煤种特性影响循环流化床灰渣特性的试验研究

  文章摘要：

摘 要：在一台0.5MW的循环流化床燃烧炉上对四种不同煤种分别进行燃烧试验，对燃烧产生的灰渣的分析结果表明了煤种特性如挥发分、灰分和碳含量等对循环流化床燃烧过程的灰渣形成及其排放特性有很大影响，并获得了煤中挥发分、灰含量及含碳量对底渣粒径及其含碳量、飞灰粒径及其含碳量、飞灰分额及燃烧效率等影响特性，对循环流化床锅炉的设计和运行有一定的指导意义。 关键词：循环流化床燃烧　灰渣　粒径分布

   1　前言循环流化床（CFB）锅炉由于对煤种适应性广、燃烧效率高、污染物排放低等优点，在我国得到了广泛的发展[1]。虽然循环流化床燃烧方式可以燃用不同性质的燃料，但燃用具有不同的结构和组成成份的不同燃料时所表现出的燃烧特性存在很大区别，如煤颗粒的破碎、磨损、燃烧速度、灰渣特性等[1]。燃料在循环流化床燃烧过程中的灰渣形成特性对锅炉的燃烧、传热和灰渣排放特性等有很大的影响[2]。虽然针对循环流化床燃烧过程中灰渣形成的研究已经取得了初步成果[3-5]，但由于燃料特性复杂多变，目前的研究成果还不能满足循环流化床锅炉设计与运行的需要，需要进一步的研究。本文在一台0.5MW的CFB燃烧炉上研究了4种不同煤种在循环流化床燃烧过程中成灰渣特性。通过对试验结果的分析重点讨论了煤种对灰渣的粒径分布、灰渣份额以及对q4损失的影响。 2　试验研究 2.1　试验装置试验在一台0.5MW的循环流化床燃烧炉试验台上进行。试验系统如图1所示。燃料由给煤机构送入循环流化床燃烧室燃烧，从燃烧室出来的携带大量高温物料的高温烟气经高温旋风分离器净化后进入尾部烟气冷却系统，分离下的高温物料则由返料器送回密相区。一次风通过风室及布风板进入燃烧室，二次风则从二次风口加入。脱硫用的石灰石通过给料机加入燃烧室。 131       图1　试验台系统简图 1 点火器                                 2 给煤机构                                 3 给料机构               4 返料器                                 5 旋风分离器                         6 布袋除尘器    燃烧室高度为11.2 m，下部的密相区的截面为220?×220?，高度800?，上部的稀相区截面为310?×310?。燃烧炉由下至上共设有9个测温点，分别测量密相区下部、中部、上部，稀相区下部、中部、上部和燃烧室出口温度。并沿燃烧室高度敷设4个水冷套，来控制燃烧室温度。 2.2　试验研究试验用的4种煤样分别为：烟煤1、烟煤1与煤矸石按9:1混合起来的混煤1、石煤与烟煤2按6:4质量比混合起来的混煤2和石煤。试验煤样采用同一破碎设备破碎成相应的颗粒粒径范围内。其中混煤1是用破碎后的烟煤1和破碎后的义马煤矸石煤颗粒混合获得，混煤2是用破碎后的石煤颗粒和破碎后的烟煤颗粒混合获得。煤质特性分析如表1所示。表1　煤质分析 名称 Car % Har % Oar % Nar % Sar % Aar % Mar % Var % Fcar % Qnet,ar kJ/kg 真密度 kg/m3 平均粒径（?）烟煤1 47.83 3.12 12.55 0.84 0.48 22.60 13.89 28.11 35.40 18114.4 1492 2.32 混煤1 45.25 3.04 11.56 0.75 0.41 27.09 11.9 27.20 33.81 16959.6 1576 2.80 混煤2 30.15 2.63 4.06 0.606 3.47 54.92 4.15 18.20 22.76 11302.7 1981 1.76 石   煤 12.56 1.90 2.5 0.33 5.55 75.56 1.6 12.34 10.41 4814.4 2262 1.64

  

132 各燃烧工况参数如表2所示。燃烧试验测试在经过较长时间稳定燃烧后开始，试验过程中定时记录燃烧试验系统的运行参数，包括入炉风量、给煤量、燃烧室温度、烟气成分分析、排渣计量及取样、飞灰取样等。给煤量通过人工计量，过量空气系数是在过热器后由氧量计测得。飞灰是在布袋除尘器前通过等速采样仪采集取样。试验过程中通过维持试验前后床层压力不变（8000Pa左右）来获得燃烧工况的排渣量。渣样直接从排渣中取得。通过计量排渣量结合给煤量计算出各工况的飞灰、底渣所占的质量份额。所取得的煤样、渣样和灰样的粒径分布用振动分级筛分析获得。    表2 试验工况 项目给煤量（kg/h）密相区平均温度（℃）稀相区平均温度（℃）燃烧室平均烟速（m/s）过量空气系数αpy 烟煤1 55.7 913 890 4.93 1.47 混煤1 57.7 913 888 4.96 1.49 混煤2 90.8 890 900 6.00 1.23 石煤 216 880 900 6.10 1.28

  

3　试验结果及分析 3.1　不同煤种下的底渣、飞灰粒径分布 133 图2-5给出了各燃烧工况入炉燃料和底渣的颗粒粒径分布图。显然，不同煤种、不同入炉颗粒粒径经循环流化床燃烧后所获得的底渣颗粒特性具有很大区别。煤种特性对燃烧特性的影响从入炉颗粒粒径分布就开始发生作用，如图2和图3所示，烟煤1颗粒在掺入10%的煤矸石颗粒后其颗粒粒径发生了较大幅度的变化，3mm以下的煤颗粒质量分额明显降低。这说明煤矸石不易破碎，在破碎过程产生的细颗粒量少。石煤和混煤2的入炉燃料颗粒分布也表明石煤颗粒掺入易破碎的烟煤颗粒后，其细颗粒的质量份额明显增加。如图3-6所示，燃烧后所产生的底渣的颗粒粒径都比相应的入炉煤颗粒粒径要小，显然煤颗粒在燃烧过程中发生了包括一次破碎、二次破碎[6-7]及磨损等过程。但同时试验结果也表明，底渣颗粒粒径分布曲线与其入炉煤颗粒的分布曲线具有相似性，如图2所示，给煤颗粒在0.8~1.6?之间和3~5?之间的质量份额比较高，相应地底渣颗粒在0.5~1?和3~4?之间的质量份额则比较高。可见，给煤颗粒在某种程度上决定了燃烧所产生的底渣特性。另外，试验结果也表明，不同特性的煤样所经历的燃烧过程中的破碎及磨损过程的特性是有区别的。如图所示，掺入10%煤矸石后的义马煤燃烧所产生的底渣中细颗粒（3mm以下）的质量份额增加幅度比不掺矸石时的增幅要明显降低。同样，即使掺入40%烟煤后的混煤2其细颗粒量少于石煤颗粒，但燃烧后所产生的底渣中的细颗粒质量份额却比石煤燃烧后底渣中含量要明显高。底渣和给煤平均颗粒直径的计算结果也表明，随着煤种变化，底渣平均颗粒粒径与给煤颗粒的平均粒径的差别也不同，义马煤的给煤颗粒和底渣的平均粒径分别为2.32mm和1.49mm，降低了0.83mm，而掺入10%煤矸石后的给煤和底渣的平均粒径分别为2.8mm和2.3mm，仅降低了0.5mm。类似地，石煤颗粒及其底渣的平均颗粒粒径分别为1.65mm和1.05mm，而掺入60%烟煤后，给煤颗粒及其底渣的平均颗粒粒径分别为1.78mm和0.81mm其降低幅度则为0.97mm。可见，给煤颗粒的组成特性对燃烧过程渣和灰颗粒形成是有很大的影响的。从试验结果看，同一种煤种随着挥发分增加，含灰量的降低，底渣中的细颗粒质量份额越高，底渣的平均颗粒粒径与给煤颗粒的平均颗粒粒径的差别越大。这可以解释为：当给煤颗粒中挥发分含量高的颗粒份额增加时会使得颗粒入炉后由于挥发分析出而导致的一次破碎变得更加剧烈，而含灰量低的颗粒份额增加则会使得焦碳颗粒在燃烧过程中更容易发生的二次破碎，所以当挥发分含量高、灰分含量较低的烟煤1掺入10%的挥发分低而灰分高的煤矸石后，底渣中的细颗粒质量份额明显降低，给煤颗粒与底渣的平均颗粒粒径差别减少。同样地石煤颗粒掺入40%的烟煤后的给煤颗粒经过燃烧后也产生更多的细灰渣颗粒。       图2　烟煤1给煤及其底渣的粒径分布 图3　混煤1给煤及其底渣的粒径分布    图4　混煤2给煤及其底渣的粒径分布 图5　石煤给煤及其底渣的粒径分布          图6给出了烟煤1和掺入10%煤矸石的混煤两种煤种的飞灰粒径分布曲线。很遗憾，另外两个煤种的飞灰样品在试验时没有获得飞灰的颗粒粒径分布。由图可见，两种煤种下的飞灰颗粒的粒径分布很相近，其质量平均粒径都在65μm，绝大部分飞灰颗粒在75μm以下。对于循环流化床燃烧技术，飞灰颗粒粒径分布主要由旋风分离器工作的分级分离效率和燃烧过程中所产生的细颗粒决定。旋风分离器分级分离效率一般由分离器结构、分离器入口烟气速度和颗粒特性决定[1]，而循环流化床燃烧过程中细小颗粒的来源除了给煤带入的小部分外，主要来源于颗粒的破碎和磨损，其中磨损产生的颗粒大部分在70μm以下，而且其他物性如密度等也比较接近。所以这也说明飞灰颗粒中相当一部分是磨损产生的灰颗粒。可见燃煤特性对飞灰的颗粒粒径分布的影响比较小。 134 图6　不同煤种下的飞灰粒径分布 3.2　不同煤种下的飞灰和底渣的份额各煤种燃烧试验所获得的飞灰和底渣的份额见表3。显然，煤种特性对飞灰和底渣份额有明显的影响。对于挥发分含量高、灰分含量较低的烟煤1及混煤1，煤中所含的灰渣大部分以飞灰形式排出，而挥发分含量低、灰分含量高的石煤及混煤2，煤中所含的灰渣则大部分以底渣形式排出。总体来看，飞灰分额随煤种中的挥发分含量的增加、灰分含量的降低而增加。主要原因应该是不同煤种颗粒在炉内产生细颗粒的各过程的特性不同所引起。如上所述，挥发分高、灰分低的煤颗粒在炉内的一次破碎和二次破碎都比较剧烈，产生更多的细颗粒，而且在燃烧过程中灰分含量低的焦碳颗粒在燃烧过程中所产生的灰层一旦生成，往往自动脱落或很快被磨损剥落，从而产生大量的细灰。另外，含灰量低的煤颗粒所生成的渣颗粒由于其孔隙率大，强度低，在炉内更容易被磨损产生大量的细颗粒。所以当烟煤1掺入10%挥发分含量低、灰分含量高的煤矸石后，其飞灰分额就降低了6%，同样地，当石煤掺入挥发分高、灰分低的烟煤后，其飞灰分额增加了8%。表3　飞灰和底渣份额 项   目烟煤1 混煤1 混煤2 石 煤飞灰分额 70.7 64.8 31.9 24.3 底渣份额 29.3 36.2 68.1 75.7    3.3　不同煤种下的灰渣含碳量及其燃烧效率 135 表4给出了不同煤种燃烧工况下其底渣、飞灰的含碳量及其燃烧效率。由表可见，不同煤种燃烧后所产生的底渣和飞灰的含碳量也相应地有区别，其飞灰含碳量随着煤中含碳量的增加、含灰量的降低而增加。这同样可以由煤颗粒在炉内的破碎及燃烧特性有关。如前所述，挥发分高、灰量低的烟煤在循环流化床燃烧过程中由于剧烈的一次破碎和二次破碎产生大量的细焦碳颗粒，同时，由于焦碳颗粒含灰量低，焦碳颗粒燃烧所产生的灰层已经产生很快被磨损，当颗粒的磨损速度快于颗粒燃烧速度时，焦碳颗粒被磨损产生的细颗粒往往是焦碳颗粒，这些过程所产生的细焦碳颗粒相当一部分不能被旋风分离器捕获而一次通过炉膛就随烟气带出，从而增加了飞灰颗粒的含碳量。另一方面，对于含碳量低、含灰量高的焦碳颗粒在炉内所经历的一次破碎和二次破碎过程要缓和得多，所产生的细焦碳颗粒量比较少，同时，由于含灰量高，焦碳颗粒燃烧所产生的灰层强度大，不易被磨损，其燃烧模式属于双核燃烧，即颗粒磨损仅灰层磨损，磨损产生的细颗粒是不含碳的灰颗粒，从而降低了飞灰的含碳量。这就很好理解随着给煤中含灰量高、含碳量低的煤颗粒增加，其燃烧所产生的飞灰颗粒的含碳量降低。表4　试验结果        项目煤样飞灰含碳量(%) 底渣含碳量(%) 固体不完全燃烧热损失q4 (%) 燃烧效率（%）底渣平均粒径（?）烟煤1 11.87 0.68 3.91 96.1 1.49 混煤1 9.99 1.18 3.60 96.4 2.3 混煤2 8.42 2.88 6.10 93.5 0.81 石 煤 3.89 1.21 11.32 88.6 1.05    循环流化床中底渣含碳量主要由燃烧停留时间和底渣颗粒组成决定。由于试验过程中风室压力基本维持在同一水平（8000Pa）左右，所以底渣的平均停留时间就取决于需要排出的渣量。依据试验获得的不同煤种的底渣份额，显然随着煤的含灰量增加、热值降低，其底渣量就越大，也就是其底渣平均燃烧停留时间越短，相应地其底渣含碳量就应该越高。表4的试验结果基本上符合这一趋势。所出现的混煤2的底渣含碳量比石煤底渣含碳量高的主要原因可能是所掺入的烟煤颗粒中含有大量的4~6mm的煤颗粒（这从给煤颗粒粒径分布可以看出），一部分大颗粒煤没有破碎成细颗粒而作为底渣在炉内燃烧，这些焦碳颗粒由于粒径大、含碳量高需要的燃烬时间很长，所以增加了该工况下的底渣含碳量。虽然含灰量高、含碳量低的煤种燃烧所产生的飞灰含碳量比较低，但由于其总的灰渣量大，同时底渣不仅含碳量较高而且底渣量也大，所以试验所获得的燃烧效率却反而要低，如表4所示。这也表明，含灰量高、含碳量低的焦碳颗粒与含灰量低、含碳高的焦碳颗粒相比，由于燃烧过程存在的灰层扩散阻力降低了燃烧速率，从而更不容易被燃烬。可见，对于含灰量低、含碳量高的烟煤，提高其燃烧效率应该在提高分离器效率和增加一次通过炉膛的细颗粒的停留时间等方面考虑，而对于含灰量高、含碳量低的石煤颗粒和煤矸石，还应该考虑增加底渣停留时间和控制其颗粒粒径。 4　结论 通过在一台0.5MW的循环流化床燃烧试验台所进行的4种不同煤种的燃烧试验，分析了各工况下的灰渣排放特性，主要结论如下：（1）给煤颗粒的粒径分布特性对底渣颗粒的粒径分布影响很大，两者具有相似分布曲线。 136 （2）煤种特性对燃烧过程中灰渣形成特性具有很大影响，一般来说，挥发分高、灰分含量低的煤种在燃烧过程中产生更多的细灰渣颗粒，其低渣颗粒中细颗粒的份额也比较高，底渣的平均粒径与给煤颗粒的平均粒径差别大。而且，煤中的灰渣大部分以飞灰形式排出。（3）虽然煤种对所产生的飞灰颗粒粒径分布影响不大，但其含碳量却随着煤中含碳量的增加而增加。对于同一燃烧装置，底渣含碳量随煤中的含灰量增加而增加。（4）对于含灰量低、含碳量高的烟煤，提高其燃烧效率应该在提高分离器效率和增加一次通过炉膛的细颗粒的停留时间等方面考虑，而对于含灰量高、含碳量低的石煤颗粒和煤矸石，还应该考虑增加底渣停留时间和控制其颗粒粒径。    参考文献： [1]　岑可法，倪明江，等，循环流化床锅炉理论设计与运行. 中国电力出版社，1997 [2]　王勤辉，循环流化床锅炉总体数学模型及性能试验. 杭州，浙江大学，1997 [3]　王智微，吴晓玲，冷洪川. 循环流化床锅炉物料分布特征分析. 热电技术，2002, (3):7-9 [4]　Magdalena Misz. Comparison of chars in slag and fly ash as formed in PF boilers from Bedzin Power Station. Fuel, 81, 2002: 1351-1358 [5]　陈晓平，赵长遂，等. 贾旺15MW增压流化床联合循环中试机组PFB锅炉投入满负荷运行. 黑龙江电力, 2002, 24(1): 5-10 [6]　Chirone R, Massimilla L, Salatino P. Communition of carbons in fluidized bed combustion[J]. Prog Energy Combust Sci, 1991, 17:297-326 137   [7]　Stubing J F. The effects of fragmentation on devolatilization of large coal particles[J]. Fuel , 1989, 68:155-160    

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