/m m 为 /% 11 . 4 0 2 8 刃4 4 6 , 6 9 3 0 3 8 2 7 7 4 刀3 3 3 . 3 4 7 2 3 6 6 1 . 6 7 3 1 . 18 3 0 . 8 4 3 0 5 9 6 0 . 42 1 7 . 4 7 13 7 6 5 7 2 10 . 0 7 10 . 70 9 . 1 1 7 万3 6 . 1 3 0 2 89 5 一 0 8 0 . 2 12 0 . 1 50 0 . 106 0 . 0 7 5 0 0 4 5 3 . 57 2 . 6 5 8 . 09 1 . 86 0 . 2 卜 柱状颗粒 0 nU 侧粱赞 侧赞酸 颗粒类 型 颗 粒类 型 图 1 片柱 状颗粒 球形 度对 比 . ( a) Kr u m b ei n 球 形度 ; 和) 经典 球形度 F i g . l S P h e ir e iyt c o m P a sr i o n b e wt e e n e h i p 一s h a p e d a n d b e a m 一 s h a p e d P a 币 c les : ( a ) 心 u m b e i n s p 卜e ir e iyt ; 助 e l a s s i e a l s P 卜e ir e i yt

Vol.27 No.2 刘柏谦等：片状化石燃料的循环流化床燃烧（⑨ 161 图2(a)是片状颗粒和柱状颗粒用经典球形度 系数随着球形度的变化发生明显变化，与经典球 计算得到的颗粒群阻力系数，图中可见，经典球 形度一样对柱状颗粒也几乎形成一条直线变化， 形度对片状颗粒群和柱状颗粒群的敏感程度是 片状颗粒对流化床体系运行阻力的影响在一台 比较接近的，对片状颗粒群的敏感性优于柱状颗 50MW循环流化床锅炉上十分明显地表现出来. 粒群.图2b)是按Krumbein球形度计算的片状颗 比较以上各图可知，在描述片状结构颗粒形貌特 粒和柱状颗粒的颗粒群的阻力系数.图中可见， 征和流态化特性等方面，Krumbein球形度比经典 由Krumbein球形度计算得到的片状颗粒群阻力 球形度优越的多， 120 8.0 (a) (b) 7.5 80 柱状颗粒 7.0 片状颗粒 0 柱状颗粒 6.5 片状颗粒 6.0 2 4 3 颗粒类型 颗粒类型 图2颗粒群流化阻力系数比较.(a)经典球形度：(b)Krumbein球形度 Fig.2 Particle group resistance calculated from(a)classical sphericity and(b)Krumbein sphericity 2京西无烟煤及其流化床燃烧冷 0-13mm时，冷渣粒度主要是6.5mm以下，而且 以2mm颗粒为主，说明燃烧过程中发生了明显 渣的颗粒特征 的颗粒破碎现象（见图3）.对50MW循环流化床 由于颗粒几何形状的复杂性，上述定义的颗 锅炉排出的冷渣进行Krumbein球形度测量，发现 粒表面积和颗粒体积等参数测量起来十分困难， 在2mm范围内，与已知煤种Krumbein球形度有 而且也难于测准.对于任意形状的颗粒，这三个 类似的规律，但当颗粒度继续增大，京西无烟煤 投影尺寸是很好确定的，其缺点是当颗粒小到一 的球形度反而变大，这与已知煤种不同 定程度以后，测量就不易准确.但从已经得到的 虽然Krumbein球形度对京西无烟煤及其流 褐煤和油页岩的Krumbein球形度分布看，小颗粒 化床冷渣都没有得到希望的结果，但将京西无烟 的Krumbein球形度己经趋向一定规律.也就是 煤及其流化床燃烧冷渣Krumbein球形度结果放 说，只要测量到一定尺寸后，小颗粒的球形度已 在一起却可以发现，冷渣的Krumbein球形度比原 经接近煤粉的球形度， 煤的Krumbein球形度小一个数量级.也就是说， 对京西无烟煤颗粒度分布及其冷渣颗粒度 京西无烟煤经过流化床燃烧以后，形成的颗粒更 分布进行比较还可以发现，当入炉无烟煤颗粒为 加片状化.这对于流化床燃烧而言是非常没有好 (a) (b) 30 40 20 6 8 10 12 0 6 10 12 14 颗粒度/mm 颗粒度/mm 图3原煤(a)和冷渣(b)的粒度分布 Fig.3 Size distributions of raw coal (a)and cold ash (b)

V 】 6 . 7 N 2 0 . 刘柏谦 等 2 : ( D 片状 化石 燃料 的循环 流 化床燃 烧 ( ) 图 是片状 颗 粒和 柱状颗 粒 用经 典球 形度 a 2 计算 得 到 的颗 粒群 阻 力系 数 . 图 中可见 , 经 典球 形度 对 片 状 颗粒 群 和 柱 状 颗粒 群 的敏 感程 度 是 比 较 接近 的 , 对 片 状颗 粒群 的敏 感 性优 于柱 状颗 粒 群 . 图 2( b) 是 按 K n l m be in 球形 度 计算 的 片状 颗 粒 和 柱状 颗粒 的颗粒 群 的 阻力 系 数 . 图中可 见 , 由 K l u ll l bie n 球 形 度计 算 得 到 的片状 颗 粒群 阻力 系数 随着 球形度 的变化 发生 明显 变化 , 与 经典 球 形 度 一样 对柱状 颗 粒也 几乎 形成 一条 直线 变化 . 片状 颗 粒 对 流化 床 体 系运 行 阻力 的 影 响在 一 台 S OM W 循 环流 化床 锅炉 上 十分 明显 地表现 出来 . 比较 以上各 图可 知 , 在描 述片状 结构颗 粒形 貌特 征和 流 态化 特 性等 方 面 , K ur m be in 球 形度 比 经典 球 形度 优越 的多 . 8 . 0 「 (的 绷 7 · 5 卜 一 、 . 、 ~ ~ / / 股 L 社认秋不乡/ 只 l / / 摹 ’ 牛/ / 、 状。 6 ” 阵一一/ 6 . 0 L es es es es es es es es es es es es es es es es -L es we we 一 - 一 2 3 一 ’ 加 匡一一 绷 8。 卜 服 l 只 卜 疆 } 。 、 ~ 澡 4 0 t ’ 上 , 竺多 片状颗粒 颗 粒类 型 颗 粒类 型 图 2 颗粒 群流 化阻 力系 数 比较 . (a) 经 典球 形度 : ( b ) K ur m b ie n 球形 度 F i g · 2 P a 币 e l e g or u p 代 s i s t a n e e e a l c u l a et d fer m ( a ) e l a s s i e a l s P h e ir e i yt a n d 伪) rK u m b e in s P h e r i e i yt 2 京 西 无 烟 煤 及 其 流 化 床 燃 烧 冷 渣 的颗 粒特 征 由于颗 粒几 何 形状 的复 杂性 , 上述 定 义 的颗 粒表 面 积和 颗粒 体积 等参 数测 量起 来十 分 困难 , 而 且 也难 于测 准 . 对 于 任 意形 状 的颗 粒 , 这 三 个 投 影尺 寸是 很好 确定 的 , 其缺 点 是 当颗 粒 小到 一 定 程度 以后 , 测 量就 不 易准 确 . 但从 已 经得 到 的 褐煤 和 油页 岩 的 K n 刀 n bie n 球 形度 分布 看 , 小颗粒 的 K n l l n b e in 球 形度 己 经趋 向一 定规 律 . 也 就 是 说 , 只 要 测量 到 一定 尺 寸后 , 小颗 粒 的球 形 度 己 经接 近 煤粉 的球形 度 . 对 京 西 无 烟 煤 颗 粒 度 分 布及 其冷 渣 颗 粒 度 分布 进行 比较 还可 以发现 , 当入炉 无烟 煤颗 粒 为 0一 13 m m 时 , 冷 渣粒 度 主要 是 .6 5 ~ 以下 , 而且 以 Z r o r n 颗 粒 为主 . 说 明燃烧 过 程 中发 生 了 明显 的颗 粒破 碎现 象 (见 图 3) . 对 50 M W 循 环流 化床 锅 炉排 出的冷渣 进 行 K rU m be in 球形 度测 量 , 发现 在 2 ~ 范 围 内 , 与 已 知煤 种 K ur m be in 球形 度有 类 似 的规 律 , 但 当颗 粒 度 继续 增大 , 京 西无 烟煤 的球 形度 反而 变 大 , 这 与 已知 煤种 不 同 . 虽然 K ur m b e in 球 形度 对 京 西无 烟 煤及 其流 化床 冷渣 都 没有 得到 希望 的结 果 , 但 将 京西 无烟 煤 及其 流 化床 燃烧 冷 渣 K r u l n b ie n 球 形度 结 果放 在 一起 却可 以发 现 , 冷渣 的 K ur m be in 球 形度 比原 煤 的 K ur m be in 球 形度 小一 个数 量 级 . 也就 是 说 , 京 西无烟 煤经 过流 化床 燃烧 以后 , 形成 的颗粒 更 加 片状化 . 这 对 于流 化床燃 烧 而言 是非 常没 有好 n ù材 4 乙气 芝绷尔啊馒 0on ō , 2 ,l 象余咽吗芝 - - - ` - - - - - J ~ ~ ~ - - ` O L一 一- - - J es es es es es es 上es 6 8 10 1 2 14 0 2 4 se 6 8 10 颗 粒度 加 m , 颗 粒度角功1 图 3 原煤 (a) 和 冷渣 (b) 的粒度 分布 F ig . 3 S七 e d i s t ir b u it o n s o f ar w e o a l ( a ) a n d c o ld a s h 伪) 12 1 4

·162 北京科技大学学报 2005年第2期 处的（见图4）. 变化，即使按一定方法处理，也没有得出有意义 综合筛分和球形度分布，可以初步判断京西 的结果.但从测量结果看，京西无烟煤Krumbein 无烟煤受热以后发生了热破碎，破碎是沿着一定 球形度处于0.10.4之间，主要数据存在于0.2~0.3 纹理方向进行的，破碎的结果是使颗粒更加倾向 之间. 于片状.对于流态化而言，片状结构颗粒流化困 (2)50MW循环流化床锅炉.北京某集团公 难；对流化床燃烧而言，低温区沉积大量颗粒将 司50MW循环流化床锅炉燃用来自16个矿井的 导致燃烧效率下降 京西无烟煤.正常运行时，锅炉密相区温度保持 京西无烟煤Krumbein球形度的测量结果显 900℃以上，风室压力保持在9kPa以上.与其他 示，这种无烟煤与其他燃料差异很大.不同粒度 循环流化床锅炉相比，此锅炉运行不是监视风煤 的颗粒球形度几乎没有可资利用规律可循，即使 比调整运行，在正常运行风煤比不变的条件下， 勉强计算出不同粒度颗粒的平均球形度，所得到 密相区温度会随时间自动上升，达到一定温度 的变化趋势对流化床燃烧而言，也没有特别的意 后，运行人员采用大量放冷渣的方法促使密相区 义（见图4）. 温度急剧下降.放冷渣周期有时达到150min,冷 渣量大约为2t.锅炉运行的静止床料保持在500 0.5 (a) mm,正常运行的布风板压降约在2kPa左右.京 0.4 西无烟煤是典型的I类无烟煤，按照文献[3]推荐 的数据，I类无烟煤风室压力应为4.5-6.5kPa,颗 0.3 粒球形度为0.600.62.与这些数据对比，说明 Krumbein球形度为0.2~0.4的京西无烟煤比正常 0.2 的I类无烟煤至少多消耗了2kPa的风机压头，忽 略锅炉结构和流化方式的差异，这些压头的额外 0. 0 10 15 损失归因于片状颗粒结构是有道理的，颗粒群在 颗粒度/mm 气固体系中的阻力可按下式计算： (b) F。=πd6 C.pu。-pla。-,/8 (8) 0.3 式中，u为速度，ms,下标g和p分别代表气体和 颗粒. 在相同的颗粒度d,条件下，C随球形度下降 而上升，如果运行风速保持不变，则颗粒群运行 0. 阻力与C成正比（或与球形度变化成反比）根据 50MW循环流化床锅炉运行实践有： 6 8 10 12 会-受 (9) 颗粒度/mm 式中，k为常数，需要经过多种片状特征比较明显 图4原煤(a)和冷渣(b)的球形度对比 Fig.4 Sphericities of raw coal (a)and cold ash (b) 的固体燃料流化床燃烧实践确定 4结论 3京西无烟煤的流化床燃烧 (l)Krumbein球形度比经典球形度更好地描 (1)京西无烟煤.按照中国锅炉动力用煤分 述片状结构颗粒的形貌特征和流态化运行特性. 类，京西无烟煤是典型的I类无烟煤，经过机械破 (2)球形度与颗粒群运动阻力存在简单的比 碎后的颗粒明显成片状形貌.文献[4]测量了京 例关系，京西无烟煤片状特征明显，运行阻力比 西无烟煤及其循环流化床锅炉冷渣的三维特征 同类煤种高，可归因于较小的球形度. 尺寸，计算了相应的Krumbein球形度.结果显示， (3)片状颗粒形貌是流化床锅炉运行中炉膛 京西无烟煤并不像其他片状化石燃料那样， 温度大幅度波动、扬析量大幅度波动的最直接的 Kurmbein球形度随着颗粒度变化按照一定规律 原因

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 5 0 0 2 2 ( 4 ) 处 的 见 图 . 综 合筛 分和 球形 度 分布 , 可 以初 步 判 断京 西 无 烟煤 受热 以后 发生 了热 破碎 , 破 碎 是沿着 一 定 纹 理方 向进 行 的 , 破 碎 的结 果是使 颗粒 更 加倾 向 于 片状 . 对 于流 态 化而 言 , 片状 结构 颗 粒流 化 困 难 ; 对流 化床 燃 烧 而言 , 低温 区 沉积 大 量颗 粒将 导 致燃 烧 效 率下 降 . 京 西无 烟煤 K ur m b e in 球 形 度 的测 量结 果 显 示 , 这种 无烟 煤 与 其他 燃料 差 异 很大 . 不 同粒度 的颗粒球 形 度几 乎没 有可 资利 用 规律 可循 , 即使 勉 强计 算 出不 同粒度 颗粒 的平 均球 形度 , 所 得 到 的变化趋 势 对流 化床 燃烧 而 言 , 也没 有特 别 的意 义 ( 见 图 4) . \ \ \ n0 八 侧决赞 气 一飞 、 \ 一共 ` < 护~ 一、 _ 2 2 二 月/ 丫\ 一 _ _ 一 / \ _ _ 二少洲品一万 一一召 颗粒 度了m m ( b ) 一了一 变 化 , 即使 按 一定 方法 处 理 , 也没 有 得 出有 意义 的结果 . 但 从 测量 结 果看 , 京 西无 烟 煤 K ur m b e in 球 形度 处于 0 . 1一.0 4 之 间 , 主要 数据 存 在 于 .0 2一.0 3 之 间 . (2 ) 50 M w 循 环 流化 床锅 炉 . 北 京某 集 团公 司 5 0 M W 循 环 流化 床 锅炉 燃 用来 自 16 个 矿 井 的 京 西无 烟 煤 . 正常 运行 时 , 锅炉 密 相 区温 度 保 持 90 0 ℃ 以上 , 风 室压 力 保持 在 9 沙 a 以上 . 与 其他 循环 流 化床 锅炉 相 比 , 此锅 炉运 行 不是 监视 风煤 比 调整 运 行 , 在 正 常运 行 风 煤 比 不 变 的条 件 下 , 密 相 区温 度 会 随 时间 自动上 升 , 达 到 一 定温 度 后 , 运 行人 员采 用 大量 放冷 渣 的方法 促 使密 相 区 温度 急剧 下 降 . 放 冷渣 周 期有 时达 到 150 m in , 冷 渣 量大 约 为 Z t . 锅 炉 运行 的静 止床 料 保 持在 5 0 m m , 正 常运 行 的布风 板 压 降约 在 2 沙 a 左 右 . 京 西 无烟 煤 是 典型 的 I 类无 烟 煤 , 按照 文 献 3[ 」推荐 的数据 , I 类 无烟 煤 风室 压 力 应 为 4 . 5一6 . 5 廿 a , 颗 粒 球 形度 为 .0 60 一 .0 62 . 与这 些 数 据 对 比 , 说 明 K n u l l b e in 球 形 度 为 0一.0 4 的京 西 无烟 煤 比 正常 的 I类 无 烟 煤至 少 多消 耗 了 2沙 a 的风机 压 头 , 忽 略锅 炉 结构 和流 化方 式 的差 异 , 这些 压 头 的额外 损 失归 因 于 片状 颗粒 结 构是 有道 理 的 . 颗粒 群在 气 固体 系 中 的阻 力可 按 下 式计 算 口:] oF = 兀瞬二户翻风一 司(风一 瓦)/ 8 ( 8) 式 中 , u 为速 度 , 耐 s , 下标 g 和 p 分 别代 表 气 体和 颗粒 . 在 相 同的颗 粒 度 姚条 件 下 , G 随球 形度 下 降 而上 升 . 如果 运 行 风速 保 持不 变 , 则颗 粒 群运 行 阻 力与 G 成 正 比 ( 或 与球 形 度变 化 成 反 比 ) , 根 据 50 M w 循 环 流 化床 锅 炉运 行 实 践 有 : 侧赞粱 ( 9 ) 颗粒度 /m m 图 4 原 煤 ( a )和 冷渣伪)的球形 度对 比 F i g . 4 S P卜e r i c iit e s o f r a w c o a l ( a ) a n d e o ld a s h (b ) 会 一 徐) 一 会 3 京 西 无 烟 煤 的 流 化床 燃 烧 ( l) 京西 无烟 煤 . 按 照 中 国锅 炉动 力 用煤 分 类 , 京西 无烟煤 是 典 型的 I 类 无烟 煤 , 经 过机械 破 碎 后 的颗 粒 明显 成 片状 形 貌 . 文 献 [4] 测 量 了京 西无 烟 煤 及 其循 环 流 化床 锅 炉 冷 渣 的三 维 特 征 尺 寸 , 计 算 了相 应 的 K r l l ll l b ie n 球 形度 . 结 果显 示 , 京 西 无 烟 煤 并 不 像 其 他 片 状 化 石 燃 料 那 样 , K u n n b ie n 球 形 度 随着 颗 粒度 变 化按 照 一 定规 律 式 中 , k 为常 数 , 需要 经过 多 种 片状 特 征 比 较 明显 的 固体 燃料 流 化床 燃烧 实践 确 定 . 4 结 论 ( l) K ur m be in 球 形 度 比经 典球形度更好 地 描 述 片状 结 构颗 粒 的形貌 特 征和 流态 化 运行特 性 . (2) 球 形 度 与颗 粒 群运 动 阻 力存 在 简 单 的 比 例 关 系 , 京 西 无烟 煤 片状 特 征 明显 , 运 行 阻力 比 同类 煤种 高 , 可 归 因 于较 小的 球形 度 . (3) 片状 颗粒 形 貌 是流 化 床 锅炉 运 行 中炉 膛 温 度大 幅度 波 动 、 扬析 量 大幅度 波 动 的最 直接 的 原 因

Vol.27 No.2 刘柏谦等：片状化石燃料的循环流化床燃烧① ·163· 参考文献 [3)层状燃烧及沸腾燃烧工业锅炉热力计算方法，上海：上海 工业锅炉研究所出版，1980 [1]刘柏谦，煤颗粒形状因子对流化床锅炉燃烧器的影响分 [4]刘柏谦.京西无烟煤循环硫化床燃烧及脱硫考虑.锅炉技 析.发电设备，1997,7(1)：2 术，20041)：1 [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，1998.42 Combustion behaviour of chip-shaped particles in a circulating fluidized bed boiler (D):Discription of particle morphology and characteristics of fluidization quality 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 effectiveness of classical sphericity and Krumbein sphericity was compared to discribe chip- shaped fossil fuel,and the influence of sphericity on fluidization characteristics was studied.Some special pheno- mina in a 50 MW circulating fluidized bed boiler using an anthracit with Krumbein sphericities of 0.2-0.4 were di- scussed such as obvious fluctuations of dense phase temperature and furnace pressure as well as draining cold ash during operation,which can be explained by particle mophology. KEY WORDS fluidized bed;combustion;particle morphology;sphericity;shape index 密避应液江改包观你8花置深营破政@酸应8吧密藏滋碰吸液至区变线度服风客运酒烟 From Rare Metals,2005,24(1):1 Recent progress in the determination of gallium,indium,and thallium GAO Jinzhang Chemistry Chemical Engineering College,Northwest Normal University,Lanzhaou 730070,China ABSTRACT This mini-review covers the literatures of the determination of gallium,indium,and thallium by in- strumental analysis with computer-assisted searching over the period of 1994 to 2003.Some papers appearing in the early of 2004 are also included.Because the rapid progress in the instrument has been made,these new papers are prioritized in selection in the similar papers.The contents are considered to be separation and preconcentration, spectrophotometry,spectrofluorimetry,electroanalyses,atomic absorption spectrometry,inductively coupled plas- ma-atomic emission spectrometry,inductively coupled plasma-mass spectrometry and so forth. KEY WORDS gallium;indium;thallium;determination;instrumental analysis

b l V . 7 2 o N . 2 刘柏 谦等 : D 片状 化 石燃料 的循 环流 化床 燃烧 ( . 3 6 1 . 参 考 文 献 l t 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 12 ] 岑 可法 , 倪 明江 , 骆 仲涣 , 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 . 42 3[] 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 出版 , 19 8 0 【4] 刘 柏谦 . 京西 无烟煤 循环 硫化床 燃烧 及脱硫 考虑 . 锅炉 技 术 , 2 0 0 4 ( l ) : l C o m b u s t i o n b e h a v i o ur o f e h iP 一 s h ap e d P art i c l e s i n a e i r c u l a t i n g fl u i di z e d b e d b o il e r ( I ) : D i s e r i P t i o n o f P art i c l e m o rp h o l o g y an d e h ar a c t e r i s t i e s o f if u i d i z at i o n q u a lity LI U B a iq ia 澎气G U O oY gn l), Z llA 口 uY m’in ) , 恻刃 G iJ nx inz ), 以 eF心 , 1) M e e h an i e a l E gn in e e inr g S e h o o l , nU i v e rs ity o f s e i饥 e e an d eT c恤 0 1 0罗 B e ij in g , B e ij 认 9 10 0 0 8 3 , C h ian 2 ) T h e rm a l p o we r P l ant o f aH o四 C o m Pan 苏 B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e e fe e t i v e n e s s o f e las s i e a l s Ph e ir e ity an d K ru m b e i n s P h e ir e i ty w as e o m P ar e d t o d i s e ir b e e h i P - s h a P e d of s s il ifj e l , an d ht e i n if u en e e o f hsP e ir c i yt o n fl u i d iaz t i on ch ar e t ier s it e s w as s ut d i e d . S o m e sP e e ial hP e n o - m i n a in a 5 0 M W e ir e u l at in g fl ul d i z e d b e d b o il e r us in g an a n thr a e it w i ht K淦u m b e i n s Ph e ir c it i e s o f o . 2 一 0 . 4 w e er d i - s e u s s e d s u e h as o b v i o us fl u e ut at i on s o f d e n s e P h as e t e m P e r a奴江e an d fu m a e e P r e s s uer as w e l l as dr ia n i n g e o l d as h d如gn o P e r a ti o n , w h i e h e an b e e XP l a i n e d by P叭i e l e m o Ph o l o *gy K E Y W O R D S fl ul di z e d b e d : e o m b us t i o n : P art i e l e m o pr h o l o gy : s P h e ir e i yt : s h ap e i n d e x F or m R a er 人企at ls , 2 口口叉 2 4 (l) : I R e c e n t Por g r e s s i n ht e d e t e rm i n a t i o n o f g a ll i u m , i n d i u m , an d ht a lli um G注0 iJ nz h a gn C h e m i s ytr & Ch em i e a l E n g in e er in g C o ll e g e , N o rt hw e s t N o r m a l U n i v e rs ity, L田 l hz ao u 7 3 0 0 7 0 , C h in a A B S T R A C T T h i s m in i 一r e v i e w e o v e r s ht e l it e r a t t lr e s o f ht e d e t e rm in at i o n o f g a ll i um , i n d l it m , an d ht a lli um by in - s t r u l n e ant l an a l y s i s w iht e o m P ut e r 一 as s i s t e d s e acr h in g o v e r ht e P e ir o d o f l 9 9 4 to 20 0 3 . S o m e P ap e r s ap P e iar n g i n ht e e ar ly o f 2 0 0 4 ar e a l s o in e l u d e d . B e e au s e ht e r a P ld P r o gr e s s i n ht e in s t ur m e nt ha s b e e n m ad e , t h e s e ne w P ap e r s ar e Pir o ir t i z e d i n s e l e c it on i n ht e s im i l ar P ap e sr . hT e e o n t e nt s ar e e o n s i d e r e d t o b e s eP ar at ion an d P r e e on e e ntr iat o n , s P e e otr hP o t o m e tyr , s P e e otr fl u o ir m e tyr , e l e e otr an a ly s e s , at o m i e ab s o pr t i o n s P e c tr o m e t yr , i n d u e it v e ly e o uP l e d P las - m a 一 at o m i c e m i s s i o n s P e e tr o m e t yr , i n du e t i v e ly c o u P l e d Pl as m -a m a s s s P e e tr o m e ytr an d 5 0 fo hrt . K E Y W O R D S g a ll i um ; i n d i um : ht al li um ; d e t e mr i n at i o n ; i n s tr u m e n t a l an a ly s i s