第二章 循環(huán)流化床的基本理論

循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)2/18/2024第二章循環(huán)流化床的基本理論第一節(jié) 循環(huán)流化床中的基本概念第二節(jié) 流態(tài)化及其典型形態(tài)第三節(jié) 循環(huán)流化床的流體動力特性第四節(jié) 臨界流化速度及床層阻力特性 2/18/2024循環(huán)流化床鍋爐燃燒特點(diǎn)特殊氣固兩相流動體系高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞2/18/2024第一節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐的燃料一、循環(huán)流化床中的固體顆粒二、固體顆粒的物理特性三、流化速度四、顆粒終端速度五、物料循環(huán)倍率六、夾帶和揚(yáng)析2/18/2024一、循環(huán)流化床中的固體顆粒1. 床料（1）定義（2）成分燃煤灰渣石灰石粉沙子、鐵礦石、石英砂（3）靜止床料層厚度

350～600mm2/18/2024一、循環(huán)流化床中的固體顆粒2. 物料（1）定義（2）成分（3）循環(huán)物料（4）廢料飛灰爐渣2/18/2024二、固體顆粒的物理特性1. 堆積密度與顆粒密度——ρd<ρp（1）堆積密度ρd（kg/m3） 固體顆粒不加任何約束自然堆放時單位體積的質(zhì)量（2）顆粒密度ρp（kg/m3） 單個顆粒的質(zhì)量與其體積的比值2/18/2024二、固體顆粒的物理特性2. 空隙率（1）固定床空隙率ε0

床料或物料自然堆放時，在堆積總體積為Vm的顆粒體中，顆粒間的空隙占總體積的份額（2）床層空隙率（流化床空隙率）ε

氣固兩相流系統(tǒng)中，氣相所占的體積Vg與兩相流體總體積Vm之比ε

（Cv,p——兩相流體中顆粒容積濃度）2/18/2024二、固體顆粒的物理特性3、顆粒球形度φ（1）定義：具有與某種任意形狀顆粒相同體積的球體，其表面積與該種顆粒表面積之比

dv—等體積球直徑（mm）；S——顆粒表面積（mm2）（2）作用：表征顆粒的實(shí)際形狀接近球形的程度（3）特征：球形顆粒的球形度為φ＝1，φ值越大，顆粒形狀越接近于球形2/18/20242/18/20242/18/2024二、固體顆粒的物理特性4、燃料篩分和燃料顆粒特性（1）燃料篩分含義：燃料顆粒粒徑大小的分布范圍分類及應(yīng)用

寬篩分——V較高的煤 窄篩分——V較低的無煙煤、煤矸石（2）燃料顆粒特性（燃料的粒比度）

燃料中各種粒徑的顆粒占總質(zhì)量的份額之比（3）顆粒特性曲線定義：原煤經(jīng)過碎煤機(jī)破碎后各粒徑大小是連續(xù)的，按著粒比度在坐標(biāo)圖上作出的是一條連續(xù)的曲線作用：比燃煤篩分、粒比度更確切，是選擇制煤設(shè)備和鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)2/18/2024三、流化速度1. 流化速度u0（m/s）（1）定義：床料流化時動力流體的速度（2）空塔速度（表觀速度） 假設(shè)床內(nèi)沒有床料時空氣通過爐膛的速度u0

Q—空氣或煙氣體積流量（m3/s）；A—爐膛截面積（m2）（3）說明一般給出的u0是床內(nèi)空氣速度（Q、A不變，u0可確定）

若無特別注明，u0指鍋爐在熱態(tài)時的氣流速度

u0又稱為煙氣速度運(yùn)行中控制和調(diào)整風(fēng)量→

u0→爐內(nèi)物料流化狀態(tài)2/18/2024三、流化速度2. 臨界流化速度umf（m/s）（1）定義 使顆粒床層從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)化時的最低氣流速度（2）含義 當(dāng)床層ΔP等于床層顆粒G時對應(yīng)的流化速度2/18/2024u0、ε和流化狀態(tài)間的關(guān)系ε隨u0大小的變化而變化

u0＜3m/s，ε≈0.45 ——鼓泡床

u0=4～7m/s，ε=0.65～0.75 ——湍流床

u0＞8m/s，ε=0.75～0.95 ——快速床2/18/20242/18/2024四、顆粒終端速度1. 受力分析（1）重力（2）浮力 →二者之差是使顆粒發(fā)生下落的動力（3）摩擦阻力2/18/2024四、顆粒終端速度2. 顆粒的終端速度（終端沉降速度、自由沉降速度）ut固體顆粒在靜止空氣中作初速度為零的自由落體運(yùn)動時，由于重力的作用，下降速度逐漸增大，速度越大，阻力也就越大。當(dāng)速度增加到某一數(shù)值時，顆粒受到的阻力、重力和浮力將達(dá)到平衡，也即空氣對顆粒的阻力等于顆粒的浮重（重力與浮力之差）時，顆粒將以等速度向下運(yùn)動2/18/2024四、顆粒終端速度3. 計算公式dp—顆粒平均直徑（m）ρg—流體密度（kg/m3）；CD—曳力系數(shù)，反映顆粒運(yùn)動時流體對顆粒的曳力（或摩擦阻力），為雷諾數(shù)Ret的函數(shù)（Ret，μ為氣體的動力粘度，單位為Pa·s），一般用實(shí)驗(yàn)方法確定。g—重力加速度（g=9.81s/m2）2/18/2024曳力氣體對顆粒表面的粘滯力在流動方向上的分力，與氣體的黏性和固體的表面性質(zhì)有關(guān)氣體對顆粒的壓力在流動方向上的分力，與顆粒的粒徑和迎流橫截面積有關(guān) →氣體速度較低，氣體以層流方式繞顆粒兩側(cè)，黏性力 流速大，漩渦，壓力成為主導(dǎo)2/18/2024四、顆粒終端速度4. 說明（1）經(jīng)驗(yàn)性準(zhǔn)則方程式確定CD（顆粒團(tuán)運(yùn)動具有隨機(jī)性）（2）ut與umf間的關(guān)系

ut也可理解為當(dāng)上升氣流速度大到恰好能將固體顆粒浮起并維持靜止不動時的氣流速度（尺寸和密度較大的顆粒具有較高的ut）（3）流態(tài)化操作：u0≤ut（4）ut/umf——流化床操作性能大→流態(tài)化操作速度的可調(diào)節(jié)范圍寬，改變u0不會明顯影響流化床的穩(wěn)定操作，同時可供選擇的操作速度范圍也較寬，有利于獲得最佳流態(tài)化操作氣速較小→操作靈活性較差最大允許床高判據(jù)：流體通過床層存在ΔP，P低引起流速的增加→床層的Hmax就是底部剛開始流化而頂部剛好達(dá)到ut時的床高。2/18/2024五、物料循環(huán)倍率1. 定義

由循環(huán)灰分離器捕捉下來并返送回爐內(nèi)的物料量（循環(huán)物料量）與新給入的燃料量之比。

2/18/2024五、物料循環(huán)倍率2. 影響Gh的因素（1）一次風(fēng)量 過小→Gh↓（2）燃料顆粒特性 入爐煤顆粒變粗，且所占份額較大時，在一次風(fēng)量不變的情況下，爐膛上部的物料濃度將降低→Gh↓；（3）循環(huán)灰分離器效率 物料分離效率↓→Gh↓（4）回料系統(tǒng)的可靠性 送灰器的運(yùn)行狀況→結(jié)焦或堵塞、回料風(fēng)壓過低→Gh↓2/18/2024六、夾帶和揚(yáng)析1. 夾帶：氣流從床層中帶走固體顆粒2. 揚(yáng)析：從混合物中分離和帶走細(xì)粉2/18/20242/18/2024六、夾帶和揚(yáng)析3. 夾帶、揚(yáng)析的重要性合理組織燃燒和傳熱保證足夠的循環(huán)物料煙氣中灰塵達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)4. 輸送分離高度（TDH，TransportDisengagingHeight）粗顆粒ut>u0 →經(jīng)過一定的分離高度后重新返回床層細(xì)顆粒ut<u0 →被夾帶出床體自由空域內(nèi)所有粗顆粒都能返回床層的最低高度（高度從床層界面算起）定義為TDH。2/18/2024第二節(jié) 流態(tài)化及其典型形態(tài)一、流態(tài)化1. 流態(tài)化現(xiàn)象

固體顆粒在流體作用下表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象（氣體和液體作為流化介質(zhì)）2. 流態(tài)化

由于固體顆粒群與氣體（或液體）接觸時固體顆粒轉(zhuǎn)變成類似流體的狀態(tài)3、氣固流態(tài)化

在流化床鍋爐燃燒中，流化介質(zhì)為氣體，固體煤顆粒及其燃燒后的灰渣被流化2/18/2024一、流態(tài)化4. 流化床具有的類似流體的性質(zhì)主要表現(xiàn)在如下方面：（1）任一高度靜壓近似于此高度以上單位床截面內(nèi)固體顆粒的重量（2）液面特性（3）小孔射流（4）浮力定律（5）連涌效應(yīng)2/18/2024二、固體顆粒的流態(tài)化性能與顆粒分類2/18/20242/18/2024三、流態(tài)化的典型形態(tài)1. 固定床2. 鼓泡流態(tài)化 （聚式流化）3. 紊流流態(tài)化4. 快速流態(tài)化5. 密相氣力輸送6. 稀相氣力輸送2/18/20242/18/2024三、流態(tài)化的典型形態(tài)7. 不正常的流化狀態(tài)（1）溝流——不僅降低固體顆粒流化質(zhì)量，使料層容易產(chǎn)生結(jié)焦，且影響爐內(nèi)傳熱、燃燒的穩(wěn)定性（2）騰涌（節(jié)涌——發(fā)生騰涌時，床面以某種有規(guī)律的頻率上升、破裂，風(fēng)壓劇烈波動，燃燒不穩(wěn)定，在床料斷層下部易引起結(jié)焦2/18/2024第三節(jié) 循環(huán)流化床的流體動力特性循環(huán)流化床裝置

下部顆粒密相區(qū)和上部上升段稀相區(qū)的循環(huán)流化床、氣固物料分離裝置、固體物料回送裝置等三個部分組成的閉路循環(huán)系統(tǒng)

研究流動特性，分析床內(nèi)的顆粒濃度、壓力和氣流速度等的分布→掌握爐內(nèi)流動、燃燒、傳熱、污染控制2/18/2024一、顆粒濃度分布1. 各種流態(tài)化形態(tài)下的顆粒濃度分布（1）下部密相區(qū)（鼓泡流化床/湍流流化床）a.形成原因：床內(nèi)氣速雖高，但床底顆粒由靜止開始加速，且大量顆粒從底部循環(huán)回送→床層下部顆粒濃度較高b.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：密相乳化相——連續(xù)相 氣泡相——分散相2/18/2024一、顆粒濃度分布1. 各種流態(tài)化形態(tài)下的顆粒濃度分布（2）上部稀相區(qū)（快速流化床）a.形成原因：氣體高速流動+二次風(fēng)→ε↑↑→典型稀相區(qū)：u0>ut，顆粒夾帶量很大→快速流化床甚至密相氣力輸送b.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：發(fā)生轉(zhuǎn)相過程，稀相成連續(xù)相，濃相顆粒絮狀聚集物成分散相2/18/20242/18/2024一、顆粒濃度分布1. 各種流態(tài)化形態(tài)下的顆粒濃度分布（3）氣固兩相流局部流動不均a.按顆粒運(yùn)動速度分布劃分：底部加速區(qū)（顆粒在氣流曳力作用下垂直方向速度由零加速）和充分發(fā)展區(qū)（顆粒最終穩(wěn)定速度）b.任一床層截面，運(yùn)行風(fēng)速升高或顆粒循環(huán)流率減小，顆粒截面平均速度增大2/18/2024一、顆粒濃度分布1. 各種流態(tài)化形態(tài)下的顆粒濃度分布（4）顆粒混返（固體物料內(nèi)循環(huán)）a.小顆粒隨氣流上升，部分碰撞下落，總趨勢向上b.大顆粒中心處上升，一定高度時在邊壁處下落c.床層各截面上，顆粒平均速度沿軸向增大直至趨于恒定（床層足夠高）d.若R一定，平均顆粒速度隨u0增大而增大；若風(fēng)速一定，R對顆粒平均速度影響較小2/18/2024一、顆粒濃度分布2. 顆粒濃度的軸向分布（三種基本類型）（1）單調(diào)指數(shù)函數(shù)分布 特征：隨床層高度增加，軸向空隙率逐漸增大2/18/2024一、顆粒濃度分布2. 顆粒濃度的軸向分布（三種基本類型）（2）S型分布（典型形態(tài)） 特征：床層底部為顆粒密相區(qū)，頂部為稀相區(qū)，濃稀相間存在拐點(diǎn)（受運(yùn)行風(fēng)速、R及整個循環(huán)回路存料量影響）2/18/2024一、顆粒濃度分布2. 顆粒濃度的軸向分布（三種基本類型）（3）C型分布

特征：出口處顆粒濃度軸向分布逆轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)上濃下稀趨勢；遠(yuǎn)離出口的下方呈上稀下濃分布；全床整體沿軸向出現(xiàn)中間空隙大、兩端空隙小的反C型分布

原因：采用氣墊直角彎頭出口，對氣固兩相流產(chǎn)生較強(qiáng)約束效應(yīng)——?dú)怏w由垂直運(yùn)動急轉(zhuǎn)成水平運(yùn)動，顆粒在慣性作用下沖向氣墊封頭，受阻后折流向下，一部分被氣流帶出，另一部分沿床壁面向下，與向上顆粒碰撞后再與兩相流融合2/18/2024一、顆粒濃度分布3. 顆粒濃度軸向分布的影響因素（1）運(yùn)行風(fēng)速

u0↑，ε↑→指數(shù)型分布向S型分布轉(zhuǎn)變，拐點(diǎn)位置↓，ε分布均勻→稀相氣力輸送（2）循環(huán)物料量R R↑，顆?！w粒間碰撞和相互作用↑→顆粒上升速度↓→床層下部顆粒濃度↑↑（3）顆粒物性（直徑、密度） 顆粒直徑或密度↑→床層底部顆粒加速較慢，濃度較大，頂部受顆粒物性影響較小（4）床截面尺寸影響明顯 床層直徑↓，邊壁效應(yīng)凸顯，顆粒向上速度↓，顆粒濃度↑，沿軸向分布不均勻性↑（5）床體結(jié)構(gòu)（入口、出口結(jié)構(gòu)狀態(tài)）

a.入口（蝶閥）：循環(huán)流率控制

b.出口 弱約束（直接噴射式、45°擋板短彎頭式） 強(qiáng)約束（直角彎頭出口），較大氣速下影響顯著ε呈單調(diào)指數(shù)下降或反C型分布2/18/2024一、顆粒濃度分布4. 顆粒濃度的徑向分布a.壁面摩擦效應(yīng)使床層中心區(qū)ε較大，壁面處較小b.氣速增加，床層截面平均固體顆粒濃度下降，ε徑向變化變小2/18/2024二、壓力分布1. 床內(nèi)P的軸向分布——反映床內(nèi)固體顆粒的滯留量及氣固間動量交換（1）不同流態(tài)化形態(tài)軸向P分布與顆粒濃度軸向分布類似：床層底部壓力梯度較大，上部區(qū)域較小（2）鼓泡床沿軸向存在明顯的密相區(qū)和稀相區(qū)2/18/2024二、壓力分布2. ΔP（1）Ergun包含層流和湍流的床層ΔP綜合表達(dá)式（2）床層內(nèi)任意兩點(diǎn)間的ΔP計算式：已知軸向顆粒濃度分布，即可知P沿床層的分布規(guī)律（3）相同Gs，ΔP和u0成反比關(guān)系 相同氣速，Gs與床層ΔP近似線性增加2/18/2024三、氣體速度分布1. 氣體速度的軸向分布（1）二次風(fēng)的加入和床層截面變化的影響（2）固體顆粒濃度沿軸向變化，氣體在顆粒間隙中的實(shí)際速度造成軸向不均2. 氣體速度的徑向分布（1）有利于研究顆粒的橫向運(yùn)動、濃度徑向分布和磨損（2）顆粒濃度和u0增大都造成氣速徑向分布不均（3）壁面對氣流作用以及沿壁面下降的顆粒流作用，使得氣體局部速度在徑向上不均勻（超過軸向）（4）二次風(fēng)加入形式及送入位置的影響2/18/2024第四節(jié) 臨界流化速度及床層阻力特性一、臨界流化速度1. umf定義（最小流化速度）床料從固定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰瘧B(tài)時，按布風(fēng)板通流面積計算的空氣流速當(dāng)床層ΔP等于顆粒重量時所對應(yīng)的流體速度（氣體對固體顆粒產(chǎn)生的曳力等于顆粒在氣體中的浮重）結(jié)合Ergun公式推導(dǎo)出umf公式，反映了umf與顆粒和流體的物性以及流動狀態(tài)間的定量關(guān)系2. 確定umf的方法理論計算試驗(yàn)測定（最好）2/18