第二章 循环流化床燃烧中气固 两相流的基本理论 第一节流态化理论 流态化现象 流念化一词是用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态, 将山体颗粒盛于底部多孔的柱状容器内,当气体经多孔底部进入容器穿过床层,并达到 能将颗粒悬浮的流速时,颗粒彼此之间稍稍分离,颗粒在任何方向上都可运动或转动 这样允气的浓稠颗粒料柱与高黏度的液体很相似。它看起来非常象沸腾的液体、并在许 多方表现出类似液体的性质,如图2所示。例如,一个大雨轻的物体可很容易地被压入 床层;一松开,它就弹起并浮在床面上。当容器倾斜时,床面自动达到并保持水平。当两个 不问床高的床连通时,它们的床面自动找平。床层中任意两点间的压差,大致等于这两点问 床层静爪头之差。还有,流化的颗粒象液体那样可以从器壁的孔口喷出,也可以象液体 样,从个容器流入另一个容器。敲击器壁,床面会出现波纹与浪头如果用手或者其他器 体浮起持水耳 床面拉平 具搅拌床层,会发现搅拌所消耗的能量比料柱 不被悬浮时所需要的能量要少得多。 当颗粒系统具有上述性质时,就称之为流 态化了或处于流化状态;称这样的系统为流化 自孔中聊c人床实际上在气固两相流方面,流化床只是其 固体颗粒 中的一部分。从广义上讲气固系统可划分为卧 图21流态化的流体特征 定床、流化床、气力输送等。根据流化床的运
第一节魚杰化理冷 动特点还可进一步划分。 在图2-昕示的装置中,气流问通过细颗粒俫层。当流速低的时候,流休只是穿过静 止颗粒之间的空隙,这种状态为固定床 嗵石流速的增加、颗粒相冮离开,叮石到有少的颛粒在一定的范聞内进行振动和浙 动、通常称之为膨胀床 速度继续升高达到使部颗粒都刚好悬浮在问上流动旳气体中此吋,流体刈顆粒的曳 力等于颗粒的力、相邻颗粒间的平均挤压力的乖直分量等于零,在该床层截面的强 大致等』在该截面以上:颗粒和流体的重力。定义这种状态为初始流化或临界流化状态, 相对应的气体沇速为临界流化速度、用符号am表小 肖流速大于临界流速时,在某些特定条件下,床层平稳而且渐增地膨胀,观察不到大规 模的气泡或不均一性,称这样的流化床为散式流化床、均·流化床或平稳流化床 在般气圊系统中,当流速超过临界流化速度时,床厂出现很大的不稳定性.宀气 泡在更高流速下,不稳定性变得更加剧烈而且固体颗粒的运动变得更加活跃。此外,床层 膨胀并不因为流速相对较高而增加很多。这样的床称为聚式流化床,非均…流化床,或鼓泡 流化床 只要床层有一个十分清晰的界或床层上表面,统称为密相流化床。但是流速远远超过 固体颗粒的终端速度时,床面消失,出现明显的颗粒夹带现象,这种情况称为呈现输送床 稀相或贫相流化床。 流化床的特点 利用流化床具有液体的性能,可以设计出不同的气固接触方式,同其他接触方式相比 它具有如下优点 (])颗粒的流动平稳,类似于液体,其操作可连续自动挖制。 (2)固体顆粒混合迅速均匀,使整个反应器内处于等温状态。 (3)通过两床之间固体颗粒的循环,很容易实现提供(取出)大型反应器中需要(产 生)的大量热量。 (4)气体与固体颗粒之间的传热和传质速率高。 (5)密相床与浸入表面间的传热系数较大。 (6)由于颗粒浓度高、体积大,能够维持较低温度运行。 (7)易于大规模操作。 与此同时,流态化装置也具有一些不利的特点 (1)气体流动状态难以描述,当设计或操作不当时会产生不正常的流化形式,由此导致 气固接触效率的显著降低 (2)不同粒径的颗粒在反应器中的停留时间不同。 (3)脆性固体颗粒易成粉末并被气流夹带,需要经常补充物料以维持稳定运行 (4)气速较高时密性区内的埋件和器壁磨损严重 (5)对于易于结团或熔点低的颗粒、需要低温运仃,从而降低∫反应速率 (6)与固定床相比,流化床耗能较高
26 筆二章衛环荒化床燃烧屮气沔育芏木☆ 虽然其缺点严車、但流化床装咒的总的经济效果是好的。特别是在煤燃烧方.已经成 功地成用于「业魏模,并呈现出良好的发展前景,皃服其缺点也是不容易的·只有对流化床 的运动规律有∫止确允分的了解之后,才能够最大限地皃服缺点、发扬优点,使流态化技 术得到很好的推广应用 三、床层压降和空隙率 以上对流态化现象作了直观的讨论,从方学 的角度来流化床也很只有特 对′(体通过固体散料床层时的压降有了很 充分的训究:佟22为理想悄况下,不同床层状 况压降③p,床层空隙率ε与气体流速a的关 系 在理想条件下,气体通过牧料床层时.床 现圊定床,流化床和输送床:种运动状态,在 固定床阶段,流速较低,固体颗粒静止不动,床 层压降△p与流速为幂函数关系,而空默率 保持:o不变 在流化床阶段,床层压降Δp为常数、这是因 为床层颗粒的重量完全由气体托曳,不再由布风 板支持。空隙率∈线性增长,说明床层均匀膨胀, 「h这是散式流化床的特征。-般说来,超过临界流 图22理想流化床的压降、 速的多余气体以气泡的形式穿过床层,其空隙 空腺率与流速的关系 不是线性增加,这是与理想状态的一个区别 当气速超过a,时,床层处于输送床阶段,在 理想情况下,床髙为无穷大.此时床层压降为床层颗粒重量,床层空隙率ε达到极大为1.0 实际上,由于实际床高为有限,因此在该阶段,床层压降降为很小,但空隙率接近于1.0 上:述理想情况基本上反映了实际床层颗粒在不同阶段的主要特征。实际床与理想床的主 要区别主要是对它的更为细致具体的刻画。例如:流化床阶段包括散式床、鼓泡床、湍流床 和快速床等运动形态,在以后的章节里将作详细讨论 固定床的压降的研究是在渗流基础上发展起来的。研究表明,流体以层流的形式通过散 料床层时,流体的空塔速度u与床层压降△p成正比。 当1<R<20时2xl 当爬e>100时 H 式中,H为床层高度,m;为动力黏度、Pa·s;u为气体速度,ms;p为流体密度 kun在前人研究结果的基础上,通过实验得出了包含层流和湍流床层压降综合表达式
第一节寵办化理 (1-g)2 .7 E ()2 (21) 式中,只为球形度,定义为与实际颗粒体积桕等的球形颗粒的表面积与其实际長面积之比: 这是…个较为普遍认冋的味层压力表达式:其中第项为黏性项,当流速较低时,它占 主导作用;第一项为惯性项,当流速较高,流动为湍流时.该项起主要作用、比表而因∮ =是出反映多孔介质水径因1二和反映相流速因子练合得到的,该表达式通 过引人球形度ψ、也能逼用于非球形颗粒情况: 四、临界流化速度 临界流化速度Mn是流化床揪作的最低速度,是描述流化床的本参数之·确定临界 流化速度un的方法主要有理论计算和实验测定两种 临界流化速度m是当床层压降等于休层颗粒重量时所对应的流体速度,可由hgm力 程导出 ap.1,=(A, Hm)(1-End)(Pp-pne (2-2) 式中,A为床面积 出式(2-1)和式(2-2)得出 (1-Emd)pid, unf +1,75 sd(Pe-pr 其显函数形式为 C2 gd pPp -et) A P二 由扌影响临界流化速度u的因素很多,条件相同或比较接近的平行实验是很难实现的, 不同学者可以得到式(23)中不相同的常数,用它只能得到比较粗糙的结果。但是,式(2 3)表述∫临界流化速度与颗粒和流体物性以及流动状态 之间的定量关系,这是对流化床进行理论分析和建模过 程中经常用到的 确定临界流化速度u的最好方法是通过实验测定。 降低流速a使床层自流化床缓慢地复原至固定床,同时 记下相应的气体流速u和床层压降△p,在双对数坐标纸 上标绘得到如图23内的曲线。通过固定床数据区和流化 床数据区的点各自划线(撇开中间区数据),这两条曲线图23临界流化速度的实测方法
28 簿一当玖流伩床燃烧山勻固世案的基本理 的交点即是临界流态化点,其橫华标的值即是临界流化速度。-这是流化味锅炉实践中获 取临界流化速度fn的有效方法:23中的为起始流态化速发,此吋本层中有部分颗粒 进人流化状态。ur为完全流态化速度、此时床层屮所有颗粒全郃进入流化状态。刈于粒度分 布较窄的味层,au,、ur者非常接近,很难区分 在程F册中,石一些现成的数据供选用,这也是方便诃靠的,请读者参名有关资料 五、颗粒终端速度 颗籼冇流体中沉降,廾始为加速运动,但山于颗敉与流体间发生∫枏对运动,鬥擦作 用使流休对颗粒宀生:阻力阻力的方向与颗粒运动六向州反:速度越大.阻力也扰越大、在 颗降洛-段时后,当流体付颗粒的阻力等干颗粒的浮重(重力与浮力之差)时,颗粒龃 以等速度降落、这个速度称为颗粒的终端速度或自由沉降速度u1、由此推导出单颗粒终端 速度的计算公式为 gdp(Pp-po 力系数C是Re,的函数,可分为3个区 滞沇He<2,C小=Re 过渡区R=2~500,Cn=18.5 湍流区Re1=500~15000,C≈0.44 代人式(24),得出球形颗粒终端速度的分区解析式为 g(pp-pe)d Re 0.153 (P, -pr)o'd114 Re (2-6 Pp- Re:=500~15000 (27 pF 对于非球形颗粒,计箅终端沉降速度u;时,还应作相应的修正,请读者查阅有关资料 实际上,如果供给床层一定量的颗粒,当气速大于颗粒的终端速度u,时,流化床内终 能维持一定厚度的浓稠颗粒的床层。这是因为床层颗粒是由一定宽度范围粒径的颗粒组成 的,通常计算的是平均粒径的终端速度;另一方面,在湍流床和快速床中,由于物料循环总 存在并保持一定量的颗粒团,颗粒团的当量直径比颗粒的直径大的多,流化气速不会超过这 些颗粒团的终端速度。 虽然有人用多孔球模拟过颗粒团的终端速度,但目前关于颗粒团终端速度可以信赖的研 究结果还公布的很少。为了更加深入地了解高气速流化床,还必须对颗粒团的终端速度有 定了解,有兴趣的读者可以在这方面作些尝试。 六、颗粒种类与流态化形式 经过临界流化状态之后,至少有五种不同的流态化形式。这些形式和它们的基本直观特 征示于图24和列于表21中。表中所列的后四种方式被统称为聚式流态化