D0I:10.13374/1.issm100103.2008.03.016 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2008 大颗粒煤流化床燃烧的微观过程 刘柏谦田宝宝李启博 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要采用电镜扫描和图像处理技术、物理吸附等手段研究了大颗粒煤在流化床燃烧过程中的微观结构变化·结果发现： 所研究的烟煤在流化床燃烧过程中，小于400像素的微观孔隙随燃烧过程大量增加，而大于400像素的孔隙数量则没有变化： 同时伴随着煤颗粒的比表面积随燃烧时间的增加而明显增加· 关键词煤：流化床燃烧；孔隙：微观结构 分类号TK229.6 Micro-structure evolution of coarse particles in fluidized bed combustion process LIU Baigian,TIAN Boobao:LI Qibo School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Microstructure evolution of coarse particles in fluidized bed combustion (FBC)was investigated by SEM technology. diagram processing technology and physical absorption method.It was found that the quantity of micro"pores increased when their sizes were less than 400 pixels in diagram for bituminous coal,but never changed when their sizes were larger than 400 pixels.The specific surface area of coarse particles obviously increased with increasing combustion time during fluidized bed combustion. KEY WORDS coal:fluidized bed combustion:pore:microstructure 中国燃煤流化床采用宽筛分煤，连续运行时会 燃煤循环流化床主要产生循环灰和冷渣，由于 在流化床下部积累大量的大颗粒，这些大颗粒与一 循环灰粒度小且获得多次高温行程，碳含量有可能 定比例的中小颗粒一起构成了鼓泡流化床或循环流 降低到可以忽略的程度，冷渣颗粒尺寸大，虽然在 化床的密相区，很多流化床燃烧模型是按照扩散控 密相区中停留时间比较长，但由于主要在床层中下 制和动力学联合控制建立的)，忽略了流化空气 部运动，受到流化空气的冷却，燃烧控制机理由扩散 的作用和大颗粒在流化床下部运行的特殊情况：由 控制为主变成化学动力学控制，因此，大颗粒燃烧 于流化风温度低，流化床底部一个有限高度内会形 可能成为控制燃烧效率的关键因素. 成低温空间：大颗粒在特定运行风速下，没有机会进 入流化床中上部的高温区，始终处于动力学控制的 1实验装置和实验方法 燃烧状态，大颗粒煤流化床燃烧研究的另一个缺陷 1.1实验装置 是既忽视了颗粒形貌的影响，将任意形状的煤颗粒 流化床热态实验装置如图1所示·流化床炉膛 用球形颗粒模拟2，，又忽视了颗粒形貌沿高度方 为38mm×500mm的陶瓷管，电加热功率3kW, 向的分布92]，造成模拟结果难于推广使用。不论 床温由温度控制器配合热电偶控制，电热丝与外罩 宽筛分煤还是窄筛分煤，燃烧效率都不低于90%， 之间用保温材料填充，流化空气通过阀门5调节， 报道的最高数值已经超过99%3.除了窄筛分 经转子流量计、风箱、布风板进入燃烧室， 煤燃烧外，宽筛分煤的燃烧效率通常距离100%有 1.2实验样品制备 一个明显的差距 实验目的是研究大颗粒煤在高温流化床中燃烧 收稿日期：2006-11-29修回日期：2007-03-25 过程，在图1所示的实验台上制备煤颗粒试样，根 基金项目：国家自然科学基金资助课题(No-50476082) 据燃煤流化床已有的经验山，煤颗粒中绝大部分挥 作者简介：刘柏谦(1958一)，男，教授 发分通常在10s之内析出，就是说，固定碳燃烧开
大颗粒煤流化床燃烧的微观过程 刘柏谦 田宝宝 李启博 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 采用电镜扫描和图像处理技术、物理吸附等手段研究了大颗粒煤在流化床燃烧过程中的微观结构变化．结果发现： 所研究的烟煤在流化床燃烧过程中小于400像素的微观孔隙随燃烧过程大量增加而大于400像素的孔隙数量则没有变化； 同时伴随着煤颗粒的比表面积随燃烧时间的增加而明显增加． 关键词 煤；流化床燃烧；孔隙；微观结构 分类号 T K229∙6 Micro-structure evolution of coarse particles in fluidized bed combustion process LIU BaiqianTIA N BaobaoLI Qibo School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Microstructure evolution of coarse particles in fluidized bed combustion （FBC） was investigated by SEM technology diagram processing technology and physical absorption method．It was found that the quantity of micro-pores increased when their sizes were less than400pixels in diagram for bituminous coalbut never changed when their sizes were larger than400pixels．T he specific surface area of coarse particles obviously increased with increasing combustion time during fluidized bed combustion． KEY WORDS coal；fluidized bed combustion；pore；microstructure 收稿日期：2006-11-29 修回日期：2007-03-25 基金项目：国家自然科学基金资助课题（No．50476082） 作者简介：刘柏谦（1958—）男教授 中国燃煤流化床采用宽筛分煤连续运行时会 在流化床下部积累大量的大颗粒．这些大颗粒与一 定比例的中小颗粒一起构成了鼓泡流化床或循环流 化床的密相区．很多流化床燃烧模型是按照扩散控 制和动力学联合控制建立的［1—4］忽略了流化空气 的作用和大颗粒在流化床下部运行的特殊情况：由 于流化风温度低流化床底部一个有限高度内会形 成低温空间；大颗粒在特定运行风速下没有机会进 入流化床中上部的高温区始终处于动力学控制的 燃烧状态．大颗粒煤流化床燃烧研究的另一个缺陷 是既忽视了颗粒形貌的影响将任意形状的煤颗粒 用球形颗粒模拟［25—8］又忽视了颗粒形貌沿高度方 向的分布［9—12］造成模拟结果难于推广使用．不论 宽筛分煤还是窄筛分煤燃烧效率都不低于90％ 报道的最高数值已经超过99％［13—15］．除了窄筛分 煤燃烧外宽筛分煤的燃烧效率通常距离100％有 一个明显的差距． 燃煤循环流化床主要产生循环灰和冷渣．由于 循环灰粒度小且获得多次高温行程碳含量有可能 降低到可以忽略的程度．冷渣颗粒尺寸大虽然在 密相区中停留时间比较长但由于主要在床层中下 部运动受到流化空气的冷却燃烧控制机理由扩散 控制为主变成化学动力学控制．因此大颗粒燃烧 可能成为控制燃烧效率的关键因素． 1 实验装置和实验方法 1∙1 实验装置 流化床热态实验装置如图1所示．流化床炉膛 为 ●38mm×500mm 的陶瓷管电加热功率3kW 床温由温度控制器配合热电偶控制．电热丝与外罩 之间用保温材料填充．流化空气通过阀门5调节 经转子流量计、风箱、布风板进入燃烧室． 1∙2 实验样品制备 实验目的是研究大颗粒煤在高温流化床中燃烧 过程．在图1所示的实验台上制备煤颗粒试样．根 据燃煤流化床已有的经验［1］煤颗粒中绝大部分挥 发分通常在10s 之内析出．就是说固定碳燃烧开 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．016
.300, 北京科技大学学报 第30卷 工具箱，统计图像中黑色区域的多少就可以得到不 同尺寸孔隙数量， 35 e°304 温控器 25 0960 1一流化床层；2一布风板；3一基座：4一风机；5一截止阀：6一转子 2 20 流量计：7一支架；8一保温层：9一上盖：10-一电阻丝 图1热态实验装置示意图 15 Fig.I Hot fluidized bed combustor experiment system 0 103 10 时间s 始前后，煤颗粒中的主要气体通道已经基本形成， 图2孔隙的面积分数随燃绕时间的变化 10s后颗粒形貌的变化几乎是流态化作用和残碳燃 Fig.2 Change in area fraction of micro pores with combustion time 烧造成的，因此，高温流化床（平均运行温度850 ℃)中取样时间确定为以10s为取样起点，用金属 图3是经过不同阈值处理后得到的12个不同 篮子将一定颗粒度的煤样送到床温恒定的流化床 尺寸孔隙分布图像，是以100像素为单位逐步删除 中，每次制样的颗粒数需满足电镜分析、表面积测量 较小孔隙的演化过程，图4是以燃烧时间分别为 和形貌检测等分析的需要 10s和80s的样品为例，分析得到的不同孔径大小的 将实验样品（毫米级的大同烟煤颗粒）放到不锈 孔隙数量，由孔隙分布曲线图可以看出：小孔数量 钢网制成的金属篮中快速放到空气作为流化介质的 明显多于大孔数量，孔隙数量呈现指数衰减趋势；在 流化床中开始计时，规定时间将金属篮子快速取出， 流化床燃烧过程中（燃烧时间由10s增加到80s), 放到磨口瓶中，分别送去检测 大于400像素的孔隙数量几乎不变，而小于400像 素的孔隙数量呈指数方式增长，表明微孔和小孔的 2扫描电镜观测煤颗粒形貌 数量占绝大多数，与燃烧时间有关；大孔数量不随燃 2.1电镜图像采集 烧过程而增加 将制备好的试样放入扫描电镜，抽真空之后对 其表面形貌采样.本实验对每个煤颗粒分别以放大 50倍、500倍、1000倍采集图像，并将采集的信息保 存为1660×1248像素的JPG数字图像 2.2煤颗粒电镜图像的处理过程 2.2.1二维孔隙率的计算 使用Photoshop将得到的图像转换成灰度范围 为0~255的位图格式(BMP)文件，并进行阈值分 割和灰度直方图等处理，不同燃烧时间煤颗粒 SEM图像处理后获得的孔隙的面积分数见图2.随 着燃烧时间的增加，孔隙的面积分数呈上升趋势， 开始阶段(0~100s)煤颗粒表面孔隙的面积分数上 升较快，此后趋于平缓.其原因可能是持续的高温 热处理使残留的挥发分继续析出，一些封闭的孔隙 打开，使得颗粒表面孔隙面积增加. 2.2.2孔隙分布曲线 将所得的BMP图像文件设定适当大小的阈 值，得到对应的二值图像，其中白色区域代表孔隙， 图3逐步删除小孔隙的图像演化 黑色区域代表煤颗粒表面，采用Matlab图像处理 Fig.3 Pore size evolution through pixel decrease
1—流化床层；2—布风板；3—基座；4—风机；5—截止阀；6—转子 流量计；7—支架；8—保温层；9—上盖；10—电阻丝 图1 热态实验装置示意图 Fig．1 Hot fluidized bed combustor experiment system 始前后煤颗粒中的主要气体通道已经基本形成． 10s 后颗粒形貌的变化几乎是流态化作用和残碳燃 烧造成的．因此高温流化床（平均运行温度850 ℃）中取样时间确定为以10s 为取样起点．用金属 篮子将一定颗粒度的煤样送到床温恒定的流化床 中每次制样的颗粒数需满足电镜分析、表面积测量 和形貌检测等分析的需要． 将实验样品（毫米级的大同烟煤颗粒）放到不锈 钢网制成的金属篮中快速放到空气作为流化介质的 流化床中开始计时规定时间将金属篮子快速取出 放到磨口瓶中分别送去检测． 2 扫描电镜观测煤颗粒形貌 2∙1 电镜图像采集 将制备好的试样放入扫描电镜抽真空之后对 其表面形貌采样．本实验对每个煤颗粒分别以放大 50倍、500倍、1000倍采集图像并将采集的信息保 存为1660×1248像素的 JPG 数字图像． 2∙2 煤颗粒电镜图像的处理过程 2∙2∙1 二维孔隙率的计算 使用 Photoshop 将得到的图像转换成灰度范围 为0～255的位图格式（BMP）文件并进行阈值分 割和灰度直方图等处理．不同燃烧时间煤颗粒 SEM 图像处理后获得的孔隙的面积分数见图2．随 着燃烧时间的增加孔隙的面积分数呈上升趋势． 开始阶段（0～100s）煤颗粒表面孔隙的面积分数上 升较快此后趋于平缓．其原因可能是持续的高温 热处理使残留的挥发分继续析出一些封闭的孔隙 打开使得颗粒表面孔隙面积增加． 2∙2∙2 孔隙分布曲线 将所得的 BMP 图像文件设定适当大小的阈 值得到对应的二值图像其中白色区域代表孔隙 黑色区域代表煤颗粒表面．采用 Matlab 图像处理 工具箱统计图像中黑色区域的多少就可以得到不 同尺寸孔隙数量． 图2 孔隙的面积分数随燃烧时间的变化 Fig．2 Change in area fraction of micro-pores with combustion time 图3 逐步删除小孔隙的图像演化 Fig．3 Pore size evolution through pixel decrease 图3是经过不同阈值处理后得到的12个不同 尺寸孔隙分布图像是以100像素为单位逐步删除 较小孔隙的演化过程．图4是以燃烧时间分别为 10s和80s 的样品为例分析得到的不同孔径大小的 孔隙数量．由孔隙分布曲线图可以看出：小孔数量 明显多于大孔数量孔隙数量呈现指数衰减趋势；在 流化床燃烧过程中（燃烧时间由10s 增加到80s） 大于400像素的孔隙数量几乎不变而小于400像 素的孔隙数量呈指数方式增长．表明微孔和小孔的 数量占绝大多数与燃烧时间有关；大孔数量不随燃 烧过程而增加． ·300· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 刘柏谦等：大颗粒煤流化床燃烧的微观过程 .301. 400 明微孔和小孔的数量占绝大多数，与燃烧时间有关； 大孔数量不随燃烧过程而增加， ★1=10s 300 0-1=80s (③)煤颗粒的比表面积随燃烧时间的增加呈现 明显的上升趋势，与孔隙结构的变化基本相符合， 参考文献 100 [1]Cen K F,Ni M J.Luo Z Y,et al.Theory,Design and Opera- tion of Circulating Fluidized Bed Boilers.Beijing:China Electric 200 40060080010001200 Power Press.1998:207 孔隙面积/像素 (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，1998：270) 图4燃烧时间为10s和80s时孔隙分布对比 [2]Adanez J.de Diego L F.Gayan P,et al.A model for predication Fig4 Pore distribution comparison between 10s and 80s combus- of carbon combustion efficiency in circulating fluidized bed com- tion time bustor.Fel,1995,74(7):1049 [3]Arena U.Chiroe R.Amore M D.et al.Some issues in modeling 3氮吸附法测量煤颗粒的比表面积 bubbling and circulating fluidized bed coal combustors.Po der Technol,1995,82(3):301 为验证图像处理的可靠性，利用气体吸附方法 [4]KnoebigT,Luecke K.Werther J.Mixing and reaction in the 测量相同条件下煤颗粒比表面积变化，见图5 circulating fluidized bed,a three dimensional combustor model. 140 Chem Eng Sci.1999.54:2151 [5]Winter F.Prah M E.Hofbauer H.Temperature in a fuel particle 120 burning in a fluidized bed:the effect of drying,devolatilization >100 and char combustion.Combust Flame,1997,108:302 0 [6]Marban G.Pis J J.Fuertes A B.Charactering fuels for atmo- 80 spheric fluidized bed combustion.Combust Flame.1995,103; 60 41 40 [7]Zhou HS,Flamant G.Gauthier D.DEM-LES simulation of coal 20 combustion in a bubbling fluidized bed lI:Coal combustion at a 日4 particle level.Chem Eng Sci.2004.59:4205 50 100150 200 250 [8]Saastamoinen JJ.Tourunen A.Hamalainen J.et al.Analytical 时间s solution for steady and unsteady state particle size distribution in FBC and CFBC boiler for non-breaking char particle.Combust 图5比表面积随燃绕时间变化 Flame,2003.132,395 Fig.5 Change in specific surface area with combustion time [9]Eaton A M.Smoot L D.Hill C.et al.Components,formula- tions.solutions,evaluation and application of comprehensive com 由图5可见，煤颗粒比表面积随时间的变化总 bustion models.Prog Energy Combust Sei.1999.25:387 体是增大的，由前面孔隙长大的研究可知，燃烧过 [10]Yates J G.Effects of temperature and pressure on gas solid flu- 程中孔隙数量及其面积分数均增加，而煤颗粒内表 idization.Chem Eng Sci.1996,51(2):167 面积增大更为显著，内表面积在煤颗粒总面积中比 [11]Sriramulu S,Sane S.Pradeep,et al.Mathematical modeling of 外表面积大得多，在持续的燃烧过程中起主导作用 fluidized bed combustion.Fuel,1996,75(12):1351 比表面积的变化与孔隙的变化是相一致的， [12]Govender A.van Dyk J C.Effect of wet screening on particle size distribution and coal properties.Fuel.2003.82:2231 4结论 [13]Castleman J M.Process performance of the TVA 20MW atmo- spheric fluidized bed combustion pilot plant//Proceedings of the (1)大颗粒煤在流化床燃烧过程中，颗粒表面 8th International conference on FBC.1985:196 孔隙的面积分数随燃烧时间增加而增加：在燃烧初 [14]Chandran RR.Duqum J N.Perna M A.et al.A New method 始阶段增加较快，后续残碳燃烧阶段增加较慢， for AFBC fuels characterization//Mustonen J P.Proceedings of the 9th International conference on FBC.1987:292 (2)扫描电镜图像的孔隙轮廓图分析表明，在 [15]Duqum J N.Tang JT,Morris T A.AFBC performance com- 流化床燃烧过程中，大于400像素的孔隙数量几乎 parison for under hed and over bed feed systems//Proceedings of 不变，而小于400像素的孔隙呈指数方式增长，表 the 8th International conference on FBC.1985:255
图4 燃烧时间为10s 和80s 时孔隙分布对比 Fig．4 Pore distribution comparison between10s and80s combustion time 3 氮吸附法测量煤颗粒的比表面积 为验证图像处理的可靠性利用气体吸附方法 测量相同条件下煤颗粒比表面积变化见图5． 图5 比表面积随燃烧时间变化 Fig．5 Change in specific surface area with combustion time 由图5可见煤颗粒比表面积随时间的变化总 体是增大的．由前面孔隙长大的研究可知燃烧过 程中孔隙数量及其面积分数均增加而煤颗粒内表 面积增大更为显著．内表面积在煤颗粒总面积中比 外表面积大得多在持续的燃烧过程中起主导作用． 比表面积的变化与孔隙的变化是相一致的． 4 结论 （1） 大颗粒煤在流化床燃烧过程中颗粒表面 孔隙的面积分数随燃烧时间增加而增加：在燃烧初 始阶段增加较快后续残碳燃烧阶段增加较慢． （2） 扫描电镜图像的孔隙轮廓图分析表明在 流化床燃烧过程中大于400像素的孔隙数量几乎 不变而小于400像素的孔隙呈指数方式增长．表 明微孔和小孔的数量占绝大多数与燃烧时间有关； 大孔数量不随燃烧过程而增加． （3） 煤颗粒的比表面积随燃烧时间的增加呈现 明显的上升趋势与孔隙结构的变化基本相符合． 参 考 文 献 ［1］ Cen K FNi M JLuo Z Yet al．TheoryDesign and Operation of Circulating Fluidized Bed Boilers．Beijing：China Electric Power Press1998：207 （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1998：270） ［2］ Adanez Jde Diego L FGayan Pet al．A model for predication of carbon combustion efficiency in circulating fluidized bed combustor．Fuel199574（7）：1049 ［3］ Arena UChiroe RAmore M Det al．Some issues in modeling bubbling and circulating fluidized bed coal combustors．Pow der Technol199582（3）：301 ［4］ Knoebig TLuecke KWerther J．Mixing and reaction in the circulating fluidized beda three-dimensional combustor model． Chem Eng Sci199954：2151 ［5］ Winter FPrah M EHofbauer H．Temperature in a fuel particle burning in a fluidized bed：the effect of dryingdevolatilization and char combustion．Combust Flame1997108：302 ［6］ Marban GPis J JFuertes A B．Charactering fuels for atmospheric fluidized bed combustion．Combust Flame1995103： 41 ［7］ Zhou H SFlamant GGauthier D．DEM-LES simulation of coal combustion in a bubbling fluidized bed Ⅱ：Coal combustion at a particle level．Chem Eng Sci200459：4205 ［8］ Saastamoinen J JTourunen AHamalainen Jet al．Analytical solution for steady and unsteady state particle size distribution in FBC and CFBC boiler for non-breaking char particle．Combust Flame2003132：395 ［9］ Eaton A MSmoot L DHill S Cet al．Componentsformulationssolutionsevaluation and application of comprehensive combustion models．Prog Energy Combust Sci199925：387 ［10］ Yates J G．Effects of temperature and pressure on gas solid fluidization．Chem Eng Sci199651（2）：167 ［11］ Sriramulu SSane SPradeepet al．Mathematical modeling of fluidized bed combustion．Fuel199675（12）：1351 ［12］ Govender Avan Dyk J C．Effect of wet screening on particle size distribution and coal properties．Fuel200382：2231 ［13］ Castleman J M．Process performance of the TVA20MW atmospheric fluidized bed combustion pilot plant∥ Proceedings of the 8th International conference on FBC1985：196 ［14］ Chandran R RDuqum J NPerna M Aet al．A New method for AFBC fuels characterization∥Mustonen J P．Proceedings of the9th International conference on FBC1987：292 ［15］ Duqum J NTang J TMorris T A．AFBC performance comparison for under bed and over bed feed systems∥ Proceedings of the8th International conference on FBC1985：255 第3期 刘柏谦等： 大颗粒煤流化床燃烧的微观过程 ·301·