窄筛分床料不同压力下热态临界流化速度研究

中国南京全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网第十五届年会暨第五届中国循环流化床燃烧理论与技术学术会议窄筛分床料不同压力下热态临界流化速度研究段伦博*、段元强汇报人：段元强能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment2016年10月26日~29日,郑州1东南大学能源与环境学院中国南京汇报提纲一.引言二.试验装置及方法二.试验装置及方法三.试验结果及分析四.结论能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment2中国南京一、引言背景介绍：富氧燃烧技术是目前最具工业化运用前景的燃煤电站CO2捕集技术；效率仍然是影响富氧燃烧技术走向大规模应用的最大障碍；增压富氧燃烧的优势：1.避免了制氧、燃烧和CO2捕集封存全流程中由于压力先降后升带来的功损；2.避免漏风，烟气CO2浓度高，降低了纯化压缩系统的功耗；3.压力提高，烟气中水蒸气露点提高，其汽化潜热易回收；4.降低了锅炉等设备的尺寸。能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment3a)Hongetal.Analysisofoxy-fuelcombustionpowercycleutilizingapressurizedcoalcombustor.Energy2009;34(9):1332-1340.4.降低了锅炉等设备的尺寸。中国南京流化床增压富氧燃烧技术可行性：自余热锅炉高温烟气除尘装置增压流化床锅炉自水处理装置增压流化床锅炉自余热锅炉冷却塔蒸汽轮机燃气轮机冷凝器M烟囱水处理装置余热锅炉M去增压流化床锅炉压缩空气空气冷却塔蒸汽轮机冷凝器水处理装置M去增压流化床锅炉空分装置空气N2压缩净化装置O2循环烟气CO2储存利用能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment流化床增压富氧燃烧技术与PFBC-CC拥有相同的增压燃烧反应器，但是不需要高温烟气除尘，不存在根本性技术瓶颈！！！增压流化床燃气-蒸汽联合循环（PFBC-CC）系统简图流化床增压富氧燃烧（Oxy-PFBC）系统简图中国南京临界流化速度Umf是流化床反应器设计和运行中一个十分重要的基础数据。增压临界流化速度研究现状：现有临界流化速度主要集中于常压室温条件下；增压热态下的研究较缺乏，且结论不一致。以试验研究为主，Umf计算公式有严格的适用条件。Umf公式分类：以Ergun公式为基础的关系式：(Re)=[C2+CAr]0.5-C。能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment以Ergun公式为基础的关系式：(Re)mf=[C12+C2Ar]0.5-C1。以单颗粒受力模型为基础的关系式：(Re)mf=aArb。纯经验公式中国南京温控箱烟气冷却段飞灰取样装置背压阀P压力变送器二、试验装置及方法ΔP流量计加热段布风板增压流化床装置差压变送器烟气分析仪装置主要参数:流化床内径：26mm燃烧段高度：1000mm运行温度：＜950℃最高运行压力：1.5MPa能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment混气/缓冲罐N2热电偶气体预热器CO2增压流化床热态试验装置中国南京实验物料：物料粒径分布（mm）密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）铁粉0.1~0.1578602950石英砂0.3~0.35260014500.85~1.0实验工况：实验压力：0.1、0.5、1.0、1.5MPa能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment实验压力：0.1、0.5、1.0、1.5MPa实验温度：常温、200℃、400℃、600℃、800℃气氛：CO2、N2中国南京三、试验结果与分析1、温度对Umf的影响：床温影响Umf的原因分析：床温升高→气体粘度升高→Umf降低；→→Umf床温升高→床料颗粒间的吸引力（范德华力）增加→Umf升高能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment0.1MPa，N2气氛0.5MPa，N2气氛中国南京1.0MPa，N2气氛能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment1.0MPa，N2气氛1.0MPa以内，床温升高，Umf下降，高温段趋于平缓；同样的温度区间内，床温升高，高压下的Umf降幅逐渐减小；中国南京2、压力对Umf的影响：30℃，N2气氛200℃，N2气氛能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment400℃，N2气氛800℃，N2气氛中国南京Umf的计算公式形式为：2121mfReCCArC121mfReCCArCRemf：雷诺数；Ar：阿基米德数；dp：颗粒粒径；mfgpmfgUdRe32()pgpggdgAr能源与环境学院SchoolofEnergy&Environmentdp：颗粒粒径；ρp：床料颗粒的密度；ρg：流化介质的密度；μg：气体动力粘度；中国南京2121mfReCCArC对于同一种粒度的床料，压力升高，压力升高，Umf下降，且减小幅度随着温度的升主要影响的参数有ρg和μg；N2性质表：温度（℃）压力（MPa）密度(kg/m3)动力粘度(10-5Pa·s)0.10.3144.350高而降低；压力变化对大颗粒的Umf的影响较为明显；压力对Umf的影响主要能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment8000.51.5674.3511.03.1294.3521.54.6864.253压力对Umf的影响主要是因为不同压力下气体密度的变化。中国南京3、气氛对Umf的影响：同样的温度和压力条件下，CO2气氛下的Umf的要小于N2气氛下；压力升高，CO2与N2气氛下Umf的差值逐步增加；在1.5MPa内N2和CO2的动力粘度差值小于5%，且随着压力和温度的升高，能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment随着压力和温度的升高，动力粘度的相对差值逐步降低。因此判断气氛的影响同样主要来源于密度的差异。400℃，CO2/N2气氛中国南京4、对Umf的拟合：100232.060.03732.06mfReAr100001000001000000110RemfAr本文基于试验数据得到的U计算式：能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment本文基于试验数据得到的Umf计算式：322()32.060.03732.06gpgpgmfgpgdgUd中国南京拟合公式的预测值与试验值比较:能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment计算值与试验值的相对误差：平均：3.70%;最大：12.46%中国南京基于拟合公式对更高压力下Umf预估：能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment预估结果表明，2.5MPa下随着温度的升高，Umf缓慢上升。预测结果符合前人试验结果。表明在研究温度对Umf的影响时，需要考虑公式适用的压力范围。中国南京对于窄筛分物料颗粒，随着系统压力的增加，临界流化速度随之下降。且随着温度的升高，Umf的降幅趋缓；压力升高，U下降，且减小幅度随着温度的升高而降低；压力四、结论压力升高，Umf下降，且减小幅度随着温度的升高而降低；压力变化对大颗粒的Umf的影响较为明显；CO2气氛下的Umf的要小于N2气氛下，且随着压力升高，CO2与N2气氛下Umf的差值逐步增加；能源与环境学院SchoolofEnergy&Environment172016-9-29对于不同的压力和气氛，气体密度的差异是导致Umf不同的主要因素；基于本文试验数据，提出了窄筛分颗粒增压下热态Umf的关联式。