循环流化床冷态试验.pdf

2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 循环流化床冷态试验 常耀超，王云，袁朝新，孙留根 北京矿冶研究总院冶金所，北京 1 0 0 0 4 4 摘要在实验室建造了3m 高的循环流化床冷态试验装置，并在此基础上以河砂为原料研究了试验前 后主床物料粒度分布和旋风分离器带出物料粒度分布；主床压力分布试验是通过测量不同鼓风量下主 ’ 床不同高度压力值，来反映床内颗粒运动及固体颗粒的滞留量；物料循环量试验得出物料循环置与气量 和装料量密切相关；其次对循环流化床的重要部件一流动密封阀做了详细的研究。 关键词循环流化床；冷态试验；循环量；流动密封阀 中图分类号T F 8 0 6 ．1 1 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 3 0 0 0 2 0 4 C o l d _ 。s t a t eE x p e r i m e n tS t u d i e so nC i r c u l a t i n gF l u i d - _ b e d C H A N GY a o c h a o ，W A N GY u n ，Y U A NC h a o x i n ，S U NL i u g e n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ．B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a A b s t r a c t As e to fc 0 1 d s t a t eC i r c u l a t i n gF l u i d b e d C F B w i t h3mh e i g h th a sb e e ns e tu pi nt h el a b o r a t o r y ，w h e r et h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nt e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u t ．T h ep u r p o s e so ft h et e s t so nm a i nb e d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na r er e f l e c t i n gt h em o v e m e n to ft h ep a r t i c l e si n s i d et h eb e da n dt h er e t a i n e da m o u n to f t h es o l i dp a r t i c l e sb ym e a s u r i n gt h ep r e s s u r e so fv a r i o u sh e i g h t si n s i d et h em a i nb e du n d e rv a r i o u sv o l u m e s o fa i rb l e w ．T h ec l o s ec o r r e l a t i o n sa m o n gt h e1 0 a d so fm a t e r i a l sa n dv o l u m eo fa i ra n dt h ec i r c u l a t i n ga m o u n to fm a t e r i a l sc a nb ec o n c l u d e df r o mt h et e s t so nc i r c u l a t i n ga m o u n to fm a t e r i a l s ．F u r t h e r m o r e ，t h e l o o ps e a l ，o n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tp a r t so ft h eC F Bh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l s ． K e y w o r d s C i r c u l a t i n gF 1 u i d b e d C F B ；C 0 1 d s t a t et e s t ；C i r c u l a t i n gq u a n t i t y ；L o o ps e a l 循环流化床作为近些年发展起来的一种新兴炉 型，它具有燃料适性好，燃烧效率高等其它炉型不可 比拟的优点，目前国内外已将循环流化床广泛应用 于化工、热能、电能、冶金等行业。但将循环流化床 应用于难处理金矿方面的研究，由于没有此方面的 经验，首先进行冷态模拟试验是十分必要的，以对循 环流化床物料循环流动特性等有更深的认识。 1 试验装置及系统 试验台主床高3m ，内径1 1 0m m ，整个装置采 用有机玻璃加工制成。分离器采用上排气旋风分离 器，内径1 2 0m m 。立管内径5 0m m ，高12 5 0m m 。 作者简介常耀超 1 9 7 9 一 ，男，河南开封人，硕士 系统中，主床和返料装置共用1 台罗茨鼓风机送风， 其中主床的流化风和返料装置的流化风、松动风、侧 吹风分别装有独立的阀门和流量计。系统压力测量 采用U 型管测压计。 试验物料由螺旋给料机送入主床，空气经风室 进入主床，将颗粒流化并带入分离器实现气固分离， 带烟尘的气体通过布袋过滤收尘。由分离器下来的 颗粒经立管进入返料器，再返送回主床，完成固体颗 粒的循环。 2试验物料及试验安排 为便于实验观察和拥有干净的实验室环境，我 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 3 们在试验中采用的物料为河沙。 首先验证该试验系统的可靠性及稳定性，并在 此基础上进行试验参数的测定，分析主床流化风量、 床体结构等对物料运动状态、循环量等的影响。返 料器作为本系统的重要组成部分，着重测试返料器 的性能并确定物料返料量随流化风量、松动风量及 侧吹风量等的变化规律。 3试验参数测定及结果与讨论 3 ．1 试验物料分析 图1 为试验前物料与旋风带出颗粒的粒径分布 图。由图1 可见，试验前的主床物料和旋风带出物 料的筛分性质明显不同，试验前的主床料平均粒径 大于旋风带出物料的粒径。试验观察到此颗粒粒径 分布基本可以满足装置运行要求，但是热态试验需 验证物料粒度与矿石性质、焙烧效果等因素的关系。 旋风分离出来的灰尘颗粒粒径主要集中在0 ．1 5 4 m m 以下，而工业上磨矿细度一般在0 ．0 7 4m m 以 下，此时旋风效率会大大降低，因此在热态试验装置 设计时需要改进旋风分离器的设计。 3 ．2 主床压力分布 测点高度／m 4 ．5 4 0 一35 壶3 0 2 ．5 爸； 1 ． J 0 ．5 t 床料粒径／m m 图1 试验前物料粒径分布 F i g ．1 T h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fm a t e r i a l 本试验主床布置了4 个测压点，以床体布风板上部 压力为基准点。床体压力测点高度距离主床布风板 高度分别为 m m 0 、6 5 0 、13 0 0 、27 0 0 。 我们试验了不同主床流化风量与不同装料量下 主床不同高度的压力分布，结果见图2 。 比较图2 可以看出，三者曲线很相似，随着流化 风量的增加曲线变得越平缓。对每个图中曲线分析 可以得出，0 ～6 5 0m m 高度压降很大，其他各段压 力差比较平稳。而且床体总压和各段压力差随装料 量的增加明显增大，但压力分布曲线则不一样。因 此，可以认为，流化床内压力分布在一定程度上反映 了床内颗粒运动及固体颗粒的滞留量。 测点高度，m 山 髦 R 出 测点高度，m 图2 不同流化风量和不同装料量下主床高度的压力分布 F i g ．2 T h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fC F Bu n d e rd i f f e r e n ta i rf l o w 流化风量6 0m 3 ／h 床料较多时，床料上扬与回 落剧烈，呈现典型的湍流床特征，床底压力波动大， 大部分物料集中于床底部，床顶物料稀疏。床料较 少时，床料翻动剧烈，床底压力波动稍小，但是由于 物料少，随着试验进行，小颗粒被带出床体，距离床 底1m 以上床料明显稀疏，只有少量的床料沿壁面 落下，到床顶只是些细小的沙粒进入旋风分离器，立 管与返料器中不能形成物料正常堆积，也无法完成 正常的返料。因此，这种现象解释了图2 c 中6 5 0 ～27 0 0m m 高度三个不同料层压力曲线基本重合， 并且出现6 5 0m m 床体高度以上1 0 0m m 料层压力 曲线稍高于其它两个压力曲线的情况。 流化风量9 0m 3 ／h 床料较多时，床料在床内分 } 布较均匀，颗粒被气流夹带的量很大，床内上下部床 料都比较密集，由于大颗粒仍聚集在主床底部，因此 床底部浓度更大些。但由于气速很大，底部大颗粒 也进行着剧烈的翻腾。床体中、上部存在大量的颗 粒返混现象，可明显看到床料沿壁面落下。返料立 管和返料器很快会被物料堆积满，通过调节返料风 量可使系统稳定运行。床料较少时，距离床底1m 以上床料较稀疏，导致10 0 0 ～27 0 0m m 间床体压 降基本一致，正如图2 a 所示1 0 0m m 厚物料和 2 0 0m m 厚物料在10 0 0 ～27 0 0m m 段床体压力曲 线基本重合。 通过本试验初步了解了不同装料量和流化风量 下床层的压力分布，对后续的热态试验工况具有指 舶拍∞硒∞筋舶m o o 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 导意义，由试验结果得出，床层压降随装料量增加而 增大；随流化风量的增加而增大；为了能使系统稳定 运行，需有最小装料量和最小流化风量，此试验选取 最佳装料量为3 0 0m m 高物料，最佳流化风量为 1 0 0I T l 3 ／h 。 3 ．3 物料循环量 对循环流化床，固体颗粒循环量在实际的测量 上仍困难重重。本试验采用标定刻度法，具体测量 方法如下先在返料立管上标定刻度，再在一定的物 料量、气量下，调节返料装置的输送风量、松动风量 使整个系统保持稳定的循环运行，此时关闭返料装 置的所有风量，测量一定时间内物料堆积在返料立 管内的高度，根据立管截面积、物料堆积密度可求出 固体物料循环量。实验数据绘制于图3 中，试验中， 当气量Q 小于5 0m 3 ／h 时，由于物料还未在主床内 达到完全流态化，形成不了循环系统，故不、狈0 量。 ， 上 矗 邑 ＼ 删 基 姆 风量／ m “h - 图3 循环量与物料量、气量的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc i r c u l a t i n g qu a n t i t ya n da i rf l o wu n d e rd i f f e r e n t m a t e r i a lq u a n t i t y 由图3 可以看出，物料循环量与气量和装料量 密切相关。物料循环量随着气量的增加而增加，随 着装料量的增加而增大。我们认为不能评判循环量 大好或循环量小好，这与加入物料粒度、物料性质等 因素有关。循环量增大，床层阻力变大，风机压头增 大，电耗增加；循环量小，矿料停留时问减少，焙烧效 果差，因此热态试验时物料循环量 或循环倍率 的 确定是一个很重要的参数，需要根据不同矿样进行 相应的研究确定。 3 ．4 返料装置 流动密封阀 的试验研究 我们设计的流动密封阀结构如图4 所示。本装 置通过隔板被分成两室，与立管相连的为物料供给 室，与返料斜管相连的为物料输送室，两室之间通过 水平孑L 口相通。物料供给室和物料输送室底部有两 个独立风室，返料器侧壁有一风室。 量Q 2量Q l 图4 返料装置简图 F i g ．4 S k e t c hm a po fl o o ps e a l 岑可法等[ 1 1 在著作中综述了几种循环物料量的 测量方法，有些方法用于本试验往往显得过于复杂， 成本太高，结果也不一定可靠。本试验采用系统稳 定运行条件下测量返料立管中料峰高度的方法研究 返料装置。具体如下选择主床风量为9 0m 3 ／h 、装 料量为3 5 0m m 砂子，调节返料装置的流化风量 Q 。、松动风量Q 及侧吹风量Q 。的大小，在保证整 个系统稳定运行情况下测量返料立管的物料高度及 立管压力P 1 与返料斜管压力P 2 间的压力差A P 。 1 Q 3 0 ，Q 一0 ，调节Q l 系统启动后，返料立管中料峰高度急剧上升，加 大流化风量Q ，，会发现有少量物料返回主床，但立 管中物料仍急剧堆积。此时，返料装置失去作用，达 不到循环流态化的目的。 2 Q 。一0 ，Q 1 6m 3 ／h ，调节Q 2 松动风量Q 2 与料峰高度H 、压力差A P 的关系 见表1 。 表1Q 2 与H 、A P 的关系 T a b l e1 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nQ 2a n dH 、A P Q 2 ／ m 3 h 一”1 ．01 ．52 ．0 2 ．53 ．03 ．54 ．0 H ／m m 1 8 01 9 01 9 519 0 1 9 01 9 51 9 5 A P ／k P a 1 ．2 51 ．3 01 ．3 51 ．2 51 ．2 51 ．2 51 ．2 0 由表1 可见，随Q 的增大，料峰高度和返料器 压力差基本保持不变。试验中，当Q 小于2m 3 ／h 时，返料立管中固体颗粒沿着壁面稳定下降；当Q z 大于2m 3 ／h 时，返料立管中固体颗粒呈现涌动状 态。当流化风量Q 。为6m 3 ／h 时，料峰高度基本不 变，也就是说此时固体颗粒的循环量无法控制和调 节，我们认为原因足随着松动风量和固体颗粒流量 增加，返料装置立管和返料斜管的压力降增加，与此 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 5 同时，流化床以及旋风分离器的压力降也随之增加。 根据循环回路压力平衡关系，返料立管的压降必须 增加以平衡其它压降和的增加。而返料立管的压降 增加值有一个上限，该上限值即为立管流化时的压 降值。当返料立管的压降达到这一极限值时，立管 内固体颗粒开始流化，这时固体颗粒的流量将不再 随立管底部充气量的变化而变化。 3 Q 一0 ，Q 。 6m 3 ／h ，调节Q 。 侧吹风量Q 3 与料峰高度H 、压力差△P 的关系 见表2 。 表2Q 3 与H 、A P 的关系 T a b l e2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nQ 3a n dH 、A P 0 ．2 50 ．40 ．70 ．81 ．O1 ．52 ．02 ．3 3 1 02 6 02 3 52 3 02 2 02 1 52 0 51 8 0 0 ．9 0 1 ．1 51 ．Z 5 1 ．2 S1 ．2 5 1 ．2 5 1 ．2 5 1 ．2 5 H ／r a m A P ／k P a 由表2 可以看出，Q 。和Q 。一定时，随着Q 。的 增大，料峰高度呈现逐渐降低的趋势；同时Q 。小于 0 ．7m 3 ／h 时返料器压力差随侧吹风量增加而呈逐 渐增大趋势，当Q 3 大于0 ．7m 3 ／h 时，返料器压力 差几乎稳定不变。 试验现象中，当Q 。小于0 ．5m 3 ／h 时，基本上 谈不上料峰高度，立管中只有少量气体产生的沟流， 使物料沿着壁面整体向下滑移。只有当Q 。大于 0 ．71 T 1 3 ／h 时，随着Q 。增大，立管中气泡逐渐增多， 固体物料呈现上下翻滚状态，此时返料器能够正常 运行。 分析以上原因，我们认为，出现以上情况一方面 与流化风量的选择有关，当流化风量选择大时，立管 的压降达到最大值，固体颗粒的流量不再随侧吹风 量的变化而变化。另一方面固体颗粒循环量能否灵 活地调节和控制与返料器的结构有关，如水平孔口、 溢流口及立管直径等有关。 4 Q 2 3m 3 ／h ，Q 3 1 ．5m 3 ／h ，调节Q l 由前述试验数据确定Q 2 3I T l 3 ／h ，Q 。一1 ．5 m 3 ／h ，通过调节Q 。，确定最佳试验参数。试验结果 见表3 。 表3Q 。与H 、A P 的关系 T a b l e3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nQ la n dH 、A P H ／m m 1 8 01 8 01 7 51 7 01 6 01 6 01 5 0 A P ／k P a 0 ．7 0 0 ．8 0 0 ．8 0 0 ．8 0 0 ．8 0 1 ．0 5 1 ．1 0 1 ．1 0 试验中发现，流化风量小于5I T l 3 ／h 时，物料输 送室的物料无法达到沸腾状态，流化风产生的气泡 将物料鼓人流化床，同时立管中的物料呈现涌动，无 法调节和控制返料量。当流化风量大于5r f l 3 ／h 时， 物料输送室的物料达到了沸腾状态，同时立管中物 料上下翻腾，通过调节流化风量的大小可以调节固 体颗粒返料量。随着流化风量的增加，返料器压力 差有稍微增大的趋势。考虑到能量、动力消耗，建议 取流化风量Q 。为6 ～8m 3 ／h 。 4结论 1 此返料装置基本上可以满足试验要求，达到 调节、控制固体颗粒循环量的目的； 2 只有同时采用流化风Q 。、松动风Q 2 、侧吹 风Q 。运行返料器时，其调节与控制特性才是最好 的。 参考文献 [ 1 ] 岑可法，倪明江，骆仲泱，等．循环流化床锅炉理论设计 与运行[ M ] ．北京中国电力出版社，1 9 9 8 5 8 9 5 9 3 7 万方数据