循環流化床鍋爐中大顆粒煤燃盡的實驗研究

李金晶， 趙振寧， 張清峰

（華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045）

循環流化床鍋爐的床壓表征了爐膛中物料的存量，是影響機組運行經濟性的重要參數［1］.定態設計理論指出，循環流化床鍋爐爐膛中的流動是下部以大顆粒為主的鼓泡床或湍動床與上部細顆粒形成的快速床的疊加［2］.細顆粒的存量保證了鍋爐的帶負荷能力，主要由分離器的分離效率決定.對于分離器分離效率較低的鍋爐，細顆粒的存量還受入爐煤的粒徑分布和成灰特性的影響.大顆粒物料的存量與床壓密切相關，存量過大會增加一次風機和二次風機的電耗，存量過小則會導致底渣含碳量升高，降低鍋爐燃燒效率.

循環流化床鍋爐入爐煤顆粒具有寬篩分的特性.由于碎煤設備的性能局限，給煤機皮帶上的給煤粒徑往往不能達到鍋爐設計要求的入爐煤粒徑范圍［3］，在爐膛入口存在一定比例的大顆粒煤（粒徑大于8 mm）.因此，鍋爐爐膛需要維持一定量的大顆粒物料存量，使這部分大顆粒煤有充分的停留時間，以保證其燃盡.

熱重分析法是研究煤燃燒特性的常用方法［4］.由于樣品需要在固定床上連續稱重，而循環流化床鍋爐中大顆粒物料處于特殊的流動狀態，因此難以采用熱重分析法直接研究其燃盡特性，需要設計復雜的實驗系統來重現實際運行工況，并采用其他測量手段獲得表征燃燒過程的數據［5］.在以流化床燃燒為背景的研究中，研究者多關心飛灰含碳量對鍋爐燃燒效率的影響，因而熱重分析法的測試結果主要用于比較不同煤種細顆粒的燃盡特性［6］，或者根據活化能和頻率因子等參數建立動力學燃燒模型等［7］，目前尚無針對大顆粒煤燃盡特性與床壓關系的研究.筆者在管式固定加熱爐上采用熱重分析法測量了循環流化床鍋爐燃燒條件下大顆粒煤的燃盡時間，研究了風機電耗與床壓的關系.

1 實驗方法

在保證物料燃盡的前提下，為了估算大顆粒物料的存量，需要首先確定大顆粒煤的燃盡時間.燃燒理論研究［8］表明，大顆粒煤的燃燒反應速率受煤種、燃燒狀況和初始粒徑等因素的影響.煤顆粒的燃燒反應速率Ks為

式中：kr為化學反應速率常數，由煤質和燃燒溫度決定；αd為傳質系數，由床內流動狀況決定；φ為密相區氧氣體積分數，與煤顆粒表面的氣體氛圍有關.

測試大顆粒煤的燃盡時間時，應使實驗條件下的顆粒燃燒反應速率與實爐條件下相同.

圖1為測試大顆粒煤燃盡時間的實驗系統.該系統主要用于測試在循環流化床鍋爐燃燒條件下不同煤種大顆粒煤所需的燃盡時間.充氣泵將新鮮空氣從管式固定加熱爐頂部連續穩定供入，固定加熱爐保持恒溫900℃（即循環流化床鍋爐燃燒條件下的床溫），稱重裝置用于將煤顆粒快速送入爐內和實時稱量顆粒質量，顆粒質量和稱重時間等數據傳輸至數據實時采集裝置后被連續記錄下來.

圖1 測試大顆粒煤燃盡時間的實驗系統Fig.1 Experimental apparatus for measurement of burnout time of large coal particles

循環流化床鍋爐密相區的燃燒處于一個很特殊的欠氧狀態，雖然密相區中氧氣體積分數達到13%，但床內的CO體積分數仍維持在近2%，表明密相區的燃燒處于局部欠氧狀態.通過測定密相區中的氧化還原情況，發現密相區內氧化氣氛和還原氣氛更替的頻率特別快［9］.由于氣固兩相流的行為，密相區存在氣泡相和乳化相，二者之間的傳質阻力對燃燒的影響尤為突出，焦炭顆粒的燃燒局部處于擴散控制區［10］，其燃燒反應速率為

實爐條件下，密相區表觀氣速取4.00 m/s，密相區氧氣體積分數φ在密相區交變氣氛下取6.5%.根據燃燒反應速率Ks不變的原理，可確定供入管式固定加熱爐的空氣體積流量.表1給出了實驗中采用的操作參數與實爐條件下的設計參數.

表1 實驗與實爐條件下的參數對比Tab.1 Experimental and actual operating parameters

2 實驗結果

選取2種某1 177 t/h循環流化床鍋爐常用的煤種，分別標記為煤樣A和煤樣B.2種煤樣的工業分析和元素分析見表2.由表2可知，煤樣A和煤樣B的低位發熱量和揮發分質量分數相近，主要差異在于灰分和硫的質量分數.煤樣A的硫和灰分質量分數均適中，煤樣B則屬于低硫高灰煤.

表2 實驗煤樣的工業分析和元素分析Tab.2 Ultimate and proximate analysis of coal samples

在確定的燃燒狀況下，大顆粒煤的燃盡時間t與初始粒徑D之間滿足如下關系［11］：

式中：k為燃燒常數；n為燃盡指數.當燃用煤種和燃燒條件一定時，n和k均為常數，它們共同表征了大顆粒煤的燃盡特性，一般煤中揮發分的質量分數越高、灰分質量分數越低，越容易燃盡.

圖2為典型大顆粒煤（即煤樣A，D＝15.2 mm）的燃燒失重曲線.定義煤顆粒失重量達到其可燃物含量的99%所對應的燃燒時間為燃盡時間.由于煤顆粒外形不是規則的球形，數據處理中根據煤顆粒初始質量，按下式折算其初始粒徑：

式中：m為煤顆粒初始質量，kg；ρ為煤顆粒初始密度，采用壓汞儀進行測定，得到煤樣A和煤樣B的初始密度分別為1 395 kg/m3和1 318 kg/m3.

圖2 大顆粒煤燃燒失重曲線Fig.2 Thermogravimetric curve of large coal particles

不同初始粒徑條件下大顆粒煤的燃盡時間見表3.按照式（3）來擬合表3中的數據，可得到不同煤種大顆粒煤燃盡時間t與初始粒徑D的經驗關系式：

表3 大顆粒煤燃盡時間的實驗結果Tab.3 Experimental results of burnout time of large coal particles

3 應用實例

實際運行中，根據入爐大顆粒煤的燃盡特性可以方便地估算所需的大顆粒存量.采用熱重分析法測定大顆粒煤燃盡時間時，并沒有考慮循環流化床鍋爐中顆粒的磨耗［12］，因此實際所需的大顆粒存量不大于根據實驗結果計算所得的數值.煤樣A和煤樣B的大顆粒存量計算結果見表4.在相同的入爐煤最大粒徑（15 mm）條件下，燃用煤樣A時的運行床壓比燃用煤樣B時低約600 Pa.

表4 不同煤樣大顆粒存量的計算結果Tab.4 Calculation results of bed inventory of large coal particles for different coal samples

圖3和圖4給出了某1 177 t/h循環流化床鍋爐在不同風量和水冷風室風壓或床壓下運行時的風機電流數據.其中，風機電流之和是指鍋爐所屬2臺風機電流測量值之和，床壓是指布風板上100 mm處的壓力實測值.床壓每降低1 k Pa，一次風機電流之和平均減小約19 A，占一次風機電耗的0.06%，二次風機電流之和平均減小約8 A，占二次風機電耗的0.03%.而全年統計的一次風機和二次風機的平均電耗率分別為1.44%和0.75%.據此估算，燃用煤樣A時可以比燃用煤樣B時節約電耗率約0.07%.

圖3 一次風機電耗與水冷風室風壓的關系Fig.3 Primary air fan power consumption vs.pressure in water cooled chamber

圖4 二次風機電耗與床壓的關系Fig.4 Secondary air fan power consumption vs.bed pressure drop

對于不同的煤種而言，大顆粒煤燃盡所需的存量由排渣量和煤質燃盡特性決定.其中，排渣量主要取決于入爐煤的灰分質量分數和粒徑分布情況.灰分質量分數越低的煤種，其排渣量越小，燃盡特性一般也相對較好［13］，爐膛內所需的大顆粒存量也越小.因此，控制入爐煤具有合適的灰分質量分數有利于循環流化床鍋爐降床壓運行，可以節省一次風機和二次風機的電耗.

4 結 論

根據燃燒反應速率不變的原理，保證一定的加熱溫度和供氣體積流量，在管式固定加熱爐上采用熱重分析法測量循環流化床鍋爐燃燒條件下大顆粒煤的燃盡時間，進而確定表征其燃盡特性的2個參數：燃燒常數k和燃盡指數n.對比2種煤樣發現，燃用煤樣A時的運行床壓比燃用煤樣B時低約600 Pa.對于不同的煤種而言，灰分質量分數越低，其排渣量越小，爐膛內所需的大顆粒存量也越小.因此，控制入爐煤具有合適的灰分質量分數有利于循環流化床鍋爐降床壓運行，可以節省一次風機和二次風機的電耗.

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