循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐傾斜布風流化特性分析

劉亞軍， 魏 剛

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

傳統(tǒng)流化床鍋爐的布風方式是采用水平布風板上開設風帽，在布風板上開排渣孔，下接排渣管。由于垃圾成分復雜，垃圾中不可燃的無機物質(zhì)(如金屬、玻璃、大磚、石塊等)易分離沉積在床底，傳統(tǒng)流化床不易將此類沉積物排除，容易導致流化不良，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行。要保證流化床焚燒鍋爐穩(wěn)定運行，必須使可能影響流化的物質(zhì)得到充分處理，達到該目的途徑有2種：通過垃圾預處理裝置使垃圾滿足流化床焚燒的需要；通過對流化床焚燒鍋爐結(jié)構(gòu)的特殊設計使流化床中沉積物順利排出。采用第1種途徑很難適應我國的國情，而采用傾斜布風、分區(qū)不均勻供風等形式的流化床可改善排渣情況，但會增加運行難度。以下針對流化床垃圾焚燒傾斜布風方式在河北承德環(huán)能熱電有限責任公司的應用及特性進行分析。

河北承德環(huán)能熱電有限責任公司鍋爐為UG75/4.2-M型循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐，采用單爐筒、自然循環(huán)、膜式水冷壁、蝸殼式絕熱旋風分離器、U形返料器、外置高溫過熱器等技術結(jié)構(gòu)。該鍋爐適用于生活垃圾、秸稈和煤混燒，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電、供熱。該循環(huán)流化床鍋爐配一次風機、二次風機、返料風機、煙氣再循環(huán)風機、返料器、布袋除塵器。布風板位于水冷風室頂部，傾斜布置，布風板安裝“蘑菇型”風帽，爐膛中部設有排渣口。該電廠循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐床面見圖1。

圖1 循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐床面

2 圾焚燒鍋爐臨界流化風速試驗

2.1 試驗原理

通過對鍋爐進行一定料層厚度下空氣動力場試驗，測試流化床的料層阻力，找出臨界流化風量；繪制出風量與料層差壓關系特性，為鍋爐的啟動運行及燃燒調(diào)整提供參考資料。

2.2 試驗設備與試驗條件

該試驗主要采用鍋爐自身壓力與風量測量裝置。改變風量后，通過DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對鍋爐料層差壓，流化風量進行實時監(jiān)測記錄。在試驗前，要求準備好足夠粒度≤10 mm的底料(爐灰渣)并且按要求料層高度(厚度，該次試驗料層高度為400 mm和550 mm)，均勻鋪撒在鍋爐床面上。

2.3 試驗過程

通過逐漸加大流化風量，記錄料層差壓和流化風量(在鍋爐設計流化風總量之內(nèi))，繪制二者之間的曲線關系。圖2為河北承德環(huán)能熱電有限責任公司傾斜布風板料層差壓(床層壓降)特性曲線。

圖2 傾斜布風式床層壓降特性曲線

3 試驗結(jié)果分析

3.1 床層壓降特性

通過分析試驗結(jié)果，可以把傾斜布風板床層壓降特性曲線(圖2)簡化為圖3。傾斜布風作為一種適合垃圾焚燒的布風方式，傾斜布風流化床床層壓降隨床層截面風速(風量)的變化曲線與均勻布風流化床基本相似，因此傾斜布風流化床的臨界流化風速(風量)也可通過測量床層壓降變化曲線來求解。把床層壓降為最大(ΔPmax)的風速作為臨界流化風速，把達到基本穩(wěn)定時的床層壓降作為傾斜布風流化床流化時的料層阻力，即ΔPs。

圖3 傾斜布風流化床床層壓降特性示意

分析圖3可知，隨著風速的增加，傾斜布風流化床的床層壓降變化可分為3個階段：

a. 0-A 階段，床層處于固定床的狀態(tài)，床內(nèi)顆粒保持靜止，空隙率和床高基本保持不變，此時床層壓降隨表觀風速近似成線形增加，直到床層壓降增加到一定數(shù)值ΔPmax時(圖中A點)，床層突然“解鎖”，此時的表觀風速即為臨界流化風速 umf；

b. A-B階段，隨風速的增加，床層壓降反而下降，直到出現(xiàn)較為穩(wěn)定的數(shù)值ΔPs(圖中B點)，此時風速為 us,這一階段為流化過渡階段，可以看作是死區(qū)的縮小過程；

c. B-C 階段，當風速大于us時，再增加風速，床層壓降基本保持不變或變化趨緩(B-C),該階段主要表現(xiàn)為噴動鼓泡流化特征或湍流流態(tài)化特征。

3.2 物料循環(huán)特性

傾斜布風流化床和普通均勻布風流化床具有相似的流化特性：都有一個明顯的臨界流化風速umf，當風速達到umf時,床層開始流化； 當運行達到穩(wěn)定時，床層壓降基本為一常數(shù)。 根據(jù)此類流化床爐內(nèi)循環(huán)特性，建立如圖4所示傾斜布風板物料平衡示意。

圖4 傾斜布風板物料平衡示意

由圖4可以看出，傾斜布風流化床也表現(xiàn)出自身的一些特殊性：

a. 傾斜布風流化床床內(nèi)，流動相對較為簡單、有規(guī)律，并表現(xiàn)出較明顯的區(qū)域特征。因其布風板，床上一定范圍內(nèi)氣體的分布并不均勻，中間區(qū)域的氣體流速要高于兩側(cè)區(qū)域氣體流速，中間顆粒隨迅速上升的氣流(氣泡)上升，流化區(qū)內(nèi)空隙率較大，而正常循環(huán)區(qū)兩側(cè)由于風速相對較小，顆粒密度較大，并呈向下移動狀態(tài)。正常循環(huán)區(qū)和傾斜循環(huán)區(qū)之間發(fā)生劇烈的顆粒交換。具體特點為：隨著氣體流速(或進風量)的增大，顆粒循環(huán)的速度加快；傾斜循環(huán)的存在，說明傾斜布風流化床床層截面風速大于臨界流化風速到一定程度(如普通風帽型布風板式流化床截面風速大于最低允許流化風速，u0>(1.5～2)，umf并不能保證流化良好。所以在運行中應盡量避免這種情況出現(xiàn)，否則會導致結(jié)焦等嚴重問題。當風速增加到一定程度時，床層的上部區(qū)域?qū)⒆兂烧Ｑh(huán)區(qū)，流化變得均勻，類似湍流床的形態(tài)。

b. “解鎖”時料層阻力明顯比流化后料層阻力高。試驗發(fā)現(xiàn)傾斜布風流化床ΔPmax要比ΔPs高出一定的數(shù)值，“解鎖”時瞬間前后流化區(qū)域的實際料層厚度發(fā)生改變，即正常循環(huán)區(qū)域的床料部分被迅速推向移動循環(huán)區(qū)域，正常流化區(qū)實際料層厚度的變化愈明顯，即氣流短路越嚴重、流化質(zhì)量越差。

c. 移動循環(huán)區(qū)的存在有一定的能量損耗，使床層差壓有所上升(嚴格意義上說，此能耗不能算作床層差壓，只是在實際操作中，把它歸結(jié)到床層差壓)。具體表現(xiàn)為：當u0>us，隨風速的增加表現(xiàn)為較為明顯的下降趨勢，而有氣流對沖時則表現(xiàn)為微升或微降趨勢。有傾斜循環(huán)區(qū)時，隨速度的增加，盡管此時移動區(qū)域?qū)ι仙龤饬鞯淖枇σ矞p小，但氣流的能量損耗也隨之增加，導致床層差壓有微升或微降趨勢。

d. 傾斜布風流化床區(qū)域特征有利于垃圾在床層內(nèi)的混合及低熱值垃圾的焚燒。垃圾的可燃成分都是輕性物質(zhì)，在普通均勻布風流化床內(nèi)軸向很難均勻混合，往往漂浮在床層表面，導致垃圾的可燃成份在床層內(nèi)的燃燒份額較低。這對垃圾的焚燒極為不利，一方面不能充分發(fā)揮流化床密相區(qū)的燃燒效率高的特點，另一方面也使低熱值垃圾難于穩(wěn)定燃燒，需添加一定的輔助燃料。而傾斜布風流化床分傾斜區(qū)和正常循環(huán)區(qū)，在傾斜區(qū)內(nèi)風速很小，垃圾能順利地隨床料沉到床層底部，為垃圾在床內(nèi)的均勻混合(特別是縱向混合)及高水分垃圾的干燥、焚燒提供了有利條件。

4 結(jié)束語

傾斜布風板的回流是由于自身的布置和不均勻布風引起的，它強化了床內(nèi)物料橫向的混合，且由于顆粒在床內(nèi)運動，重質(zhì)的不可燃物下沉，沿傾斜布風板移動并排除，可以取得更好的排渣效果。傾斜布風板流化特性有別于普通流化床布風形式，傾斜布風板存在料層差壓“波動”區(qū)域，該區(qū)域多出現(xiàn)在啟動、停機和低壓負荷運行階段，當設備在該階段運行時，運行人員禁止加減煤、排渣操作，要密切關注床層壓降變化，并及時加大流化風量(提高鍋爐出力)，或做停爐處理。