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文檔簡介
1、 生物質(zhì)燃料與能源 課程教案 編寫日期: 年 月 日章、節(jié)(或課題、單元)名稱 第三章 流態(tài)化基礎(chǔ)知識 授課學(xué)時 4 目的要求 掌握流化的基本方式和技術(shù) 流態(tài)化技術(shù)的表征,各個參數(shù)的意義,流化床基本設(shè)備的了解 重點、難點 流態(tài)化的概念以及參數(shù)的表達 教學(xué)組織(包括主要教學(xué)方法、手段、參考書目文獻等) 課堂講授及例證,理論及計算 課后作業(yè)(課外復(fù)習(xí)預(yù)習(xí)內(nèi)容) 授課小結(jié) 陜西科技大學(xué)教案 第一節(jié) 流態(tài)化現(xiàn)象及其基本特征 1、流態(tài)化現(xiàn)象及其定義 圖11 流態(tài)化現(xiàn)象 如圖11所示,在一個開口容器中,放入一定質(zhì)量的固體顆粒,使流體(液體或氣體)從容器底部均勻地流入容器中,當流體速度達到一個臨界值后,容器
2、中的固體顆粒就會在容器中漂浮起來,處于一種擬懸浮狀態(tài),并呈現(xiàn)出一種上下翻騰的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象就叫流態(tài)化現(xiàn)象。從理論上講,在流體流過固體顆粒層時,只有當固體顆粒所受到的各種力(主要是重力、浮力和流體在固體顆粒表面產(chǎn)生的摩擦力等)達到平衡時,才會出現(xiàn)流態(tài)化現(xiàn)象。因此,可以將流態(tài)化定義為:流體以一定速度流過固體顆粒層,流體對顆粒所產(chǎn)生的曳力與顆粒所受到的其它作用力相平衡的狀態(tài),就叫流態(tài)化。根據(jù)流體種類的不同,有氣固流態(tài)化、液固流態(tài)化、氣液固三相流態(tài)化。根據(jù)固體顆粒的受力不同,有與磁場力相平衡的流態(tài)化、與浮力相平衡的流態(tài)化等流態(tài)化現(xiàn)象。流態(tài)化現(xiàn)象最早應(yīng)用于化工領(lǐng)域。由于化工領(lǐng)域中,經(jīng)常將各種反應(yīng)器叫作“
3、床”,因此應(yīng)用流態(tài)化原理的反應(yīng)器(包括容器、固體顆粒、流體)就叫流化床。氣固流化床具有以下重要性質(zhì):1)由固體顆粒和流過固體顆粒層的氣體組成的氣固流化床,具有類似于靜止狀態(tài)的液體的基本性質(zhì)。2)床內(nèi)任一高度的靜壓,近似等于在此高度上單位床截面內(nèi)固體顆粒的重量。3)當流化床本體發(fā)生傾斜時,床表面總是保持水平,床內(nèi)氣固混合物的總體形狀也保持流化床容器的形狀。4)床內(nèi)固體顆??梢韵笠后w一樣,從底部或側(cè)面的孔口中排出。5)密度高于床層表觀密度的物體在床內(nèi)會下沉,密度小的物體會浮在床面上。例如,一個鋼球會沉在床底,而羽毛球會浮在床層表面。6)當其它操作參數(shù)相同時,將兩個不同床面高度的流化床用一根連通管相
4、連,床面較高的流化床中的固體顆粒會自動流向床面較低的流化床中,直至兩個流化床中的床面高度相同。7)床內(nèi)顆粒混合良好,當加熱床層時,整個床層的溫度基本上是均勻的。 流態(tài)化現(xiàn)象:指固體顆粒在流體(氣體或者液體)的作用下,懸浮在流體中跳動或隨流體流動的現(xiàn)象。 2、氣固流態(tài)化的形成與流化質(zhì)量 (一)、氣固流態(tài)化的形成氣固流態(tài)化是伴隨著流化風由小到大的過程中形成的。要形成氣固流態(tài)化,必須要有三個基本條件:1)、底部具有能使氣流均勻流入的布風裝置的容器(或爐膛);2)、容器內(nèi)或爐膛內(nèi)有一定高度的粒徑及其粒徑分布均勻的固體顆粒(或床料);3)、具有一定壓力的空氣。在一個氣固流化床中,起始流態(tài)化一般是這樣形成
5、的:首先在容器(或爐膛)中堆放一定厚度的固體顆粒(或床料),并使料層表面基本平整。通過布風裝置向床內(nèi)送入空氣(流化風)。剛開始時,由于空氣流速很低,還不足于將床料吹起來。但隨著流化風量增大,床層出現(xiàn)松動,并略有膨脹,個別粒徑較小的床料顆粒被吹起。隨著流化風量的繼續(xù)增大,全部床料都被吹起,整個床層呈現(xiàn)出象煮沸的稀飯一樣的波動現(xiàn)象。被吹出床層的床料,大部分會在一定高度范圍內(nèi)又回落至床層。 (二)流化質(zhì)量 流化質(zhì)量的高低主要從流體與顆粒的混合、氣-固接觸狀態(tài)等一系列參數(shù)來表征流化質(zhì)量的好壞。通常用床層壓降的波動、床層密度的變化、床層料面起伏比等參數(shù)來評價。還包括床層粒子的分級、溫度分布、傳熱和傳質(zhì)系
6、數(shù)的大小、流化床床身的震動等。在不同的情況下都可用來判斷流化的質(zhì)量。 第二節(jié) 流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)缺點 1、流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)點 1)流體和固體之間的傳熱和傳質(zhì)增強,床層溫度均勻 首先考慮固體顆粒的幾何形狀,相比于固定床物料尺寸,流化床顆粒尺寸要小得多,因此增大了比表面積,即增大了與流體和固體顆粒間之間的接觸面積。 其次流體的強烈擾動使得碰撞增強,接觸傳熱增強,因此溫度更均勻。 此外,顆粒間的碰撞還大大增加了固體顆粒表面的更新幾率。 2)床層與管壁的傳熱增強 在流化床(鍋爐)工藝當中,需要埋設(shè)一些管路來加熱或者冷卻。流化的固體顆粒與管壁的碰撞可以是管壁上的流體邊界層遭到破壞,增強了傳熱。 3)可以像流體
7、一樣大量輸送 由于固體顆粒的流化使得固定的大批量加工成為可能,解決了固體輸送、攜帶的技術(shù)問題。因此對于循環(huán)量大的固體進行處理時常使用流化裝置。 4)固體顆??梢宰鳛闊彷d體 實質(zhì)上是利用了固體顆粒的熱容量較大的特點,因而可以實現(xiàn)對流體的加熱或者冷卻。如循環(huán)流化床生物質(zhì)熱解裝置。此外固體顆粒還可以搭載催化劑。 2、流態(tài)化技術(shù)的缺點 1)固體顆粒磨損大、損耗多 由于固體顆粒的碰撞和擾動,造成顆粒的磨損。并且細微的顆?;蛘叻蹓m被帶出后還增大了除塵和回收系統(tǒng)的負荷。貴重固體催化劑損失更大,不得忽視。 2)增大了受熱面的磨損 固體顆粒與管壁之間的磨損影響了換熱管的適用壽命。 3)反應(yīng)效率下降 反混現(xiàn)象造成
8、反應(yīng)物被稀釋,從而造成反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化率的降低。 此外,由于流化過程的復(fù)雜,還會產(chǎn)生其他不利的影響。 第三節(jié) 氣固流化床的重要參數(shù) 任何氣固流化過程都必須具備固體顆粒、流化介質(zhì)這兩個條件。 1、顆粒物料的性質(zhì) 直徑、形狀、密度、比表面積等。 1)顆粒的直徑:利用篩分法求顆粒的直徑。 目數(shù):篩網(wǎng)每英寸(25.4mm)長度上所具有的網(wǎng)眼數(shù)。 2)顆粒的密度:單位體積的質(zhì)量。單位體積包括顆粒內(nèi)空間。 3)顆粒的比表面積和形狀系數(shù) 比表面積:單位顆粒體積的外表面積 球形顆粒的比表面積:表面積/體積=6/dp . 形狀系數(shù)=同顆粒體積相等的球體表面積/顆粒的實際表面積 4)床層空隙率:空隙體積占整個床層體積
9、的百分數(shù)成為空隙率 。 2、冷態(tài)流化特性曲線 在各類流化床中,應(yīng)用最為廣泛的是氣固流化床。各種氣固流化床反應(yīng)器大量應(yīng)用于化工、石油、能源、食品、冶金等行業(yè)中。要系統(tǒng)地了解氣固流化床,首先要掌握氣固流化床的兩個最重要的運行參數(shù):臨界流化速度和床層壓降。所謂臨界流化速度,就是使床料呈現(xiàn)流態(tài)化狀態(tài)的最小流化速度。床層壓降則是緊靠布風板上表面所測得的床層靜壓。冷態(tài)流化特性曲線,十分形象地說明了在起始流態(tài)化過程中,床層壓降與流化速度的關(guān)系。它同時也說明了,隨流化風速不同,氣固兩相呈現(xiàn)出不同的流化狀態(tài)。圖14是一個在理想條件(采用尺寸均勻的球形顆粒)下得到的一個典型的流化特性曲線。圖中,AB區(qū)域代表固定床
10、。在固定床中,顆粒彼此緊靠,并由布風裝置支承其重量。隨著流化風速的增大,床層壓降是增加的。流速增大到B點時,床內(nèi)開始呈現(xiàn)流態(tài)化現(xiàn)象:床層表面開始變得平坦,在床層附近的顆粒開始有了比較緩慢的運動以及重新排列。當流化風速繼續(xù)增大時,床層壓降將保持不變,而床層高度卻開始增大。這是流化床特有的膨脹現(xiàn)象。根據(jù)不同的具體情況,床層有可能隨流化風量增大而繼續(xù)膨脹,也可能隨流化風量增大而產(chǎn)生更多的氣泡。床層膨脹和超過臨界流化風量的氣體以氣泡形式通過床層,使流過床料顆粒之間的流速基本沒有變化,這就是隨流化風速增大,床層壓降不變的原因所在。圖14床層壓降與流化速度的關(guān)系床層壓降的大小,代表了單位布風板面積上,床料
11、量的多少。當流化速度從C點下降時,它并不沿原來的路徑下降,而是沿著路徑CDE下降。這是由于從流化床轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ù矔r,床料顆粒之間不存在搭橋、聯(lián)鎖現(xiàn)象。D點所對應(yīng)的流化風速,也就成為最小的流化風速。流化床鍋爐運行中,就要始終保持流化速度大于最小流化速度。而床層壓降,則成為判斷爐內(nèi)床料量的多少以及是否應(yīng)該排渣的一個重要參數(shù)。 3.臨界流化速度和帶出速度(終端沉降速度) 1)臨界流化速度mf:通常將床層從固定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到流化狀態(tài)(或稱沸騰狀態(tài))時按布風板(或爐膛空截面)面積計算的空氣流速稱為臨界流化速度mf,即所謂的最小流化速度。臨界流化速度是一個非常重要的流態(tài)化參數(shù)。對循環(huán)流化床鍋爐而言,在某種程度上
12、,臨界流化速度決定了鍋爐低負荷運行的下限風速。臨界流化速度與床料顆粒粒徑的平方值、固氣密度差成正比。但至今還未能從理論上找到一種可靠的計算方法,一般依賴于實驗測定值或借助于經(jīng)驗公式作近似計算。需要說明的是,在實際的工業(yè)燃煤流化床鍋爐中,其正常運行時的流化速度均要大于mf。為保證床內(nèi)顆粒充分流化,鼓泡流化床鍋爐實際運行時的流化風速約為臨界流化風速的兩倍左右。臨界流化風速還受溫度和顆粒平均粒度的影響。在熱態(tài)下,達到臨界流態(tài)化狀態(tài)所需要的風量比冷態(tài)時要少。工業(yè)試驗表明,在溫度為7001000時,其熱態(tài)臨界流化速度約為20時的冷態(tài)臨界流化速度的0.450.52倍。換言之,熱態(tài)下的流化風量達到冷態(tài)的45
13、52,就可達到與冷態(tài)時相同的流態(tài)化效果。當其它條件不變,只是煤粒平均直徑變化時,直徑增大一倍,鼓泡流化所需的鼓風量約增大50。 公式及選擇原則見書2122頁。 2)顆粒終端沉降速度ut:固體顆粒在靜止流體中自由下落時所能達到的最大速度。在循環(huán)流化床中,只有流化速度大于顆粒終端沉降速度時,顆粒才能跟隨氣體一起從流化床中逸出。顆粒終端沉降速度與床料顆粒粒徑的平方根、固氣密度差的平方根成正比。可以采用下式計算: (m/s) (13)式中,dp顆粒粒徑,m;g氣體密度,kg/m3;p顆粒密度,kg/m3;g重力加速度;CD常數(shù)。 4、膨脹比、起伏比和夾帶分離高度 1)膨脹比=實際流化床層的高度/靜床高
14、= 2)起伏比=床層最大高度/最小高度,(圖示說明) 3)夾帶分離高度(依照書上27.28頁圖例和文字說明) 5、垂直上升氣固流動系統(tǒng)中氣固流態(tài)化的形式及判別循環(huán)流化床鍋爐及其燃燒輔助設(shè)備中包括了多種氣固流動狀態(tài),因此有必要在經(jīng)典流態(tài)化的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)掌握更多的氣固流動狀態(tài)特性。垂直上升氣固流動系統(tǒng)包含了一個較為完整的氣固流動體系,在這一范圍內(nèi)的氣固流態(tài)化現(xiàn)象也是較為復(fù)雜的,其中有許多影響因素我們目前還不清楚。目前只知道各種形式的氣固流態(tài)化主要受氣體流動速度(流化速度或空截面速度)、固體顆粒特性(密度、粒度及其分布)、流體特性(密度、粘度等)以及固體器壁的影響。如圖16所示,隨流化速度的增加,一
15、個垂直上升氣固系統(tǒng)會依次呈現(xiàn)以下幾種狀態(tài):1)固定床此時由固體顆粒組成的床層靜止于一個多孔的網(wǎng)格上(比如,層燃鍋爐的爐排),氣體通過這個多孔網(wǎng)格上行,床料基本不隨氣體運動(極個別細粉除外),固體顆粒之間沒有相對運動。這種床層稱之為固定床。當氣體流經(jīng)固體顆粒時,它對顆粒產(chǎn)生曳力(顆粒對氣體產(chǎn)生磨擦阻力),因此氣體流經(jīng)床層時會產(chǎn)生壓力損失。圖16 垂直上升氣固流動系統(tǒng)范圍內(nèi)的幾種流態(tài)化形式移動床也是與固定床的氣固流動特性基本相同的一種流化床。在移動床中,床層固體顆粒整體相對于器壁產(chǎn)生移動,但床層顆粒之間沒有相對運動。循環(huán)流化床鍋爐分離器分離下來的循環(huán)灰在進入回料裝置之前,在料腿(也叫立管)中就處于
16、移動床狀態(tài)。2)鼓泡流化床如果通過固定床的氣體流量增加,氣體通過固定床而產(chǎn)生的壓降會持續(xù)增大,直至達到一個臨界值最小流化風速Umf為止。最小流化風速的定義是:氣體對顆粒的曳力剛好等于顆粒的重力減去浮力時的流化風速。在此狀態(tài)下,顆粒似乎是“無重量”的,此時固定床轉(zhuǎn)化為初始流態(tài)化狀態(tài)。在該狀態(tài)下,固體顆粒呈液體的特性。在氣流速度達到臨界流化速度后,若繼續(xù)增大流化風速,則根據(jù)不同的固體顆粒特性和流化床結(jié)構(gòu),床內(nèi)有可能呈現(xiàn)以下三種流化狀態(tài)中的一種:鼓泡流化床:其特征是超過臨界流化風速的空氣以氣泡形式流過床層,床內(nèi)存在明顯的密相界面。氣泡從布風板處產(chǎn)生,在上升過程中不斷與其它氣泡合并或分裂,到達床面后氣
17、泡破裂并飛濺,同時將少量床料顆粒拋向床層上方的懸浮空間。這是工業(yè)應(yīng)用中常見的一種流化現(xiàn)象,也叫聚式流化床。(準)散式流化床:其特征是:當流化風速超過臨界流化風速后,床層會隨流化風速增大而繼續(xù)膨脹,床內(nèi)基本無氣泡產(chǎn)生。一直到流化風速達到一個臨界速度Umb后,床內(nèi)才產(chǎn)生氣泡。(準)散式流化床只存在于細顆粒組成的流化床中。節(jié)(騰)涌流化床:對一個給定的流化床,當流化風速或床層高度增加時,氣泡尺寸也隨之增大。如果床截面較小而又較深時,氣泡尺寸可能會增大到與床直徑或床寬度相差不大的程度,此時氣泡會以節(jié)涌的形式(類似于一個運動的活塞)通過床層。3)循環(huán)流化床在垂直上升氣固流動系統(tǒng)的術(shù)語中,并沒有循環(huán)流化床
18、的定義。一般而言,循環(huán)流化床是指快速流化床和密相氣力輸送這兩種流化狀態(tài)。但在燃煤鍋爐中,循環(huán)流化床有時還可能包括湍流床在內(nèi)。當床內(nèi)處于鼓泡流化床時,隨流化風速繼續(xù)增大,床內(nèi)會依次呈現(xiàn)湍流床、快速流化床、密相氣力輸送和稀相氣力輸送。下面分別加以介紹:湍流床:當床內(nèi)達到鼓泡流化狀態(tài)后,繼續(xù)增大流化風速,超過臨界流化風量的氣體以氣泡形式通過床層。但隨著流化風速增大,氣泡產(chǎn)生、合并和破裂都相應(yīng)增大,床內(nèi)呈現(xiàn)較強烈的氣固運動,氣固接觸良好;床層表面有大量的氣泡破裂,床層的壓力降快速地脈動,大量床料顆粒被拋入床層上方的懸浮空間,床層仍有表面但已相當彌散,這種床層稱之為湍流流化床。湍流床的運行風速會高于細顆粒的終端沉降速度,而低于粗顆粒的終端沉降速度??焖倭骰玻簣D17 不同流化狀態(tài)下的氣固滑移速度在湍流床的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大流化風速,使床層中的流化風速高于顆粒的終端沉降速度,床內(nèi)呈現(xiàn)一種由高速氣固懸浮物組成的床層,由氣流從床內(nèi)夾帶出的顆粒被分離下來并被送回床層下部,這就是快速流化床。在快速流化床中,由于返回的床料足夠多,使床內(nèi)的溫度分布很均勻??焖倭骰簿哂幸韵轮匾匦裕涸诖怪鄙仙龤夤塘鲃酉到y(tǒng)中,循環(huán)流化床(包括快速流化床)內(nèi)的氣固之間具有最高的滑移(相對)速度,如圖17所示。由于具有較高的氣固滑移速度,故其燃燒強度較高。固體顆粒具有成團與返混現(xiàn)象;固體顆粒之間混合良好。由于存在成
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