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    鼓泡流態(tài)化燃燒氣固流態(tài)與NOx濃度的關(guān)系規(guī)律

    2022-03-29 23:07:48鄧尚致姜華偉聶茂峰黃玉林張洪瑋郭慶杰王翠蘋
    關(guān)鍵詞:流態(tài)化準(zhǔn)東柏木

    鄧尚致 姜華偉 聶茂峰 黃玉林 張洪瑋 郭慶杰 王翠蘋

    文章編號:10069798(2022)02008807;DOI:10.13306/j.10069798.2022.02.014

    摘要:針對在流化床中密相區(qū)的氣固流動行為與污染物NOx之間關(guān)系規(guī)律和影響機制的問題,本文借助鼓泡流化床反應(yīng)器,研究了準(zhǔn)東煤和柏木在不同床內(nèi)溫度、流化風(fēng)速和給料速率條件下燃燒時煙氣中NOx的濃度,并利用功率譜密度分析法分析了流化床內(nèi)氣固流態(tài)。結(jié)果表明,隨著溫度的升高,床內(nèi)流化氣體密度降低,使得床內(nèi)截面氣速增加,鼓泡流態(tài)化更加劇烈,促進(jìn)了氣固混合與接觸,從而使煙氣中NOx含量顯著增大。適當(dāng)提高流化風(fēng)速,有利于床層形成充分的鼓泡流態(tài)化,使燃料燃燒更加充分,但流化風(fēng)速過大,也會導(dǎo)致煙氣中NOx排放濃度上升。通過降低給料速率,會導(dǎo)致床層高度降低,抑制鼓泡流態(tài)化的充分發(fā)展,減弱氣固混合和接觸的強度,產(chǎn)生還原性氣氛,使得NOx濃度降低。該研究對進(jìn)一步優(yōu)化循環(huán)流化床爐內(nèi)氣固流動狀態(tài),降低NOx的排放具有重要意義。

    關(guān)鍵詞:

    鼓泡流化床;氣固流態(tài)化;氮氧化物;壓力波動;污染物排放

    中圖分類號:TK16;TK277.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    近年來,我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展,隨之而來是一系列大氣環(huán)境污染問題[13]。燃燒污染物排放是大氣污染的來源之一,其中氮氧化物是煤、生物質(zhì)、生活垃圾等多種燃料燃燒的主要污染物之一[4]。循環(huán)流化床(circulatingfluidizedbed,CFB)鍋爐采用低溫燃燒,能夠有效降低NOx原始排放量,而鼓泡流態(tài)化是其密相區(qū)燃燒的氣固流動形式,因此,研究鼓泡流化床氣固流態(tài)對NOx排放濃度的影響具有重要意義[5]。然而,隨著CFB鍋爐參數(shù)和容量的提高,爐膛截面積不斷增加,控制氣固兩相流動困難,流動狀態(tài)變化引發(fā)的問題越來越突出。例如,對于300MW以上等級的CFB鍋爐,在單爐膛、單布風(fēng)板的鍋爐爐膛中,時而發(fā)生床層流化不均勻引起的床層兩側(cè)壓力大幅度、交替波動的現(xiàn)象[6]。流化床內(nèi)氣固流動行為對床內(nèi)反應(yīng)特性和污染物的生成有重要影響[7]。CFB鍋爐床層流化不均勻會引起床溫分布不均,導(dǎo)致密相區(qū)燃燒效率分布不均[8]。研究結(jié)果表明,強烈的還原氣氛可以減少NOx排放[910]??孪,|等人[1112]研究發(fā)現(xiàn),實現(xiàn)NOx原始超低排放,需要提高整個爐膛的還原性氣氛,而反應(yīng)氣氛與氣固流動狀態(tài)密切相關(guān),根據(jù)兩者的關(guān)系,提出了一條低氮燃燒技術(shù)路線。鑒于此,國內(nèi)外關(guān)于流化床密相氣固流動行為和反應(yīng)特性、污染物生成的關(guān)系規(guī)律和影響機制的研究甚少。本文利用熱態(tài)鼓泡流化床實驗裝置,對氣固流動狀態(tài)及其引起的壓力波動對NOx排放濃度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究,通過改變流化床的運行參數(shù),包括床內(nèi)溫度、流化風(fēng)速以及給料速率,探究密相區(qū)氣固流態(tài)與煙氣中NOx濃度的關(guān)系規(guī)律,本研究為進(jìn)一步優(yōu)化CFB爐內(nèi)氣固流動狀態(tài),降低NOx的排放有實際應(yīng)用價值。

    1實驗裝置與實驗方法

    1.1實驗物料

    以準(zhǔn)東煤和柏木為燃料,燃料的平均粒徑為200μm;石英砂作為床料,平均粒徑625μm,床料真實密度為2650kg/m3,床料質(zhì)量1.2kg,床料堆積高度為0.0272m。使用空氣作流化介質(zhì),根據(jù)最小流化速度計算公式[13],得出石英砂的最小流化風(fēng)速umf=0.19m/s。準(zhǔn)東煤與柏木的工業(yè)和元素分析如表1所示。元素分析中,各元素的下角標(biāo)d表示干燥基;O*d的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過差減法計算獲得;下角標(biāo)ad表示空氣干燥基;Mad為空氣干燥基水分;Vad為空氣干燥基揮發(fā)分;Aad為空氣干燥基灰分;FCad為空氣干燥基固定碳;Qad,net為空氣干燥基低位發(fā)熱量。根據(jù)表1中的成分分析,準(zhǔn)東煤和柏木固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低,導(dǎo)致發(fā)熱量也相對較低,兩者的N成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.38%和0.2%。

    1.2實驗裝置

    流化床實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,流化床實驗裝置是由熱態(tài)鼓泡流化床、送風(fēng)系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、尾部煙氣處理裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。熱態(tài)鼓泡流化床包括風(fēng)室、爐膛、風(fēng)帽式布風(fēng)板、隔板、排渣口和電加熱層等。流化床布風(fēng)板以上的床內(nèi)橫截面尺寸為0.25m×0.08m,高為0.45m。利用上下隔板將爐膛等分為3個橫截面尺寸為0.08m×0.09m的流化室,以增加固體顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間。爐膛四周貼敷10kW陶瓷加熱板,外層利用0.2m厚度的石棉保溫。布風(fēng)板上布置有48個風(fēng)帽,開孔率為2.3%。風(fēng)室內(nèi)置16根電加熱管,并以套片方式安裝0.5mm厚度的翅片。尾部煙氣處理部分包括旋風(fēng)分離器、布袋和收縮煙管,旋風(fēng)分離器起到除塵的作用,收縮煙管可以防止空氣回流而影響煙氣分析儀的測量結(jié)果。

    型號為Y28012的羅茨鼓風(fēng)機提供空氣,在3個送風(fēng)管道上分別安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計,量程為10m3/h。壓力信號測點安裝在爐膛左右側(cè)壁面的上部和下部,以及風(fēng)室前壁面上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由LFJYL6XCY型差壓壓力傳感器,NIUSB6000型數(shù)據(jù)采集卡和計算機構(gòu)成。差壓壓力傳感器量程為0~5kPa,精度0.5%F.S.。

    1.3實驗過程

    實驗過程中,由羅茨鼓風(fēng)機提供流化床所需的流化風(fēng)。通過閥門調(diào)節(jié)流化風(fēng)量大小,根據(jù)爐內(nèi)溫度和壓強下對應(yīng)的空氣體積換算出相應(yīng)流化室的流化風(fēng)速。給料系統(tǒng)由兩級螺旋給料器組成,調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,將燃料定量送入爐膛。準(zhǔn)東煤和柏木燃燒的實驗工況如表2所示。

    在不同運行工況下,測量3個風(fēng)室靠近布風(fēng)板位置的壓力波動信號,并分別測量左側(cè)和右側(cè)流化室的密相區(qū)底部以及爐膛上部壓力波動信號。通過LabVIEW軟件控制采樣頻率為100Hz,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時記錄和存儲,用于表征爐膛內(nèi)的氣固流動狀態(tài)。利用煙氣分析儀(KANE9506)實時測量經(jīng)過旋風(fēng)分離器除塵后的尾部收縮煙管內(nèi)排放的煙氣成分含量變化。對實驗測量的壓力信號,采用Matlab軟件程序進(jìn)行分析,得到反映爐內(nèi)氣固流態(tài)變化的功率譜密度分布圖。-

    1.4壓力波動分析方法

    流化床壓力波動信息包涵氣固流態(tài)化中氣泡的形成、合并、分裂和在床面的爆裂,以及床層質(zhì)量振蕩和氣流波動所引起的壓力波動[14]。因此,壓力波動特征的變化能夠反映流化床內(nèi)的氣泡行為、顆粒運動狀態(tài)、流型變化、甚至局部結(jié)渣和流態(tài)化停滯等變化狀態(tài)[15]。鼓泡流化床中壓力波動信號為低頻信號,研究者普遍認(rèn)為波動頻率在0~50Hz[16]。

    本文分析的床內(nèi)壓力波動功率譜密度分布,選用一段燃燒室單個測點的壓力波動,將去除平均值后的原始信號自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換。得到信號功率譜密度,用以表示在頻率域上波動能量的分布,頻率域范圍為0~50Hz。根據(jù)功率譜密度分布,可以分析壓力波動的幅度、頻率域分布和主頻,將其作為判斷流化床內(nèi)流型、氣固流態(tài)變化的指標(biāo)[15,1719]。

    2實驗結(jié)果與分析

    2.1準(zhǔn)東煤流態(tài)化燃燒與煙氣中NOx濃度的關(guān)系

    1)床溫對準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx的影響。

    當(dāng)準(zhǔn)東煤在爐膛溫度分別為810,860和900℃,相同的給料速率qs=44g/min,表觀風(fēng)速ug=0.32m/s時,準(zhǔn)東煤燃燒工況功率譜密度分布如圖2所示。主頻在25Hz附近,驗證了鼓泡流化床壓力信號為低頻信號。由圖2可以看出,爐膛溫度從810℃升高到860℃時,峰值頻率集中,說明氣泡相對均勻,顆粒粒徑分布范圍變窄。爐膛溫度為900℃時,在5Hz和33Hz附近出現(xiàn)了明顯的峰值,峰值頻率越低,說明氣泡越大,反之氣泡越小,說明900℃時同時產(chǎn)生了較多的大氣泡和小氣泡。隨著爐膛溫度的升高,功率譜密度值有一定程度的增大,說明氣固運動更劇烈,鼓泡流態(tài)化在增強。

    在不同床溫下,準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度變化如圖3所示,結(jié)果表明隨著爐膛溫度的升高,準(zhǔn)東煤流化燃燒產(chǎn)生的煙氣中,NOx的質(zhì)量濃度逐漸增加。準(zhǔn)東煤NOx的質(zhì)量濃度在810℃時最低,穩(wěn)定在30mg/m3左右,而在900℃時最高,穩(wěn)定在60mg/m3左右。原因是隨著溫度的升高,床內(nèi)流化氣體密度降低,使床內(nèi)截面氣速增加,鼓泡流態(tài)化更加劇烈,促進(jìn)了氣固混合與接觸,從而使煙氣中NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增大。此外,溫度升高還降低了燃燒室中焦炭和CO的質(zhì)量濃度[20],破壞還原性氣氛,在一定程度上阻礙了NOx的還原過程。因此,燃燒溫度的提高,加快了流化床內(nèi)鼓泡的發(fā)展,不利于減少NOx污染物的排放。

    2)流化風(fēng)速對準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx的影響。

    準(zhǔn)東煤燃燒工況a4的功率譜密度分布如圖4所示,與圖2a對比,在相同的床溫T=810℃和給料速率qs=44g/min時,增大ug后,主頻的峰值有明顯增大,出現(xiàn)多個不同頻率的峰值,表明流化風(fēng)速增加,有更多數(shù)量的小氣泡和少量大氣泡產(chǎn)生,床內(nèi)壓力波動更加劇烈。流化風(fēng)速增加,促進(jìn)了氣泡的生長[1719],大氣泡加大了對床層和氣泡周圍顆粒的擾動。

    在不同流化風(fēng)速下,準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx的質(zhì)量濃度變化如圖5所示,由圖5可以看出,準(zhǔn)東煤在810℃燃燒時,ug從0.32m/s增加到0.53m/s,NOx的質(zhì)量濃度從30mg/m3左右增加到40mg/m3左右。因為提高流化風(fēng)速,有利于床層形成充分的鼓泡流態(tài)化,使燃料燃燒更加充分,但是流化空氣量過大,也會導(dǎo)致煙氣中NOx排放質(zhì)量濃度上升。此外,流化風(fēng)速增加后,流化床內(nèi)氣泡的尺寸和產(chǎn)生速率也增加,氧的質(zhì)量濃度增大,在一定程度上增加了揮發(fā)分氮和焦炭氮的氧化,也阻礙了產(chǎn)生NOx的還原[11,20]。

    3)給料速率對準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx的影響。

    準(zhǔn)東煤燃燒工況a5的功率譜密度分布如圖6所示,與圖2a對比可知,在給料速率降低之后,鼓泡流化床的壓力波動幅度減小,這是因為床內(nèi)物料量減少,密相床高降低,導(dǎo)致最大氣泡直徑減小。

    在不同給料速率下,準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度變化如圖7所示,在降低給料速率之后,由于送入爐膛內(nèi)的燃料質(zhì)量減少,煙氣中NOx質(zhì)量濃度明顯降低,I.NAYDENOVA等人[21]的研究也有相似的結(jié)論。給料速率增加到一定程度,隨著燃料的繼續(xù)給入,爐膛內(nèi)的完全燃燒所需的空氣量可能不足,并且在床料量較少的情況下,有可能抑制鼓泡流態(tài)化的充分發(fā)展,減弱氣固混合和接觸的強度,產(chǎn)生還原性氣氛,使NOx的質(zhì)量濃度降低。

    2.2柏木流態(tài)化燃燒與煙氣中NOx質(zhì)量濃度的關(guān)系

    1)床溫對柏木燃燒煙氣中NOx的影響分析。

    當(dāng)柏木在爐膛溫度分別為810,860和900℃,相同的給料速率qs=16g/min,表觀風(fēng)速ug=0.30m/s時,柏木燃燒工況功率譜密度分布如圖8所示。由圖8可以-

    看出,爐膛溫度對功率譜密度影響不大,這是由于柏木密度較小,氣泡不易生長。

    在不同床溫下,柏木燃燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度變化如圖9所示,由圖9可以看出,隨著爐膛溫度的升高,柏木流化燃燒產(chǎn)生的煙氣中NOx的質(zhì)量濃度逐漸增加,與準(zhǔn)東煤燃燒煙氣中NOx有著類似的特征,提高溫度不利于減少NOx污染物的排放。

    2)流化風(fēng)速對柏木燃燒煙氣中NOx的影響分析。

    柏木燃燒工況b4的功率譜密度分布如圖10所示,與圖8b對比可知,在給料速率和床溫相同條件下,由增大空氣系數(shù)導(dǎo)致的流化風(fēng)速增大,峰值有明顯增大,-

    峰值頻率也在增大,說明氣泡數(shù)量增多,同時有相對大的氣泡產(chǎn)生,另外在0~5Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的峰值,說明有小氣泡的數(shù)量在增加。

    在不同流化風(fēng)速下,柏木燃燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度變化如圖11所示。由圖11可以看出,柏木在860℃燃燒時,ug從0.30m/s增加到0.44m/s,NOx的質(zhì)量濃度從23mg/m3左右增加到46mg/m3左右。流化風(fēng)速的提高,促進(jìn)了鼓泡流態(tài)化,使燃料燃燒更加充分,但是流化空氣量過大,導(dǎo)致煙氣中NOx排放的質(zhì)量濃度上升。

    3)給料速率對柏木燃燒煙氣中NOx的影響分析。

    柏木燃燒工況b5的功率譜密度分布如圖12所示,對比圖10可知,在床溫和送風(fēng)量相同時,降低給料速率導(dǎo)致壓力波動幅度明顯下降。

    在不同給料速率下,柏木燃燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度變化如圖13所示,由圖13可以看出,降低柏木給料速率之后,煙氣中NOx濃度明顯降低,這與準(zhǔn)東煤的結(jié)果相似,在床料量較少的情況下,有可能抑制鼓泡流態(tài)化的充分發(fā)展,產(chǎn)生還原性氣氛,降低了NOx質(zhì)量濃度

    3結(jié)束語

    本文主要研究了流化床內(nèi),準(zhǔn)東煤和柏木兩種燃料流態(tài)化燃燒中煙氣污染物NOx排放和床內(nèi)壓力波動的影響。溫度的提高有利于準(zhǔn)東煤在鼓泡流化床內(nèi)燃燒時氣泡生長,而柏木密度較小,氣泡則不易生長。要降低兩種燃料煙氣中NOx生成量,都應(yīng)適當(dāng)降低流化床運行溫度。提高流化風(fēng)速,有利于床層形成充分的鼓泡流態(tài)化,使兩種燃料燃燒更加充分,但是流化空氣量過大,也會導(dǎo)致煙氣中NOx排放濃度上升。若流化空氣量過低會造成床內(nèi)壓力波動頻域范圍擴大,鼓泡流化床狀態(tài)遭到一定程度破壞,同樣不利于物料的充分燃燒。降低給料速率導(dǎo)致床內(nèi)初始物料量減少,密相床高降低。由于送入爐膛內(nèi)的燃料質(zhì)量減少,煙氣中NOx質(zhì)量濃度明顯降低,由于較低床高抑制了鼓泡流態(tài)化的充分發(fā)展,減弱氣固混合和接觸的強度,產(chǎn)生還原性氣氛,使NOx質(zhì)量濃度降低。該研究對進(jìn)一步優(yōu)化循環(huán)流化床爐內(nèi)氣固流動狀態(tài),降低NOx的排放具有重要意義。

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    DENGShangzhi1,JIANGHuawei1,NIEMaofeng1,LIYe1,HUANGYulin1,ZHANGHongwei1,GUOQingjie2,WANGCuiping1,3

    (1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China;

    2.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficiencyUtilizationofCoalandGreenChemicalEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China;

    3.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)-Abstract:

    ToaddresstheissueoftherelationshiplawandinfluencemechanismbetweenthegassolidflowbehaviorinthedensephasezoneinfluidizedbedandthepollutantNOx,thispaperinvestigatestheconcentrationofNOxinthefluegasofquasieastcoalandcypressduringcombustionatdifferentinbedtemperatures,fluidizationairvelocitiesandfeedrateswiththeaidofabubblingfluidizedbedreactor,andanalyzesthegassolidflowpatterninthefluidizedbedusingpowerspectrumdensityanalysis.Theresultsshowthat:withtheincreaseoftemperature,thedensityoffluidizedgasinthebeddecreases,whichmakesthegasvelocityinthebedsectionincreaseandthebubblefluidizationbecomemoreintense,whichpromotesthegassolidmixingandcontact,thustheNOxcontentinthefluegasincreasessignificantly;appropriatelyincreasingthefluidizationwindspeedisbeneficialtotheformationofsufficientbubblefluidizationinthebed,whichmakesthefuelburnmorefully,buttoolargefluidizationwindspeedalsoleadstotheNOxemissionconcentrationinthefluegasHowever,toohighfluidizationairspeedwillalsoleadtotheincreaseofNOxemissionconcentrationinfluegas;reducingthefeedratewillleadtothedecreaseofbedheight,inhibitthefulldevelopmentofbubblefluidization,weakentheintensityofgassolidmixingandcontact,andproducereducingatmosphere,whichmakestheNOxconcentrationdecrease.ThisstudyisimportanttofurtheroptimizethegassolidflowstateinthecirculatingfluidizedbedboilerandreduceNOxemissions.

    Keywords:bubblingfluidizedbed;gassolidfluidization;nitrogenoxides;pressurefluctuation;pollutantdischarge

    收稿日期:20210923;修回日期:20211129

    基金項目:省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室開放課題(2018K17);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201811065028)

    作者簡介:鄧尚致(1995),男,碩士研究生,主要研究方向為流化床氣固流動與反應(yīng)污染物生成關(guān)系規(guī)律。

    通信作者:姜華偉(1984),男,工學(xué)博士,講師,主要研究方向為循環(huán)流化床高效清潔燃燒與氣固兩相流動。Emailjianghuawei@tsinghua.org.cn。

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