流化床啟動過程中底料磨損行為研究

孫佰仲， 譚 平， 王 擎， 劉洪鵬， 李少華

（1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林132012；2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，沈陽110001）

循環流化床鍋爐啟動特性是考察鍋爐性能的重要指標［1］.在鍋爐啟動過程中，床料顆粒間劇烈碰撞，導致床料破碎［2］，進而形成大量的細小顆粒并產生揚析現象，使床料量減少、床料粒度分布發生變化、床壓降低，影響床料正常流化［3］，必要時需補充床料，以彌補由于揚析或夾帶引起的床料損失.因此，研究流化床內床料的磨損機理對于確定合理的初始料層厚度及粒度分布范圍是非常必要的.

油頁巖是儲量巨大的化石能源，對其開發和利用已經成為研究熱點，特別是針對油頁巖及半焦在循環流化床中燃燒特性已開展了大量的研究工作［4－9］，然而對循環流化床中頁巖灰床料磨損特性的研究卻鮮見報道.在流化床物料磨損方面，Hartge等［10］利用顆粒群模型從理論上研究了顆粒磨損和能量傳遞作用，結果表明原始顆粒的磨損率大于流化一段時間后的樣品顆粒的磨損率.Rodrigue等［11］考察了氧化鐵流化揚析情況，確定了揚析速率常數.王輝等［12］對石英砂的熱態流化磨損規律進行了研究，并采用灰色關聯分析考察了操作參數的影響.呂俊復等［13］通過試驗研究認為磨損速度與過余流化速度的平方成正比，磨損系數與顆粒初始粒徑和流化時間有關.筆者以燃燒油頁巖流化床鍋爐的床料灰為研究對象，考查了流化風速、流化時間和床料溫度對磨損的影響，同時建立了二階磨損模型.

1 試驗樣品與方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品取自吉林樺甸65t／h低倍率油頁巖循環流化床電站鍋爐的油頁巖灰渣，其粒度分布見表1.

表1 頁巖灰樣品粒度分布Tab.1 Particle size distribution of shale ash samples

1.2 試驗方法

試驗在小型流化床燃燒反應器（圖1）上進行.反應器本體由上下兩部分組成，下部為流化氣體預熱段，上部為試驗樣品流化反應段.反應段高1.0 m，采用直徑為51mm、壁厚為3.5mm的25Cr－20Ni耐熱鋼管制成.反應段與預熱段中間設置布風板，由兩層孔徑為0.065mm的不銹鋼細網制作而成，反應器本體采用電加熱方式.流化介質由空氣壓縮機提供，經過預熱段加熱后進入反應段，將床料流化.試驗前對不同粒徑下的頁巖灰進行稱重、記錄，將稱好的頁巖灰裝入床內（料層靜止高度約150 mm），當爐內流化風量和溫度達到試驗工況設定值時開始計時，到預定時間后關閉進氣閥，使床料自然冷卻至室溫后取出，并進行篩分和稱重，記錄不同粒徑頁巖灰的質量，從而獲得磨損后頁巖灰的粒度分布.頁巖灰球形度φ＝0.6，表觀密度ρs＝1 450kg／m3，冷態臨界流化風速為0.425 3m／s.油頁巖著火溫度較低，一般320℃以上即可著火.根據鍋爐實際啟動情況，確定試驗床溫為20～350℃.

圖1 小型流化床燃燒反應系統Fig.1 Systematic sketch of the bench－scale fluidized bed

2 床料質量變化影響因素

2.1 床料質量變化規律

定義質量保持率ε為經過t時間磨損后頁巖灰的質量與床內初始頁巖灰質量之比.

式中：W0為床內樣品的初始質量，g；W 為流化t時間后床料的質量，g.

2.2 流化風速對床料質量的影響

圖2給出了20℃時不同流化風速下床料質量隨時間的變化.由圖2可知，120min內頁巖灰質量保持率下降明顯，而后變化趨于平穩.在熱態流化初始階段，床料顆粒表面相對粗糙且有明顯的凸起部分，顆粒之間、顆粒與床體之間劇烈的碰撞導致表面細小顆粒從母體剝落，當流化風速高于細小顆粒的終端沉降速度時，細顆粒即被攜帶出反應器，造成揚析量增大，床料量減少.之后顆粒的碰撞使顆粒表面趨于光滑，磨損量減少，床料質量變化平穩，磨損進入穩定區.所以在流化床啟動過程中，當床料經歷快速衰減階段后需對床料進行補充，以保證流化床內傳質、傳熱以及燃燒室熱負荷符合鍋爐設計值.從圖2中還可以發現，流化風速是控制磨損量和揚析量的主要因素之一，它直接反映了對床料的能量激勵水平.流化風速越大，激勵水平越強，顆粒磨損速率越快，揚析量也就越大.在相同流化風速下，質量保持率與時間的關系可以用指數衰減模型來描述.

圖2 床料質量與流化時間的關系Fig.2 Residual mass of bed material vs.fluidizing time

式中：ε∞為進入穩定磨損區的質量保持率.

利用此模型對試驗數據進行擬合，相關系數都大于0.97，說明床料質量隨時間的變化規律符合指數衰減模型.

圖3給出了0～0.5mm頁巖灰質量分數隨時間的變化規律.由于顆粒的磨損，不同粒徑顆粒所占的質量分數也發生了變化，原試驗顆粒粒徑范圍為0.5～5mm，未選擇粒徑范圍為0～0.5mm的頁巖灰作為試驗樣品，試驗后顆粒粒徑發生了“退檔”現象，0～0.5mm的頁巖灰也占據一定質量分數.

圖3 0～0.5mm頁巖灰質量分數隨時間的變化Fig.3 Mass fraction vs.time for 0－0.5mm shale ash

2.3 溫度對床料質量的影響

圖4給出了流化風速為0.48m／s時不同溫度下床料質量隨時間的變化.從圖4中可以看出，溫度升高造成頁巖灰磨損加劇，這主要是由于溫度升高時，相同粒徑下顆粒的臨界流化風速降低，過余流化速度增大，顆粒的平均碰撞次數增加，磨損加劇.Lin等［14］對床溫為600～800℃范圍內床料石英砂的磨損特性進行了研究，得出了相同的結論.

圖4 不同溫度下床料質量隨時間的變化Fig.4 Residual mass vs.time at different bed temperatures

3 磨損模型

隨著磨損的進行，產生細小的顆粒，部分小顆粒發生揚析現象，磨損越劇烈，揚析量越大，留在床內頁巖灰的質量越少.從圖2中發現，在相同流化風速下，床料質量隨時間呈指數衰減變化.筆者采用文獻［15］中提出的二階磨損模型來描述床料磨損規律：

當W＝Wmin時，對式（3）兩邊進行積分得

式中：Wmin為進入穩定磨損區床內樣品的最小質量，g；Ra為磨損速率常數，g－1·s－1.

若已知W0、Wmin以及W，就可以求出方程（4）左值Y，進而求出磨損速率常數Ra.

3.1 磨損速率與過余流化速度的關系

磨損時間分別取 10min、30min、50min、70 min、90min、120min和240min 7個時間點，試驗中發現在240min以后已經進入穩定磨損區，床料質量幾乎不變，即Wmin.圖5給出了按照方程（4）進行直線擬合的情況，該直線的斜率就是磨損速率常數Ra.由圖5可知，擬合相關系數均在0.97以上，說明二階磨損模型適合磨損速率常數的描述；磨損速率常數隨著流化風速的增大而增大，定量分析與定性分析得出的結論相同.

圖6和圖7分別給出了磨損速率常數Ra與過余流化速度（U－Umf）及其倒數的關系，擬合相關系數分別為0.966和0.983，說明磨損速率常數與過余流化速度成反比，可以用式（5）表示.

式中：ka為磨損速率.

圖6 磨損速率常數與過余流化速度的關系Fig.6 Relationship between attrition rate constant and excess gas velocity

圖7 磨損速率常數與過余流化速度倒數的關系Fig.7 Relationship between attrition rate constant and inverse of excess gas velocity

3.2 磨損速率與溫度的關系

圖8給出了不同溫度下方程（4）的擬合曲線，擬合直線的斜率即磨損速率常數.由圖8可知，隨著溫度的升高，直線斜率增大，表明磨損速率常數增大.表2給出了不同溫度下的磨損速率常數及擬合相關系數.

圖8 不同溫度下方程（4）的擬合直線Fig.8 Straight line fitting of equation（4）at different temperatures

表2 不同溫度下的磨損速率常數及擬合相關系數Tab.2 Attrition rate constant and fitting correlation coefficient at different temperatures

圖9給出了磨損速率常數與溫度的關系.從圖9中可以看出，指數形式可以很好地描述二者的關系，采用改進的 Arrhenius方程［15］得出式（6）.

式中：E為磨損活化能，J／mol；R為通用氣體常數，8.314J／（mol·K）；k0為指前因子，m／（s2·g）.

對式（6）左右兩邊取對數整理得：

作ln Ra＋ln（U－Umf）～1／T 的Arrhenius直線，求出其斜率及節距，進而求出磨損活化能E和指前因子k0.

圖9 磨損速率常數與溫度的關系Fig.9 Relationship between attrition rate constant and temperature

圖10為Arrhenius動力學方程的直線擬合圖，相關系數為－0.967 1，可計算出磨損活化能E＝1.072kJ／mol，k0＝5.507 4×10－7m／（s2·g）.因此，可得到溫度為20～350℃、流化風速為0.73～1.25m／s時頁巖灰的質量關聯式.

圖10 Arrhenius直線擬合Fig.10 Straight line fitting according to Arrhenius formula

將以上關聯式的理論計算結果與大量試驗數據進行對比，發現二者相對誤差控制在2%內，試驗數據與計算數據吻合較好，說明二階磨損模型能夠很好地描述頁巖灰在流化床內的磨損規律，具有很強的預測性.

4 結 論

（1）循環流化床鍋爐啟動床料的磨損過程先后經歷快速衰減階段和穩定磨損階段，床料質量變化率在啟動過程中呈指數衰減趨勢.

（2）流化風速對床料磨損影響很大，隨著流化風速的增大，顆粒之間碰撞的能量水平增大，顆粒的磨損速率加快；隨著床溫升高，磨損程度加劇.

（3）二階磨損模型能夠很好地預測流化床內床料質量的變化規律，在流化床啟動過程中，床料的磨損率與過余流化速度成反比，且滿足Arrhenius動力學方程Ra＝k0e－E／RT（U－Umf）－1，計算獲得磨損活化能E＝1.072kJ／mol，指前因子k0＝5.507 4×10－7m／（s2·g）.

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