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循环流化床燃烧锅炉综述

Thenmozhi Ganesan1, sivakumar Lingappan博士2
  1. 印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市SRIET EEE系助理教授
  2. 印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市克里希纳工程技术学院副校长
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摘要

随着电力行业能源需求的不断增长,流化床燃烧(FBC)技术因其燃烧不同低品位煤炭的能力和不产生氮氧化物的能力而日益受到重视。本调查报告旨在全面介绍与循环流化床锅炉相关的领域知识。为了简化操作、提高性能和满足法规遵从性,作者在组件级别上引入了设计变更。此外,还叙述了与流体动力学、传热和燃烧相关的显著相关性,以方便控制和系统工程师使用质量守恒、能量守恒和动量方程开发数学模型。

关键字

循环流化床锅炉,水动力学,传热,模型

介绍

传统锅炉燃烧煤质的恶化和产生的污染物气体(NOx)导致了流化床燃烧锅炉的发展。流化床燃烧锅炉的主要优点是:由于燃烧温度相对较低,NOx、SOx减少,效率更好,锅炉尺寸和设计更小。它具有燃烧低品位煤的能力,与公用事业锅炉相比,燃烧温度更低,腐蚀性更小。除此之外,FBC锅炉的启动和关闭操作也变得容易得多。
流态化是固体颗粒通过气体或液体被带到悬浮状态的过程。当空气或气体以低速向上穿过固体颗粒时,它们不会受到干扰。随着速度的增加,粒子达到“FluidizationÃⅱÂ′Â′”的状态。基本上,流化床分为Grace[1]描述的五种类型,即固定床燃烧室,常压流化床/鼓泡流化床,湍流流化床,快速床/循环流化床,运输流化床。根据Raico[2],除运输FBC外,他们被分为四个区域。当流速较低时,流体通过固定固体颗粒之间可用的空隙进行渗滤。这叫“固定床Combustorâ '  '。当速度超过最小流化速度时,形成气泡,固体颗粒表现为沸腾的液体。这样的锅炉被称为“鼓泡流化床燃烧锅炉(BFBC)ÃⅱÂ′Â′”。固体颗粒的运动在BFBC中变得剧烈。”Turbulent Fluidized Bed combustion (TFBC)‟ lies between the bubbling and circulating beds.
气泡破裂后发生湍流流态化。湍流流态化[4]的传质和燃烧速率不同。碳燃烧的速度要快得多,因此在湍流床层中获得了增强的燃烧速率。传质率也更高。一些以较高速度吹出的固体颗粒通过旋风分离器循环回燃烧室。这些锅炉被称为“循环流化床燃烧BoilersÃⅱÂ ' Â ' [CFBC]。Basu和Fraser[5]将循环流化床锅炉定义为:“循环流化床锅炉是一种在特殊流体力学条件下运行的燃烧室中燃烧化石燃料或生物质产生蒸汽的装置。固体颗粒以超过终端速度的速度运输,但有一定程度的固体回流足以确保燃烧室内温度的均匀性"。
如果速度进一步增加,超过终端速度,则进入“传输bedÃⅱÂ′Â′[6]。流化床流化床锅炉与循环流化床锅炉在流体力学上的区别在于颗粒粒径较小,流化速度较高,颗粒浓度不同,床层混合程度不同,燃料颗粒循环对总循环速率的影响也不同。燃烧过程中最重要的参数是燃烧温度和过量空气。CFBC和BFBC的床层温度相同。随着炉高的增加,循环流化床锅炉的床层温度在整个炉内是恒定的,对于循环流化床锅炉则不同。两个锅炉的气体到燃料粒子的速度是相同的。但流化床流化床的流化速度比流化床流化床快。
根据Bo Leckner[7],流化速度增大,形成的气泡大小增大。因此,燃烧室的横截面面积必须增加。循环流化床锅炉的换热量高于循环流化床锅炉,换热主要是由于颗粒对流。由于固体颗粒的再循环,提高了循环流化床的燃烧效率。在CFBC锅炉中加入石灰石可降低Sox和NOx。相对而言,它比BFBC锅炉要少。
CFBC技术非常适用的原因有几个。其中包括:燃料灵活性,能燃烧低品位煤,SO2、NOx排放控制好,效率高,不需要燃料粉碎,易于启动和关闭操作,腐蚀性小[8]。M. Miccio, F. Miccio[9]指出,液体燃料也可以用于CFBC锅炉的燃烧。除给料系统外,液体燃料的床层高度、床层温度、流态化速度、煤燃烧的过量空气比、一次风与二次风比等变量与煤相同。生物质快速热解生产的液体生物油也可用于生物质快速热解生产。循环流化床锅炉的炉内温度较常规公用锅炉低,导致过热器和再热器的出口蒸汽温度不能达到汽轮机进口要求的温度。从而使固体颗粒和烟气循环,从而提高过热器和再热器的出口温度。本文着重介绍了循环流化床锅炉的流体力学、传热和燃烧等方面的问题,以及其重要的设计细节。
一个典型的循环流化床锅炉及其相关部件如图1所示。锅炉由燃烧室、旋风分离器和用于床层颗粒再循环的回腿[11]组成。燃烧室由水冷管和气密膜包围。燃烧室下部覆盖耐火材料,开口用于引入燃料、石灰石、二次空气、回收灰、一个或多个用于启动的燃气或油燃烧器和底灰排水口。大部分燃烧发生在下段,而对壁面的传热主要是通过燃烧室上段的颗粒对流和辐射来实现的。旋风分离器可以是水冷式、蒸汽冷式或不冷却式,其设计目的是将夹带的固体从热烟气中分离出来,并将它们通过回风腿和可能的回路密封返回。
循环流化床中使用的气体速度通常在4.5 ~ 6m /s范围内。空气作为一次风进入机组,二次风用于燃料和石灰石的供应,空气进入回路密封,流化空气进入灰分级机。底灰分级机的设计目的是去除较大的床层颗粒,并将小颗粒回收回燃烧室,以改善传热。操作床的温度通常在850-900°C之间,但在低等级燃料的情况下,床的温度甚至可以低于800°C。850°C左右的温度范围优化了石灰石的硫捕获效率、燃烧效率、NOx含量和床层材料的团聚。
来自旋风分离器的烟气进入锅炉的后通道,床上颗粒通过流化床热交换器再循环到燃烧室。有四个这样的流化床热交换器,即超级加热器I,超级加热器II,蒸发器和再热器。燃烧室由水冷管和气密膜包围。燃烧室的最低部分内衬耐火材料。锅炉有两个过热器,即末级过热器(FSH)和低温过热器(LTSH),是一组节能器。过热器、省煤器和空气预热器位于回风通道。烟气通过回道进入静电除尘器,最后,烟气被吹到烟囱。灰分通过排灰系统从燃烧室底部排出。当需要捕硫时,使用石灰喂料系统。在组件级别引入设计更改,以简化操作,增强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.
赵莉,徐向东[14]描述了一种新的设计模型,称为“单元模型法”,将炉分为三个区域,每个区域有不同的速度。该区域为高速燃烧区、低速传热区和中速悬浮区。差速CFBC燃烧室提高了燃烧效率。床层物料的循环是由不同风速下的夹带量差异造成的。主层流速为3 ~ 5m/s,附加层流速为0.3 ~ 0.8 m/s。
提出了循环流化床连续搅拌釜反应器模型[15],在该模型中,将炉内收集的煤、石灰石、灰等混合后,用一次风吹入炉内。这种方法稳定,在启动、关闭操作和异常情况下是首选。李秋华,张永光,a.h.孟[16]开发了一种新的循环流化床流化床模型,称为水平循环流化床流化床。它由一次燃烧室、二次燃烧室、旋风分离器、热回收区、燃尽室回路密封等组成。这里锅炉的整体高度降低了。该流为多通流。稀区由一次炉上部、二次炉上部和燃烧室组成,浓区为炉体下部。被夹带的固体依次进入一室、二室、三室、旋风分离器、回路密封等,最后进入致密层。Sung Won Kim等[17]根据循环密封中的固体流动特性定义了循环流化床流化床。如果固相储量保持恒定,且固相循环随气速的减小而增大,则下压角和立管处的压降增大。 The flow rate of solid particles increases with the increase in aeration rate and solid inventory which results in the drop in the pressure and increase in voidage. All these are obtained with a pneumatically operated pseudo-mechanical valve for loop seal.
循环流化床流化床循环密封操作分为立管段、旋风分离器段、循环密封段—供液室段和循环室段。在常规CFBC中,固体颗粒通过旋风分离器被送入提升管。在P.Basu和L.Cheng[18]中,在旋风分离器中积聚的固体颗粒落入环路密封腔中,由于腔内的空气,它们在没有泵的情况下重新循环到立管。这是由于立管和立管之间的压力差。当隔水管气速变化时,循环密封曝气的工作范围也发生变化。循环密封的空气速度增加,导致通过循环密封的固体流量增加。在一定循环密封风量下,固相流速率随立管尺寸的增大而减小。环封缝尺寸对固体流速无影响。在给定的循环密封曝气速率下,颗粒越小,固相流速越高。固相流动速率随固相库存增加而增加。
不同工况下,燃烧室中心线的固体颗粒浓度较低,且更倾向于壁面区域。这表明CFBC燃烧室[19]存在核心环空型。立管底区高度主要是由立管内的压降引起的。在相同工况下,较高的底区立管压降比较短的底区立管更大。Animesh Dutta和P. Basu[20]很好地解释了在(a)左壁中部和立管顶部(b)左壁中部和顶以下1.3m处增加翼壁的传热效应。研究表明,水壁和翼壁的水动力条件完全不同,无论位置和工况如何,翼壁的换热系数都低于水壁。当翼壁位于立管顶部时,其换热系数大于位于立管中部的翼壁;当翼壁位于立管顶部时,固体向下流动,而当翼壁位于立管中部时,固体向上流动。200MW东海CFBC锅炉初步论证[21]存在SO2排放高、温度剖面高等缺点。对旋风分离器进行改造,可降低温度分布,减少SO2排放。致密相固相持率降低,颗粒循环比增大。 Hence the efficiency is increased.
虽然表面速度对锅炉的性能有重要的决定作用,但床层存量和灰循环率也起着重要的作用。灰冷却器用于循环灰,旋风分离器的设计应能更好地保持效率。实验结果表明,在干舷段,小颗粒煤易燃烧,而大颗粒煤易在致密层中燃烧。此外,粒径分布对燃烧放热有重要影响[23],[24]。Anusorn Chinsuwan和Animesh Dutta[25]利用纵向翅片膜研究了床层与水壁之间的传热机理。在相同的水动力条件下,采用膜管、波峰处带纵翅片的膜管和波峰两侧45ËÂ处带双纵翅片的膜管进行了试验。实验表明,采用纵向翅片膜可以改善传统膜的传热性能。膜管的HTC最高。苏军和赵小星[26]的研究表明,提高旋风分离器的效率可以降低功率需求和侵蚀率。Zhang P et al.,[27]指出传热速率随炉顶受热面布置而变化。
针对一台典型的300MWe循环流化床锅炉,采用加热炉、4个旋风分离器等基本部件,设计了4个双环密封系统。传热系数沿炉高方向减小。同样地,水壁的传热系数在边角处大于中心处。为控制循环流化床内的气固流动,研制了气动外热交换器。其主要优点是可以通过调节腔室高度来调节外部换热器的换热。气流也可以改变传热速率。还得到了固体质量流量与其压降的经验关系[29],[30]。
图像(1)
CFBC锅炉底灰具有较大的物理热。这些热量通过称为CFBAC的流化床灰冷却器回收。适用于300MW循环流化床锅炉。实验结果表明,CFBAC具有良好的颗粒流动特性。流化速度和分离高度是设计中的两个重要参数。具有良好的冷却效果和节能效果。
工业CFBCÃⅱÂ ' Â ' s在低工作压力下运行。在操作压力较低的情况下,CFBCÃⅱÂ′Â′s蒸发量较大。为避免炉膛出口烟气过热,蒸发器管采用浸没式。但水下的管道会受到侵蚀。为了减轻对水下管道的侵蚀,研制了蒸发环密封(ELS)[32]。ELS在较低的流态化速度下工作,因此侵蚀得到缓解。内循环-循环流化床锅炉是由巴布科克和威尔科克斯研制的,它有一级和二级冲击固体分离器。二级为多级除尘器。主要优点由M.Maryamchik[33]描述,Belin。F[34]具有收固效率高、炉温可控、分离器可靠性高等特点。 Feeding limestone leads to high sulphur retention. 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.
krzywanski等人所描述的富氧固体燃料燃烧CFBC模型[37]有两种不同的条件。一种基于O2- N2和另一种不含N2即O2- co2的混合气体的燃烧。底部密集区温度升高,富氧区传热增强。在富氧CO2基气体混合物中,CO2含量更高。增加CO2和减少CO可以提高效率。在这两种环境中,NOx都减少了。这是一种具有传热系数高、效率高、排放低等优点的循环流化床锅炉设计。
李俊峰等[38]指出,国内300MWe CFBC锅炉燃烧不稳定。炉外结渣多,旋风分离器过热。与现有锅炉相比,一次蒸汽循环的CFBC锅炉效率更高,CO2含量降低[39]。使用该方法可降低蒸发和省煤器负荷,提高过热负荷。加厚下炉耐火衬层和拆除蒸发器翼壁可降低蒸发负荷。压板式过热器增加10%的管环,以增加过热负荷。氧燃料燃烧是氧气燃烧的CFBC,它可以大幅度减少二氧化碳。这是碳捕获与存储(CCS)技术的一种。这是Arto Hotta[40]描述的。
研究了不同的运行条件,如过量空气、床层运行速度和颗粒直径对床层温度的影响,以及燃烧室内CO、NOx和SO2的总排放量,并使用50 kW CFBC燃烧室和使用不同类型煤炭的工业规模160 MW CFBC燃烧室进行了验证。研究了3种粒径(540、651和852 μm)和6种床层运行速度值(约4.15、4.50、5.00、5.50、6.00和6.50 ms−1)下,床层运行速度和煤颗粒直径对平均床层温度和CO、NOx和SO2排放结果的影响。与床层温度相比,床层运行速度对CO排放的影响更为显著。增加过量空气可以减少SO2和NOx的排放。NOx排放量随床层流速的增加而增加,SO2排放量则随床层流速的增加而降低。CFBC的下一个重要领域是控制器设计。虽然所有流态化类型看起来相似,但它们之间存在一些差异。PID控制器、模糊逻辑控制器被许多作者应用于循环流化床控制系统。循环流化床锅炉[42]的主要控制回路有:蒸汽压力(锅炉负荷)控制、烟气O2含量控制、燃烧气流组织控制、汽包液位控制、过热蒸汽温度控制、燃烧室压力控制、床层压力控制、SO2控制。

CFBC的流体力学行为与传热

所有段落必须缩进。所有段落都必须对齐,即左对齐和右对齐。通过对炉内流体力学特性的研究,可以了解不同工况下炉内的气固流动。固体流体力学是根据床层材料的孔隙率、平均气速、固体颗粒的质量流量等来解释的。几位作者以多种方式描述了循环流化床锅炉的流体力学。流体动力学主要依赖于床层压降;固体颗粒浓度、流态化速度和循环速率。
圆形床层、非圆形床层[43]和填充床层[44]的床层压降随流态化高度而变化。在燃烧过程中,由于与惰性床层颗粒发生碰撞,炭颗粒发生磨损,炭小颗粒与主颗粒分离。这个过程被称为磨损,它取决于煤的类型[45]。通过对轴向和径向固体悬浮密度的了解,可以得到更好的流动模式,从而影响传热[46]。表1和表2分别给出了床层压降、固体颗粒悬浮密度、固体颗粒循环速率、流化速度及其对换热影响的相关性。
Yue等,[24];Li et al.,[16]指出旋风分离器内存在固体和气体颗粒的燃烧后现象,且对煤种敏感,燃烧低挥发分无烟煤时情况严重。颗粒粒径分布、一次二次风比和流化风流量对燃烧后的影响较大。苏军,赵小星等。[26]根据床层材料对CFBC锅炉进行了分组。有效物质是细颗粒,无效物质是大颗粒。无效物质留在床层中,而细颗粒被带出床层。
传热在循环流化床锅炉设计中占有重要地位。有三种传热机制。它们是(i)流体到颗粒的传热(ii)颗粒到流体的传热和(iii)床到壁的传热。介质与表面之间的传热是决定燃烧系统效率的重要因素。就传热而言,固定床的传热量大,温度梯度大。通过控制固体颗粒的连续进料和循环,温度梯度保持恒定或保持恒定。气体与颗粒的换热系数可由NusseltÃⅱÂ′Â′的关系式计算出[47],
图像(2)
其中Re Pr在表中定义。流体与颗粒之间的传热以两种形式给出[48](i)气固流态化和(ii)液固流态化。为
气固系统,
图像(3)
对于液固系统,
图像(4)
流化床对壁面的传热由颗粒对流、颗粒辐射和气体对流三部分组成。在这里,粒子对流和辐射是最重要的,而气体对流通常被忽略,因为气体的密度小于固体[49]。Andersson和Leckner[50]解释了总体换热系数主要是由于悬浮颗粒的对流换热系数和辐射换热系数。在考虑CFBC燃烧系统[51]的传热时,热导率也被忽略了。Werdmann和Werther[52]提取了对流换热系数的相关性如下
图像(5)
必须将上述相关性加到辐射系数中,才能得到整体传热系数。通过忽略稀相的热辐射和对流,给出了一种简单的循环流化床锅炉水壁传热系数的经验关系式[53]
图像(6)
底部密集区从床层到壁面的总换热系数为[8]
H = 40(ρb)1/2 (7)
ρb由ρb = ρ(1-ε) + C ε给出
从床层材料到壁管的传热由
图像(8)
一些作者将立管的结构描述为核心和环空。由于堆芯温度高于环空温度,因此厚壁与环空之间的换热小于薄壁环空与堆芯[12]之间的换热。在稠密层中产生的热比在稀层中产生的热多。二次空气径向或切向注入CFBC立管也会引起换热系数的变化。Yong Jun Cho[54]表示二次风径向注入时,对流换热系数增大,整体系数减小。随着切向注入,颗粒对流换热系数增大,颗粒对流换热系数减小。

结论

介绍了一个典型的循环流化床燃烧锅炉,并叙述了为简化操作、提高性能和满足法规要求而在部件级别上进行的设计变更。此外,还给出了流体动力学、传热和燃烧的显著相关性。数学建模和仿真已成为分析和优化性能、诊断故障的有效工具。本文将有助于控制和系统工程师对循环流化床锅炉进行建模,以分析正常和异常情况下的电厂性能,并评估不同控制方案的有效性,以满足电厂所有者和运营商所期望的性能标准。

附录-命名法

Aw -管壁表面表面积
C -气体浓度
CD孔放电系数
Db -床身直径
Dp -粒子的直径
G -表面速度
Gs -固体的质量流速
h -净传热系数
k -流体的热导率
kg -气体的热导率
Tb -床温
Tw -壁温
ug -气体的速度
ΔPO -孔内压降
εmf -最小流态化时的空隙率
μ -流体粘度
ρs -床层悬浮密度
ρg -气体的密度
μg -气体的粘度
ρb -局部床层密度
ε -空隙

鸣谢

作者要感谢BHEL, Trichy和企业研发的工程师,海得拉巴进行了有益的讨论。此外,还非常感谢哥印拜陀的Sri Krishna工程技术学院和Sri Ranganathar工程技术学院管理层给予的支持和鼓励。

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数字
图1

参考文献








































































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