| 利用壓力變送器進行循環流化床爐膛顆粒濃度分布和循環流率實驗研究 |
| 信息來源： 壓力變送器 | 2021-12-31 點擊量： 2818 |
摘要:在高度為10m循環流化床冷態試驗臺上，采用差壓法和積料法分別測定流化床爐膛顆粒濃度分布和物料循環流率，研究不同顆粒物料、在不同氣流速度爐內顆粒濃度分布特性和循環流率規律。研究表明循環流化床顆粒濃度沿爐膛高度方向呈現先急劇降低后緩慢減小的規律。對于一定的顆粒物料，爐膛氣流速度(截面速度)決定了爐膛稀相區區域物料濃度和和循環流化床鍋爐的固體物料循環流率。
人類大規模利用化石能源排放大量的溫室氣體被普遍認為是導致全球變暖的重要因素。我國的能源消費結構以煤為主，其中燃煤發電消耗煤量巨大，燃煤產生巨量的CO2排放。目前CO2的減排措施，一方面是通過提高煤炭利用效率達到少用煤減少CO2排放目的，另一方面，對燃煤產生的CO2進行捕集，如富氧燃燒，煙氣中CO2分離，然后對高濃度的CO2進行壓縮、輸送、地下封存。然而，不管是采用富氧燃燒還是煙氣中CO2分離措施，能耗均非常大，大規模應用幾乎不能接受，因此，近年來在CO2捕集方面具有顯著低能耗優勢的化學鏈燃燒技術的研究進程明顯加速。
化學鏈燃燒是一種潔凈、高效新型無火焰燃燒技術。與傳統燃燒相比，該技術的非常大優點是借助于中間載體在氧化－還原反應器間的循環，避免了燃料與空氣直接接觸，在化學轉化同時實現CO2高效分離，在降低CO2捕集能耗方面具有優勢?；瘜W鏈燃燒工藝包括空氣反應器和燃料反應器，雙流化床反應器被認為是化學鏈燃燒非常合適的反應器，其反應器中的燃料或載氧體流動狀態與循環流化床鍋爐爐膛內的固體顆粒的流動、循環類似。循環流化床鍋爐燃燒技術以燃燒效率高、環保特性好、調峰性能好、燃料適應性強等優點在電力行業獲得廣泛應用，技術已很成熟，為化學鏈燃燒技術發展奠定了良好基礎。
化學鏈燃燒的概念首先由德國科學家Ｒichter1983年提出，用來替代傳統燃燒提高火電廠熱效率;1987年日本學者Ishida與中國金紅光指出CLC具有CO2內分離的特性，并進行了實驗研究與理論分析，2004年瑞典學者Lyngfelt等人實現了串行流化床化學鏈燃燒中試實驗，證明了化學鏈燃燒可以實現CO2內分離。清華大學、東南大學、華中科技大學和華北電力大學在載氧體開發與測試以及小型試驗裝置運行方面進行相關研究?；瘜W鏈燃燒動力系統已成為世界能源領域研究的重要方向，是解決CO2減排的主要發展的先進技術之一［1］。
化學鏈燃燒/氣化技術應用了流化床技術，采用載氧體循環物料的化學鏈燃燒/氣化技術，爐膛顆粒濃度分布和循環流率等關鍵參數直接影響到爐內的氣固流動、燃燒/氣化反應、傳熱特性、磨損和產物生成特性，也是關系到化學鏈技術能夠實現工業化應用的關鍵所在［2－4］。本文在東方電氣東方鍋爐股份有限公司德陽基地試驗中心，采用爐膛內截面為400mm400mm，爐膛高度(距離布風板)為10m循環流化床試驗臺，以鈦鐵礦和循環灰為床料開展不同物料特性對流化床內顆粒濃度分布和物料循環流率影響規律試驗研究，為化學鏈燃燒/氣化技術工程化應用提供重要的技術支撐。
1實驗裝置及方法
流化床冷態實驗系統主要包括爐膛、分離器、下降管、返料器、供風系統、引風系統、壓力采集系統、風量測量系統等。爐膛高度(距離布風板)為10m，布風板截面為280mm400mm，下爐膛變截面段高度為900mm，上部爐膛內截面為400mm400mm，下降管內圓直徑為120mm。為了保證流化床內部氣固流動的可視化，試驗部件均采用有機玻璃制成。實驗臺沿爐膛高度布置有10個壓力測點，旋風分離器出口和入口均布置1個壓力測點，下降管上布置有4個壓力測點，返料器上布置有4個壓力測點，返料腿上設置1個壓力測點，在爐膛一次風室、返料器的流化風室和返料風室分別布置1個壓力測點。采用壓力變送器實時采集實驗臺各點的壓力值，利用壓差濃度法P=P/(gh爐膛)計算爐膛沿高度方向的顆粒濃度，其中P為爐膛顆粒濃度kg/m3;P為相鄰兩側點壓力差Pa;g為重力加速度m/s2;h爐膛相鄰兩側點高度差m。試驗過程中，由于流化床內物料湍流流動狀態極其強烈，爐膛內壓力值波動較大，測量壓力數據為穩定工況下，一分鐘內壓力測量數據的算術平均值。物料循環流率采用積料法測量，在實驗臺返料器上設置有回料截止閥，在系統穩定運行的瞬間截止回料，并測量物料在下降管的堆積速度，通過計算公式Gs=bh下降管S下降管/(TsS爐膛)計算循環流率，其中Gs為基于爐膛內截面積的物料循環流率kg/(m2s);b為物料顆粒的堆積密度kg/m3h下降管為下降管的堆積高度m;S下降管為下降管的內截面積m2;S爐膛為爐膛的內截面積m2;為物料顆粒堆積時間s。
試驗物料采用鈦鐵礦和循環流化床鍋爐實際運行的循環灰，通過稱量測出其堆積密度分別為2620kg/m3、1200kg/m3。采用篩分裝置對鈦鐵礦和循環灰分別進行粒徑篩分(見圖1～2所示)，結果表明，鈦鐵礦粒徑范圍為0m～300m，D50中位粒徑約為160m，循環灰粒徑范圍是0m～300m，D50中位粒徑為110m，且均符合玻爾茲曼分布規律Y=A2+(A1－A2)/(1+EXP((X－X0)/DX))(BoltzmannModel)。本次整個試驗在常溫常壓下進行，流化介質為空氣。
2實驗結果與討論
2.1循環流化床試驗臺壓力分布
本次試驗分別采用鈦鐵礦和CFB鍋爐循環灰為床料，采用壓力傳感器和數據采集系統實時采集壓力變化。試驗在爐膛空截面速度3.6m/s下，采用鈦鐵礦(靜止床料厚度310mm，床料量97.5kg)和CFB鍋爐循環灰(靜止床料厚度490mm，床料量60kg)的壓力分布趨勢如圖3和圖4所示。
試驗結果表明，采用合適粒徑分布的鈦鐵礦為物料，能夠實現在循環流化床冷態試驗臺的正常運行，且爐膛內壓力分布趨勢與采用循環灰為物料的運行狀況規律一致。從壓力分布曲線可看出，鈦鐵礦比CFB鍋爐循環灰堆積密度大得多，其單位堆積厚度的床壓降比CFB鍋爐循環灰高，在流化狀態下，運行床壓與床料密度和堆積厚度有關。
2.2截面速度對爐膛顆粒濃度的影響
圖5給出采用鈦鐵礦試驗床料，靜止爐膛高度為310mm(即床料量58.2kg)，不同截面速度下沿爐膛高度方向鈦鐵礦顆粒的濃度分布趨勢圖，整體而言，爐膛顆粒濃度沿爐膛高度方向均呈現逐漸降低的趨勢，且顆粒濃度在h/H=0.045以下的爐膛區域急劇下降，在h/H=0.045以上的爐膛區域緩慢下降，其中h為爐膛壓力測點高度，H為爐膛總高度;
在試驗截面速度范圍內(2.5m/s3.6m/s)，爐膛密相區(h=0～3500mm)和稀相區(h=3500mm～10000mm)壓降與截面速度的關系曲線見圖6，由曲線可知隨著截面速度增加爐膛密相區的壓差呈現下降趨勢(5800Pa5035Pa)，爐膛稀相區差壓值呈現上升趨勢(122Pa715Pa)，表明，隨著截面速度升高，爐膛密相區床料充氣膨脹更強烈，氣/固比升高，而稀相區壓差隨截面速度的升高而升高，說明氣體對鈦鐵礦顆粒的攜帶能力增強。
2.3截面速度對循環流率的影響
圖7給出采用鈦鐵礦為試驗床料，靜止爐膛高度分別為190mm、400mm、470mm(即對應床料量分別58.2kg、128.3kg、153.2kg)，不同截面速度與循環速率的趨勢圖。由圖可知，對不同床料量鈦鐵礦而言，隨著爐膛截面流速的升高，單位爐膛截面的循環流率增大。圖8給出采用600MW超臨界CFB鍋爐燃煤機組的循環灰為試驗床料，靜止爐膛高度分別為295mm、410mm、490mm(即對應床料量分別27.3kg、45.7kg、60.0kg)，不同截面速度與循環速率的趨勢圖。由圖可知，不同靜止爐膛高度的循環灰循環流率與爐膛截面速度均呈現線性關系。
2.4爐膛差壓與循環流率的關系
對循環流化床鍋爐，工程上通常采用爐膛差壓值間接反映鍋爐循環速率大小。由圖9可知針對鈦鐵礦床料而言，在稀相區高度段(即H3=3500mm～9760mm)爐膛差壓與循環流率的一元線性相關系數r=0.96，呈現線性關系。對循環灰床料而言，稀相區高度段(即H3=3500mm～9760mm)爐膛差壓與循環流率的一元線性相關系數r=0.91，呈現線性關系。整體趨勢上看，循環灰的爐膛差壓與循環流率一元線性關系與采用鈦鐵礦類似，且兩者一元線性的斜率和相關系數r存在一定差異，造成上述差異原因與床料顆粒從分離器出口物料損失速率、床料顆粒在爐膛內的氣/固比等因素差異有關(注:分離器出口幾乎沒有鈦鐵礦顆粒物料損失，而循環灰顆粒有不同程度物料損失)。
2.6不同物料顆粒對循環流率的影響
本文采用物料粒徑范圍為0m～300m鈦鐵礦(D50=160m，b=2620kg/m3)和循環灰(D50=110m，b=1200kg/m3)床料開展冷態試驗研究，圖10給出了不同物性床料顆粒的爐膛靜止床料質量與循環流率關系圖。由圖可知，爐膛靜止床料質量約60kg，爐膛截面風速為2.8m/s時，循環灰顆粒循環流率為11.09kg/(sm2)明顯高于鈦鐵礦顆粒的循環流率2.70kg/(sm2);爐膛截面風速為3.6m/s時，循環灰顆粒循環流率為17.40kg/(sm2)明顯高于鈦鐵礦顆粒的循環流率4.92kg/(sm2)，即循環灰的循環流率明顯高于鈦鐵礦的循環流率。導致該現象的主要原因是兩種床料顆粒密度、粒徑分布和物性參數等存在差異，鈦鐵礦真實密度P=5000kg/m3，堆積密度b=2620kg/m3，D50=160m，循環灰真實密度P=2500kg/m3，堆積密度b=1200kg/m3，D50=110m，非常終造成兩種床料顆粒的流化特性(相同物料量和流化速度)存在一定程度的差異。
3結語
由上述分析計算可得能下結論。
(1)采用合適粒徑分布的鈦鐵礦為物料，能夠實現在循環流化床冷態試驗臺的正常運行，且爐膛內壓力分布趨勢與采用循環灰為物料的運行狀況規律一致。
(2)本次試驗的鈦鐵礦顆粒濃度沿爐膛高度方向均呈現逐漸降低趨勢，顆粒濃度在h/H=0.045以下爐膛區域急劇下降，在h/H=0.045以上爐膛區域緩慢下降，其中h為爐膛壓力測點高度，H為爐膛總高度。試驗表明，隨著截面速度升高，氣體對鈦鐵礦顆粒的攜帶能力逐漸增強，且密相區和稀相區的中間位置約為h=3500mm(即h/H=0.35)。
(3)本次試驗鈦鐵礦和循環灰兩種顆粒均隨著爐膛截面流速的升高，單位爐膛截面的循環流率增大;在相同物料量和流化速度下，循環灰的循環流率明顯高于鈦鐵礦的循環流率。
(4)鑒于本次試驗條件下的鈦鐵礦顆粒的循環流率偏低，可能會影響到熱態試驗臺爐內傳熱和溫度場分布，因此實際化學鏈反應器設計時還需要進一步優化鈦鐵礦粒徑分布、靜止床層物料高度(床內存料量)、選擇合適運行速度(爐膛截面速度)，以及考慮有效防磨措施。
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