鍋爐氣固兩相流基礎(chǔ)理論

1、第三章 氣固兩相流基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容 基本概念 氣固兩相流中的顆粒特性 流態(tài)化基本原理 循環(huán)流化床爐內(nèi)流體動力特性1基本概念1床料由燃煤、灰渣、石灰石、砂子或鐵礦石等組成2物料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)燃燒或載熱固體顆粒組成：床料、燃料、反送回的飛灰及其他物資2 3堆積密度與顆粒密度堆積密度：單位體積燃料質(zhì)量d表示，kg/m3,顆粒密度:單個顆粒的質(zhì)量與其體積比p表示，kg/m3無約束，真實密度4. 空隙率空隙率:燃料、床料或物料堆積時，其粒子間的空隙所占的體積份額。堆積與流化并不相同。流化狀態(tài)下空隙率定義為：氣體所占的體積與整個兩相流總體積之比。5燃料篩分：燃煤顆粒要求0 13mm寬篩分： 0.1 13mm,

2、 窄篩分: 2 6mm3 通常，對于揮發(fā)分較高的煤，粒徑允許范圍較大，篩分較寬；對于揮發(fā)分較低的無煙煤、煤矸石，一般要求粒徑較小，相對篩分較窄。 國內(nèi)目前運行的循環(huán)流化床鍋爐，其燃料粒徑要求一般在0.110mm、0.1l5mm，特殊的要求0.120mm，這些燃料粒徑要求范圍較大，均屬寬篩分。46燃料顆粒特性稱燃煤的粒比度 是選擇制煤設(shè)備和鍋爐運行的參數(shù) 細(xì)顆粒多,一般爐溫整體高,燃燒后燃 粗顆粒多,影響排渣,爐膛易結(jié)焦7流化速度-空塔速度,不是一個常量,指床料或物料流化時動力流體的速度 運行中控制和調(diào)整風(fēng)量,就控制盒調(diào)整了流化速度,即控制爐內(nèi)物料的流化狀態(tài) 一次風(fēng):通過布風(fēng)板和風(fēng)帽使床料(或物

3、料)流化起 來的空氣5 8臨界流化風(fēng)速與臨界流化風(fēng)量 床料開始流化時的一次風(fēng)速度與風(fēng)量,通過試驗測得 臨界流化速度是流態(tài)化操作的最低氣流速度，實際燃煤流化床 鍋爐中，耍達(dá)到穩(wěn)定的流態(tài)化，使鍋爐安全穩(wěn)定遠(yuǎn)行，其運行的最低風(fēng)速應(yīng)大于臨界流化風(fēng)速。 對于某一種床料，當(dāng)其流化速度u3m/s時，空隙率在0.45左右，這時的流化狀態(tài)稱做鼓泡床。當(dāng)流化速度47m/s時，其對應(yīng)的空隙率0.650.75，這時的流化狀態(tài)稱做湍流床。當(dāng)流化速度8m/s時，空隙率也隨著增大為0.750.95之間，這時的流化狀態(tài)稱做快速床。69物料循環(huán)倍率-物料返送量與燃料給進(jìn)量之比指物料分離器捕捉下來且返送回爐內(nèi)的物料量與燃煤量之比

4、。7物料循環(huán)倍率一次風(fēng)量：過小，回送量減少燃料顆粒特性：顆粒粗，份額大，回送量減少分離器效率：效率降低，回料量減少回料系統(tǒng)：810.物料濃度： 指爐膛內(nèi)一定空間區(qū)域內(nèi)的物料量，與兩個壓力測點間的壓差成正比，與兩個壓力測點間的距離成反比。11.密相區(qū)、過渡區(qū)和稀相區(qū) 工程應(yīng)用上，一般將二次風(fēng)口或給煤口以下區(qū)域劃分為密相區(qū)，爐膛錐部以上部分劃分為稀相區(qū)。9氣固兩相流中的顆粒特性一、固體顆粒特性 1. 非球形顆粒的等效直徑(1)等效體積直徑：與顆粒具有相同體積的球形直徑(2)等效表面積直徑：與顆粒具有相同外表面的球形 直徑(3)篩分直徑：顆粒能通過的最小方形篩孔的寬度。 工程實用的當(dāng)量直徑(4)等效

5、表面-體積直徑：與顆粒具有相同表面比的球 形直徑102. 顆粒球形度 表征顆粒接近球形的程度。球形度數(shù)值越小，顆粒偏離球形越遠(yuǎn)。用實測方法獲得。113.寬篩分顆粒的平均粒徑篩分重量平均直徑：dav=xidiXi不同直徑顆粒份額Di顆粒各種不同粒徑，用不同孔徑的篩子表示 對孔徑小于25.4mm的孔，用25.4mm長度上的孔數(shù)表示，簡稱“目”表3-3 為我國常用的泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩的目數(shù)（25.4mm長度上孔數(shù)）和對應(yīng)孔徑（相鄰網(wǎng)線間的孔徑）124. Geldart的顆粒分類方法13C類：很難流態(tài)化，A類：很易流化，B類：良好的流化性，易鼓泡，流化床中的石英砂，D類：大多數(shù)流化床的床料及燃料顆粒14二、顆

6、粒終端速度 1.受力分析 重力Fg=浮力FA+拽力FD 2.顆粒終端速度 顆粒做自由落體時在重力作用下加速，而浮力和流體拽力阻礙。當(dāng)顆粒加速直至達(dá)到一個不再增加的穩(wěn)定的速度時，此速度叫顆粒終端速度。顆粒的終端沉降速度見表3-41516第三節(jié) 流態(tài)化基本原理一、流態(tài)化的概念流態(tài)化的定義為： 使顆粒通過與氣體或液體的接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體的一種運行狀況。 當(dāng)顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)時，作用在固體顆粒上的重力與氣流的曳力相互平衡，此時顆粒處于一種擬懸浮狀態(tài)，從而使流化床具有類似于流體的性質(zhì)，主要有以下幾點：流態(tài)化的定義為：使顆粒通過與氣體或液體的接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體的一種運行狀況。當(dāng)顆粒處于流態(tài)化狀態(tài)時，作

7、用在固體顆粒上的重力與氣流的曳力相互平衡，此時顆粒處于一種擬懸浮狀態(tài)，從而使流化床具有類似于流體的性質(zhì)，主要有以下幾點：17（1）在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；（2）無論床層如何傾斜，床表面總是保持水平，床層的形狀也保持容器的形狀；（3）床內(nèi)固體顆?？梢韵褚后w一樣，從底部或側(cè)面的孔口中排出；（4）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。 （5）床內(nèi)顆粒混合良好，當(dāng)加熱床層時整個床層的溫度基本上均勻。18氣體流化床的擬流體性質(zhì)見下圖19 如圖2-4所示。在這種床層中，一個大而輕的物體會被很容易地壓入床中，并且一旦松手便會很快跳起并浮在床表

8、面。而當(dāng)容器傾斜時，床層的表面會保持水平。當(dāng)兩個床體在水平方向連通后，顆粒將從一個床層流向另一個床層，并且兩個床層將最終趨于平衡(即同高度的床表面)。床內(nèi)沿高度方向任意兩點的壓差基本上等于這兩點間的床層靜止壓頭。這種流化床還有一種重要的性能，就是當(dāng)在密相床體側(cè)邊開一個孔后，床內(nèi)顆粒將會以噴射狀自由流出床外，因而不少鼓泡流化床常利用這一性質(zhì)在床層表面設(shè)置一溢流口，以維持穩(wěn)定的床層高度并自動排出渣料。20 一般的氣-固流態(tài)化，氣體并不均勻地流過顆粒床層，一部分氣體形成氣泡經(jīng)床層短路逸出，顆粒則被分成群體作湍流運動，床層中的空隙率隨位置和時間的不同變化，因此這種流態(tài)化稱為“聚式”流態(tài)化。 燃煤循環(huán)流

9、化床鍋爐靠空氣或煙氣流化顆粒狀物料，屬氣-固流態(tài)化范疇，也即屬于聚式流態(tài)化。21二、典型流化狀態(tài)221. 固定床 顆粒組成的床層靜止于個篩板上，氣體通過篩板上的小孔進(jìn)入床層，并通過顆粒間隙上行，這種床層稱之為固定床或填充床如在循環(huán)流化床返料機構(gòu)的料腿中， 固體顆粒之間無相對運動。當(dāng)氣體流經(jīng)固體顆粒時，它對顆粒有曳力，這樣會引起氣體通過床層有壓力損失。2. 鼓泡流化床 懸浮氣速達(dá)到一個臨界值最小流化風(fēng)速，氣體對顆粒的曳力剛好等于顆粒的重力減去浮力時的床層風(fēng)速23 該流態(tài)下，過余的氣體以氣泡的形式上行，床料內(nèi)將產(chǎn)生大量氣泡，氣泡不斷上移，小氣泡聚集成較大氣泡穿過料層并破裂，這時氣(空氣)-固(床料

10、)兩相有比較強烈的混合，與水被加熱沸騰時的情況差不多（如圖）。由于這時的床料中產(chǎn)生有大量的氣泡，故這時的流化狀態(tài)稱做鼓泡床，床內(nèi)呈鼓泡床流化狀態(tài)的鍋爐就叫做鼓泡床鍋爐，或者叫做沸騰爐。此時通過床層的壓力降近似等于床層的重量。243.湍流床 增加氣速會最終使床層膨脹形式產(chǎn)生變化， 該狀態(tài)下，氣泡相由于快速的合并和破裂而失去了確定形狀，氣固混合更加劇烈，大量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，看不清料層界面，但床內(nèi)仍存在一個密相區(qū)和稀相區(qū)，下部密相區(qū)的床料濃度比上部稀相區(qū)的濃度大得多。這種床層稱之為湍流流化床 湍流床的運行風(fēng)速高于細(xì)顆粒的終端沉降速度，而低于粗顆粒的終端沉降速

11、度，在該流態(tài)下運行時氣固接觸良好。循環(huán)流化床底部密相區(qū)大多運行在湍流床狀態(tài)。254. 快速流化床 快速流化床是湍流流態(tài)化和氣力輸送狀態(tài)之間的流態(tài)，在床層中流化氣速高于顆粒的終端沉降速度，由氣流夾帶的顆粒被分離再送回床層的下部。主要特征為：氣固之間的高滑移速度、顆粒團(tuán)聚物的形成和離析以及良好的混合。5.氣力輸送 氣體速度繼續(xù)增大，導(dǎo)致固體顆?？臻g濃度很稀，氣固懸浮物處于氣力輸送狀態(tài)26第四節(jié)循環(huán)流化床爐內(nèi)流體動力特性 氣-固兩相的流體動力特性，主要包括爐內(nèi)氣固兩相流動狀態(tài)、顆粒聚集行為、氣固混合、爐內(nèi)顆粒濃度分布、爐內(nèi)壓力分布等規(guī)律。 流體動力特性是循環(huán)流化床鍋爐非常重要的特性，它決定著輔機的能

12、耗、床內(nèi)吸熱量、溫度分布、燃燒情況、床內(nèi)載料量和磨損等。良好的綜合流體動力特性是合理設(shè)計循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)。27 一、爐內(nèi)氣固兩相流動狀態(tài) 1. 爐內(nèi)不同區(qū)域流型分布 在循環(huán)流化床鍋爐中，高溫固體物料沿著一個封閉的循環(huán)回路運動。在這個循環(huán)回路中的不同區(qū)域固體顆粒處于不同的流動狀態(tài)，如下表所示：28 可見循環(huán)流化床鍋爐中包括了氣固兩相流的所有流態(tài)，不同位置、不同部件結(jié)構(gòu)中都有不同的流型。 爐膛中的不同區(qū)域存在著從鼓泡流態(tài)化、湍流流態(tài)化至快速流態(tài)化的多種流動型態(tài)，同一區(qū)域在不同的運行風(fēng)速下流動型態(tài)也有變化. 循環(huán)流化床鍋爐由于底部床料的加速效應(yīng)和大量顆粒從底部循環(huán)回送，因而存在著：1.底部靠近布

13、風(fēng)板區(qū)域的密相區(qū)2.二次風(fēng)口以上的相對稀相區(qū)域，3.布風(fēng)板和二次風(fēng)口之間的區(qū)域基本上處于鼓泡流化床或湍流流化床狀態(tài)，4.二次風(fēng)口以上才逐步過渡到快速流化床狀態(tài)。目前大多數(shù)循環(huán)流化床鍋爐的流化風(fēng)速約為58ms。292. 床內(nèi)氣泡與顆粒運動 在較低氣流速度下，流化床中的空氣以氣泡的形式向上運動，當(dāng)氣泡上浮時其尾跡附近局部壓力降低，空缺出的空間立即由周圍的顆粒所補充。上浮的氣泡由于氣泡尾跡遷移的作用，使床層下部的顆粒被攜帶到床層上部，如圖2-18所示。 因此，在大量氣泡上浮時，又導(dǎo)致固體顆粒的縱向移動，促進(jìn)了床內(nèi)的混合。30 流化床鍋爐流化速度較高(一般在5l0 ms )，流化介質(zhì)在床內(nèi)不再以氣泡形

14、式通過物料，固體顆粒的運動方式也發(fā)生了變化。在顆粒流型上，快速流化床明顯存在著顆粒絮狀物的運動，如圖2-19 所示。31原因 因為床內(nèi)物料密度很大，物料在高速氣流作用下，后續(xù)上浮的顆粒接近前面顆粒，使前面顆粒所受氣流的作用力降低，并在其重力作用下落在尾隨其后的顆粒上，依次作用使物料單一顆粒形成顆粒團(tuán)或顆粒帶，顆粒團(tuán)(或顆粒帶)的自身重力較單一顆粒重得多，當(dāng)其重力大于氣流對其作用力時，顆粒團(tuán)落降與后部的物料混合。32面壁流 當(dāng)物料呈湍流床時，沿四周壁面的物料濃度較中心大，并沿壁面向下流動。而中心區(qū)物料顆粒相對稀少(濃度低)，并隨氣流向上運動。當(dāng)氣流速度再增大時，沿壁面明顯下降的高濃度氣固兩相流出

15、現(xiàn)湍動，下降環(huán)流與上升中心流發(fā)生摻混，在爐內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)。這種物料在爐內(nèi)摻混循環(huán)，稱做“內(nèi)循環(huán)”，如圖2-20所示?！懊姹诹鳌爆F(xiàn)象對爐內(nèi)傳熱和受熱面磨損影響極大。 影響面壁流形成及其厚度的因素較多，如物料特性、布風(fēng)板、風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、受熱面結(jié)構(gòu)、流化速度等。333.顆粒的揚析和夾帶夾帶：指單一顆?；蚨嘟M分系統(tǒng)中，氣流從床層 中帶走固體顆粒的現(xiàn)象。揚析：從混合物中分離和帶走細(xì)粉的現(xiàn)象。34二、 爐內(nèi)顆粒濃度分布1. 顆粒濃度沿床高（軸向）分布規(guī)律 從顆粒濃度沿床高的分布特征看，處于不同流型狀態(tài)的流化床內(nèi)的顆粒濃度沿床高分布規(guī)律差別很大。從總體上講，循環(huán)流化床爐內(nèi)顆粒濃度一般呈上稀下濃的不均勻分布，如圖2-

16、21所示。352.顆粒濃度沿床截面（徑向）分布規(guī)律 在循環(huán)流化床中，由于壁面的摩擦效應(yīng)，在靠近壁面處的氣速低于床層中心的氣速。 在床內(nèi)核心區(qū)上行的固體顆粒，由于流體動力的作用，會向邊壁漂移，當(dāng)?shù)竭_(dá)壁面時，由于氣速較低，流體對顆?；蝾w粒團(tuán)的曳力也降低，這樣顆粒在近壁面處的上升速度減慢或者向下運動（見圖2-25）。36三、床層高度、阻力與氣流速度變化的關(guān)系a.固定床，b.鼓泡床，c.湍流床，d.氣力輸送371.在固定床中-氣流從顆粒與顆粒之間空隙曲折通過料層，A.床料層越厚其氣流通過路徑越長，受到阻力越大；b.氣流速度越大，阻力也越大；2.鼓泡床和湍流床：氣流速度達(dá)到臨界流化速度后，氣體以氣泡的形式攜帶一些固體顆粒向上通過料層，料層中空隙率增大，床層增高，但料層阻力卻不再增大，氣流速度繼續(xù)增大，床層增加更高，即床層體積膨脹，空隙率增加，流體在床內(nèi)顆粒間的流通截面積增大，使流體通過料層顆粒間的真實流速不變，因此料層阻力也基本不變383.氣力輸送： 當(dāng)氣流速度再增大時，床料進(jìn)入氣力輸送狀態(tài)，固體顆粒被氣流帶出爐床，床料密度降低，爐內(nèi)空隙率1，氣流阻力將隨著下降（見圖2-26、2-27）。 根據(jù)料層高度和阻力與氣流速度變