教案第三章-生物質(zhì)燃料與能源資料

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(shí) 授課學(xué)時(shí) 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(gè)參數(shù)的意義，流化床基本設(shè)備的了解 重點(diǎn)、難點(diǎn) 流態(tài)化的概念以及參數(shù)的表達(dá) 教學(xué)組織（包括主要教學(xué)方法、手段、參考書目文獻(xiàn)等） 課堂講授及例證，理論及計(jì)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(gè)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(dāng)流體速度達(dá)到一個(gè)臨界值后，容器

2、中的固體顆粒就會(huì)在容器中漂浮起來(lái)，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(guò)固體顆粒層時(shí)，只有當(dāng)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(dá)到平衡時(shí)，才會(huì)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(guò)固體顆粒層，流體對(duì)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(chǎng)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(guò)固體顆粒層的氣體組成的氣固流化床，具有類似于靜止?fàn)顟B(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(dāng)流化床本體發(fā)生傾斜時(shí)，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)固體顆粒可以象液體一樣，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(huì)下沉，密度小的物體會(huì)浮在床面上。例如，一個(gè)鋼球會(huì)沉在床底，而羽毛球會(huì)浮在床層表面。6）當(dāng)其它操作參數(shù)相同時(shí)，將兩個(gè)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(huì)自動(dòng)流向床面較低的流化床中，直至兩個(gè)流化床中的床面高度相同。7）床內(nèi)顆?；旌狭己?，當(dāng)加熱床層時(shí)，整個(gè)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(dòng)或隨流體流動(dòng)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(fēng)由小到大的過(guò)程中形成的。要形成氣固流態(tài)化，必須要有三個(gè)基本條件：1）、底部具有能使氣流均勻流入的布風(fēng)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(gè)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(guò)布風(fēng)裝置向床內(nèi)送入空氣（流化風(fēng)）。剛開始時(shí)，由于空氣流速很低，還不足于將床料吹起來(lái)。但隨著流化風(fēng)量增大，床層出現(xiàn)松動(dòng)，并略有膨脹，個(gè)別粒徑較小的床料顆粒被吹起。隨著流化風(fēng)量的繼續(xù)增大，全部床料都被吹起，整個(gè)床層呈現(xiàn)出象煮沸的稀飯一樣的波動(dòng)現(xiàn)象。被吹出床層的床料，大部分會(huì)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(lái)表征流化質(zhì)量的好壞。通常用床層壓降的波動(dòng)、床層密度的變化、床層料面起伏比等參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。還包括床層粒子的分級(jí)、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(dòng)等。在不同的情況下都可用來(lái)判斷流化的質(zhì)量。 第二節(jié) 流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 1、流態(tài)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 1）流體和固體之間的傳熱和傳質(zhì)增強(qiáng)，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(qiáng)烈擾動(dòng)使得碰撞增強(qiáng)，接觸傳熱增強(qiáng)，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(qiáng) 在流化床（鍋爐）工藝當(dāng)中，需要埋設(shè)一些管路來(lái)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(qiáng)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(wèn)題。因此對(duì)于循環(huán)量大的固體進(jìn)行處理時(shí)常使用流化裝置。 4）固體顆?？梢宰鳛闊彷d體 實(shí)質(zhì)上是利用了固體顆粒的熱容量較大的特點(diǎn)，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn) 1）固體顆粒磨損大、損耗多 由于固體顆粒的碰撞和擾動(dòng)，造成顆粒的磨損。并且細(xì)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(fù)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(guò)程轉(zhuǎn)化率的降低。 此外，由于流化過(guò)程的復(fù)雜，還會(huì)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(guò)程都必須具備固體顆粒、流化介質(zhì)這兩個(gè)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(zhǎng)度上所具有的網(wǎng)眼數(shù)。 2）顆粒的密度：?jiǎn)挝惑w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：?jiǎn)挝活w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(shí)際表面積 4）床層空隙率：空隙體積占整個(gè)床層體積

9、的百分?jǐn)?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(gè)最重要的運(yùn)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(fēng)板上表面所測(cè)得的床層靜壓。冷態(tài)流化特性曲線，十分形象地說(shuō)明了在起始流態(tài)化過(guò)程中，床層壓降與流化速度的關(guān)系。它同時(shí)也說(shuō)明了，隨流化風(fēng)速不同，氣固兩相呈現(xiàn)出不同的流化狀態(tài)。圖14是一個(gè)在理想條件（采用尺寸均勻的球形顆粒）下得到的一個(gè)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(fēng)裝置支承其重量。隨著流化風(fēng)速的增大，床層壓降是增加的。流速增大到B點(diǎn)時(shí)，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(yùn)動(dòng)以及重新排列。當(dāng)流化風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，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(fēng)量增大而繼續(xù)膨脹，也可能隨流化風(fēng)量增大而產(chǎn)生更多的氣泡。床層膨脹和超過(guò)臨界流化風(fēng)量的氣體以氣泡形式通過(guò)床層，使流過(guò)床料顆粒之間的流速基本沒(méi)有變化，這就是隨流化風(fēng)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(fēng)板面積上，床料

11、量的多少。當(dāng)流化速度從C點(diǎn)下降時(shí)，它并不沿原來(lái)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(shí)，床料顆粒之間不存在搭橋、聯(lián)鎖現(xiàn)象。D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流化風(fēng)速，也就成為最小的流化風(fēng)速。流化床鍋爐運(yùn)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(gè)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(shí)按布風(fēng)板（或爐膛空截面）面積計(jì)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(gè)非常重要的流態(tài)化參數(shù)。對(duì)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(fù)荷運(yùn)行的下限風(fēng)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(jì)算方法，一般依賴于實(shí)驗(yàn)測(cè)定值或借助于經(jīng)驗(yàn)公式作近似計(jì)算。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的工業(yè)燃煤流化床鍋爐中，其正常運(yùn)行時(shí)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(shí)際運(yùn)行時(shí)的流化風(fēng)速約為臨界流化風(fēng)速的兩倍左右。臨界流化風(fēng)速還受溫度和顆粒平均粒度的影響。在熱態(tài)下，達(dá)到臨界流態(tài)化狀態(tài)所需要的風(fēng)量比冷態(tài)時(shí)要少。工業(yè)試驗(yàn)表明，在溫度為7001000時(shí)，其熱態(tài)臨界流化速度約為20時(shí)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(fēng)量達(dá)到冷態(tài)的45

13、52，就可達(dá)到與冷態(tài)時(shí)相同的流態(tài)化效果。當(dāng)其它條件不變，只是煤粒平均直徑變化時(shí)，直徑增大一倍，鼓泡流化所需的鼓風(fēng)量約增大50。 公式及選擇原則見(jiàn)書2122頁(yè)。 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(shí)所能達(dá)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(shí)，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?？梢圆捎孟率接?jì)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(shí)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(shuō)明） 3）夾帶分離高度（依照書上27.28頁(yè)圖例和文字說(shuō)明） 5、垂直上升氣固流動(dòng)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(dòng)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(dòng)狀態(tài)特性。垂直上升氣固流動(dòng)系統(tǒng)包含了一個(gè)較為完整的氣固流動(dòng)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(dòng)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(gè)垂直上升氣固系統(tǒng)會(huì)依次呈現(xiàn)以下幾種狀態(tài)：1）固定床此時(shí)由固體顆粒組成的床層靜止于一個(gè)多孔的網(wǎng)格上（比如，層燃鍋爐的爐排），氣體通過(guò)這個(gè)多孔網(wǎng)格上行，床料基本不隨氣體運(yùn)動(dòng)（極個(gè)別細(xì)粉除外），固體顆粒之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種床層稱之為固定床。當(dāng)氣體流經(jīng)固體顆粒時(shí)，它對(duì)顆粒產(chǎn)生曳力（顆粒對(duì)氣體產(chǎn)生磨擦阻力），因此氣體流經(jīng)床層時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失。圖16 垂直上升氣固流動(dòng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的幾種流態(tài)化形式移動(dòng)床也是與固定床的氣固流動(dòng)特性基本相同的一種流化床。在移動(dòng)床中，床層固體顆粒整體相對(duì)于器壁產(chǎn)生移動(dòng)，但床層顆粒之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。循環(huán)流化床鍋爐分離器分離下來(lái)的循環(huán)灰在進(jìn)入回料裝置之前，在料腿（也叫立管）中就處于

16、移動(dòng)床狀態(tài)。2）鼓泡流化床如果通過(guò)固定床的氣體流量增加，氣體通過(guò)固定床而產(chǎn)生的壓降會(huì)持續(xù)增大，直至達(dá)到一個(gè)臨界值最小流化風(fēng)速Umf為止。最小流化風(fēng)速的定義是：氣體對(duì)顆粒的曳力剛好等于顆粒的重力減去浮力時(shí)的流化風(fēng)速。在此狀態(tài)下，顆粒似乎是“無(wú)重量”的，此時(shí)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(dá)到臨界流化速度后，若繼續(xù)增大流化風(fēng)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(guò)臨界流化風(fēng)速的空氣以氣泡形式流過(guò)床層，床內(nèi)存在明顯的密相界面。氣泡從布風(fēng)板處產(chǎn)生，在上升過(guò)程中不斷與其它氣泡合并或分裂，到達(dá)床面后氣

17、泡破裂并飛濺，同時(shí)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(jiàn)的一種流化現(xiàn)象，也叫聚式流化床。（準(zhǔn)）散式流化床：其特征是：當(dāng)流化風(fēng)速超過(guò)臨界流化風(fēng)速后，床層會(huì)隨流化風(fēng)速增大而繼續(xù)膨脹，床內(nèi)基本無(wú)氣泡產(chǎn)生。一直到流化風(fēng)速達(dá)到一個(gè)臨界速度Umb后，床內(nèi)才產(chǎn)生氣泡。（準(zhǔn)）散式流化床只存在于細(xì)顆粒組成的流化床中。節(jié)（騰）涌流化床：對(duì)一個(gè)給定的流化床，當(dāng)流化風(fēng)速或床層高度增加時(shí)，氣泡尺寸也隨之增大。如果床截面較小而又較深時(shí)，氣泡尺寸可能會(huì)增大到與床直徑或床寬度相差不大的程度，此時(shí)氣泡會(huì)以節(jié)涌的形式（類似于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的活塞）通過(guò)床層。3）循環(huán)流化床在垂直上升氣固流動(dòng)系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)中，并沒(méi)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(shí)還可能包括湍流床在內(nèi)。當(dāng)床內(nèi)處于鼓泡流化床時(shí)，隨流化風(fēng)速繼續(xù)增大，床內(nèi)會(huì)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(dāng)床內(nèi)達(dá)到鼓泡流化狀態(tài)后，繼續(xù)增大流化風(fēng)速，超過(guò)臨界流化風(fēng)量的氣體以氣泡形式通過(guò)床層。但隨著流化風(fēng)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(qiáng)烈的氣固運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，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(dāng)彌散，這種床層稱之為湍流流化床。湍流床的運(yùn)行風(fēng)速會(huì)高于細(xì)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(fēng)速，使床層中的流化風(fēng)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(lái)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?dòng)系統(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(duì)）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(qiáng)度較高。固體顆粒具有成團(tuán)與返混現(xiàn)象；固體顆粒之間混合良好。由于存在成