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在循环流化床(CFB)锅炉旋风分离器与返料立管之间加入一个热解反应器,构成CFB煤燃烧/热解双反应器,利用CFB锅炉的循环热灰作为热载体与煤在热解反应器内混合并热解,将煤中的轻质焦油和可燃气提取出来,使燃烧、热解过程耦合为一个多联供系统,是提高煤利用率的有效手段之一。燃烧/热解双反应器中气固流体的流动特性既影响着该系统的稳定运行,又关系着该工艺过程的放大和优化。本论文以CFB煤燃烧/热解多联供工艺过程为研究对象,在实验室建立了CFB煤燃烧/热解双反应器冷态实验装置,以硅胶颗粒和CFB锅炉灰为实验物料,分别考察了提升管内的表观气速、系统循环量、热解室松动气量、初始装料量以及热解室内的压力等操作条件的变化对该系统内流动特性的影响;同时对有、无热解室以及旋风料腿内有、无料封情况下立管内的流动特性进行了对比;利用Leung的立管流动模型以及两相流模型对立管内的流动状况进行了计算分析;并在该装置上对改进后U型返料阀的返料特性进行了考察。另外,在实验室建立的固-固混合冷态实验装置上对不同的混合方式及混合效果进行了考察对比;并在浓相输送装置上对气力输送特点以及输送固气比等进行了实验研究。通过对以上几方面的考察,主要取得如下结果:
1、CFB煤燃烧/热解双反应器系统流体的流动特性
(1)在CFB煤燃烧/热解双反应器系统中,立管是燃烧反应器和热解反应器的连接部分,其主要作用是将热解反应器中热解后的半焦与灰的混合颗粒返送至循环流化床燃烧反应器中,同时保持稳定的固体颗粒流动,并形成足够的压降以克服分离器和提升管之间的负压差,起到料封作用。提升管内的表观气速、系统循环量、热解室松动气量以及初始装料量等的变化均会引起系统压力的变化,其中热解室松动气量的大小对系统压力分布的影响比较复杂。由于松动气会改变热解室底部以及立管顶部的压力,所以它对立管内压力分布的影响要比对提升管内压力分布的影响明显的多;
(2)由于热解室内要保持一定的料位高度,所以热解室的存在使立管内的料封高度维持恒定,有利用于保持立管内的移动床流动;
(3)旋风料腿内无料封时,会有一部分气体从旋风分离器夹带到热解室内,这是热态工艺中所要尽量避免的。另外所央带的气体会使热解室内以及立管顶部的压力增大,影响立管内气固流动的稳定性;当旋风料腿内保持一定高度的移动床料封时,会大大减小旋风分离器与热解室之间的互相影响,有利用于系统的稳定运行;
(4)立管临界料封能力(△p/Z)c是在实验操作过程中所必须考虑的因素,当改变操作条件引起立管内压力梯度变化时要保证立管内的负压力梯度小于(△p/Z)c;
(5)热解室内压力的变化对系统稳定性的影响至关重要,在热态过程中要保证热解气顺畅排出,热解室内保持微正压状态。
2、立管内气固流动模型分析
分别用Leung的立管流动模型以及两相流模型对CFB煤燃烧/热解双反应器系统中立管内的气固流动进行了模拟计算,结果表明:修距后的Ergun方程基本适合对该系统立管内移动床流动的描述;由两相流模型计算结果可知,在循环量一定的情况下,立管内气、固流动速度及空隙率沿立管轴向分布基本不变,可认为立管内气固移动床流动为平推流。
3、固-固混合
在CFB煤燃烧/热解多联供工艺中,所采用的混合方式既要使煤与作为热载体的热灰混合均匀,又要使之满足燃烧与热解工艺的要求。
分别对机械混合、静态混合以及挡板混合等方式进行了考察,认为挡板混合是一种有效的固-固混合方式。挡板混合是指在混合段内安装多层扇锥形的挡板,在挡板作用下依靠重力使固体物料在混合段内发生多次“聚—散”混合、分散过程。通过热态实验对挡板混合方式的检验表明,利用挡板进行混合得到的热解气液产量和组成接近于搅拌混合所得到的气液产量和组成,即挡板混合方式可达到机械搅拌混合的效果,且节省了机械混合所带来的动力消耗。
4、改进后U型返料阀的返料特性
改进后的U型返料阀可以有效地减小阀体内的流化“死区”,且在风量合适时可以消除流化“死区”;单独使用松动风可以实现对循环量的稳定调节,但单独使用流化风时物料输送量的调节范围较小;使用松动风和流化风共同调节可以很好地控制物料的输送;水平孔口开度对循环量的影响在输送风量比较大时相对比较明显;“一分二”物料输送装置和组合式U型返料阀均可以实现循环灰按任意比例在炉膛和热解室之间的分配。
5、浓相输送
自行设计的浓相输送方式可以实现高固气比输送,基本满足工艺条件的要求。储料罐内的压力、总松动气量以及松动气1的增加均有利于固气比的增加。