弟一节這茶化理 d 图24不同流速时,几种固体颗粒床层的直观待征小意图 表21 床层不同流化方式的基本特征 图2-1牛分图 速度范 :式 手特仙 0≤M≤t 定床 啊粒静止,气体头阿隙中锕过 末层平,均匀地膨胀;卜部有…令确定的界由:粒有 b 1“x≤5am:散式流态化|些小畅度的运:粒囊集的倾很小,存在征小的压 布风板附近形成穴,气泡由于合并而长大.并升至味的 tr) 鼓泡流态化|床面是确定的界亩,期性地有泡破裂穿出;有一个较明 幅度的力波动 摊涌开、,较大的大統则为发 湍流流态化 小气泡和颗粒群来回运动;「表面难以确定:压力仪有小 幅度的波动 床面难以直观确定;颗粒飞出沐的上郎井由床底或接近底 n以出,快速流态化|部的新加人的粒所代,集中么靠近壁面处的粒团向F 变的给料速率下,由于u的增加使颗粒愈加稀薄 不是在任何情况下都能够观察到表中所列的各种形式。因为这些形式之间的过度点,不 仪取决于气固系统的特性,而且也取决于其他条件。un和um只取决于气体和固体的性质 m取决于床直径和床的深度,u,取决于颗粒进人床的速度。如果床的直径小到足以产腾 涌,则与床直径有关。在许多气固系统中,un与a基本相等,散式流化通常是观察不 到的。与此相反,大多数液体流化床在正常操作条件下只能观察到散式流态化形式。对于浅 的或大径的床层、或者是巳经达到最大稳定气泡尺寸的系统,鼓泡方式有可能直接过渡到 湍流方式而不会出现腾涌。 尽筲ψ和u的定义很严格,但它们的过渡通常是逐步实现的。在装有隔板或埋管的流 化床中,同-设备的不同的部分可能同时存在两种方式。另外,区分不同的颗粒是十分有用 的、因为正是这些不同的颗粒确定了不同的流态化特性 Geldart引入了一个非常有用的分类方式,区分了具有不同流态化特征的四类大致的颗粒
弟二章循环流化床燃烧叫气固两仨基本匡 群:某种固体颗粒是属于A、B、C还是1芡 粗粒这主要取决于颗粒的尺寸和度、同时也取决 于流化介质的性质,因而它的温度和力们 关,见图2-5 细颗字 4关和B类颗粒是最常的、1关颗粒的 粒径一般为20-100m,气固密複差 极细颗粒 140X0ky/m3.裂化催化剂是典程的A类或B类颗 粒、早期的流态化研究『竹都是以它们为主进 行的。这类颗粒在停止送气后有缓慢排气的趋 势.由此可鉴别A类颗粒 图25不同型式流念化颗狗的粒径范围 A类颗粒的流化状态如图26所小、图中 为临界沇化点,床层开始流化。气速由A逐渐增大至B点.休层沿散式流态化线膨胀、B 点为最小鼓泡点,AB为散式流态化区。自B点开始产生气泡,随着气速的增大,气泡数量 增多,尺寸也变大。床层膨胀开始偏离散式膨胀线向右突起,BE为鼓泡流态化区、E点的 气速使妓泡床开始崩溃成湍流流化床。床面开始变得模糊不清,从顶部夹带的颗粒铽增加 气速增大至C点时,从床层带岀的颗粒大增,若要使床层保持一定的空隙率,必须不断 地向床层底部补充与带出相同数量的物料,从而形成快速流态化。适当调节固体循环量可以 保持快速流化床内有足够的颗粒浓度。当气速再加大至输送速度μ,后,快速流态化被破坏. 进入气力输送状态。 临界流化点 初始快流化区 lO球 0 图26细颗粒物料的流态化状态图 B类主要是砂粒和玻璃球,粒径主要在40~500m范围内,气固密度差为]400-400 kg/m3。B类颗粒床易于鼓泡,气速一超过临界流化速度ua,床内立即出现两相,即气泡 相和乳化相 粒度分布较宽的煤颗粒同时具有A颗粒和B颗粒的属性。气速较低时,它充分表现B
第一节态化瓔诊 颗粒的鼓泡特征;气速高时,煤颗粒中绀粉特征占主导地位;它妲可以是下部为敛泡流 化,而卜为湍流或快速流态化 很细的颗粒堆于流化属于C芡、其粒度一般小于20μun:‘它是具有黏结性的x,特别 易于受静电效应和颧粒间作用力的影响,很难达到正常流化状态,常常通过搅拌和振动方式 使之常流化 ∥类颗粒较大通常达到lam或更大。虽然它们也会鼓泡,们体颗粒的混合相对较 与、更谷易产喷射流 七、散式流态化和鼓泡流态化 仃地流态化系统,·达到临界流化状态就出现鼓泡;有的系统,只是在流化介质的長 观速度大十u时才会出现鼓泡;还有-些系统,不论达到什么样的表观气速.都不会出现 妓泡 Wilhelm和郭慕孙首先用弗鲁德准则数来区分这两种流化形态 平稳或散式流态化 dg<0.13 (2-8) 鼓泡或聚式流态化 Tof>1.3 也有建议用4个无因次群来表征流态化形态 散式流态化 (Fri)( re r pp-e(m<100 D (2.9) 聚式流态化 Frn)( reno) Pp-Pti Hof >100 鼓泡的开始与均一流化状念中的内在不稳定性有关。根据连续方程和运动方程,许多学 者进行∫线性化稳定性分析,由此判定颗粒系统是散式流态化还是鼓泡流态化操作 有关鼓泡床模型的研究较多,已经提出了很多模型,其中最著名的莫过于将床层处理为 泡相和乳化相的所谓两相理论:本节只对此作以简述,感兴趣的读者叮查阅有关资料 许多流化床模型都假定,多于临界流化的气体量v都以气泡的形式窜过床层,即 (2-10) 经过大量研究后发现 (1)A的实测值通常小于式(210)的计算值。式(2-10)与气栓流条件的实测值比 较接近,但在布风板上方附近和高速情况下,V/A的实测值与u-u的差别特别大 (2)对式(210)还不能作出经验或半经验的修止 (3)存在无法实测的两相之间气体流动分量。对于气泡相,气体能够通过气泡边界;对 乳化相,气体从颗粒间隙流入气泡。H前尚不能定量描述这一气体的流动分布。 (4)式(2-10)可以谨慎地用于近似估算。 有许多研究者将平均气泡直径表示为高度的函数,其中最好的是Mn与Wen和Dton 提出的模型:在Mon与wen模型中,首先计算最大气泡直径
萆二章循环流化床燃烧中气愒两夼:基本琸沦 气泡沿床高的分布为 d, (z)=dym-(d bm -dio) 该公式主要城用于:0.5≤m≤20m,60≤d≤450m、“-bm≤48cms,当量床直径 D≤130m的操作范围:其主要特点是考虑了床爷对气泡大小的影响 Ianm构思∫一个简单的气泡沿木高几何合并模型,得出 d(z)=0.54(4-um)4(z+4A/N)98g0 (2-13) 式中.4Vn足每个小孔对应的布风板面积 用式(2-12)和式(2-13)可以佔算自由鼓泡床的平趵气泡自径。研究表明在任-给定 的怵高处、气泡大小服从对数正态分布或『分布,佃是除平均方法之外,达没有通用的方法 来计算这种分布的参数:气泡大部分时间都在沿床高合并和分裂.气泡从大到小的直径分布 也在变觅在特定床高处,特征气泡的速度可用式(214)估算 a(z)=0.,711ygd5)+(u-um) (2-14) 式屮第·项是气泡的相对速度;第ˉ顼是假设在流体中有个向上的连续气栓流,它近似地考 虑了泡的相作用和固体颗粒的环流效应 体膨胀以及气泡的体积分率叫通过迭代计算求得。首先估算气泡体积分率f,巾 于乳化相的空隙率基本保持为ε,则床层膨胀高度为 L (2-15) 床层间(L/2)处的气泡直径由式(2-12)或式(213)求出,相应的气泡速度按式(2 14)计算·如果原来佔算的f是恰当的,则/和4(L/2)应满足 这里v/A由式(210)求出、并考虑其近似性。如果式(216)不成立,重新假设 直至它被满足。 Sta和 Canada提出了计算床层膨胀较为简单的方法。总的床层空隙率由式(217)佔 e=1.05uE+(1-Emd)und (2-17) 气泡的体积分率为 当较接近r时计箅误差较大,当速度较高,接近过渡到湍流方式时,其计算结果令 人满意 由于气泡的合并和破裂,形成了气泡大小的不均匀径向分布。有人认为沿高度在距布风 板的1-2倍平均气泡直径处,不均匀程度达到最大。在径向上,发生最大气泡的几率是位 置的函数.越靠近床中心最大气泡越容易出现,在床层的中轴线处,发生最大气泡的频率与 气体的最大流率基本一致。对于气体入口点很少的床层,布风不均匀,可能导致沟流,并在
第一节谎态化理沦 其他地方出现死区 在一高度1的平均气泡赖率由式(2-19)求出 压 π/6)db :面描述的气泡分布不均匀性倾向于形成颗粒在床內的环流」对于浅床层和低流速.容 易形成颗粒在壁面附近向上流动,而在床的中心向卜流动,在较深的宋层和较高流速情况 卜,史容易发生“中心向上,壁面向下”颗粒流动型式 八、颗粒的扬析和夹带 火带和扬析在循环流化床锅炉设计和运行中是非常重发的、这是肉为锅妒燃烧的煤是由 ·定范闱的颗粒组成。在燃烧和循环过稈中,由于煤颛粒收缩、破碎和磨损、有大敞旳微粒 形成、这些微粒很容易被夹带和扬析:为了合理地组织燃烧和传热,傑证锅炉有足够的循环 物料,以及保证姻气中灰尘排放达到排放标准,必须从气流中分离间收这些细颗粒,从而叟 求知道固体颗粒的特征,允其要知道颗粒在夹带气流中的浓度,也就是要了解翱粒的扬析规 律。夹带和扬析是两个不同的概念。夹带一般指在单一颗粒或多组分系统中,气流从床层刂 带走固体颗粒的现象。当自由空域高度低于输送分离高度( Transport Disengaging Height) 时,自空域内固体的粒度分布随位置而变。在自由空域高度接近输送分离高度时,夹带减 小。当气流在输送分腐高度以上离开容器时,颗粒分布和夹带速率都变为常数,其大小由 流在气力输送条件下的饱和夹带能力来确定。 扬析表示从混合物中分离和带走细粉的现象。这现象不论高于或低于TDH时都存在 :述概念可以用图27加以说明。一个流化床容器通常包括两个区域,一个颗粒浓稠的 由饱和挑带能力 给定的夹带量 这一水平面 扬折细粉 一高度时 细粉 的英带量 总夹带量 度 图27颗粒的夹带和扬析示意图 密相,它L而是…个稀相或分散相,二者为一个比较明显或不太明显的界面分开。密相表面 以上至容器出冂之间的空间称为自由空域,其高度称为自由空域高度。设置自由空域的目的 是为∫使飄粒从气体中分离出来,当高度增加时,夹带量减少。当自由空域亮度达到某一值 以后,夹带量为常数,此高度称为输送分离高度。 夹带形成的机理包括两个基本步骤:①从密相区到自由空域固体颗粒的输送;②颗粒在 自由空域的运动,对于鼓泡床,输送起因于气泡在床层表面的破裂。大多数研究者认为, 泡破裂喷出的颗粒主要来自气泡尾涡。有实验资料表明,-般情况下,大约一半的气泡尾迹