循環(huán)流化床鍋爐飛灰的分形特性

樊保國,劉興國,劉海玉,車 丹,2,金 燕

(1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院,山西太原 030024;2.山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

循環(huán)流化床鍋爐飛灰的分形特性

樊保國1,劉興國1,劉海玉1,車 丹1,2,金 燕1

(1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院,山西太原 030024;2.山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

為分析循環(huán)流化床飛灰的微觀特性,以某480 t/h循環(huán)流化床鍋爐為研究對象,通過壓汞儀和掃描電鏡研究其飛灰的分形特性。研究結(jié)果表明,循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量隨粒徑的分布具有峰值特性,在37μm處,含碳量達(dá)到最大值(峰值區(qū)),48～78μm為低含碳區(qū)。飛灰具有良好的分形特性,壓汞儀測得的峰值區(qū)飛灰顆粒孔比體積、比表面積和孔隙率較大,而其分形維數(shù)較小(2.227),低含碳區(qū)飛灰分形維數(shù)為2.694。峰值區(qū)飛灰顆粒為致密的實心體,低含碳區(qū)飛灰顆粒為蜂窩狀?；赟EM圖像計算的分形維數(shù)與基于壓汞實驗所得的飛灰分形特性結(jié)論一致。

循環(huán)流化床鍋爐;飛灰;含碳量;分形維數(shù)

由于煤種、設(shè)計、運行等方面的原因,在我國已投入運行的循環(huán)流化床鍋爐中,飛灰含碳量偏高是普遍存在的問題之一[1],不僅降低了鍋爐燃燒效率,而且飛灰含碳量過高限制了其后續(xù)的綜合利用[2],如何降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量是亟待解決的重要問題。目前降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量的主要技術(shù)手段有:在分析影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率因素的基礎(chǔ)上[3],對其進(jìn)行燃燒調(diào)整[4]、采用飛灰再循環(huán)[5]、利用富氧燃燒[6]等,這些途徑都是基于循環(huán)流化床鍋爐運行條件而進(jìn)行的宏觀研究和探索。

分形理論的研究對象是自然界和非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的不光滑和不規(guī)則的幾何形體,是非線性科學(xué)研究中十分活躍的一個分支。分形最根本的性質(zhì)之一是具有分形維數(shù),它實現(xiàn)了對復(fù)雜事物(如圖形、過程等)的描述從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變,是定量描述分形對象特征及其復(fù)雜程度的參數(shù)。作為一種新型的非線性科學(xué),分形理論的研究發(fā)展已滲透到自然科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域[7-9]。王啟立等[10]運用分形理論研究了多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)特征,陳國慶等[11]研究了脫硫劑孔結(jié)構(gòu)的分形特性,探討了吸附劑表面孔隙結(jié)構(gòu)的變化機(jī)制,提出了脫硫劑孔隙分形維數(shù)的計算方法。李慶釗等[12]則基于非線性的分形理論對煤塵粒度、表面孔隙結(jié)構(gòu)等分形特征進(jìn)行了研究,分析了粒度及表面結(jié)構(gòu)分形維數(shù)對顆粒表面潤濕特性的影響。

分形的引入在煤的表面特性和煤燃燒過程二者之間起到了橋梁的作用,燃燒領(lǐng)域的文獻(xiàn)報道也屢見不鮮。姜秀民等[13]通過試驗研究了煤粉顆粒的分形特征及其煤粉粒度分布分形維數(shù)與固定碳及揮發(fā)分含量之間的關(guān)系,指出煤粉的分形維數(shù)可以反映煤粉的物理結(jié)構(gòu)特性,并提出了反映煤粉燃燒特性與爐內(nèi)燃燒狀況的信息。Wang等[14]、王毅等[15]基于分形理論,研究煤熱解過程中孔隙結(jié)構(gòu)演變特征,計算不同熱解溫度下的孔隙分形維數(shù)。

分形理論在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用目前集中在對循環(huán)流化床壓力波動信號的分析,馬麗萍等[16]對循環(huán)流化床靠近床層底部和頂部壓力波動時間序列進(jìn)行多重分形分析,確定相應(yīng)的壓力波動信號的間歇性指數(shù)。陳永國等[17]所取得的小波多分形譜能夠很好地描述壓力波動信號的幾何特征和局部尺度行為。然而,分形理論引入到循環(huán)流化床鍋爐中,探討循環(huán)流化床鍋爐飛灰分形特性的相關(guān)文獻(xiàn)則鮮有報道。

本文以實際運行的某480 t/h循環(huán)流化床鍋爐的飛灰樣品為研究對象,將分形理論應(yīng)用到循環(huán)流化床燃燒技術(shù)中,立足研究循環(huán)流化床鍋爐飛灰微觀孔隙結(jié)構(gòu)特性,為循環(huán)流化床鍋爐燃燒理論的深入研究提供新的思路。

1 實 驗

1.1 研究對象概況

某電廠480 t/h循環(huán)流化床鍋爐是由武漢鍋爐股份有限公司采用引進(jìn)的ALSTOM公司技術(shù)設(shè)計制造,型號為WGF-480/13.9-1,系超高壓一次中間再熱、平衡通風(fēng)、半露天布置、前墻給煤、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐主要參數(shù)和燃料特性見表1,2。

表1 鍋爐主要參數(shù)Table1 M ain parameters of the boiler

表2 燃料特性Table 2 Fuel properties

1.2 實驗方法

壓汞儀能很好地測量飛灰的比體積、比表面積、孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)。實驗中采用PASCAL240型壓汞儀測定飛灰樣品的比表面積、比孔容積、孔徑分布等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),其操作壓力范圍為0.1～200 MPa,可測得的最小孔徑為0.37 nm?；趬汗瘜嶒灲Y(jié)果計算飛灰的分形維數(shù)時采用Washburn方程[18],即式中,p(r)為外加壓力,MPa;r為孔隙直徑,nm;Db為分形維數(shù);V(r)為孔隙的總體積,mm3。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 飛灰含碳量分布特性

圖1為480 t/h循環(huán)流化床鍋爐在不同氧含量下飛灰含碳量分布特性,其中飛灰含碳量采用燃燒失重法測量,即將一定質(zhì)量的飛灰樣品,放入馬弗爐中完全燃燒,利用燃燒前后的質(zhì)量差來計算飛灰中的含碳量。

圖1 不同氧含量下飛灰含碳量分布與粒徑的關(guān)系Fig.1 Relation between carbon content and diameter of fly ash under different oxygen content

從圖1可以看出,飛灰含碳量隨粒徑分布具有峰值特性,在37μm處達(dá)到最大值(峰值區(qū)),這是由于該粒徑段的顆粒未能有效被分離器捕捉,造成在爐內(nèi)停留時間相對較短。對于48～78μm的飛灰,由于參與了爐膛的內(nèi)循環(huán),其在爐內(nèi)停留時間增加,燃燒時間延長,使得含碳量較小,為低含碳區(qū)。顯然,峰值區(qū)飛灰中未燃燼的碳是造成循環(huán)流化床鍋爐機(jī)械未完全燃燒損失的主要因素。當(dāng)飛灰粒徑大于78μm時,由于顆粒的反應(yīng)表面積較小,燃燒速度比較低,燃燼時間比較長,而在底部排灰的影響下,顆粒的停留時間不足以保證燃燼,造成飛灰含碳量增加。因此,研究峰值區(qū)飛灰分形特性對分析循環(huán)流化床鍋爐燃燒狀況具有現(xiàn)實意義。

2.2 基于壓汞實驗的飛灰分形特性

當(dāng)運行負(fù)荷為100 MW、床溫為876℃、風(fēng)室壓力為10 kPa、一次風(fēng)量為14×104m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況)時,在不同的氧含量(4.0%,4.5%和3.5%)下,取峰值區(qū)飛灰3個樣品,分別記為F1,F2和F3。對應(yīng)上述工況,取低含碳區(qū)飛灰3個樣品,分別記為F4,F5和F6。其中,F1和F4、F2和F5、F3和F6分別對應(yīng)于同一工況。采用壓汞儀測量F1～F6的比體積、比表面積、孔隙率等參數(shù),實驗結(jié)果見表3。

從表3可以看出,在同一工況下,峰值區(qū)飛灰的比體積、比表面積和孔隙率均高于低含碳區(qū),這主要是由于峰值區(qū)飛灰粒徑較小,一次通過爐膛時,在爐膛停留時間短,揮發(fā)分析出后焦炭顆粒在燃燒過程中孔隙打開程度高的緣故。

飛灰分形維數(shù)反映了飛灰孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,孔隙結(jié)構(gòu)越均勻,分形維數(shù)越小;孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜多變,分形維數(shù)越大。圖2為相同工況下,峰值區(qū)飛灰樣品F1和低碳區(qū)飛灰樣品F4的分形特征。

表3 峰值區(qū)飛灰和低含碳區(qū)飛灰微觀特性比較Table 3 M icro-characteristic com parison of fly ash for high and low carbon con tents

由圖2可知,峰值區(qū)飛灰和低含碳區(qū)飛灰來源于不同粒徑的焦炭顆粒,并處于燃燒的不同過程。研究結(jié)果表明,前者含碳量較高,仍然處于燃燒階段,未燃燼碳晶格結(jié)構(gòu)作為支架,使得飛灰孔隙均勻,分形維數(shù)低(4-1.732=2.268);后者為易燃燼的顆粒焦炭,處于燃燼階段,有機(jī)質(zhì)碳晶格結(jié)構(gòu)斷裂,孔塌陷和無機(jī)質(zhì)塑形填充孔隙等因素造成孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,分形維數(shù)(2.818)增大。

2.3 基于SEM實驗的飛灰分形特性

為了更直接地觀察飛灰孔隙結(jié)構(gòu)特征,需要借助于掃描電鏡SEM(scanning electron microscope)獲得飛灰圖像,并對飛灰圖像進(jìn)行切割處理。在此基礎(chǔ)上,采用豪斯道夫(Hausdorff)計算方法確定峰值區(qū)和低碳區(qū)飛灰的分形維數(shù)[18]。

圖3為采用JEOL JSM-35C型掃描電子顯微鏡獲得的峰值區(qū)和低碳區(qū)飛灰顆粒的表面結(jié)構(gòu)特征。

圖3 峰值區(qū)和低碳區(qū)飛灰顆粒SEM圖像(4 000倍)Fig.3 SEM image of fly ash for high carbon content and low carbon content(4 000 times)

從圖3(a)可以看出,峰值區(qū)飛灰顆粒為結(jié)構(gòu)致密的實心體,其表面結(jié)構(gòu)致密,幾乎看不到任何孔隙的存在。此時飛灰顆粒內(nèi)部的碳也處于不利于燃燒進(jìn)行的環(huán)境中,屬于難燃性的小顆粒,傳熱和傳質(zhì)都很慢,燃燒推遲,而爐膛停留時間又極短。因此通過降低一次風(fēng)量和增加氧量可以降低此類飛灰的含碳量。

由圖3(b)可知,該區(qū)域的飛灰顆粒為蜂窩狀,孔隙結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)發(fā)育良好,表面布滿且通透到內(nèi)部的孔洞,而且顆粒內(nèi)部有連通的大孔。這是因為該粒徑段顆粒在爐內(nèi)經(jīng)過多次循環(huán)燃燒,停留時間長,使得顆粒燃燼度高,有機(jī)質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)逐漸斷裂,小孔合并為大孔。

基于SEM圖像可以表征峰值區(qū)和低含碳區(qū)飛灰顆粒分形維數(shù),如圖4所示。縱坐標(biāo)為lg N(r)(N為用來覆蓋集合內(nèi)的點所需邊長為r的立方體的最少個數(shù),該集合由三維空間內(nèi)有限大小的點組成),橫坐標(biāo)為lg r,斜率即為分形維數(shù)?？梢钥闯?峰值區(qū)飛灰顆粒的分形維數(shù)為1.895,低含碳區(qū)為1.932,即低含碳區(qū)飛灰分形維數(shù)大于峰值區(qū)飛灰分形維數(shù),這與基于壓汞實驗所得的飛灰分形特性結(jié)論一致。而且,圖4的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.983 2和0.988 7,表明擬合結(jié)果與待擬合數(shù)據(jù)具有很高的接近程度。

圖4 基于SEM的峰值區(qū)和低碳區(qū)飛灰分形維數(shù)Fig.4 Fractal characteristics of fly ash for high carbon contentand low carbon content based on SEM

3 結(jié) 論

(1)飛灰含碳量隨粒徑分布具有峰值特性,含碳量在37μm處達(dá)到最大值,稱為峰值區(qū);48～78μm為低含碳區(qū)。

(2)在相同工況下,峰值區(qū)飛灰的比體積、比表面積、孔隙率均高于低含碳區(qū),峰值區(qū)分別為688.333 mm3/g,3.082 m2/g,50.461%,低含碳區(qū)分別為410.400 mm3/g,2.580 m2/g,34.100%。

(3)飛灰具有很好的分形特性,在相同工況下,峰值區(qū)飛灰分形維數(shù)(2.227)低于低含碳區(qū)飛灰分形維數(shù)(2.694)。

(4)峰值區(qū)飛灰顆粒為致密的實心體,低含碳區(qū)飛灰顆粒為蜂窩狀。

(5)基于SEM圖像計算的分形維數(shù)與基于壓汞實驗所得的飛灰分形特性結(jié)論一致,低含碳區(qū)飛灰分形維數(shù)(1.932)大于峰值區(qū)飛灰分形維數(shù)(1.895)。

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Fractal characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers

FAN Bao-guo1,LIU Xing-guo1,LIU Hai-yu1,CHE Dan1,2,JIN Yan1
(1.College of Electricity and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Engineering College,Shanxi University, Taiyuan 030013,China)

In order to study themicroscopic characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers,a CFB boiler in capacity of 480 t/h was taken as an object to study fractal characteristics of fly ash by mercury porosimetry and SEM.The results show that the distribution of carbon contents in fly ash is of a peak with diameters.For the fly ash of 37μm in diameter,the carbon content has themaximum value called the peak zone.When the diameter is48-78μm, the zone is the low carbon one because of low carbon contents.The fly ash in the circulating fluidized bed boiler is of fractal characteristics.In the peak zone the specific volume,the specific surface area and average porosity are larger than in the low carbon one,and the fractal dimension is2.227 which is smaller than in the low carbon one(2.694).By SEM the image of fly ash in the peak zone presents a dense solid body,and the image in the low carbon one presents a honeycomb body.The fractal dimension based on SEM is in accordance with the result bymercury porosimetry.Key words:circulating fluidized bed boiler;fly ash;carbon content;fractal dimension

TQ534.9

A

0253-9993(2014)06-1154-05

樊保國,劉興國,劉海玉,等.循環(huán)流化床鍋爐飛灰的分形特性[J].煤炭學(xué)報,2014,39(6):1154-1158.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0934

Fan Baoguo,Liu Xingguo,Liu Haiyu,et al.Fractal characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1154-1158.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0934

2013-07-04 責(zé)任編輯:張曉寧

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20101402110011);國家自然科學(xué)基金資助項目(51206116)

樊保國(1962—),男,山西洪洞人,副教授,博士。Tel:0351-6010281,E-mail:fanbaoguo@tsinghua.org.cn。通訊作者:金 燕(1963—),女,北京人,教授,博士生導(dǎo)師,博士。Tel:0351-6014598,E-mail:jinyan@tyut.edu.cn