احتراق الطبقة المميعة: التطبيقات ومعايير الاختيار والإرشادات العملية

يتلقى المصنع الفحم عالي الكبريت في شهر واحد، ومزيج الكتلة الحيوية في الشهر التالي، ويتم رفض مجموعة من الغسالات بعد ذلك - ولا يزال يتعين عليه تلبية الطلب على البخار وحدود الانبعاثات كل يوم. يوجد احتراق الطبقة المميعة (FBC) في هذه الحالة بالضبط. في غلاية FBC، يتم تعليق جزيئات الوقود الصلب في طبقة ساخنة من الرمل والرماد والحجر الجيري، حيث تحترق عند درجة حرارة 850 درجة مئوية تقريبًا. يقوم خيار التصميم هذا بمعظم العمل: تعمل درجة حرارة القاعدة المنخفضة على منع تكوين أكاسيد النيتروجين الحراري، ويلتقط الحجر الجيري المخلوط في الطبقة 90 بالمائة أو أكثر من كبريت الوقود الموجود داخل الفرن نفسه، قبل أن يصل إلى المداخن. والنتيجة هي غلاية تحول الوقود منخفض الجودة الذي يصعب حرقه إلى بخار صالح للاستخدام بكفاءة احتراق تزيد عن 90 بالمائة. ما لا ينبغي للمهندسين أن يتجاهلوه هو النصف الآخر من القصة - المسار الذي يسلكه غاز المداخن الساخن المحمل بالغبار عبر الممر الخلفي، لأن هذا هو المكان الذي يتحقق فيه التوفير المتوقع في الوقود أو يتسرب.

كيف يعمل احتراق الطبقة المميعة

المبدأ سهل التصور. يدخل الهواء إلى صندوق هوائي أسفل الفرن ويمر لأعلى عبر لوحة توزيع إلى طبقة من المواد الخاملة - الرمل، أو الرماد، أو الحجر الجيري المستهلك - بعمق بضع مئات من المليمترات. بمجرد وصول سرعة الهواء إلى نقطة التميع، أي ما يقرب من 1 إلى 2 متر في الثانية في طبقة فقاقيع و4 إلى 6 أمتار في الثانية في طبقة دوارة، تفقد الجزيئات الاتصال ببعضها البعض وتتصرف الطبقة مثل السائل المغلي. يتم حقن الوقود المسحوق إلى حجم التغذية مباشرة في هذه الكتلة، والخلط العنيف يجعل كل جسيم يتلامس مع الأكسجين والمواد الصلبة الساخنة. ونظرًا لأن الطبقة تحتوي على مخزون حراري يفوق الطاقة التي يطلقها الوقود في الثانية بعدة مرات، فإن درجة الحرارة تظل موحدة تقريبًا عند 820 إلى 900 درجة مئوية عبر الفرن بأكمله.

ما الذي يجعل درجة الحرارة المنخفضة ممكنة

تشرح الكيمياء الموجودة داخل السرير سبب حصول FBC على مكانتها. الحجر الجيري الذي يتم تغذيته بالوقود يتكلس أولاً في الحرارة، ويطلق ثاني أكسيد الكربون ويترك الجير التفاعلي؛ يتفاعل هذا الجير بعد ذلك مع ثاني أكسيد الكبريت من الفحم ليشكل CaSO4 الصلب، الذي يخرج مع الرماد. ولذلك تتم عملية إزالة الكبريت داخل الفرن، وليس في جهاز غسيل منفصل. نفس البيئة ذات درجات الحرارة المنخفضة تنتج ثلاث نتائج عملية أخرى:

1. مرونة الوقود - يمكن حرق الفحم والكتلة الحيوية والحمأة وفحم الكوك والوقود المشتق من النفايات، وغالبًا ما يتم مزجه أو تبديله بأقل قدر من التخفيض.
2. الاحتراق الموثوق به للوقود الرديء — تعمل الطبقة كمصدر إشعال دائم، لذلك يحترق الوقود عالي الرطوبة والرماد بشكل ثابت.
3. الالتقاط الفعال للكبريت - عادةً ما تؤدي نسبة الكالسيوم إلى الكبريت المولية التي تبلغ حوالي 2.0 إلى 2.5 إلى إزالة 90 بالمائة أو أكثر من كبريت الوقود.
4. أكاسيد النيتروجين المنخفضة - تتشكل أكاسيد النيتروجين الحرارية بالكاد عند 850 درجة مئوية، ويحمل هواء الاحتراق المرحلي انبعاثات غير خاضعة للرقابة أقل بكثير من تلك الناتجة عن الحرق في درجات الحرارة المرتفعة.

ثلاثة تكوينات: BFB، CFB، وبفبك

طبقة فقاعية مميعة (BFB)

تعمل غلايات BFB عند الطرف الأدنى من نطاق السرعة، حوالي 1 إلى 3 م/ث. تبقى معظم المواد الصلبة في الفرن، أو داخل السرير أو أسطح الجدران، وتستخرج الحرارة، ويتم تغذية الوقود على سطح السرير. ويتعامل هذا التكوين مع الكتلة الحيوية الرطبة، والحمأة، والوقود الخشن بشكل جيد، ولهذا السبب يهيمن على محطات البخار الصناعية التي تطلق تلك التيارات.

تعميم السرير المميع (CFB)

ترفع غلايات CFB السرعة إلى 4 إلى 6 م/ث بحيث يتم سحب كميات كبيرة من المواد الصلبة خارج الفرن، ويتم التقاطها في إعصار، وإعادتها من خلال ختم حلقي. قد يدور الجسيم الصلب عشرات المرات قبل أن يغادر كرماد، مما يطيل فترة البقاء ويدفع كفاءة الاحتراق إلى 97 إلى 99 بالمائة. يعد CFB هو الخيار الافتراضي اليوم بالنسبة للمنشآت الصناعية الكبيرة الحجم وعلى نطاق المرافق التي تعمل بالفحم منخفض الجودة، لأنه يجمع بين أعلى كفاءة وأوسع قدرة على تحمل الوقود.

سرير مميع مضغوط (PFBC)

يقوم PFBC بتشغيل النظام بأكمله عند 10 إلى 16 بار داخل وعاء الضغط ويقوم بتوسيع غاز المداخن الساخن المضغوط من خلال توربينات الغاز بالإضافة إلى رفع البخار. وعلى الرغم من أن منطق الكفاءة سليم، إلا أنه لم يتم بناء سوى عدد قليل من المصانع التجريبية، ولا تزال هذه المصانع متخصصة. بالنسبة لمعظم المشاريع، يكون القرار العملي بين BFB وCFB.

لماذا تختار النباتات FBC

وترتكز الحجة التجارية على ثلاث ركائز: حرق الوقود الذي لا تستطيع الغلايات التقليدية حرقه، والوفاء بحدود الانبعاثات من خلال مسار غاز أبسط، والقيام بذلك دون التضحية بالكفاءة ذات المغزى. بالنسبة للمحطات التي لديها إمكانية الوصول إلى الوقود الرخيص الذي يسبب مشاكل، فإن الحساب هو أمر حاسم - يمكن أن تكلف عمليات رفض الغسيل أو فحم الكوك أو وقود النفايات جزءًا صغيرًا من الفحم القياسي، وتقوم وحدة FBC بتحويل هذا الخصم مباشرة إلى وفورات تشغيلية. كما أن الامتثال يؤيد هذه التكنولوجيا أيضًا: حيث يتم احتجاز الكبريت مع الحجر الجيري في الطبقة، ويتم التحكم في أكاسيد النيتروجين بشكل مجاني إلى حد كبير من درجة حرارة الطبقة المنخفضة، وتعكس الأرقام الواردة أدناه الأداء الروتيني بدلاً من وعود المختبر.

التمريرة الخلفية: حيث يتم ربح أو خسارة اقتصاديات FBC

التسييل يحل الفرن. فهو لا يفعل شيئًا مقابل ما يتركه. يخرج الغاز من إعصار CFB عند درجة حرارة 850 إلى 900 درجة مئوية ويدخل الممر الخلفي حاملاً حمولة ثقيلة من المواد الصلبة الدقيقة. رماد القاع عبارة عن مادة معدنية صلبة إلى حد كبير، وحتى بعد فصل الإعصار، يظل التيار كاشطًا وعرضة للتلوث. لذلك يجب تصميم كل سطح حمل حراري في اتجاه مجرى النهر - السخانات الفائقة، ومجمعات المبخر، والموفر - بحيث يدور حول التآكل وتراكم الرماد بقدر ما يدور حول نقل الحرارة.

موفر غاز المداخن الخلفي للغلاية لاستعادة حرارة مياه التغذية يقع هذا المقتصد في الطرف البارد للممر الخلفي CFB، ويمتص الحرارة المتبقية قبل سخان الهواء والمكدس، مما يقلل درجة حرارة الغاز الخارج واستخدام وقود الغلاية حتى في غاز المداخن الكاشط المحمل بالرماد. عرض المنتج →

ويتحمل المقتصد الكثير من هذا الواجب. عند وجوده في الطرف البارد لمسار الغاز، فإنه يمتص آخر حرارة قابلة للاستخدام قبل سخان الهواء والمكدس. كقاعدة عمل، فإن كل انخفاض بمقدار 15 إلى 20 درجة مئوية في درجة حرارة الغاز الخارج يساوي حوالي 1 بالمائة من كفاءة الغلاية، وبالتالي فإن الفجوة بين المقتصد المتوافق جيدًا والموفر الأصغر حجمًا تصبح خطًا دائمًا على فاتورة الوقود. في الخدمة ذات الغبار العالي، تحتاج الأنابيب أيضًا إلى الحماية: سرعات غاز معتدلة، ودروع تآكل في الصفوف الأمامية، وهامش إضافي على سمك الجدار.

أنبوب ذو زعانف من النوع H لغاز المداخن المحمل بالغبار تشكل الزعانف H المتوازية ممرات غاز مستقيمة تقاوم تراكم الرماد والتآكل مع إضافة سطح ممتد كبير، مما يجعل هذه الأنابيب خيارًا مناسبًا للأسطح الحرارية المعرضة للتلوث في اتجاه مجرى إعصار CFB. عرض المنتج →

هندسة الزعانف مهمة بنفس القدر. تم تطوير الأنابيب ذات الزعانف من النوع H خصيصًا لهذه البيئة: تترك الزعانف الملحومة في صفوف متوازية ممرات غاز مستقيمة بين الأنابيب، مما يقلل الاضطراب في جذر الزعانف والمناطق الدوامية حيث يستقر الرماد، مع إضافة سطح كبير لنقل الحرارة في وحدات مدمجة. هذا المزيج من المساحة الممتدة، ومقاومة التآكل، وسلوك التنظيف الذاتي جعلها السطح الممتد القياسي في التمريرات الخلفية للاعبي CFB. قبل تثبيت تصميم السطح، من المفيد مراجعة كيفية مقارنة الأنابيب ذات الزعانف من النوع H مع الأنابيب الملساء في غاز المداخن عالي الغبار.

تحديد استرداد الحرارة حول مصنع FBC

بالنسبة للمشغل الصناعي، نادرًا ما تكون غلاية FBC عملية شراء مستقلة؛ فهو يرتكز على شبكة استعادة الحرارة. يقوم البخار المنبعث من السرير بتشغيل العمليات، وفي العديد من المخططات، يتم وضع غلاية منفصلة للحرارة المهدرة في تيار عادم ساخن - غاز الفرن، أو غاز الفرن، أو مبردات المواد الصلبة - يحول الحرارة الزائدة إلى بخار إضافي دون حرق كيلوغرام آخر من الوقود. إن التعامل مع وحدة FBC وأسطحها النهائية كنظام متكامل واحد هو ما يحول مرونة الوقود إلى استرداد.

غلاية حرارة النفايات الصناعية لتيارات العادم نظرًا لأن غلاية FBC تقوم بتثبيت شبكة متكاملة لاستعادة الحرارة، فإن غلاية الحرارة المهدرة تحول الحرارة الفائضة من الغاز المنبعث من الفرن أو عادم الفرن إلى بخار إضافي دون استهلاك وقود إضافي. عرض المنتج →

وينبغي فحص المشتريات على نفس المحاور الثلاثة التي تتطلبها التكنولوجيا. أولاً، الامتثال: أجزاء الضغط مصممة وفقًا لمتطلبات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) مع جودة لحام موثقة، ومدعومة بخطوط لحام آلية وفحص بالأشعة السينية في الوقت الحقيقي بدلاً من الأعمال الورقية وحدها. ثانيًا، الملاءمة الهندسية: يجب على المورد العمل من خلال تخطيطات ثلاثية الأبعاد، والتحقق من مدخلات الحرارة، وتحويل الرسومات الحالية بحيث تسقط الأسطح الجديدة في مسار الغاز الحالي دون إعادة التصميم. ثالثًا، القدرة: تعاقب جداول EPC الموردين الذين لا يستطيعون تسليم الحمولة، ويعتبر الإنتاج السنوي الذي يزيد عن 20000 طن عتبة عادلة للسؤال عنها. توفر الشركات المصنعة مثل Wuxi Jinker Power Equipment الموفرات والأنابيب ذات الزعانف وغلايات نفايات الحرارة كعائلة منتج واحدة - وهذا هو بالضبط الطريقة التي يجب بها شراء تمريرة FBC الخلفية. قبل قفل تصميم السطح، من المفيد أيضًا إعادة النظر في كيفية قيام اقتصاديات الغلايات بخفض تكاليف الوقود واستعادة الحرارة المهدرة.

يحتل الاحتراق على الطبقة المميعة مكانته في توليد الطاقة والبخار الحديث لأنه يفعل ما لا يستطيع حرقه في درجات حرارة عالية: حرق أنواع الوقود الرخيصة وغير الملائمة ضمن حدود الانبعاثات الحديثة. تحدد درجة حرارة السرير وكيمياء الحجر الجيري تلك الحدود؛ تحدد أسطح التمريرة الخلفية الاقتصاد. إن تحديد كليهما بنفس الدقة - ظروف السرير المستقرة من جانب، وأسطح التسخين ذات الزعانف المقاومة للتآكل وموفر الحجم المناسب من الجانب الآخر - هو ما يفصل مشروع FBC الذي يدفع تكاليفه عن المشروع الذي يكون أداؤه ضعيفًا بهدوء.