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循环流化床锅炉研发伏妖记

发布日前: 2020-07-01 浏览次数:370

二十八年来一心一意追求你,你却总是神神秘秘若离若即; 

  一次次失望的要转身离你而去,你又展现出迷人风采璀璨绚丽; 

  真想融入你的怀抱与你共呼吸,你喜欢半推半就甚至乱发脾气; 

  一声叹息这辈子只好认命,只能拜在你的裙下做你的奴隶。 

  各位看官,不是我矫情,老夫聊发少年狂,写了这几句歪歪腻腻的打油诗,实在是被循环流化床锅炉搞得有些神魂颠倒了。 

  这一切都要从“流态化”这三个字说起。 

  流态化,多么美丽动人的概念。让固体小颗粒在流体的作用下流动起来,连续的进入反应器,完成反应后连续的排出反应器,反应过程可以连续可控的进行,化工原理的强力武器都可以应用了。这真令人心向往之。 

  1963年,才华横溢的郭慕孙出了一本不足一百页的小书《流态化垂直系统中均匀球体和流体的运动》,与庄一安合著,用优美的文字、优美的方程、优美的曲线,描绘了一幅理想化的流态化图景。每个颗粒都处于悬浮状态,真是一个颗颗平等的理想体系。 

  可俗话说,理想很丰满,现实很骨感。 

  固体颗粒种类繁多五花八门,就说最简单的吧,颗粒的大小(颗粒粒径)的度量说起来就比较绕。球体用直径就可以表征大小,可是颗粒的形状不规则,可以用其最长的尺寸表征,也可以用表面积或体积等效的球体直径表征,如果颗粒的数量很大,用筛子的筛孔尺寸间接表征颗粒大小是比较方便的。对于有大有小的一堆颗粒,描述颗粒大小的方法就更多了,令人眼花缭乱。英国人Geldart从流态化的角度将颗粒大小分成ABCD四类,分别称为Geldart A类粒子、Geldart B类粒子、……。听上去是不是有学术味了,否则仅仅说粗砂或细砂的是不是有点像泥瓦匠。据说Geldart于1973年发表的这篇文章已经被引用了1700多次,是流态化文献中被引用次数最高的。都愿意贴金啊。 

 

  Geldart 

  煤和灰渣的颗粒大小、形状、成分、结构形形色色,循环流化床锅炉中的流态化离郭先生描绘的理想流态化相去太远了。这里可真像一个现实的世俗社会,群居动物的社会属性它也有一些:等级、帮派、团团伙伙、拉拉扯扯。个性方面也不差:有的煤颗粒死硬,怎么进炉膛还怎么出炉膛,一点不变,白来一趟;有的煤颗粒是怕死鬼,一进炉膛就粉身碎骨;有的煤颗粒看似服软了,可是黏黏糊糊的到处不招人待见;有的煤颗粒玩阴的,在炉膛还行,出了炉膛就对受热面搞破坏。当然喽,绝大多数颗粒还是好颗粒的。都知道大国治理难度大,因为人太多。那请你想想,循环流化床锅炉中的颗粒数量可是数也数不清的天文数字,你要这些数也数不清的、既有群体特性又有鲜明个性的颗粒按照你的要求,进入炉膛,在炉膛中按照规定的要求流态化,在流态化的过程中完成规定的反应过程和规定的传递过程,就不说难度了,遇到一些个妖魔鬼怪也情理之中的吧。只是,咳,不碰不知道,这里面的一些小妖蛮邪性的。 

  先从布风板说起吧。 

  流态化就是重力与浮力作用在一大堆固体颗粒上的结果,浮力从布风板进入炉膛的风流过颗粒时对颗粒产生的曳力。为了使得供风均匀,同时要托住颗粒,在炉膛的底部要设置布风板,布风板下面接风室。布风板的基本结构是个大平板,工作条件非常苛刻。布风板的主要作用是均匀布风,使风箱中的空气从整个布风板均匀的进入炉膛,使炉膛中的颗粒均匀的流化,因此首先要均匀的布置布风板上的出风孔;同时,为了防止炉膛中的颗粒从这些出风孔落入风箱或堵塞出风孔,这些出风孔要配上风帽。早些时候,各种各样的风帽层出不穷,名称也有点搞笑:蘑菇头、猪尾巴管、T型头、扁口、柱型等等,这其中柱形风帽听上去比较中性一些。这些风帽实在不容易:既要将风室的200-300℃的预热空气均匀的导入炉膛,还要承受炉膛中850-950℃的烟熏火燎和颗粒的冲刷磨蚀;安装时可以焊接,检修时又可以方便的拆卸;既要足够坚硬,又能够承受低温与高温的双面夹击和温度的波动。感谢高温合金的研发人员,这些问题用十几年的时间逐步解决了。 

 

  定向风帽 

 

  猪尾巴管 

 

  柱型风帽 

  可是,有一个问题长期以来像幽灵一样时隐时现:漏渣,炉膛中的颗粒穿过风帽的小孔漏进风室。我们遇到过最严重的漏渣是,炉膛中的颗粒都漏进风室,居然将风室填满了。然而,令人不解的是,有些循环流化床锅炉的炉膛布风板漏渣,而别处同样的锅炉则不漏渣;有些锅炉一个时期漏渣,而另一个时期又不漏渣。我们不知道哪个风帽在什么情况下发生漏渣,这点有些令人沮丧。当然喽,将炉膛布风板的风帽阻力增加到足够高就可以解决这个问题,但是风机的电耗增加,用户不答应,我们也不愿意,这不是真本事。炉膛布风板上的颗粒流态化用群魔乱舞来形容一点不为过,上蹿下跳,横行霸道,根本不是“颗粒在向上的气流曳力作用下抵抗重力而悬浮”这样温文尔雅。在这种险恶的环境下,小小的风帽是不是显得非常单薄,不时被颗粒压得喘不过气来也就可以理解了吧,而有些颗粒乘机穿越风帽,也就是发生了漏渣。 

  各位看官,你可能会说,将风帽上的小孔做得非常小不是就可以阻止漏渣了吗。是的,可是太小的风帽小孔加工不出来。最好是将风帽做成毛细孔,就可以完全杜绝漏渣,可是目前还做不出来。面对漏渣问题,有时真有英雄气短的感觉。 

  某次研讨会提出了一个解决方案,在风帽中再套一个小风帽,并且起了一个“内嵌逆流”的名字,听听,是不是很有点学术的味道。开始时谁都没有把它太当回事,可是试用结果出乎意料的好。至于这种内嵌逆流柱形风帽的防漏渣原理嘛,各位看官如果有兴趣可以看有关的学术文章。结果都有了,解释就比较容易了,历史都是英雄谱写的嘛。 

 

  内嵌逆流柱型风帽 

  这正是:布风板风帽屡受漏渣羞辱,内嵌管不动声色降服小妖。 


来源:中国科学院工程热物理研究所


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