流化床启动过程中底料磨损行为研究

孙佰仲， 谭 平， 王 擎， 刘洪鹏， 李少华

（1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林132012；2.沈阳铝镁设计研究院有限公司，沈阳110001）

循环流化床锅炉启动特性是考察锅炉性能的重要指标［1］.在锅炉启动过程中，床料颗粒间剧烈碰撞，导致床料破碎［2］，进而形成大量的细小颗粒并产生扬析现象，使床料量减少、床料粒度分布发生变化、床压降低，影响床料正常流化［3］，必要时需补充床料，以弥补由于扬析或夹带引起的床料损失.因此，研究流化床内床料的磨损机理对于确定合理的初始料层厚度及粒度分布范围是非常必要的.

油页岩是储量巨大的化石能源，对其开发和利用已经成为研究热点，特别是针对油页岩及半焦在循环流化床中燃烧特性已开展了大量的研究工作［4－9］，然而对循环流化床中页岩灰床料磨损特性的研究却鲜见报道.在流化床物料磨损方面，Hartge等［10］利用颗粒群模型从理论上研究了颗粒磨损和能量传递作用，结果表明原始颗粒的磨损率大于流化一段时间后的样品颗粒的磨损率.Rodrigue等［11］考察了氧化铁流化扬析情况，确定了扬析速率常数.王辉等［12］对石英砂的热态流化磨损规律进行了研究，并采用灰色关联分析考察了操作参数的影响.吕俊复等［13］通过试验研究认为磨损速度与过余流化速度的平方成正比，磨损系数与颗粒初始粒径和流化时间有关.笔者以燃烧油页岩流化床锅炉的床料灰为研究对象，考查了流化风速、流化时间和床料温度对磨损的影响，同时建立了二阶磨损模型.

1 试验样品与方法

1.1 试验样品

试验样品取自吉林桦甸65t／h低倍率油页岩循环流化床电站锅炉的油页岩灰渣，其粒度分布见表1.

表1 页岩灰样品粒度分布Tab.1 Particle size distribution of shale ash samples

1.2 试验方法

试验在小型流化床燃烧反应器（图1）上进行.反应器本体由上下两部分组成，下部为流化气体预热段，上部为试验样品流化反应段.反应段高1.0 m，采用直径为51mm、壁厚为3.5mm的25Cr－20Ni耐热钢管制成.反应段与预热段中间设置布风板，由两层孔径为0.065mm的不锈钢细网制作而成，反应器本体采用电加热方式.流化介质由空气压缩机提供，经过预热段加热后进入反应段，将床料流化.试验前对不同粒径下的页岩灰进行称重、记录，将称好的页岩灰装入床内（料层静止高度约150 mm），当炉内流化风量和温度达到试验工况设定值时开始计时，到预定时间后关闭进气阀，使床料自然冷却至室温后取出，并进行筛分和称重，记录不同粒径页岩灰的质量，从而获得磨损后页岩灰的粒度分布.页岩灰球形度φ＝0.6，表观密度ρs＝1 450kg／m3，冷态临界流化风速为0.425 3m／s.油页岩着火温度较低，一般320℃以上即可着火.根据锅炉实际启动情况，确定试验床温为20～350℃.

图1 小型流化床燃烧反应系统Fig.1 Systematic sketch of the bench－scale fluidized bed

2 床料质量变化影响因素

2.1 床料质量变化规律

定义质量保持率ε为经过t时间磨损后页岩灰的质量与床内初始页岩灰质量之比.

式中：W0为床内样品的初始质量，g；W 为流化t时间后床料的质量，g.

2.2 流化风速对床料质量的影响

图2给出了20℃时不同流化风速下床料质量随时间的变化.由图2可知，120min内页岩灰质量保持率下降明显，而后变化趋于平稳.在热态流化初始阶段，床料颗粒表面相对粗糙且有明显的凸起部分，颗粒之间、颗粒与床体之间剧烈的碰撞导致表面细小颗粒从母体剥落，当流化风速高于细小颗粒的终端沉降速度时，细颗粒即被携带出反应器，造成扬析量增大，床料量减少.之后颗粒的碰撞使颗粒表面趋于光滑，磨损量减少，床料质量变化平稳，磨损进入稳定区.所以在流化床启动过程中，当床料经历快速衰减阶段后需对床料进行补充，以保证流化床内传质、传热以及燃烧室热负荷符合锅炉设计值.从图2中还可以发现，流化风速是控制磨损量和扬析量的主要因素之一，它直接反映了对床料的能量激励水平.流化风速越大，激励水平越强，颗粒磨损速率越快，扬析量也就越大.在相同流化风速下，质量保持率与时间的关系可以用指数衰减模型来描述.

图2 床料质量与流化时间的关系Fig.2 Residual mass of bed material vs.fluidizing time

式中：ε∞为进入稳定磨损区的质量保持率.

利用此模型对试验数据进行拟合，相关系数都大于0.97，说明床料质量随时间的变化规律符合指数衰减模型.

图3给出了0～0.5mm页岩灰质量分数随时间的变化规律.由于颗粒的磨损，不同粒径颗粒所占的质量分数也发生了变化，原试验颗粒粒径范围为0.5～5mm，未选择粒径范围为0～0.5mm的页岩灰作为试验样品，试验后颗粒粒径发生了“退档”现象，0～0.5mm的页岩灰也占据一定质量分数.

图3 0～0.5mm页岩灰质量分数随时间的变化Fig.3 Mass fraction vs.time for 0－0.5mm shale ash

2.3 温度对床料质量的影响

图4给出了流化风速为0.48m／s时不同温度下床料质量随时间的变化.从图4中可以看出，温度升高造成页岩灰磨损加剧，这主要是由于温度升高时，相同粒径下颗粒的临界流化风速降低，过余流化速度增大，颗粒的平均碰撞次数增加，磨损加剧.Lin等［14］对床温为600～800℃范围内床料石英砂的磨损特性进行了研究，得出了相同的结论.

图4 不同温度下床料质量随时间的变化Fig.4 Residual mass vs.time at different bed temperatures

3 磨损模型

随着磨损的进行，产生细小的颗粒，部分小颗粒发生扬析现象，磨损越剧烈，扬析量越大，留在床内页岩灰的质量越少.从图2中发现，在相同流化风速下，床料质量随时间呈指数衰减变化.笔者采用文献［15］中提出的二阶磨损模型来描述床料磨损规律：

当W＝Wmin时，对式（3）两边进行积分得

式中：Wmin为进入稳定磨损区床内样品的最小质量，g；Ra为磨损速率常数，g－1·s－1.

若已知W0、Wmin以及W，就可以求出方程（4）左值Y，进而求出磨损速率常数Ra.

3.1 磨损速率与过余流化速度的关系

磨损时间分别取 10min、30min、50min、70 min、90min、120min和240min 7个时间点，试验中发现在240min以后已经进入稳定磨损区，床料质量几乎不变，即Wmin.图5给出了按照方程（4）进行直线拟合的情况，该直线的斜率就是磨损速率常数Ra.由图5可知，拟合相关系数均在0.97以上，说明二阶磨损模型适合磨损速率常数的描述；磨损速率常数随着流化风速的增大而增大，定量分析与定性分析得出的结论相同.

图6和图7分别给出了磨损速率常数Ra与过余流化速度（U－Umf）及其倒数的关系，拟合相关系数分别为0.966和0.983，说明磨损速率常数与过余流化速度成反比，可以用式（5）表示.

式中：ka为磨损速率.

图6 磨损速率常数与过余流化速度的关系Fig.6 Relationship between attrition rate constant and excess gas velocity

图7 磨损速率常数与过余流化速度倒数的关系Fig.7 Relationship between attrition rate constant and inverse of excess gas velocity

3.2 磨损速率与温度的关系

图8给出了不同温度下方程（4）的拟合曲线，拟合直线的斜率即磨损速率常数.由图8可知，随着温度的升高，直线斜率增大，表明磨损速率常数增大.表2给出了不同温度下的磨损速率常数及拟合相关系数.

图8 不同温度下方程（4）的拟合直线Fig.8 Straight line fitting of equation（4）at different temperatures

表2 不同温度下的磨损速率常数及拟合相关系数Tab.2 Attrition rate constant and fitting correlation coefficient at different temperatures

图9给出了磨损速率常数与温度的关系.从图9中可以看出，指数形式可以很好地描述二者的关系，采用改进的 Arrhenius方程［15］得出式（6）.

式中：E为磨损活化能，J／mol；R为通用气体常数，8.314J／（mol·K）；k0为指前因子，m／（s2·g）.

对式（6）左右两边取对数整理得：

作ln Ra＋ln（U－Umf）～1／T 的Arrhenius直线，求出其斜率及节距，进而求出磨损活化能E和指前因子k0.

图9 磨损速率常数与温度的关系Fig.9 Relationship between attrition rate constant and temperature

图10为Arrhenius动力学方程的直线拟合图，相关系数为－0.967 1，可计算出磨损活化能E＝1.072kJ／mol，k0＝5.507 4×10－7m／（s2·g）.因此，可得到温度为20～350℃、流化风速为0.73～1.25m／s时页岩灰的质量关联式.

图10 Arrhenius直线拟合Fig.10 Straight line fitting according to Arrhenius formula

将以上关联式的理论计算结果与大量试验数据进行对比，发现二者相对误差控制在2%内，试验数据与计算数据吻合较好，说明二阶磨损模型能够很好地描述页岩灰在流化床内的磨损规律，具有很强的预测性.

4 结 论

（1）循环流化床锅炉启动床料的磨损过程先后经历快速衰减阶段和稳定磨损阶段，床料质量变化率在启动过程中呈指数衰减趋势.

（2）流化风速对床料磨损影响很大，随着流化风速的增大，颗粒之间碰撞的能量水平增大，颗粒的磨损速率加快；随着床温升高，磨损程度加剧.

（3）二阶磨损模型能够很好地预测流化床内床料质量的变化规律，在流化床启动过程中，床料的磨损率与过余流化速度成反比，且满足Arrhenius动力学方程Ra＝k0e－E／RT（U－Umf）－1，计算获得磨损活化能E＝1.072kJ／mol，指前因子k0＝5.507 4×10－7m／（s2·g）.

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