循環流化床鍋爐焦炭顆粒燃燒機理研究

李富明,馮旭紅

(1.大同市特種設備監督檢驗所,大同 037010;2.太原理工大學電氣與動力工程學院,太原 030024)

國內大多數循環流化床鍋爐燃用劣質煤,燃燒效率往往達不到設計值,飛灰中的碳的質量分數在10%～20%,成為制約循環流化床發展的主要因素。在目前能源短缺、環境污染嚴重的形勢下,焦炭顆粒燃盡方面的研究受到越來越多的關注。單顆粒焦炭等徑縮核燃燒數學模型的計算發現,焦炭顆粒的燃盡時間隨粒徑變化曲線呈峰值特征,粒徑在40～50μm的顆粒相對難燃盡[1]。焦炭顆粒的破碎是飛灰顆粒形成的重要因素,破碎的類型和程度影響燃燒阻力曲線的發展[2,3]。焦炭晶格結構的變化影響流化床鍋爐飛灰殘碳的形成,其晶格化結構增強的決定性作用是溫度,其次是煤在加熱中的停留時間[4,5]。焦炭的孔隙結構會在燃燒過程中發生變化,其孔隙結構是一種分形體結構,孔隙結構的參數與燃盡率有關[6,7]。

筆者將從微觀角度出發,對某循環流化床鍋爐飛灰進行測試分析,討論飛灰微觀結構參數與焦炭燃燒狀況之間的關系,分析飛灰可燃物的生成機理和燃燒特性,以探討影響飛灰碳生成的主要因素。

1 鍋爐主要參數

該鍋爐是由四川鍋爐廠生產的CG-35/3.9-MF沸騰燃燒鍋爐經多次改造而成。煤樣分析結果和鍋爐主要參數分別如表1和表2所示。

表1 煤樣分析結果(質量分數)

從表2可以看出,鍋爐出力嚴重不足,只有額定蒸發量的50%;鍋爐熱效率低,主蒸汽溫度偏低,排煙中氧的體積分數高達15.6%。

表2 鍋爐主要參數

2 實驗內容和方法

為了了解焦炭微觀結構與燃燒狀況的相互影響和變化,運用掃描電子顯微鏡對飛灰的微觀形貌和孔隙結構參數進行觀察和測量。

1)測定灰樣的粒徑分布和含碳量,了解燃料的物理組成和燃燒產物的燃盡狀況,得到可能與燃燒工況相關的參數。將從電除塵器收集的飛灰烘干后,在振篩機上篩分,確定飛灰的粒徑分布;然后在馬弗爐中做燒失量實驗,得到飛灰的粒徑分布和含碳量分布。

2)利用掃描電鏡對飛灰進行微觀形貌觀察,分析不同燃盡率飛灰的微觀典型特征,得到焦炭燃燒過程中微觀形態的變化趨勢。本實驗采用日本JEOL公司生產的JSM-35C型電子顯微鏡觀察灰樣的微觀結構。將飛灰樣品粘在樣品臺上,觀察前在表面噴鍍一層導電金屬或碳,鍍膜厚度控制在5～10 nm,噴金后在適當的放大倍數下對典型顆粒類型進行觀察。

3 實驗結果及分析

3.1 粒徑分布和含碳量

飛灰的粒徑分布和含碳量分布如圖1所示。可以看出,粒徑38～58μm 及大于 150μm 的飛灰質量最大,幾乎占到飛灰總質量的60%。38～45μm粒徑段的飛灰占總重的1/4;粒徑大于150μm的飛灰的燒失量超過50%;58～150μm的飛灰燒失量在40%左右,表明大粒徑的焦炭燃燒極不完全。碳的質量分數最高的區域分布在38～58μm,90～120μm和大于 150μm 的粒徑段 。

圖1 飛灰粒徑分布、燒矢量和飛灰中碳的質量分數分布

3.2 微觀形貌

圖2為飛灰實驗中燒失量最小的25～38μm顆粒的掃描電鏡圖。從圖中可以看出,盡管這一粒徑顆粒的形狀各異,但顆粒內部結構疏松,孔洞密布復雜,顆粒內外表面粗糙,有劇烈燃燒特征,表明顆粒燃燒較為完全。粒徑為90～120μm顆粒的含碳量較高,其掃描電鏡圖如圖3所示。從圖中可以看出,顆粒結構致密,表面棱角可見,偶有少量大孔隙分布其上,燃燒痕跡不明顯,表明較大粒徑顆粒未充分燃燒就被排出爐外。粒徑大于150μm飛灰的微觀結構特征與此相似。

圖2 25～38μm 飛灰顆粒

圖3 90～120μm 飛灰顆粒

圖4為粒徑段在38～58μm的飛灰顆粒掃描電鏡圖,燒失量為26%。圖4-b和4-c分別為圖4-a不同部位的局部放大。從圖中可以看出,這一粒徑段的顆粒中同時存在孔隙率高、燃燒較充分的顆粒和燃燒不完全的顆粒。顆粒的特征表明,它們分別為多孔碳和密實碳兩種不同孔隙特征的顆粒。圖4-b可能為燃盡較好的大顆粒破碎后的碎片,圖4-c可能為燃燒不完全被帶出爐外的細顆粒。

3.3 飛灰殘碳分析

對飛灰的微觀觀察和分析結果表明,飛灰含碳量最高的區域分布在粒徑為38～58μm,90～120μm和大于150μm,并且不同粒徑段飛灰碳的來源不同。從碳球燃盡時間的計算中知道,對于爐膛高為14 m的循環流化床鍋爐,其粒子飛出時間小于燃盡時間的顆粒直徑通常在53～235μm之間。但從前面的實驗結果可以看出,不僅是大粒徑,即便是小粒徑的顆粒燃燒也不完全,其原因有如下幾點。

1)鍋爐床溫分布不合理,上部區域溫度過低。熱工實驗發現,鍋爐爐膛上部溫度為588℃,下部為704℃,燃燒層溫度平均為922℃。顯然,爐膛溫度過低,特別是懸浮段溫度過低導致燃料燃燒不完全,同時表明床內溫度沿爐膛高度的分布不合理。

2)返料系統不暢。循環流化床鍋爐中分離器的切割粒徑(50%)很少低于100μm,循環灰的平均粒徑約為110～180μm,飛灰粒徑一般不超過100μm。該循環流化床鍋爐回料系統采用J型返料閥,由于返料系統經常堵塞,旋風分離器未投入運行。因此,在旋風分離器正常運轉后,90～120μm 和大于150μm粒徑段的飛灰可以被旋風分離器捕集回爐膛循環燃燒,增加了這部分燃料的燃燒時間,可以有效降低飛灰的含碳量。

圖4 38～ 58μm飛灰顆粒

對于飛灰含碳量最高的38～58μm,90～120μm和大于150μm 的 3個粒徑段,其殘碳來源不同。第一區段的未燃碳的來源主要是小顆粒在爐膛內的停留時間過短,未來得及完全燃燒就被吹出爐外;第二區段的顆粒含碳多是因為爐內燃燒狀況欠佳,稀相區床溫過低,使細顆粒的燃燒條件惡化;而第三區段除了爐內燃燒狀況欠佳的原因外,還可能是回料系統堵塞,使旋風分離器失去對這部分顆粒的分離作用,直接被排出爐外。

4 結論

本文以實際循環流化床鍋爐飛灰為研究對象,研究分析了飛灰的篩分特性、孔隙分布及孔隙分形特征,結果表明:

1)循環流化床鍋爐飛灰中碳的質量分數最高的區域分布在38～58μm,90～ 120μm 和大于 150μm的粒徑段,表明飛灰未燃碳具有峰值特征。

2)循環流化床鍋爐焦炭顆粒的燃盡與燃燒室溫度、顆粒的孔隙結構及旋風分離器的性能關系密切。

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