循環(huán)流化床二次風(fēng)射流及床料粒徑對流化特性的影響

張 曜，林 晨，于 娟，馮 帆，張忠孝

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

NOx的生成控制與流化床流化特性及氣固流動有關(guān)。爐膛壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度的分布對循環(huán)流化床的運(yùn)行有重要影響。爐內(nèi)壓降過大會增加能耗及風(fēng)機(jī)負(fù)荷，不利于鍋爐高效穩(wěn)定運(yùn)行；循環(huán)流率在一定程度上能反映爐膛內(nèi)的流化狀態(tài)，如鼓泡流化床的循環(huán)流率為0，快速流化床的循環(huán)流率根據(jù)具體情況變化，但過大的循環(huán)流率對分離器要求很高且勢必造成床料損失；而合理的物料濃度分布既可以滿足鍋爐的負(fù)荷需求，也能減少鍋爐受熱面的磨損[1-2]。因此，爐膛壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度的分布是評價(jià)循環(huán)流化床的運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。

流化風(fēng)速、床料粒徑、床料總量、二次風(fēng)射流等因素對循環(huán)流化床的流化特性有重要影響。殷上秩等[3]研究表明，控制物料循環(huán)流率一定時(shí)，各截面上的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)隨流化風(fēng)速的增加逐漸減小；表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)上小下大的不均勻性隨流化風(fēng)速的增大而逐漸減弱。李國勝等[4]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)床料粒徑減小時(shí)，密相區(qū)顆粒濃度減小，稀相區(qū)顆粒濃度增大，床料顆粒在爐膛軸線方向分布更為均勻。Issangya等[5]發(fā)現(xiàn)床料量增大使各截面上的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)均增加。上升管底部先形成表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域，并且隨著床料量繼續(xù)增大，此區(qū)域逐漸向更高的位置延伸。陳繼輝等[6]進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)爐膛物料濃度隨一次風(fēng)的變化而變化，二次風(fēng)的引入顯著改變爐膛內(nèi)物料濃度的分布，二次風(fēng)射程隨風(fēng)速增加近似成冪函數(shù)增加。循環(huán)流化床二次風(fēng)的主要作用是補(bǔ)充燃料燃燒所需空氣，并加強(qiáng)爐內(nèi)物料的擾動。但目前二次風(fēng)射流普遍存在穿透深度不夠，導(dǎo)致氧氣分布不均，特別是爐膛中心區(qū)域缺少燃燒空氣的問題[7]。由此可見，考慮流化風(fēng)速、床料粒徑、床料總量、二次風(fēng)射流等因素的影響對循環(huán)流化床的研究尤為重要。

前人研究大多使用窄篩分床料顆粒，且較多針對傳統(tǒng)的墻式布置二次風(fēng)，鮮有學(xué)者綜合研究中心布置二次風(fēng)的穿透性能及其對爐膛流化特性的影響。因此，本文在自行搭建的流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺上，研究了中心布置二次風(fēng)及寬、窄篩分的床料對二次風(fēng)穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響。研究結(jié)果可為循環(huán)流化床的熱態(tài)試驗(yàn)的運(yùn)行提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)如圖1所示。為便于觀測物料流化現(xiàn)象，爐膛管由有機(jī)玻璃加工而成，管內(nèi)徑50 mm，管外徑60 mm，管總長1 500 mm。定義爐管最下方法蘭所在的平面為坐標(biāo)零點(diǎn)，豎直向上為正方向。為測量管內(nèi)軸向方向的壓力變化，管壁側(cè)面共開18個(gè)3 mm壓力測孔，在5～40 cm內(nèi)，每隔5 cm布置一個(gè)測孔，在40～140 cm處，每隔10 cm布置一個(gè)測孔。在20、140 cm處，布置可拆卸的回料法蘭及出口法蘭，便于增添物料、連接分離器、收集循環(huán)物料等操作。二次風(fēng)噴嘴通過不銹鋼管連接，從爐管中心向壁面噴射。噴嘴共有4個(gè)直徑為3 mm的噴口，在水平面內(nèi)均勻分布，噴射方向?yàn)闋t管徑向。

圖1 循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of cold-state circulating fluidized bed experimental system

2 數(shù)據(jù)處理方法

為了研究中心布置二次風(fēng)和寬、窄篩分的床料對二次風(fēng)穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響，需要先制定相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法定量描述二次風(fēng)穿透性能、物料循環(huán)效率和顆粒濃度的分布。

試驗(yàn)開始前，先在布風(fēng)板上放置一定高度的床料，開啟風(fēng)機(jī)調(diào)整至設(shè)定風(fēng)量，依次測量爐膛各高度的壓力及二次風(fēng)射流平面內(nèi)的溫度；之后將分離器后的回料管接至收集裝置中，收集一定時(shí)間內(nèi)被帶出爐膛的物料，對收集到的物料進(jìn)行稱重測量。根據(jù)收集到的物料質(zhì)量、爐膛內(nèi)徑及收集時(shí)間，通過式(1)計(jì)算出物料循環(huán)流率Gs。

(1)

式中，mc為收集到的物料質(zhì)量，kg；S為爐膛截面積，m2；Δt為收集時(shí)間，min。

對測得的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在忽略顆粒加速以及氣固與壁面間的摩擦所導(dǎo)致的壓力損失情況下，可以得到爐膛軸向的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)[10]。

(2)

式中，ΔP為測點(diǎn)間的壓降，hPa；ΔZ為相應(yīng)測壓點(diǎn)間的高度m；ρp為石英砂的密度，kg/m3；ρg為空氣的密度，kg/m3；εs為表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)，%。

她皺了一下眉頭，半真半假地說，為什么一定要受戒啊，好端端的頭皮上燒那么多的洞，該有多痛啊。再說，也難看死了。要是傷口化膿，成了癩瘌頭怎么辦？他笑了起來，說那不會的。她想了一會兒，幽幽地道，還是不要受戒的好。

3 結(jié)果與討論

3.1 二次風(fēng)射流對流化特性的影響

3.1.1二次風(fēng)占比的影響

循環(huán)流化床實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)荷不變的前提下，常通過保持總供風(fēng)量一定，調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的比例來優(yōu)化燃燒過程[11]。

固定總風(fēng)量為10.5 m3/h，在距離爐膛底部15 cm處噴射二次風(fēng)，不同二次風(fēng)占比(SAR)的顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布如圖2所示。可知在噴射二次風(fēng)時(shí)，爐膛35 cm以上區(qū)域，3條曲線的顆粒濃度差異不大，且在90 cm后衰減為0。在35 cm以下的密相區(qū)，二次風(fēng)占比越大，顆粒濃度也越大，這與孫紹增等[12]試驗(yàn)結(jié)果相符。Arena等[9]通過墻式布置二次風(fēng)試驗(yàn)試圖解釋這一現(xiàn)象：一方面，由于總供風(fēng)量固定，二次風(fēng)率的增大必然伴隨著一次風(fēng)量的下降。一次風(fēng)對下部顆粒的攜帶能力減弱，造成更多的床料在爐膛底部堆積；另一方面，二次風(fēng)的存在等效于一個(gè)爐膛內(nèi)的構(gòu)件，對其下方上行的顆粒具有隔斷返混的作用，隨著SAR增大，其剛性和穿透性增加，這一影響不斷增強(qiáng)，造成更多顆粒被阻斷在下部并積累。所以，二次風(fēng)射流會增大其噴射高度附近的顆粒濃度，且SAR越大，顆粒濃度的增長越明顯。

圖2 不同SAR下爐膛表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布Fig.2 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction under different SAR

3.1.2二次風(fēng)射流深度的影響因素

不同總風(fēng)量下，二次風(fēng)射流的溫度衰減曲線如圖3所示?？芍猄AR相同(23%)時(shí)，3條曲線的衰減規(guī)律類似。當(dāng)二次風(fēng)射流到達(dá)距噴嘴7.5～9.0 mm時(shí)，無量綱剩余溫度θ即衰減至0.5，所對應(yīng)的射流穿透率為0.30～0.36。θ的衰減曲線呈先快后慢的趨勢?？傦L(fēng)量增大時(shí)，二次風(fēng)射流穿透率有微小增加，這主要是因?yàn)橐弧⒍物L(fēng)量都有相應(yīng)的增加。爐膛內(nèi)的風(fēng)速加快，會使得更多的床層顆粒被氣流攜帶至爐膛中上部區(qū)域，二次風(fēng)噴射位置的顆粒濃度降低，二次風(fēng)所受阻力略有減少。二次風(fēng)占比固定時(shí)，改變總風(fēng)量對二次風(fēng)的穿透性能影響不大。

圖3 不同總風(fēng)量下二次風(fēng)射流的溫度衰減曲線Fig.3 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different total air volumes

總風(fēng)量10.5 m3/h時(shí)，不同二次風(fēng)占比下射流的溫度衰減曲線如圖4所示?？芍S著二次風(fēng)占比的增加，射流深度明顯提升，射流穿透率從SAR=0.23的0.3上升至SAR=0.33時(shí)的0.84，SAR繼續(xù)增長至0.41時(shí)，射流穿透率達(dá)到0.97。隨著SAR增加，射流深度增大的原因主要是：一方面，總風(fēng)量固定時(shí)，增加二次風(fēng)比例，二次風(fēng)的風(fēng)速增加，一次風(fēng)的風(fēng)速降低，二次風(fēng)射流用來克服主氣流卷吸作用的能量消耗大幅減少，因此射流深度增加；另一方面，具有上行作用的一次風(fēng)風(fēng)速降低后，其攜帶固體顆粒的能力下降，二次風(fēng)噴射位置的固體顆粒濃度降低，二次風(fēng)對抗固體顆粒的能量損耗降低。這2方面因素使得二次風(fēng)射流能力增強(qiáng)。

圖4 不同SAR下二次風(fēng)射流的溫度衰減曲線Fig.4 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different SAR

不同二次風(fēng)速射流的溫度衰減曲線如圖5所示?？芍淞魃疃入S著二次風(fēng)速的增大而明顯增大，但增長逐漸放慢。當(dāng)風(fēng)速從20 m/s提高至28 m/s時(shí)，射流穿透率從0.30增至0.74，漲幅達(dá)到0.44；風(fēng)速從28 m/s提高至34 m/s時(shí)，射流穿透率增至0.88，漲幅為0.14；當(dāng)二次風(fēng)速繼續(xù)增至40 m/s時(shí)，射流穿透率增至0.94，漲幅僅為0.06。在其他條件不變的情況下，增加二次風(fēng)速相當(dāng)于增大了二次風(fēng)的動能，使其有更大的能量對抗固體顆粒和上行一次風(fēng)的阻力。曹昊等[13]通過模擬計(jì)算也發(fā)現(xiàn)射流穿透深度與噴口直徑、射流速度成正比。

圖5 不同二次風(fēng)速射流的溫度衰減曲線Fig.5 Temperature attenuation curves of secondary air jet with different secondary air velocities

圖6 不同二次風(fēng)噴射高度下的射流溫度衰減曲線Fig.6 Temperature attenuation curves ofsecondary air jet with different injection heights

3.2 床料粒徑對流化特性的影響

在其他條件一致時(shí)，床料粒徑直接影響循環(huán)流化床的傳熱傳質(zhì)特性、物料循環(huán)流率、爐膛壓降等重要參數(shù)。小粒徑的床料對應(yīng)較低的終端速度，其更容易被流化風(fēng)夾帶至爐膛出口，進(jìn)入旋風(fēng)分離器參與爐外循環(huán)；大粒徑床料則更傾向于停留在爐膛內(nèi)，參與爐內(nèi)循環(huán)。

以往學(xué)者的研究大多基于窄篩分的床料粒徑。但實(shí)際流化床運(yùn)行中，選用的床料粒徑分布較寬。所以首先對窄篩分粒徑的床料進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，探究寬篩分床料對流化特性的影響，比較兩者異同。

3.2.1窄篩分床料粒徑的影響因素

不同窄篩分床料在1 m/s流化風(fēng)速下的爐膛壓力降曲線如圖7所示?？芍S著顆粒粒徑減小，爐膛整體的壓降上升，且壓降趨于平穩(wěn)的高度不斷上升，256 μm顆粒在20 cm后壓降幾乎不變，181 μm床料在50 cm后趨于平穩(wěn)，而128 μm顆粒壓降隨著爐膛高度的增加仍不斷增大。

圖7 不同窄篩分床料的爐膛壓降曲線Fig.7 Chamber’s pressure drop curves of different narrow distributed particle diameters

窄篩分床料爐膛軸向的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)分布如圖8所示?？芍S著石英砂粒徑的減小，顆粒體積分?jǐn)?shù)在爐膛的底部及中上部均有明顯提高。這說明更多的顆粒能夠隨流化風(fēng)的揚(yáng)析被帶到爐膛外，進(jìn)入分離器參與爐外循環(huán)。相應(yīng)的，物料循環(huán)流率急劇增加，從256 μm顆粒無法帶出爐膛，循環(huán)流率為0，上升到181 μm顆粒的0.5 kg/(m2·min)，再急劇增加至128 μm顆粒的6.1 kg/(m2·min)，循環(huán)流率的增幅變大。

圖8 不同窄篩分床料爐膛表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布Fig.8 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction with different narrow distributed particle diameters

結(jié)果表明，在一定的流化風(fēng)速下，物料循環(huán)流率對顆粒粒徑的變化極為敏感。楊新等[14]研究表明石英砂床料粒徑減小時(shí)，流化床的循環(huán)流率增大，粒徑增大時(shí)則相反。

3.2.2寬篩分床料粒徑的影響因素

實(shí)際循環(huán)流化床運(yùn)行中均采用寬篩分的床料。粗顆粒在爐膛下部形成鼓泡床或湍動床，細(xì)顆粒在爐膛上部的自由空域形成快速床[15]。爐膛中的顆?？煞譃閮深悾狠^細(xì)的顆粒可參加循環(huán)并直接影響爐膛上部受熱面換熱，稱為有效床料；較粗的顆粒始終停留在爐膛底部無法被氣體夾帶，稱為無效床料[16]。2種顆粒缺一不可，粗顆粒可促進(jìn)燃料著火和保證停留時(shí)間，但過多的粗顆粒會大幅增加風(fēng)機(jī)功耗和爐膛底部磨損[17]。而細(xì)顆粒則影響爐膛中上部稀相區(qū)的傳熱、傳質(zhì)及燃燒。細(xì)顆粒增多會提高稀相區(qū)顆粒聚團(tuán)出現(xiàn)的概率，產(chǎn)生周期性的聚并和破裂，延長顆粒的停留時(shí)間，提高可燃物的燃盡率[18]。但細(xì)顆粒濃度過大同樣會造成二次風(fēng)機(jī)的功耗增大、二次風(fēng)穿透性能降低、爐膛中心區(qū)域氧量減少、爐膛受熱面磨損等問題。

因此本文采用3種寬篩分床料，研究其流化特性。寬篩分顆粒的粒徑分布見表1。

不同寬篩分床料的爐膛壓降曲線如圖9所示。可知寬篩分床料在流化風(fēng)速1.7 m/s下，壓力降曲線和窄篩分床料的趨勢明顯不同。1號床料具有最細(xì)的平均顆粒粒徑及最高的細(xì)顆粒占比，所以爐膛的壓降最大，且隨高度不斷上升，至爐膛出口仍未平穩(wěn)。2號床料的平均粒徑雖然小于3號床料，但3號床料300 μm以下細(xì)顆粒數(shù)量比2號床料多，造成3號床料的爐膛整體壓力降大于2號。

表1 寬篩分床料顆粒粒徑分布

圖9 不同寬篩分床料的爐膛壓降曲線Fig.9 Chamber′s pressure drop curve with different wide distributed particle diameters

不同寬篩分床料爐膛表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布如圖10所示?？芍骰L(fēng)速一定時(shí)，擁有最細(xì)平均顆粒和最大細(xì)顆粒占比的1號床料，其顆粒濃度在爐膛軸向各高度處都明顯大于2、3號床料。雖然2號床料平均粒徑明顯小于3號床料，但2、3號床料的顆粒濃度分布較為接近，甚至3號床料的整體顆粒濃度分布略大于2號床料。這是由于試驗(yàn)風(fēng)速下，<300 μm粒徑的顆粒都有機(jī)會被攜帶至爐膛出口。3號床料<212 μm細(xì)顆粒占比與2號同為15%，但<300 μm細(xì)顆粒占比較2號更多，造成整體更大的顆粒濃度分布。同時(shí)1號床料的循環(huán)流率遠(yuǎn)大于2、3號；但2號和3號的物料循環(huán)流率接近，且3號略大于2號。

圖10 不同寬篩分床料爐膛表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向分布Fig.10 Apparent particle volume fraction in the longitudinal direction with different wide distributed particle diameters

總的來說，與窄篩分床料不同，決定寬篩分床料的爐膛壓降、顆粒濃度分布和物料循環(huán)流率等參數(shù)的重要因素還有床料組分中細(xì)顆粒占比。通過試驗(yàn)現(xiàn)場觀測結(jié)果，可以推斷粗、細(xì)顆粒的作用相對獨(dú)立。粗顆粒只能聚集在爐膛底部，形成鼓泡床或湍動床，而細(xì)顆?？梢噪S流化風(fēng)的揚(yáng)折作用，在爐膛上部形成快速床，進(jìn)而被攜帶出爐膛。

4 結(jié) 論

1)本文研究了中心布置二次風(fēng)和寬窄篩分的床料對二次風(fēng)穿透性能、爐內(nèi)壓降、顆粒循環(huán)流率、顆粒濃度分布的影響規(guī)律。二次風(fēng)射流會增大其噴射高度附近的顆粒濃度，且二次風(fēng)占比越大，顆粒濃度的增長越明顯。

2)當(dāng)二次風(fēng)比例固定時(shí)，提高總供風(fēng)量對二次風(fēng)射流的穿透性能影響不大。提高二次風(fēng)射流深度的措施有：增大二次風(fēng)在總供風(fēng)量中的占比、提高二次風(fēng)射流速度、提高二次風(fēng)射流的噴射位置等。

3)隨著窄篩分床料平均粒徑減小，爐膛整體的壓降上升，且壓降趨于平穩(wěn)的高度不斷上升，物料循環(huán)流率對顆粒平均粒徑的變化極為敏感。

4)與窄篩分床料不同，決定寬篩分床料的爐膛壓降、顆粒濃度分布和物料循環(huán)流率等參數(shù)的重要因素還有床料組分中細(xì)顆粒占比。細(xì)顆粒占比越高，爐膛壓降和物料的循環(huán)流率也越大。