燃煤流化床中大煤粒脱挥发份的研究.pdf

第 19卷 第3期 1989年5月 东南大学学报 V o l . 19N o . 全 JO U R 入AL G FSO U TH EA S TU 入IVERSIT丫 公口 M a yl,赶9 燃煤流化床中大煤粒脱挥发份的研究 沈湘林 热能工程研究所 摘要在一个电加热的砂子流化床中 , 研究了当量粒径 为5 . 2 6 1 6 . 3 3 mm 烟煤粒的脱挥发份 过程 。 实验 中追踪流 化床自由空间C O Z 的浓度变化 , 测定了批量煤拉 脱去挥发份的时间 , 采用了四种不J a 1 拉径的床针及三种不 同的流化 风载浓度 , 研究了煤杜的加热及床中羲浓度 时脱挥发份过 程的影 响 . 结果表明 床中羲浓度对煤杜脱挥发份的时间有重妥影响 , 而床料杠 径则几乎没有影响 , 这说明在脱挥发份阶段 热辐 封是床向煤拉 传热的主要 方 式 。 关妞词沸腾燃烧 , 煤 , 裂解/ 脱挥发份 日I 会 . J .‘二 目前 , 燃煤流化床已逐步在工 业中应用 . 然而 , 由于其中流态化现象与煤的燃烧现象的 相互叠加 , 人们对煤在流化床中燃烧的机理还没有清楚地了解 , 尤其是煤在流化床中脱挥发 份的过程 . 当煤在流化床中嫩烧时 , 通常在相对较短的时间内 , 挥发份首先大 量析出并燃烧 , 其释 放的热量占煤总发热量相当大的部分 , 有时甚至达到5 0 川 . 因此 , 挥发份的析出及燃烧过 程对流化床的燃烧效率 、 自由空间的温度控制和加煤点的配置都有重要影响 . 研究还表明挥 发份的析出及燃烧过程对污染物NO 二 在流化床 中的形成也有一定影响‘ 2 J , 所以了解煤在流化 床中的脱挥发份过程对于流化床中的燃烧及污染控制都有重要意义 . 通常在流化床中憔烧的煤粒径较大约 11 5mm , 甚至更大 , 而 以前对煤的脱挥发份 的研究大多针对很细的粉煤 , 由于粒径有了数量级的变化 , 过程机理也有了显著不同f l l . 至今 关于大煤粒 脱挥发份过程的研究还不充分 , 发表的论文还不多 ‘’一‘’. 由于大煤粒在流化床 中脱挥发份的过程比较复杂 , 而各人的实验条件 、 设备及测量方法均各有异 , 因而已发表的 一些结果也不太一致 . 为此 , 本文研究床 中氧浓度和煤粒加热对脱挥发份过程的影响 , 以期 加深对问题的理解 . 本文于13 8 8年5月10日收到 . 第3期 沈湘林 燃煤流化床中大煤拉脱挥发份的研究 亏亏 试验工作 试验是在一小型 的 电加热流化床 中进行的 , 流化床由一内径为8 1m m的陶瓷管制成 , 高 为4 5 。m 见图1 . 为使气体分布均匀 , 采用多孔陶瓷板作为 分布板一只圆筒形电炉夸在床外加热该床 , 控制电炉调压器 , 使床温保持为850℃ . 床内采用砂子作为床料 , 为研究床料粒径 对脱挥发份过程中传热的影响 , 分别采用了四种不同粒径的砂 子作为床料 , 其平均直径分别为0 . 1 49m m , 0 . 2 62 n lm , 0 37 7m m 及 o . 61 0mm . 它们的临界流化速度在850℃时由实验测定 . 试 验中静止床高均为 12cm , 为使流化状态相似 , 不 同粒径的砂 子床中采用相同的流化数 , 即同取 u/“耐 一3 . 流化风中的氧浓 度用掺混氮气的方法进行控制 , 为了研究不 同氧浓度对脱挥发 份过程的影响 , 实验中采用了氧浓度分别为3 , 1 0 及21 的流化风 . 用一支忆稳定的氧化错探针测量自由空间的氧浓度 , 探针 头部距床面巧 c m . 为了计量准确 , 保持探针有 稳定的温度 , 另用一只小的圆筒形电炉保持探针温度为动。℃ . 在探针外部 包有 Z m m 厚的陶瓷纤维毡作为过滤网 , 以防止灰尘等污物使 权化倍 c仇取禅 俪 后缪 刃叼 献 邵 探针恤诬 加热电护 阅压每 愧化床/ 转子流皿什 厂 . 自†日日丫l巧 探针中毒失效 . 自由空间的 C O Z 浓度由红外线CO Z 分析仪测量 , 探针头部附近 . 所有测量数据均用自动平衡记录仪连续记录 . 图1试脸装置示意图 它的取样探针位于氧化错 试验用煤是 一种烟煤 , 其成份分析结果在表 l 中给出 。 试验的煤样经过精心处理 , 先将 大煤块破碎 , 筛分取大小相近的颗粒 , 然后用夹钳 、 锉刀将每粒煤修整得近似于球形以减少 形状差异对结果的影响 , 最后按重量将煤粒分为3 9 , 1 . 59 , 0 . 59和0 . 1 9 四级 , 其误差为 1 . 它们的当量直径分别为 16 . 33m m , i2 . 96mm , 8 . 99m m和5 . 26mm . 裘 1 试验用烟煤成份分析 工业分析分析签元素分析分析基 碳氢硫氮氯氧 热值 56 . 5 33 . 8 5 . 1 4 . 6 3 086 0k J/kg 7 4 . 90 4 . 94 1 . 88 1 . 70 0 . 56 6 . 88 试验中按批将煤由流化床上方投入床内 , 重量均为3 9 . 每批中煤粒大小相同 , 即粒径 1 6 . 3 3 mm , 每次投入一粒3 9; 粒径8 . 9 9 mm , 每次投入6粒共39 , 其余类推 。 这样 , 每 批煤重旦相同 , 若煤粒尺 一寸越小, 其表面积越大 , 其挥发份析出也越快 . 乓势乙 东 南大学学李 皮 1夕宫夕羊 试验中先将由前述某种粒径的床料和某个氧浓度的流化风所形成的流化床加热到85 0℃ , 然后投入煤 , 测量自由空间气体成份的变化 . 相同工况重复3次 , 结果取平均值 . 2 结果及讨论 2 . 1 测皿方法 以前在燃煤流化床中研究大煤粒的脱挥发份过程一般采用失重法或火焰观察法 . 这两种 方法都有其不可避免的缺点 . 鉴于在一定条件下挥发份燃烧要比剩余碳的燃烧强烈得多 , 因 此在燃烧产物中必然有所反映 . 据此 , 本文根据 自由空间CO Z 浓度变化来测定床中大煤粒的 脱挥发份过程 , 这样既不干扰煤在流化床中的运动 , 又可 排除人的观察误差 . 实验中 , 在煤粒入床 125 以内即 在煤粒周围产生挥发份燃烧的扩散火焰 , 自由空间CO 浓度猛烈上升 , 取CO 浓度开始上升的时刻作为脱挥发 份的开始时刻 , 和整个脱挥发份的时间相比 , 挥发份着 火孕育期所引起的 误差可以忽略 。 实验得到的脱挥发份 过程中CO 浓度变化的典型 记录曲线示 于图2及图3中 . 由图中可见 , 在床中氧浓度较高的工况 图2 和氧浓 度较低的工况下图3 , 记录曲线稍有不同 . 但都可以 发现在开始阶段CO Z 的浓度很高 , 然后比较突然地变化 到一个比较平缓的区域 . 实验表明 , 后者标志着比较缓 慢的碳的燃烧过程 , 而前者标志着挥发份的强烈燃烧过 程 。 关于挥发份析出过程和碳的燃烧是否能截然分开 , 存在不 同意见 有人认为两者之间有很大重叠 , 有人却 认为挥发份完全燃烧后 , 碳才开始燃烧 . 本文实验曲线 表明 , 两者之间的重叠和床中氧浓度有一定关系 . 在图2 中工况 下 , 床 中所达到的最低氧浓度相对较高 1 0 一‘ Pa , 图中出现低谷点 A . 这意味着挥发份已燃尽时 , 碳表面刚开始燃烧 . 因为把纯焦碳投入床中时可以发现 C O Z 浓度变化类似于图 2 中A点以后的情况 , CO 浓度 有个缓慢上升的过程 , 这意味着两者的重叠是不大的 。 但在床中氧浓度较低时图3 , CO 浓度由下降直接 床祠拉径 。6 1 如. 烘拉 , 汉】‘ 制倪 . 8 左一 一一一 面而二 ’ 一 ’ 一 图2 CO Z 浓度 实验记录 床材拉径 煤拉 O“叭幻曰 ‘xOJ‘ 认场 r n只 † 阅一 图3 C O Z 浓度 实验记录 转为平缓 , 不 再有低谷点A , 这标志着挥发份燃烧停止时 , 碳表面已开始燃烧 , 两者有一定 的重叠 , 然而在此工况 下 , 图中B点还可明显区分两者 . 在图中A点或B点以后的燃烧阶段 主要是碳燃烧 , 剩余挥发份的析出即使有也很微弱 , 相对于此时 碳的嫩烧来讲可以忽略 . 从燃烧的 角度来看 , 可以取图中A点 、 B 点的时刻作为脱挥发份的停止时刻 . 这样可以从 C O , 的浓度记录曲线上得到煤粒在床中脱挥发份的时间 . 应当指出 的是在床中最低氧浓度降 至JnPa以下 的工况中 , 煤投入后产生大量烟黑 , 烟黑的 出现 干扰了 测量结果 , 使这种测量 方法失效 。 ‘‘. 第3期 沈湘林 燃煤流化床中大煤粗脱挥发份的研完 裸位在脱挥发份阶段的传热过程 煤粒脱挥发份主要受床温 以及加热速率的影响 , 根据W iok 。 和 Fet ti ng t”‘ 」的研 究结 果 , 床料粒径对浸在其 中物体的对流传热系数有一定影响 , 床料越细 , 传热系数越高 , 其实 验中床料及浸没物尺寸与本实验相近 . 其他一些研究者也得到相似的结论 . 基于这个事实 , 本实验中在相同床温及相同流化数下 , 更换四种不 同粒径的床料 , 以期获得其影响规律 , 试 验结果示于 图 4 中 . 从图中看不 出煤粒粒径变化对脱挥发份时间有明显的影响 . 除了较小煤 媒媒校直径m m 。。 16j 3 吞 12 . 96 8 . 99 一 , . 26 6 6 口口.. . - .州州含一 . - .心 一 - .刃 刃 ‘‘卜 -心 .州 叫‘. . . 尸尸一一- 一J ‘- 一- , , 言言一古一一 一一 煤煤粒直径m m 0 0 0 16 . 33 0 12 . 96 . 8刀9 ‘ 5 .2 6 6 6 一一- 一T-一嘴 . 一- 一一 ‘‘一一一山一盛 . 一 . 一 一 之之不二二二 二 1 8 01 6 01 4 01 2 01 0 0 6 0 8 0钓2 0 公 „足言丰洲耸鑫 刊 s 宫曹 绍茸趁 珠料辛立径m m 。 流 化风氧浓 度2 1劣 0 . 10 . 20 . 30 一4 床料拉径m m b 流化风级浓 底 1 0万 图4脱挥发份 时间 与床杆粒径 的关系 粒以外这将在下一节讨论 , 所有曲线几乎都是水平的 . 其差异产生的根源在于W i cke 和 Fet ti n g 在冷态流化床中进行试验 , 仅给出对流传热规律 , 而煤粒在流化床中脱挥发份时 , 除床料及气流对煤粒的传热外 , 煤粒还被高温的挥发份火焰包围 . 实际观察到在脱挥发份阶 段煤粒仍然为低温的黑色表面 17 ] , 因此 , 两者之间还有强烈的辐射换热 . 此外 , 析出的挥发 份在从煤粒内部向外喷发形成的物质流还会削弱其表面的对流换热 . 床料粒径对脱挥发份时 间没有影响 , 意味着在此阶段对煤粒的加热主要是通过挥发份火焰及床料的辐射 进行的 . P i ll ai l s } 将热电偶埋在煤粒内部测量了床层和煤粒间的传热系数 , 发现其数值比典型的床内 对流换热的数据耍小 , 而与床 内辐射换热系数的数量相当 , 这和本文的工作相互印证 . 床中叙浓度对脱挥发份 的影晌 实验表明 床中氧浓度较低时 , 氧浓度对挥发份 的燃烧有很大的影响 ; 而在氧浓度较高时 , 却影响很 小 . 其结果示于 图 5 中 . 图中C是脱挥发份过程中无 量纲的总耗氧量 . C 二C , /C Z, C 是脱挥发份过程中 实际耗氧量 , 它由进入流化床的总氧量减去排出流化 床的总载量得到 , 而后者由积分自由空间中氧浓度记 录曲线得到 , 其 中忽略了析出的挥发份对流化风流量 的影响 . C 取燃尽 39该种烟煤所需的理 论氧量 , 这 可由煤的成份分析计算得到 。 图中F是床中相对供氧 、、 。。 厂厂一一 图5 无量纲耗氛量C与相时供 乳量F之间的关系 亏左东 南 大学学才 皮 j夕占9 年 量 , FF , /F Z. F 是供给流化床的氧质量流量 , F Z 是床内挥发份的平均质量流量 , 它由 从煤的工业分析中得到的3 9煤中的挥发份含量除以测得的脱挥发份时间得到 . F反映了此 过 程中床内氧过剩的程度 . 从图5中可以看到 , 当供氧量较低时大约F 5 , 随着床内供氧量增加 , 耗氧 量不再变化 , 这表明析出挥发份已能在床内完全燃烧 , 挥发份量是一定的 , 因而耗氧量也是 一定的 , 多余的氧气不再起作用 。 挥发份在析出过程中的燃烧情况 , 对脱挥发份的时间有重要影响 . 挥发份逸出煤粒后在 煤粒附近形成的扩散火焰包围了煤粒 , 床 中氧浓度的高低会影响火焰的燃烧强度 , 本文实验 已发现在此阶段床中煤粒加热主要是通过热辐射进行的 , 因此 , 挥发份在煤粒附近的燃烧情 况会直接影响对煤的加热率 , 从 而最终影响脱挥发份的时间 . 图6中按四种不同的煤粒径给 出实验结果 , 它们表明了不同的床内供氧量与相应的脱挥发份时间之间 的关系 . 为了对照方 便 , 图中也标出了相应的无量纲耗氧量C的曲线 . 由图可见 , 在相对供氧量较低F 5 后 , 析出的挥发份在床内能完全燃烧 , 此时相对供氧量对脱挥发份时 间也儿乎没有影响了 . 因此 , 床 内氧浓度是通过影响挥发份的燃烧而间接影响煤粒脱挥发份 过程的 。 . 、 y砂 浩蓄申叭 卜 滋 , , ‘ 一一 C C C . 一一 下下卜一 J- - 一 “‘ ‘ . . . 卜 界一一一 了了了 南助1 c o脸 的陌 ‘ 、 1 度留申眺址公 1 2 0 1 4 0旧 s 0 的 4 0 加0 t t t . 一一 C C C . 一 _ - - - 冬冬二三 三 a 床中加煤30 x 0 . 19 每校煤。 . 1 9 , 直径5 . 2 6 口m b 末中加煤s x o . sg 每位煤。 . 5 9 , 直径8 . 9 9 mm - 、 Ž l 自留由 州抬昌 吻助 咖 阴6 0 4 0 加 , , 自一 一 ‘‘ . ,-一, , 叉叉 ‘ . 。 _ _ _ _ ___ _ _ 嘀嘀又、‘落 落 , , . ’ 本本 下下下 广广广 、、一 一 门门 ‘- 一 万 ----- 一 下下 c 床中加煤Z xi . sg 每拉煤1 . 5 9 , 直径12 . 96mm d 床中加煤l x 3g 每控煤39 , 直径1 6 . 3 3m m 图6脱挥发份时 间及无黄纲耗羲贡C与相时供载童F之间的关系 现在可以讨论图4中煤粒粒径小时曲线发生倾斜的异常情况 . 小粒径床料有利于对流换 热 , 若床料粒径变化能产生影响 , 则在较细床料中应得到较短的脱挥发份时间 . 然i可 , 实际 第3期 沈湘林 燃煤流化床中大煤粗脱挥发扮的研完 亏 夕 情况却相反 , 床料越细 , 脱挥发份时间越长 . 这说明曲线的倾斜不是 由于床料粒径变化引起 的 . 其原因仍在氧浓度的变化 . 因为 , 煤的粒径越小 , 每批煤的表面积越大 , 单位时间内析 出的挥发份越多 , 结果造成相对供氧量越低 . 若相对供氧量F没有低到 F5 的范围内 , F 的变化显示 不出影响 , 因此 , 对较大煤粒的工 况 , 在流化风中氧浓度较高 为1 0及 2 1 时 , 曲线是水平或接近水平 的 . 而对最小煤粒的工 况 , 相对供氧量已落在F 5 的范围内 . 因实验中流化数固定 , 故细砂床的流化风量较粗砂床小 , 而供煤情况相同 , 因而细砂床中相 对供氧量较低 , 较低的相对供氧量导致了较长的脱挥发份时间 , 结果使图4中最小煤粒工况 的曲线出现了倾斜 . 2 . 4 不同浦t 方法结果的比较 一些研究者认为 〔”’, 煤粒内部的传热及挥发物在煤粒内的扩散过程决定了脱挥发份 反应的速率 , 这个看法得到了煤在热氮气流化床中热解数 据的证实 . 其脱挥发份时间表示 , 矛 / /尹 . 了t 为 t一A d N . 这里 , t是煤粒脱挥发份时间 , A 是比例常 数 , d 是煤粒直径 , 其指数N 2 受煤种影响很小 . 但 另外一些研究者 『一’。’在 有燃烧的流化床内用观察火焰 法得到的脱挥发份时间要短一 些 , 导致了上式 中N 2 的数值 . 有人认为这是火焰观察法的 误差引起的 , 因 为火焰熄灭时脱 挥发份过 程还 没有停止 。 本文采用上 述追踪CO Z 浓度的方法测量 了当量直径为 16 . 3 3 m m , 12 . 9 6m m , 8 . 99 mm及5 . 26mm 的单个煤粒在热空气流 化床中的脱挥发份时间 , 试验结果与其他一些研究者的 结果一起示 于图 7 中 . 由图可见 , 相 同直径的煤粒在有 燃烧时的脱挥发份 时间均比无燃烧时短 , 火焰观察法可 能会导致较短的脱挥发份时间 , 但这不是间题的全部原 因 。 本文的研究结果表明 , 挥发份在煤粒周围燃烧情况 对煤的脱挥发份过程有重要影响 , 在床中氧浓度低到某 种程度后 , 较低的氧浓度导致较长的脱挥发份时间 , 按 此趋势推测 , 在惰性气体中可有最长的脱挥发份时间 . 了/ ‘ , .尸 柳伪 加4 0 的 、 Ž 厄 留匀斜软暇 。节 121‘ 裸位立径‘/功. 图 7 脱挥发份时间与煤粒直 径之间 的关系 l 撼气流化床中 ssoO C12] . B 以111 煤 .G r eta 煤 0 G r eat N orthe n 煤 2Pillai 火焰观察法结果 8 75 OC [10] 3▲本文 实验结果8 5 0 O C 因此 , 有嫩烧时脱挥发份时间的缩短不可完全归结为火焰观察法的不精确 , 燃烧火焰增强了 向煤粒的传热是一个很重要的因素 . 3 结论 本文试验研究表明 , 追踪排气中CO 浓度的方法在一定范围内可比较精确地测定大煤粒 在热空气流化床中的脱挥发份时间 . 大煤粒在流化床中脱挥发份阶段 的加热主要是通过热辐 射进行的 。 床料粒径变化只影响两相系统的对流换热 , 因而床料粒径在一定范围内的变化不 能影响大煤粒的脱挥发份过程 . 在床 中相对供氧量较低 F 5 后 . 供氧量的变化不再能影响大煤粒的脱挥发份时间 , ‘力 东南 大 学 学报 j98夕年 参 考 文 献 Stubing to nJ F and S u m aryo r o . Fu el , 198 4, 63 1013 Pr ad eep KA , eta l . F u el, 1984 ; 63 1157 L ana uze RD . F uel, 1982,61 7 71 E s se n highR H . A SMET ra n s一J En gin e ering Pow er , 1963;85 183 K u n iiD , L eve n siPiel 0 . Fluidiz atio n E n gin eering , John W il ey 61 17 Pil laiKK , J of Insto f E n erg y , 19 85 ; 58434 3 R ag la n dK W , W eis s CA . E ne rg y , 1979 ; 4 431 PillaiKK , J o f In stof E n e rgy , 1981; 5414 2 ‘ 土, 曰 OJ月峪 56759 1 0 De v ola t il i za t ion o f Lar g e Coal Par ti eles in a Fl uidized Bed Combu stor She nXfa ng li” T h e rma l E n e rgy E n gin e e r ingR e s ear e hIn stitute Abstra et The Pr o e ess o f d evo latiliz atio no f la rg eeoal p a rtie l es 15 ex Perim en - tallyin vestiga ted . In the ex p e r im e n t , eo al p a rtieles with diam cte rso f5 . 26 16 . 33m m w e r e , inb ate he s , d r o p p ed into asmallele etr ie al lyhe a ted sa n db ed whieh15 fl u idiz edby a ir . Tl zesa n d siz eo ftheb eda n d tl lcox y g eneo n een tr a - tio no f fluidizing air w erevar ied . O x yg e nan d e ar bo ndio xid ee o n e e n tratio n s in the fre eb o a rdo f tl le b ed w ere m ea s u r ed . It15fo u nd thatthe o x y g e n eon een tr atio no ffluidizing air ha s e e rta ininflu eneeoneoa ld evo l a tiliz atio xz tim e , b ut the bed s an d siz e ha sIittl eeffeetson it . Thisindie ates tl iattl ie he at r ed iatio n 15 thePr ev a ilingm eehan ism o f he at transfer b etwee n bed a n d eo al Partiele s in tl ie sta g eo f d evo l a tiliz atio n . Key words fluidiz ed eo mb u stio n , e o al, py ro lysis / d ovo lat ,liz a tio n