循环流化床锅炉飞灰的分形特性

樊保国,刘兴国,刘海玉,车 丹,2,金 燕

(1.太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024;2.山西大学工程学院,山西太原 030013)

循环流化床锅炉飞灰的分形特性

樊保国1,刘兴国1,刘海玉1,车 丹1,2,金 燕1

(1.太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024;2.山西大学工程学院,山西太原 030013)

为分析循环流化床飞灰的微观特性,以某480 t/h循环流化床锅炉为研究对象,通过压汞仪和扫描电镜研究其飞灰的分形特性。研究结果表明,循环流化床锅炉飞灰含碳量随粒径的分布具有峰值特性,在37μm处,含碳量达到最大值(峰值区),48～78μm为低含碳区。飞灰具有良好的分形特性,压汞仪测得的峰值区飞灰颗粒孔比体积、比表面积和孔隙率较大,而其分形维数较小(2.227),低含碳区飞灰分形维数为2.694。峰值区飞灰颗粒为致密的实心体,低含碳区飞灰颗粒为蜂窝状。基于SEM图像计算的分形维数与基于压汞实验所得的飞灰分形特性结论一致。

循环流化床锅炉;飞灰;含碳量;分形维数

由于煤种、设计、运行等方面的原因,在我国已投入运行的循环流化床锅炉中,飞灰含碳量偏高是普遍存在的问题之一[1],不仅降低了锅炉燃烧效率,而且飞灰含碳量过高限制了其后续的综合利用[2],如何降低循环流化床锅炉飞灰含碳量是亟待解决的重要问题。目前降低循环流化床锅炉飞灰含碳量的主要技术手段有:在分析影响循环流化床锅炉燃烧效率因素的基础上[3],对其进行燃烧调整[4]、采用飞灰再循环[5]、利用富氧燃烧[6]等,这些途径都是基于循环流化床锅炉运行条件而进行的宏观研究和探索。

分形理论的研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体,是非线性科学研究中十分活跃的一个分支。分形最根本的性质之一是具有分形维数,它实现了对复杂事物(如图形、过程等)的描述从定性分析到定量分析的转变,是定量描述分形对象特征及其复杂程度的参数。作为一种新型的非线性科学,分形理论的研究发展已渗透到自然科学和工程技术等领域[7-9]。王启立等[10]运用分形理论研究了多孔介质的孔隙结构特征,陈国庆等[11]研究了脱硫剂孔结构的分形特性,探讨了吸附剂表面孔隙结构的变化机制,提出了脱硫剂孔隙分形维数的计算方法。李庆钊等[12]则基于非线性的分形理论对煤尘粒度、表面孔隙结构等分形特征进行了研究,分析了粒度及表面结构分形维数对颗粒表面润湿特性的影响。

分形的引入在煤的表面特性和煤燃烧过程二者之间起到了桥梁的作用,燃烧领域的文献报道也屡见不鲜。姜秀民等[13]通过试验研究了煤粉颗粒的分形特征及其煤粉粒度分布分形维数与固定碳及挥发分含量之间的关系,指出煤粉的分形维数可以反映煤粉的物理结构特性,并提出了反映煤粉燃烧特性与炉内燃烧状况的信息。Wang等[14]、王毅等[15]基于分形理论,研究煤热解过程中孔隙结构演变特征,计算不同热解温度下的孔隙分形维数。

分形理论在循环流化床锅炉中的应用目前集中在对循环流化床压力波动信号的分析,马丽萍等[16]对循环流化床靠近床层底部和顶部压力波动时间序列进行多重分形分析,确定相应的压力波动信号的间歇性指数。陈永国等[17]所取得的小波多分形谱能够很好地描述压力波动信号的几何特征和局部尺度行为。然而,分形理论引入到循环流化床锅炉中,探讨循环流化床锅炉飞灰分形特性的相关文献则鲜有报道。

本文以实际运行的某480 t/h循环流化床锅炉的飞灰样品为研究对象,将分形理论应用到循环流化床燃烧技术中,立足研究循环流化床锅炉飞灰微观孔隙结构特性,为循环流化床锅炉燃烧理论的深入研究提供新的思路。

1 实 验

1.1 研究对象概况

某电厂480 t/h循环流化床锅炉是由武汉锅炉股份有限公司采用引进的ALSTOM公司技术设计制造,型号为WGF-480/13.9-1,系超高压一次中间再热、平衡通风、半露天布置、前墙给煤、自然循环的循环流化床锅炉。锅炉主要参数和燃料特性见表1,2。

表1 锅炉主要参数Table1 M ain parameters of the boiler

表2 燃料特性Table 2 Fuel properties

1.2 实验方法

压汞仪能很好地测量飞灰的比体积、比表面积、孔隙率等微观结构。实验中采用PASCAL240型压汞仪测定飞灰样品的比表面积、比孔容积、孔径分布等微观结构参数,其操作压力范围为0.1～200 MPa,可测得的最小孔径为0.37 nm。基于压汞实验结果计算飞灰的分形维数时采用Washburn方程[18],即式中,p(r)为外加压力,MPa;r为孔隙直径,nm;Db为分形维数;V(r)为孔隙的总体积,mm3。

2 实验结果及分析

2.1 飞灰含碳量分布特性

图1为480 t/h循环流化床锅炉在不同氧含量下飞灰含碳量分布特性,其中飞灰含碳量采用燃烧失重法测量,即将一定质量的飞灰样品,放入马弗炉中完全燃烧,利用燃烧前后的质量差来计算飞灰中的含碳量。

图1 不同氧含量下飞灰含碳量分布与粒径的关系Fig.1 Relation between carbon content and diameter of fly ash under different oxygen content

从图1可以看出,飞灰含碳量随粒径分布具有峰值特性,在37μm处达到最大值(峰值区),这是由于该粒径段的颗粒未能有效被分离器捕捉,造成在炉内停留时间相对较短。对于48～78μm的飞灰,由于参与了炉膛的内循环,其在炉内停留时间增加,燃烧时间延长,使得含碳量较小,为低含碳区。显然,峰值区飞灰中未燃烬的碳是造成循环流化床锅炉机械未完全燃烧损失的主要因素。当飞灰粒径大于78μm时,由于颗粒的反应表面积较小,燃烧速度比较低,燃烬时间比较长,而在底部排灰的影响下,颗粒的停留时间不足以保证燃烬,造成飞灰含碳量增加。因此,研究峰值区飞灰分形特性对分析循环流化床锅炉燃烧状况具有现实意义。

2.2 基于压汞实验的飞灰分形特性

当运行负荷为100 MW、床温为876℃、风室压力为10 kPa、一次风量为14×104m3/h(标准状况)时,在不同的氧含量(4.0%,4.5%和3.5%)下,取峰值区飞灰3个样品,分别记为F1,F2和F3。对应上述工况,取低含碳区飞灰3个样品,分别记为F4,F5和F6。其中,F1和F4、F2和F5、F3和F6分别对应于同一工况。采用压汞仪测量F1～F6的比体积、比表面积、孔隙率等参数,实验结果见表3。

从表3可以看出,在同一工况下,峰值区飞灰的比体积、比表面积和孔隙率均高于低含碳区,这主要是由于峰值区飞灰粒径较小,一次通过炉膛时,在炉膛停留时间短,挥发分析出后焦炭颗粒在燃烧过程中孔隙打开程度高的缘故。

飞灰分形维数反映了飞灰孔隙结构的复杂程度,孔隙结构越均匀,分形维数越小;孔隙结构越复杂多变,分形维数越大。图2为相同工况下,峰值区飞灰样品F1和低碳区飞灰样品F4的分形特征。

表3 峰值区飞灰和低含碳区飞灰微观特性比较Table 3 M icro-characteristic com parison of fly ash for high and low carbon con tents

由图2可知,峰值区飞灰和低含碳区飞灰来源于不同粒径的焦炭颗粒,并处于燃烧的不同过程。研究结果表明,前者含碳量较高,仍然处于燃烧阶段,未燃烬碳晶格结构作为支架,使得飞灰孔隙均匀,分形维数低(4-1.732=2.268);后者为易燃烬的颗粒焦炭,处于燃烬阶段,有机质碳晶格结构断裂,孔塌陷和无机质塑形填充孔隙等因素造成孔隙结构复杂,分形维数(2.818)增大。

2.3 基于SEM实验的飞灰分形特性

为了更直接地观察飞灰孔隙结构特征,需要借助于扫描电镜SEM(scanning electron microscope)获得飞灰图像,并对飞灰图像进行切割处理。在此基础上,采用豪斯道夫(Hausdorff)计算方法确定峰值区和低碳区飞灰的分形维数[18]。

图3为采用JEOL JSM-35C型扫描电子显微镜获得的峰值区和低碳区飞灰颗粒的表面结构特征。

图3 峰值区和低碳区飞灰颗粒SEM图像(4 000倍)Fig.3 SEM image of fly ash for high carbon content and low carbon content(4 000 times)

从图3(a)可以看出,峰值区飞灰颗粒为结构致密的实心体,其表面结构致密,几乎看不到任何孔隙的存在。此时飞灰颗粒内部的碳也处于不利于燃烧进行的环境中,属于难燃性的小颗粒,传热和传质都很慢,燃烧推迟,而炉膛停留时间又极短。因此通过降低一次风量和增加氧量可以降低此类飞灰的含碳量。

由图3(b)可知,该区域的飞灰颗粒为蜂窝状,孔隙结构从外到内发育良好,表面布满且通透到内部的孔洞,而且颗粒内部有连通的大孔。这是因为该粒径段颗粒在炉内经过多次循环燃烧,停留时间长,使得颗粒燃烬度高,有机质晶格结构逐渐断裂,小孔合并为大孔。

基于SEM图像可以表征峰值区和低含碳区飞灰颗粒分形维数,如图4所示。纵坐标为lg N(r)(N为用来覆盖集合内的点所需边长为r的立方体的最少个数,该集合由三维空间内有限大小的点组成),横坐标为lg r,斜率即为分形维数。可以看出,峰值区飞灰颗粒的分形维数为1.895,低含碳区为1.932,即低含碳区飞灰分形维数大于峰值区飞灰分形维数,这与基于压汞实验所得的飞灰分形特性结论一致。而且,图4的相关系数R2分别为0.983 2和0.988 7,表明拟合结果与待拟合数据具有很高的接近程度。

图4 基于SEM的峰值区和低碳区飞灰分形维数Fig.4 Fractal characteristics of fly ash for high carbon contentand low carbon content based on SEM

3 结 论

(1)飞灰含碳量随粒径分布具有峰值特性,含碳量在37μm处达到最大值,称为峰值区;48～78μm为低含碳区。

(2)在相同工况下,峰值区飞灰的比体积、比表面积、孔隙率均高于低含碳区,峰值区分别为688.333 mm3/g,3.082 m2/g,50.461%,低含碳区分别为410.400 mm3/g,2.580 m2/g,34.100%。

(3)飞灰具有很好的分形特性,在相同工况下,峰值区飞灰分形维数(2.227)低于低含碳区飞灰分形维数(2.694)。

(4)峰值区飞灰颗粒为致密的实心体,低含碳区飞灰颗粒为蜂窝状。

(5)基于SEM图像计算的分形维数与基于压汞实验所得的飞灰分形特性结论一致,低含碳区飞灰分形维数(1.932)大于峰值区飞灰分形维数(1.895)。

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Fractal characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers

FAN Bao-guo1,LIU Xing-guo1,LIU Hai-yu1,CHE Dan1,2,JIN Yan1
(1.College of Electricity and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Engineering College,Shanxi University, Taiyuan 030013,China)

In order to study themicroscopic characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers,a CFB boiler in capacity of 480 t/h was taken as an object to study fractal characteristics of fly ash by mercury porosimetry and SEM.The results show that the distribution of carbon contents in fly ash is of a peak with diameters.For the fly ash of 37μm in diameter,the carbon content has themaximum value called the peak zone.When the diameter is48-78μm, the zone is the low carbon one because of low carbon contents.The fly ash in the circulating fluidized bed boiler is of fractal characteristics.In the peak zone the specific volume,the specific surface area and average porosity are larger than in the low carbon one,and the fractal dimension is2.227 which is smaller than in the low carbon one(2.694).By SEM the image of fly ash in the peak zone presents a dense solid body,and the image in the low carbon one presents a honeycomb body.The fractal dimension based on SEM is in accordance with the result bymercury porosimetry.Key words:circulating fluidized bed boiler;fly ash;carbon content;fractal dimension

TQ534.9

A

0253-9993(2014)06-1154-05

樊保国,刘兴国,刘海玉,等.循环流化床锅炉飞灰的分形特性[J].煤炭学报,2014,39(6):1154-1158.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0934

Fan Baoguo,Liu Xingguo,Liu Haiyu,et al.Fractal characteristics of fly ash in circulating fluidized bed boilers[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1154-1158.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0934

2013-07-04 责任编辑:张晓宁

教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20101402110011);国家自然科学基金资助项目(51206116)

樊保国(1962—),男,山西洪洞人,副教授,博士。Tel:0351-6010281,E-mail:fanbaoguo@tsinghua.org.cn。通讯作者:金 燕(1963—),女,北京人,教授,博士生导师,博士。Tel:0351-6014598,E-mail:jinyan@tyut.edu.cn