一项调查在循环流化床燃烧锅炉

Thenmozhi Ganesan¹,Dr.Sivakumar Lingappan²

SRIET Asst.教授,部门的EEE,哥印拜陀,Tamilnadu、印度
副校长、克里希纳斯学院的工程和技术,哥印拜陀,Tamilnadu、印度

文摘

与电力行业增长的能源需求,流化床燃烧(流化床燃烧器)技术不断获得由于其能够燃烧不同重要性低煤级和氮氧化物产量的缺失。本调查报告旨在全面叙述CFBC锅炉相关领域知识。涉及作者介绍了组件的设计更改为了缓解操作水平,提高性能和满足法规遵从性。此外,突出相关性与流体动力学、传热和燃烧叙述方便控制和系统工程师开发数学模型利用质量守恒定律,能量和动量方程。

关键字

循环流化床锅炉、水动力学、传热模型

介绍

煤炭质量恶化和污染气体(NOx)引起的燃煤电站锅炉在传统导致流化床燃烧锅炉的发展。流化床燃烧锅炉的主要优点是:减少了氮氧化物,袜由于相对较低的燃烧温度,更好的效率和减少锅炉的大小和设计。它有能力低品位煤炭燃烧,减少腐蚀随着燃烧温度相比,电站锅炉。除了所有这些之外,流化床燃烧器锅炉的启动和关闭操作更加容易。

流化过程的固体颗粒会被带到一个挂起状态通过气体或液体。当空气或气体向上穿过固体颗粒在低速度,他们保持原状。随着速度的增加,粒子的状态„FluidizationA¢。基本上流化床分为五个类型描述的恩典[1]即固定床燃烧室、常压流化床燃烧器/鼓泡流化床燃烧器,湍流流化床燃烧器,快速床/循环流化床燃烧器、交通流化床燃烧器。根据Raico[2],他们分为四个区域,除了运输流化床燃烧器。当流量较低时,流体渗流通过静止的固体颗粒之间的空隙中可用空间[3]。这叫做„固定床CombustorA¢。增长速度高于最小流化速度会导致泡沫的形成和固体颗粒像沸腾的液体。这样的锅炉称为„鼓泡流化床燃烧锅炉(BFBC)¢。固体颗粒的运动成为BFBC有力。 „Turbulent Fluidized Bed combustion (TFBC)Ã¢ÂÂ lies between the bubbling and circulating beds.

湍流流化后发生泡沫的崩溃。传质和燃烧率不同湍流流化[4]。碳燃烧的快得多的速度,因此提高燃烧率是获得在一个动荡的床上。传质率也高。吹出一定量的固体颗粒在更高的速度流传回到燃烧室通过旋风分离器。这些锅炉称为„循环流化床燃烧BoilersA¢A[CFBC]。巴苏和弗雷泽[5]CFBC锅炉定义如下:“一个循环流化床锅炉产生蒸汽的设备通过燃烧化石燃料或生物质能燃烧室在特殊的水动力条件下操作。固体颗粒在运输速度超过了终端速度,但还有一定程度的回流的固体足够,以确保一致性燃烧室的温度”。

如果速度是进一步增加超出了终端速度,进入„运输bedA¢A[6]。BFBC和CFBC锅炉的区别在于流体动力学——较小的粒径,较高的流化速度,不同的粒子浓度、不同混合床和燃料颗粒循环的总循环率。燃烧过程的最重要的参数是温度和过量空气燃烧。床温度CFBC和BFBC都是相同的。随着炉的高度增加,CFBC锅炉的床温度恒定在整个炉和BFBC它是不同的。气体燃料锅炉的粒子速度是一样的。但CFBC的流化速度更BFBC相比。

根据博Leckner[7],如果流化速度增加气泡的大小增加形成的。因此燃烧室的横截面的面积增加。传热更高比BFB CFBC锅炉和传热主要是由于粒子对流。CFBC燃烧效率的增加是由于固体颗粒的再循环。石灰石添加到CFBC锅炉降低了袜和氮氧化物。它是相对小于BFBC锅炉。

有几个原因CFBC技术非常适合。他们中的一些人是:燃料灵活性,燃烧低煤级的能力,良好的二氧化硫排放控制,氮氧化物,更好的效率,不需要燃料粉碎,容易启动和关闭操作和不腐蚀[8]。代替煤,m . Miccio f . Miccio[9]表示,液体燃料还可以用于CFBC锅炉的燃烧。变量如床层高度、床温、流化速度、过量空气系数对燃烧煤炭,主要为液体燃料二次风率保持不变的煤除燃料喂养系统。液体生物油利用快速生产从生物质热解过程也可以使用[10]。CFBC锅炉的炉的温度相对比较少与常规电站锅炉,结果在超级加热器和再热器出口蒸汽温度不能达到由涡轮进口温度。因此,固体颗粒和烟气流通,这样超级加热器和再热器出口温度可以增加。这篇论文调查强调了水动力学等方面,传热和燃烧CFBC锅炉及其重要的设计细节。

一个典型的CFBC锅炉及其相关组件在图1。锅炉由燃烧室、旋风分离器和返回腿循环床的颗粒[11]。燃烧室是封闭与水冷管和一个不透气的膜。燃烧室的较低部分覆盖着耐火材料与开口引入燃料、石灰石、二次空气,回收灰,一个或更多的天然气或石油燃烧器启动和底灰下水道。大部分的燃烧发生在较低的部分,而墙的传热是实现主要是通过粒子对流和辐射在燃烧室的上层部分。可以水冷旋风分离器,蒸汽冷却或没有冷却和设计分离夹带固体的热烟气通过返回并返回它们腿和可能的环封。

气体速度用于循环流化床通常在4.5 - 6米/秒。空气是美联储单位作为主要的空气,为燃料和石灰石饲料,二次风空气循环灰分类器密封和流化空气。底灰分类器的目的是去除大颗粒床和循环小颗粒改善燃烧室的传热。床操作温度通常在850 - 900°C的范围,但在低品位燃料床温度的情况下甚至可以低于800°C。周围的温度范围850°C优化硫采油效率的石灰石、燃烧效率、氮含量和集聚床的材料。

气旋的烟气进入锅炉的破门,床颗粒循环的燃烧室通过液化层热交换器。有四个这样的液化层热交换器即超级加热器,我超级加热器II,蒸发器和回热器。燃烧室是封闭与水冷管和一个不透气的膜。燃烧室是耐火材料衬里的最低部分。锅炉有两个超级加热器即最终超级加热器(FSH)和低温超级加热器(LTSH),银行节热器。超级加热器,省煤器和空气预热器位于破门。烟气经过静电除尘器的破门,最后,烟气吹到堆栈。火山灰从ash-drain燃烧室底部的系统。石灰喂养系统时使用硫捕获是必要的。介绍了设计更改组件为了缓解操作水平,提高性能或满足法规遵从性。 The following paragraphs give an account of such design modifications as appeared in the literature. Design of CFBC includes the design of riser, cyclone separator, heat exchangers etc. The CFBC boiler has external heat exchangers and has two cyclone separators [12]. Modification in the cyclone separator is made as the temperature profile is higher. The width of the cyclone inlet duct is reduced and the vortex finder is extended [13]. Fluidizing nozzle modification (T-style) leads to pressure minimization. The performance of the CFBC boiler such as combustion efficiency, stability etc is improved by slightly modifying the cyclone separator, nozzle and ash reinjection system.

李赵,王向东徐[14]描述了一种新的设计模型称为“细胞模型法”,将炉分为三个区域,每个区域都有不同的速度。区域高速燃烧区域,低速度传热区域和中等速度悬挂区域。微分速度CFBC燃烧室燃烧效率提高了。循环床材料是由差异的夹带微分气流速度。3-5m顺序/ s的速度是在主床和是0.3到0.8米/秒的额外的床上。

CFBC连续搅拌釜反应器模型提出了[15],在这个模型中煤炭、石灰石、灰炉混合收集的,主要的空气吹到炉。这种方法是稳定的和优先启动期间,关闭期间操作和异常条件。李问:h . y . g ., a·h·孟[16]CFBC称为水平CFBC开发了一种新的模型。它由主、二次燃烧室,旋风分离器,热回收区域,倦怠室环封等。这减少了锅炉的整体高度。流多通流。稀释区包括基本炉上方,二次炉和燃烧室而密集区域的下部炉。实夹带进入小学,中学,第三室,旋风,环封等,最后到密集的床上。唱了金正日出版社[17]定义CFBC基于固体流动特性在一个循环中密封。如果固体库存保持一个常数和固体循环以减少气体速度增加,然后在卡莫和立管的压降增加。固体颗粒流率的增加,增加曝气速率和坚实的库存导致压力的下降和空隙率的增加。 All these are obtained with a pneumatically operated pseudo-mechanical valve for loop seal.

环封操作CFBC有四个部分即立管、旋风分离器、循环密封部分,供应商会和回收室。在正常CFBC,固体颗粒被发送到立管通过旋风分离器。在P。巴苏和L。程[18],累积的固体颗粒在旋风分离器滴到循环密封室,由于空气室他们计算立管泵。这是由于立管和竖管之间的压力差。立管气体速度变化时,操作范围的环封曝气也变化。环封气流速度增加导致固体流经这个循环的增加密封。固体流率增加竖管尺寸减少速度常数循环空气密封。狭缝大小循环密封对固体流率没有影响。 For given loop seal aeration rate, smaller particles will have a higher solids flow rate. Solids flow rate increases as solids inventory.

独立于不同的操作条件下,固体颗粒浓度低的中心线燃烧室和更向墙上的地区。这表明存在core-annulus CFBC燃烧室[19]。立管底部区域的高度主要是由于立管的压降。同样的操作条件下,高底区立管的压降相比更短的底部区立管。添加翼墙在两个不同的位置即(a)的中间左墙和立管的顶部(b)的中间左墙和1.3米以下屋顶和传热的影响由于翼墙都解释为Animesh Dutta和p [20]。已经指出,水冷壁和侧壁的水动力条件是完全不同的和翼墙的传热系数低于水冷壁无论位置和操作条件。当翼墙放置在顶部的立管,传热系数大于的翼墙放置在中期立管的高度。固体流翼墙时向下放置在立管的顶部向上但流时中间的立管。20.0MW Tonghae CFBC boiler demonstrated initially [21] had certain drawbacks such as higher SO2 emissions, higher temperature profile etc. Modification of Cyclone separator has an advantage of reduced temperature profile and SO2 emissions. The solid hold up in the dense phase decreases and the particle circulation ratio increases. Hence the efficiency is increased.

虽然表面速度中扮演一个重要的角色在决定锅炉的性能,床上库存和灰循环率也发挥重要作用[22]。灰冷却器用于循环灰和旋风分离器的设计应该这样保持更好的效率。实验室结果产生的结果在干舷部分小煤颗粒很容易燃烧,而大颗粒燃烧在密集的床上。此外,粒度分布起着重要的作用在决定在燃烧热释放[23],[24]。Anusorn Chinsuwan和Animesh Dutta[25]已经调查了床水冷壁之间的传热机制使用纵向翅片膜。实验使用三种不同的试管即膜管、膜管在波峰和膜与纵向翅片管与两个纵向鳍45两岸的波峰为同一水动力条件。实验表明,传统的传热膜提高了使用纵向翅片管表面膜。膜管HTC最高。小君苏和Xiaoxing赵[26]表明,电力需求和侵蚀率是减少提高旋风分离器的效率。。张P et al .,[27]表示,基于受热面传热速率的变化安排炉的顶部。

对于一个典型的300兆瓦CFBC锅炉,炉等基本组件,4旋风分离器- 4双圈密封系统设计[28]。沿炉高传热系数降低。同样的传热系数更角落而不是水墙的中心。开发气动外部热交换器来控制气体-固体CFBC流。的主要优势是,外部热交换器的传热可以调整通过商会的高度。空气流也可以改变传热速率。也是一个经验关系的固体质量流率和压降获得[29],[30]。

(1)

CFBC锅炉底灰有更多身体热量。这个热量回收[31]通过一个叫做CFBAC流化床灰冷。这是应用于300 mw CFBC锅炉。实验设置显示CFBAC有很好的粒子流动特性。流化速度和高度的分离是两个重要的参数设计。具有良好的冷却效果和节能。

工业CFBCA¢年代是在较低的操作压力。蒸发的水更CFBCA¢s操作在低操作压力。为了避免烟气在炉内的加热出口,蒸发器管淹没。但埋管受到侵蚀的影响。为了减轻侵蚀埋管、蒸发循环密封(ELS) [32]。ELS工作在较低的流化速度,从而侵蚀是缓解。内部recirculation-CFBC锅炉是由巴布科克威尔科克斯和它有两个阶段影响固体分离器即小学和中学阶段。第二阶段是多级尘埃收集器。描述的主要优势是M。Maryamchik[33],贝林。F[34]固体收集效率高、炉温控制,可靠性高分离器等。喂养石灰岩导致高硫的保留。 Fuel ash which is a combination of fly ash and bottom ash contains unburnt carbon particles and lime particles. Loffler et al., [35]; Hou et. al., [36] proved that by injecting NH3 at the entrance of the cyclone separator and circulating ashes significantly reduces the N2O emission which is an important pollutant in CFBC boilers.

670 t / h固体燃料燃烧CFBC模型丰富氧气被J。Krzywanski出版社[37]有两个不同的条件。在基于O2 - N2气体混合物燃烧,另一个没有O2-CO2 N2。底部密集区域的温度增加,从而增强传热发生在富氧区。二氧化碳是基于更多的氧气纯度二氧化碳的气体混合物。二氧化碳的增加和减少公司带来更好的效率。减少氮氧化物的环境。这是CFBC锅炉的设计产量更好的传热系数,更好的效率,更低的排放等。

根据参考Li.et。[38],300兆瓦的燃烧CFBC锅炉在中国是不稳定的。此外渣炉外越来越旋风分离器过热。CFBC锅炉一旦通过蒸汽循环具有更好的效率相比,现有的锅炉二氧化碳含量减少[39]。在使用这个,减少蒸发和省煤器责任和过热的责任是增加。责任是蒸发减少,降低炉耐火衬里时增厚和蒸发器翼墙被删除。添加10%的管循环的滚筒超级加热器提高过热的职责。氧气助燃是氧发射CFBC主要减少二氧化碳。这是其中一个碳捕获和储存(CCS)技术。这是描述Arto Hotta [40]。

不同的操作条件如过量空气,床上运行速度和粒径床温度和整个公司,氮氧化物和二氧化硫排放燃烧室的调查[41]和验证使用50千瓦CFBC燃烧室和一个工业规模的160 MW CFBC燃烧器使用不同类型的煤。床操作速度的影响和煤粒径的意思是床上的温度和CO排放氮氧化物和二氧化硫的结果研究了三粒子直径(540年、651年和852年μm)和六床操作速度值(4.15,4.50,5.00,5.50,6.00和6.50−1)女士。床操作速度有更重要的影响CO排放比床上的温度。提高过量空气减少二氧化硫和氮氧化物的排放。然而,氮氧化物排放增加床操作速度而二氧化硫排放减少。CFBC是控制器设计的下一个重要的领域。尽管所有流化类型类似,存在一些差别。PID控制器、模糊逻辑控制器应用于CFBC被许多作者。主要控制回路CFBC锅炉[42]:蒸汽压力(锅炉负荷)控制、烟气氧含量控制、燃烧空气分布控制,鼓液位控制、过热蒸汽温度控制,燃烧室压力控制,床压力控制,控制二氧化硫。

水动力行为和CFBC传热

所有段落必须缩进。所有的段落都必须合理,即左对齐和右对齐的。研究水动力行为导致炉气体-固体流动的理解在不同的操作模式。固体的流体动力学解释基于孔隙度或床上材料的空隙率,平均气流速度、固体颗粒质量流率等。几个作者所描述的流体动力学CFBC锅炉在许多方面。流体动力学主要取决于床压降;固体颗粒浓度、流化速度和固体颗粒的循环率。

床压降变化的圆形和非圆形床[43]和填充床流化高度[44]。在燃烧过程中,由于与惰性床颗粒碰撞,abration char char粒子发生和小颗粒的分离主要的粒子。这个过程称为摩擦,这取决于煤炭类型[45]。了解固体悬浮密度在轴向和径向方向提供了更好的流型影响传热[46]。这些属性的相关性即床压降,固体颗粒悬浮液密度、循环率固体颗粒的流化速度和它们对传热的影响分别在表1和2。

悦et al ., [24];李et al .,[16],存在一个帖子燃烧的固体和气体粒子对煤型旋风分离器,敏感,这是严重的低挥发分无烟煤燃烧时。粒度分布,主要二次风率和流化空气流量后燃烧中起着重要作用。苏小君,赵Xiaoxing出版社。[26]分组CFBC锅炉基于床材料。有效的材料微粒和无效的材料是大材料。无效的材料仍在床上,而细颗粒夹带的床上。

传热CFBC设计中起着重要的作用。存在三个传热机制。它们是(我)fluid-to-particle传热(ii) particle-to-fluid传热和(iii)床壁传热。传热介质和表面之间扮演着一个重要的角色在决定燃烧系统的效率。作为传热而言,热量参与的情况下固定床,因此大温度梯度。温度梯度保持不变或保持恒定的控制连续纸和固体颗粒的循环。气体粒子传热系数可以计算[47]使用NusseltA¢年代关系,

(2)

再保险,公关在表中定义。之间的传热流体和颗粒两种形式[48](我)气-固和液-固相流化(ii)。为

气体-固体系统,

(3)

对于液体-固体系统,

(4)

从流化床传热壁由三个组件即粒子对流、辐射粒子和气体对流。这里给出了粒子对流和辐射最重要而气体对流通常被忽视是气体的密度小于固体[49]。安德森和Leckner[50]解释说,整体传热系数主要是由于对流换热系数和悬浮粒子的辐射传热系数。热导率也忽视了在考虑传热CFBC燃烧系统[51]。Werdmann和维特[52]提取以下相关的对流换热系数

(5)

必须添加到上述关联辐射系数获得总体传热系数。忽视了辐射和对流热的稀相,一个简单的整体传热系数经验关联的水冷壁CFBC[53]是由

(6)

整体传热系数从床上墙底部密集区域给出[8]

h = 40(ρb) 1/2 (7)

ρb由ρb =ρ(1-ε)+ε

传热材料壁管是由从床上

(8)

几个作者所描述的立管为核心的结构和环。核心的温度大于环,因此传热和厚壁之间的环空小于薄壁环之间的传热和核心[12]。产生的热量比稀释更密集的床上睡觉了。径向和切向二次空气注入CFBC立管也会造成传热系数的变化。永骏曹[54]表示,在径向二次空气注入方式时,对流的传热系数增加而整体系数降低。切向注入,对流传热系数增加,粒子对流传热系数降低。

结论

描述一个典型的循环流化床燃烧锅炉和叙述介绍了组件的设计更改为了缓解操作水平,提高性能和满足法规遵从性。此外,突出相关性与流体动力学、传热和燃烧。数学建模与仿真是一个有效的工具在分析和优化性能和诊断故障。相信本文将使用控制和系统工程师模型CFBC锅炉来分析植物性能在正常和异常情况,评估不同控制方案的有效性,以满足所需的性能标准的工厂业主和运营商。

附录- - -命名

Aw -管壁表面的面积

C -气体浓度

CD -孔流量系数

Db床位的直径

Dp -直径的粒子

G -表面速度

Gs -固体质量流率

h -净传热系数

k -流体的导热系数

kg -热导率的气体

结核病床位的温度

Tw -壁温

ug -气体速度

ΔPO——孔板压降

εmf -空隙度最小流化

μ-流体的粘滞性

ρs——悬浮床的密度

ρg -密度的气体

μg -粘度的气体

ρb——当地床密度

ε-空隙度

承认

作者要感谢河床沙岛的工程师,Trichy和企业研发、海得拉巴有用的讨论。进一步的支持和鼓励管理层Sri克里希纳工程与技术学院和斯里兰卡Ranganathar工程技术研究所,哥印拜陀是极大地承认。

表乍一看


表1	表2	表3

数据乍一看

图1

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