循环流化床锅炉中大颗粒煤燃尽的实验研究

李金晶， 赵振宁， 张清峰

（华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045）

循环流化床锅炉的床压表征了炉膛中物料的存量，是影响机组运行经济性的重要参数［1］.定态设计理论指出，循环流化床锅炉炉膛中的流动是下部以大颗粒为主的鼓泡床或湍动床与上部细颗粒形成的快速床的叠加［2］.细颗粒的存量保证了锅炉的带负荷能力，主要由分离器的分离效率决定.对于分离器分离效率较低的锅炉，细颗粒的存量还受入炉煤的粒径分布和成灰特性的影响.大颗粒物料的存量与床压密切相关，存量过大会增加一次风机和二次风机的电耗，存量过小则会导致底渣含碳量升高，降低锅炉燃烧效率.

循环流化床锅炉入炉煤颗粒具有宽筛分的特性.由于碎煤设备的性能局限，给煤机皮带上的给煤粒径往往不能达到锅炉设计要求的入炉煤粒径范围［3］，在炉膛入口存在一定比例的大颗粒煤（粒径大于8 mm）.因此，锅炉炉膛需要维持一定量的大颗粒物料存量，使这部分大颗粒煤有充分的停留时间，以保证其燃尽.

热重分析法是研究煤燃烧特性的常用方法［4］.由于样品需要在固定床上连续称重，而循环流化床锅炉中大颗粒物料处于特殊的流动状态，因此难以采用热重分析法直接研究其燃尽特性，需要设计复杂的实验系统来重现实际运行工况，并采用其他测量手段获得表征燃烧过程的数据［5］.在以流化床燃烧为背景的研究中，研究者多关心飞灰含碳量对锅炉燃烧效率的影响，因而热重分析法的测试结果主要用于比较不同煤种细颗粒的燃尽特性［6］，或者根据活化能和频率因子等参数建立动力学燃烧模型等［7］，目前尚无针对大颗粒煤燃尽特性与床压关系的研究.笔者在管式固定加热炉上采用热重分析法测量了循环流化床锅炉燃烧条件下大颗粒煤的燃尽时间，研究了风机电耗与床压的关系.

1 实验方法

在保证物料燃尽的前提下，为了估算大颗粒物料的存量，需要首先确定大颗粒煤的燃尽时间.燃烧理论研究［8］表明，大颗粒煤的燃烧反应速率受煤种、燃烧状况和初始粒径等因素的影响.煤颗粒的燃烧反应速率Ks为

式中：kr为化学反应速率常数，由煤质和燃烧温度决定；αd为传质系数，由床内流动状况决定；φ为密相区氧气体积分数，与煤颗粒表面的气体氛围有关.

测试大颗粒煤的燃尽时间时，应使实验条件下的颗粒燃烧反应速率与实炉条件下相同.

图1为测试大颗粒煤燃尽时间的实验系统.该系统主要用于测试在循环流化床锅炉燃烧条件下不同煤种大颗粒煤所需的燃尽时间.充气泵将新鲜空气从管式固定加热炉顶部连续稳定供入，固定加热炉保持恒温900℃（即循环流化床锅炉燃烧条件下的床温），称重装置用于将煤颗粒快速送入炉内和实时称量颗粒质量，颗粒质量和称重时间等数据传输至数据实时采集装置后被连续记录下来.

图1 测试大颗粒煤燃尽时间的实验系统Fig.1 Experimental apparatus for measurement of burnout time of large coal particles

循环流化床锅炉密相区的燃烧处于一个很特殊的欠氧状态，虽然密相区中氧气体积分数达到13%，但床内的CO体积分数仍维持在近2%，表明密相区的燃烧处于局部欠氧状态.通过测定密相区中的氧化还原情况，发现密相区内氧化气氛和还原气氛更替的频率特别快［9］.由于气固两相流的行为，密相区存在气泡相和乳化相，二者之间的传质阻力对燃烧的影响尤为突出，焦炭颗粒的燃烧局部处于扩散控制区［10］，其燃烧反应速率为

实炉条件下，密相区表观气速取4.00 m/s，密相区氧气体积分数φ在密相区交变气氛下取6.5%.根据燃烧反应速率Ks不变的原理，可确定供入管式固定加热炉的空气体积流量.表1给出了实验中采用的操作参数与实炉条件下的设计参数.

表1 实验与实炉条件下的参数对比Tab.1 Experimental and actual operating parameters

2 实验结果

选取2种某1 177 t/h循环流化床锅炉常用的煤种，分别标记为煤样A和煤样B.2种煤样的工业分析和元素分析见表2.由表2可知，煤样A和煤样B的低位发热量和挥发分质量分数相近，主要差异在于灰分和硫的质量分数.煤样A的硫和灰分质量分数均适中，煤样B则属于低硫高灰煤.

表2 实验煤样的工业分析和元素分析Tab.2 Ultimate and proximate analysis of coal samples

在确定的燃烧状况下，大颗粒煤的燃尽时间t与初始粒径D之间满足如下关系［11］：

式中：k为燃烧常数；n为燃尽指数.当燃用煤种和燃烧条件一定时，n和k均为常数，它们共同表征了大颗粒煤的燃尽特性，一般煤中挥发分的质量分数越高、灰分质量分数越低，越容易燃尽.

图2为典型大颗粒煤（即煤样A，D＝15.2 mm）的燃烧失重曲线.定义煤颗粒失重量达到其可燃物含量的99%所对应的燃烧时间为燃尽时间.由于煤颗粒外形不是规则的球形，数据处理中根据煤颗粒初始质量，按下式折算其初始粒径：

式中：m为煤颗粒初始质量，kg；ρ为煤颗粒初始密度，采用压汞仪进行测定，得到煤样A和煤样B的初始密度分别为1 395 kg/m3和1 318 kg/m3.

图2 大颗粒煤燃烧失重曲线Fig.2 Thermogravimetric curve of large coal particles

不同初始粒径条件下大颗粒煤的燃尽时间见表3.按照式（3）来拟合表3中的数据，可得到不同煤种大颗粒煤燃尽时间t与初始粒径D的经验关系式：

表3 大颗粒煤燃尽时间的实验结果Tab.3 Experimental results of burnout time of large coal particles

3 应用实例

实际运行中，根据入炉大颗粒煤的燃尽特性可以方便地估算所需的大颗粒存量.采用热重分析法测定大颗粒煤燃尽时间时，并没有考虑循环流化床锅炉中颗粒的磨耗［12］，因此实际所需的大颗粒存量不大于根据实验结果计算所得的数值.煤样A和煤样B的大颗粒存量计算结果见表4.在相同的入炉煤最大粒径（15 mm）条件下，燃用煤样A时的运行床压比燃用煤样B时低约600 Pa.

表4 不同煤样大颗粒存量的计算结果Tab.4 Calculation results of bed inventory of large coal particles for different coal samples

图3和图4给出了某1 177 t/h循环流化床锅炉在不同风量和水冷风室风压或床压下运行时的风机电流数据.其中，风机电流之和是指锅炉所属2台风机电流测量值之和，床压是指布风板上100 mm处的压力实测值.床压每降低1 k Pa，一次风机电流之和平均减小约19 A，占一次风机电耗的0.06%，二次风机电流之和平均减小约8 A，占二次风机电耗的0.03%.而全年统计的一次风机和二次风机的平均电耗率分别为1.44%和0.75%.据此估算，燃用煤样A时可以比燃用煤样B时节约电耗率约0.07%.

图3 一次风机电耗与水冷风室风压的关系Fig.3 Primary air fan power consumption vs.pressure in water cooled chamber

图4 二次风机电耗与床压的关系Fig.4 Secondary air fan power consumption vs.bed pressure drop

对于不同的煤种而言，大颗粒煤燃尽所需的存量由排渣量和煤质燃尽特性决定.其中，排渣量主要取决于入炉煤的灰分质量分数和粒径分布情况.灰分质量分数越低的煤种，其排渣量越小，燃尽特性一般也相对较好［13］，炉膛内所需的大颗粒存量也越小.因此，控制入炉煤具有合适的灰分质量分数有利于循环流化床锅炉降床压运行，可以节省一次风机和二次风机的电耗.

4 结 论

根据燃烧反应速率不变的原理，保证一定的加热温度和供气体积流量，在管式固定加热炉上采用热重分析法测量循环流化床锅炉燃烧条件下大颗粒煤的燃尽时间，进而确定表征其燃尽特性的2个参数：燃烧常数k和燃尽指数n.对比2种煤样发现，燃用煤样A时的运行床压比燃用煤样B时低约600 Pa.对于不同的煤种而言，灰分质量分数越低，其排渣量越小，炉膛内所需的大颗粒存量也越小.因此，控制入炉煤具有合适的灰分质量分数有利于循环流化床锅炉降床压运行，可以节省一次风机和二次风机的电耗.

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