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一种确定CFBB最优循环倍率的方法

发布时间：2011/4/16 阅读次数：1137 字体大小: 【小】【中】【大】

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一种确定CFBB最优循环倍率的方法

姜秀民　李润东　李巨斌　秦裕琨

［摘要］　在将床料粒度分布及循环倍率耦合的基础上，提出一种从能量角度确定最优循环倍率的方法，对循环流化床锅炉的设计与运行具有指导意义。
关键词　循环倍率　CFBB　最优化设计　CFBC
中图分类号　TK229

1　引言

　　在循环流化床锅炉的设计与运行中，循环倍率是极为重要的指标之一。它与锅炉结构受热面布置、传热特性、燃烧效率、炉内磨损、脱硫、脱硝、分离效率及分离方式等有密切关系。本文将从能量角度讨论最优循环倍率的确定方法。

2　模型的建立

　　影响循环倍率的主要因素是燃料特性(尤其是粒度分布)、分离器效率及运行风速等。本文对一定床料粒度、扬折率及分离效率下的循环物料量及其含碳量进行计算，从而建立最优循环倍率模型。
2.1　床料粒度分布模型

图1　物料平衡图

　　本文定义循环倍率K为循环灰量与给煤量之比。当锅炉运行循环倍率为K时，炉内的物料平衡如图(1)所示，床料的质量平衡通用性能方程为^［1］：
　　　　

　　（1）
式中F₀、F₁、F₂、F₃分别为给煤量、溢流量和场析量和循环灰量；P₀（D）、P₁（D）、P₂（D）、P₃（D）分别为上述各量的粒度分布。当分离器的分级分离效率η（D）已知时，循环灰量的粒度分布为：
　　　　　　　　　　　　　　　　P₃（D）＝P₂（D）^.η（D）F₂／F₃（2）
W_b为床料重量，D为直径，R(D)为粒径变化率：
　　　　　　　　　　　　　　　　　R(D)＝－2.1×10^－8(U₀－Umf)　　　　　　　　　（3）
式中U₀、Umf分别表示流化速度和临界流化速度。临界雷诺数为
　　　　　　　　　　　　　　　　　R_mf＝0.151A^0.5158_r（4）
由上述各量关系有：
　　　　　　 197-2.gif (2820 bytes)

　　　　（5）
K^*（D）为扬析常数，本文采用Merrick和Highley提出的扬析模型^［2］：
　　　　　　　　　　　

　　　　　　（6）
式中A＝0.0001～0.0015，U_ts为颗粒的终端速度。
　　采用数值方法求解式(5)得到P₁（D）后，可以得到P₂（D）为：
　　　　　　　

　　　　（7）
在P₁（D）、P₂（D）和P₃（D）已知的情况下，可得床料的粒度分布P_b（D）为：
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　（8）
2.2　分离器分离效率模型
　　在图(1)中，定义飞灰系数αfh，表征入炉燃料中灰Aar由分离器上部排出的比例，由循环倍率定义：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K＝F₃／F₀（9）
另外，由式(2)有：
　　　　　　　　　　　

　　　　（10）
2.3　循环倍率优化模型
　　一般说来，循环系统能量变化趋势为一有波峰的二次曲线，循环倍率的增加一方面可减少机械不完全燃烧损失，即回收能量Q_in，但另一方面使送、引风机压头增加，即为付出动力功Q_out。循环倍率增加的初期回收能量Q_in的增长速度大于付出动力功Q_out的速度，此阶段称之为收获段。当循环倍率增大到一定值K₀时，两者速度相同，即达到平衡点，此时的K₀称为能量最优循环倍率。当K继续增大时，回收能量Q_in的增长速度小于付出动力功Q_out的速度，此阶段称之为付出段。此过程可表示为下式：
　　　　　　　　　　　　　　　ΔQ（K）＝Q_in（K）＋Q_out（K）　　　　　　　　　　（11）
当ΔQ（K）＝Qmax（K）时，K＝K₀，即ΔQ′（K）＝0时求得极大值时，K₀即为最优循环倍率。
　　为计算由于颗粒多次循环而回收的含碳量，引入一次燃尽率Φ的概念。Φ即参加循环的单元物料在炉内每循环一次的燃尽程度。当循环次数在最初几次增大时，Φ增大得较快，然后随K增大Φ每一次增加的量越来越小，理论上有

。燃料入炉后，单位质量某一档颗粒N次循环而回收的可燃质为：
　　　　　　

　　　　　　　　　　（12）
当N很大时，取极限得：
　　　　　　　　　

　　　　　　　　（13）
由于物料多次循环而回收的总可燃质为：
　　　　

　　（14）
根据碳反应化学式系数，上式转换成能量式：
　　

　　（15）
当不考虑由于循环倍率K变化引起系统耗散功的变化时，则循环倍率K变化引起付出功Q_out变化可近似用下式表示：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Q_out（K）＝W_H（K）
式中，W_H（K）——物料循环所需的动力功，
引入循环物料做功高度H的概念，H即分离器入口与布风板垂直高度，由炉膛结构决定。
　　　　　　　　　　　　　　　　Q_out(k)=W_H(k)
　　　　

　　　　　　　　　　　　　　（16）
对于n足够大，ηⁿ→0
　　

　　　　　　　　　　　　　（17）
　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　（18）
对上式求导，则当ΔQ′（K）＝0时的K即为最优循环倍率。
　　　ΔQ′（K）=Q′_in（K）+Q′_out（K）
　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　（19）
此时K＝K₀时，ΔQ（K）＝ΔQ_max（K），为能量最优循环倍率。
3　结论

　　循环倍率是循环流化床锅炉设计和运行的重要参数之一。合理地选择循环倍率对锅炉的安全和经济运行都有重大现实意义。本文从受循环倍率影响最大的能量角度入手，并结合床料的粒度分布进行循环倍率的优化，所建立的循环倍率优化模型可用于指导循环流化床锅炉的设计与运行。
　　综合的最优循环倍率应包括受热面的磨损、炉内传热和脱硫等方面的影响，将在下一步研究中继续讨论。

作者简介　姜秀民(1956—)，男，副教授，132012　吉林市长春路169号
作者单位：姜秀民　李润东　李巨斌　东北电力学院
　　　　　秦裕琨　哈尔滨工业大学

参考文献

［1］陈晓平，孙恩召，秦裕琨，庞丽君，黄怡民.大型飞灰循环流化床燃烧模型.工程热物理学报，1993，8：332～335.
［2］Werrick Det al.Particle size reduction and elutriation in a fluidized bed process.AIchESym，Series，70，137，1974：.366～378.

（渠　源　编辑）

收稿日期　1998－02－27

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