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