流化床燃燒條件下煤燃燒成灰磨耗的簡化方法

在循環(huán)流場燃燒條件下，煤的成灰特征和磨損特征的傳輸過程對整個(gè)流場的性能有重要影響。在模擬實(shí)際條件下，人們研究了流條件下顆粒的粒徑變化，但很難在模擬真實(shí)條件下的流蓄熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺上獲得流蓄成灰的參數(shù)。焦炭顆粒內(nèi)部存在大量的灰核,當(dāng)焦炭顆粒中的含碳成分燃盡以后,灰核之間的連接橋變得非常脆弱,由于碰撞或者顆粒重力即可使得它們斷裂.研究發(fā)現(xiàn),溫度較低時(shí),煤顆粒燃燒形成大尺寸灰顆粒都是來自煤中的矸石,而細(xì)灰粒子通常來自于煤形成過程中沉積下的塵粒組分形成的富灰灰核,這些灰核在一次破裂和焦炭燃燒過程中并不發(fā)生破碎.換言之,在流化床燃燒條件下,燃燒、碎裂和磨耗對最后灰的粒徑分布影響是互相獨(dú)立的.基于這一分析,作者把流化床條件下煤燃燒成灰磨耗特性歸結(jié)到本征參數(shù),把煤在床內(nèi)爆裂和燃盡引起的尺寸減損和顆粒的磨耗看成是相互獨(dú)立的兩個(gè)過程,從而提出利用靜態(tài)燃燒后的冷態(tài)流化得到成灰及磨耗參數(shù)的方法.但冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)仍然比較繁瑣,需要尋找更加簡單的實(shí)驗(yàn)方法.研究發(fā)現(xiàn),流化床中床料顆粒的粒徑變化規(guī)律與其吸收的能量水平有關(guān),而流化床中的顆粒行為可以用振動(dòng)方法模擬.這是因?yàn)榱鲬B(tài)化和振動(dòng)過程中顆粒粒徑變化具有相同的機(jī)理:從系統(tǒng)中獲取能量引起碰撞.本文在文獻(xiàn)的方法基礎(chǔ)上,提出煤顆粒靜態(tài)燃燒后冷態(tài)振動(dòng)篩分的方法.1煤體冷態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括馬弗爐、振動(dòng)篩分實(shí)驗(yàn)臺和冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)臺.實(shí)驗(yàn)使用柳江煤,其工業(yè)分析和元素分析見表1.初始煤樣粒徑為0.05～10.00mm.經(jīng)過破碎,將煤顆粒篩分若干粒徑段.本文以0.6～1.2mm的煤樣I和粒徑范圍為1.2～2.0mm的煤樣Ⅱ?yàn)槔榻B實(shí)驗(yàn)結(jié)果.把煤樣放到電加熱的馬弗爐中加熱,溫度控制在850℃.一段時(shí)間后煤顆粒燃盡.收集灰顆粒并放到流化床和振動(dòng)篩分機(jī)上分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn).振動(dòng)篩分機(jī)的頻率為50Hz,振幅是可以改變的.因?yàn)檠h(huán)流化床與固定床燃燒的根本區(qū)別是在流化床中有劇烈的粒子間的碰撞導(dǎo)致煤顆粒的尺寸衰減和磨耗,所以從一系列的振動(dòng)篩分實(shí)驗(yàn)可以看出振動(dòng)篩分中粒子尺寸衰減的效果.每次實(shí)驗(yàn)的初始灰量相同,以消除床的空隙率對實(shí)驗(yàn)的影響.冷態(tài)的流化實(shí)驗(yàn)臺介紹見文獻(xiàn).將由靜床燃燒獲得某一粒徑煤燃燒制成的灰樣置于流化床中,顆粒在流化空氣的作用下循環(huán)流動(dòng)一段時(shí)間后測量粒徑分布并與振動(dòng)篩分中的同一灰樣進(jìn)行比較.2計(jì)算表及結(jié)果將由某一粒徑段煤在靜床中制得的灰樣放入振動(dòng)篩分中測量磨耗率.圖1和圖2分別為煤樣Ⅰ和煤樣Ⅱ制得的灰樣I和灰樣II在振動(dòng)篩分機(jī)振幅控制在1.5mm時(shí)的結(jié)果.固體顆粒質(zhì)量累計(jì)份額在初始階段(0～30min)變化比較大,這是顆粒相互碰撞引起的顆粒破碎,爾后進(jìn)入相對穩(wěn)定的磨耗階段,與流化床中冷態(tài)的流化完全一致.這表明30min后,對于粒徑尺寸的衰減,成灰特性的影響幾乎可以忽略,磨耗變?yōu)橹饕蛩?對其他粒徑的研究發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律.30min之前即為本征成灰過程,而30min后即為磨耗過程.該結(jié)果與流化實(shí)驗(yàn)具有相同的物理意義.從圖1和圖2中可以看出,顆粒的累計(jì)質(zhì)量份額隨著時(shí)間的增大而增加.當(dāng)細(xì)小顆粒的剝落和子顆粒變得比篩網(wǎng)小時(shí),同時(shí)收集到由更大的顆粒產(chǎn)生的子顆粒.上述實(shí)驗(yàn)與冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,呈現(xiàn)的規(guī)律非常相似.若定義磨耗速率R為R=1WdWdt(1)R=1WdWdt(1)式中:W為固體顆粒的質(zhì)量.以典型的兩個(gè)原始粒徑為例,磨耗速率隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖3.與冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,規(guī)律幾乎完全相同.磨耗速率隨著時(shí)間下降,趨近一個(gè)常數(shù).在磨耗過程中,顆粒的球形度提高.可將磨耗速率R寫作式(2)的形式R=R∞(1+ae-bτ)(2)式中:a和b為參數(shù);R∞為磨耗速度在無窮大時(shí)間后趨近的常數(shù),可命名為最小磨耗速度.通常認(rèn)為顆粒變化過程中磨耗的產(chǎn)物大多是粒徑di<0.09mm的顆粒.則可將累積份額作為磨耗的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行研究.將振動(dòng)篩分和冷態(tài)流化實(shí)驗(yàn)由結(jié)果進(jìn)行處理,回歸出R∞、a和b.表2給出原始粒徑為1.2～2.0mm、振幅為1.5mm時(shí),其與3種流化速度實(shí)驗(yàn)比較的部分結(jié)果.其他結(jié)果不再一一列出.流化過程磨耗速度正比于過余速度的平方Raf=kaf(u-umf)2(3)式中:u為流化速度,m/min;umf為初始流化速度,m/min;kaf為流化磨耗系數(shù)(min-1·m-2).該式表明磨耗速度與顆粒在系統(tǒng)中獲得的能量成正比.而在振動(dòng)篩分過程中,顆粒從系統(tǒng)獲得的能量正比于振幅A的平方.則振動(dòng)篩分磨耗速率Ras可定義為Ras=kasA2(4)振幅對磨耗速率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4.該結(jié)果與相同煤種的流化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果趨勢非常相似.磨耗速率與振幅的平方顯示了良好的線性關(guān)系.假設(shè)振動(dòng)篩分與冷態(tài)流化磨耗速率兩條曲線完全重合,將有kaf=C2(u)kas[C1(u)τ](5)11個(gè)煤種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,C1(u)和C2(u)只與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān).表3給出了部分C1(u)和C2(u)的結(jié)果.考慮兩種實(shí)驗(yàn)方法的兌換關(guān)系,坐標(biāo)線性變換為kas′=C1(u)kas(6)τ′=C2(u)τ(7)以流化速度3m/s和4m/s實(shí)驗(yàn)條件下的磨耗系數(shù)與時(shí)間的變化關(guān)系為例,與振幅1.5mm的振動(dòng)篩分實(shí)驗(yàn)比較,結(jié)果見圖5.其他條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此具有同樣的規(guī)律.可以發(fā)現(xiàn),兩種實(shí)驗(yàn)方法得到的磨耗系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線基本重合.對不同煤種和不同粒徑段的研究結(jié)果均與此相同.提出的流化床煤燃燒成灰磨耗研究方法,是用振動(dòng)向顆粒提供能量引起顆粒間的磨耗模擬流態(tài)化時(shí)的成灰磨耗.成灰磨耗速度除與本身性質(zhì)有關(guān)外,僅與振動(dòng)振幅A的平方及振動(dòng)時(shí)間有關(guān);流化床中磨耗程度與過余速度的平方及時(shí)間有關(guān).成灰磨耗速度與顆粒獲得的能量成正比是這兩種方法具有模擬性的理論基礎(chǔ).按冷態(tài)流化和振動(dòng)篩分兩種方法對淮北洗中煤煤種進(jìn)行最終比較實(shí)驗(yàn),煤質(zhì)資料見表4,對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6.可見,二者吻合得很好.3顆粒碰撞模擬流化床流化床燃燒煤的成灰磨耗過程可以簡化分為燃燒以及相互碰撞產(chǎn)生的成灰磨耗兩個(gè)相對