锅炉气固两相流基础理论

第三章 气固两相流基础理论主要内容 基本概念 气固两相流中的颗粒特性 流态化基本原理 循环流化床炉内流体动力特性基本概念1床料由燃煤、灰渣、石灰石、砂子或铁矿石等组成2物料循环系统内燃烧或载热固体颗粒组成：床料、燃料、反送回的飞灰及其他物资 3堆积密度与颗粒密度堆积密度：单位体积燃料质量d表示，kg/m3,颗粒密度:单个颗粒的质量与其体积比p表示，kg/m3无约束，真实密度4.空隙率空隙率:燃料、床料或物料堆积时，其粒子间的空隙所占的体积份额。堆积与流化并不相同。流化状态下空隙率定义为：气体所占的体积与整个两相流总体积之比。5燃料筛分：燃煤颗粒要求0 13mm宽筛分：0.1 13mm,窄筛分:2 6mm 通常，对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较大，筛分较宽；对于挥发分较低的无烟煤、煤矸石，一般要求粒径较小，相对筛分较窄。国内目前运行的循环流化床锅炉，其燃料粒径要求一般在0.110mm、0.1l5mm，特殊的要求0.120mm，这些燃料粒径要求范围较大，均属宽筛分。6燃料颗粒特性称燃煤的粒比度 是选择制煤设备和锅炉运行的参数 细颗粒多,一般炉温整体高,燃烧后燃 粗颗粒多,影响排渣,炉膛易结焦7流化速度-空塔速度,不是一个常量,指床料或物料流化时动力流体的速度 运行中控制和调整风量,就控制盒调整了流化速度,即控制炉内物料的流化状态 一次风:通过布风板和风帽使床料(或物料)流化起 来的空气 8临界流化风速与临界流化风量 床料开始流化时的一次风速度与风量,通过试验测得 临界流化速度是流态化操作的最低气流速度，实际燃煤流化床 锅炉中，耍达到稳定的流态化，使锅炉安全稳定远行，其运行的最低风速应大于临界流化风速。对于某一种床料，当其流化速度u3m/s时，空隙率在0.45左右，这时的流化状态称做鼓泡床。当流化速度47m/s时，其对应的空隙率0.650.75，这时的流化状态称做湍流床。当流化速度8m/s时，空隙率也随着增大为0.750.95之间，这时的流化状态称做快速床。9物料循环倍率-物料返送量与燃料给进量之比指物料分离器捕捉下来且返送回炉内的物料量与燃煤量之比。物料循环倍率一次风量：过小，回送量减少燃料颗粒特性：颗粒粗，份额大，回送量减少分离器效率：效率降低，回料量减少回料系统：10.物料浓度：指炉膛内一定空间区域内的物料量，与两个压力测点间的压差成正比，与两个压力测点间的距离成反比。11.密相区、过渡区和稀相区 工程应用上，一般将二次风口或给煤口以下区域划分为密相区，炉膛锥部以上部分划分为稀相区。气固两相流中的颗粒特性一、固体颗粒特性 1.非球形颗粒的等效直径(1)等效体积直径：与颗粒具有相同体积的球形直径(2)等效表面积直径：与颗粒具有相同外表面的球形 直径(3)筛分直径：颗粒能通过的最小方形筛孔的宽度。工程实用的当量直径(4)等效表面-体积直径：与颗粒具有相同表面比的球 形直径2.颗粒球形度 表征颗粒接近球形的程度。球形度数值越小，颗粒偏离球形越远。用实测方法获得。3.宽筛分颗粒的平均粒径筛分重量平均直径：dav=xidiXi不同直径颗粒份额Di颗粒各种不同粒径，用不同孔径的筛子表示 对孔径小于25.4mm的孔，用25.4mm长度上的孔数表示，简称“目”表3-3 为我国常用的泰勒标准筛的目数（25.4mm长度上孔数）和对应孔径（相邻网线间的孔径）4.Geldart的颗粒分类方法C类：很难流态化，A类：很易流化，B类：良好的流化性，易鼓泡，流化床中的石英砂，D类：大多数流化床的床料及燃料颗粒二、颗粒终端速度 1.受力分析 重力Fg=浮力FA+拽力FD 2.颗粒终端速度 颗粒做自由落体时在重力作用下加速，而浮力和流体拽力阻碍。当颗粒加速直至达到一个不再增加的稳定的速度时，此速度叫颗粒终端速度。颗粒的终端沉降速度见表3-4第三节 流态化基本原理一、流态化的概念流态化的定义为：使颗粒通过与气体或液体的接触而转变成类似流体的一种运行状况。当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗粒上的重力与气流的曳力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有类似于流体的性质，主要有以下几点：流态化的定义为：使颗粒通过与气体或液体的接触而转变成类似流体的一种运行状况。当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗粒上的重力与气流的曳力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有类似于流体的性质，主要有以下几点：（1）在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量；（2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；（3）床内固体颗粒可以像液体一样，从底部或侧面的孔口中排出；（4）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。（5）床内颗粒混合良好，当加热床层时整个床层的温度基本上均匀。气体流化床的拟流体性质见下图 如图2-4所示。在这种床层中，一个大而轻的物体会被很容易地压入床中，并且一旦松手便会很快跳起并浮在床表面。而当容器倾斜时，床层的表面会保持水平。当两个床体在水平方向连通后，颗粒将从一个床层流向另一个床层，并且两个床层将最终趋于平衡(即同高度的床表面)。床内沿高度方向任意两点的压差基本上等于这两点间的床层静止压头。这种流化床还有一种重要的性能，就是当在密相床体侧边开一个孔后，床内颗粒将会以喷射状自由流出床外，因而不少鼓泡流化床常利用这一性质在床层表面设置一溢流口，以维持稳定的床层高度并自动排出渣料。一般的气-固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。燃煤循环流化床锅炉靠空气或烟气流化颗粒状物料，属气-固流态化范畴，也即属于聚式流态化。二、典型流化状态1.固定床 颗粒组成的床层静止于个筛板上，气体通过筛板上的小孔进入床层，并通过颗粒间隙上行，这种床层称之为固定床或填充床如在循环流化床返料机构的料腿中，固体颗粒之间无相对运动。当气体流经固体颗粒时，它对颗粒有曳力，这样会引起气体通过床层有压力损失。2.鼓泡流化床 悬浮气速达到一个临界值最小流化风速，气体对颗粒的曳力刚好等于颗粒的重力减去浮力时的床层风速 该流态下，过余的气体以气泡的形式上行，床料内将产生大量气泡，气泡不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，这时气(空气)-固(床料)两相有比较强烈的混合，与水被加热沸腾时的情况差不多（如图）。由于这时的床料中产生有大量的气泡，故这时的流化状态称做鼓泡床，床内呈鼓泡床流化状态的锅炉就叫做鼓泡床锅炉，或者叫做沸腾炉。此时通过床层的压力降近似等于床层的重量。3.湍流床 增加气速会最终使床层膨胀形式产生变化，该状态下，气泡相由于快速的合并和破裂而失去了确定形状，气固混合更加剧烈，大量颗粒被抛入床层上方的悬浮空间，床层仍有表面，但已相当弥散，看不清料层界面，但床内仍存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料浓度比上部稀相区的浓度大得多。这种床层称之为湍流流化床 湍流床的运行风速高于细颗粒的终端沉降速度，而低于粗颗粒的终端沉降速度，在该流态下运行时气固接触良好。循环流化床底部密相区大多运行在湍流床状态。4.快速流化床 快速流化床是湍流流态化和气力输送状态之间的流态，在床层中流化气速高于颗粒的终端沉降速度，由气流夹带的颗粒被分离再送回床层的下部。主要特征为：气固之间的高滑移速度、颗粒团聚物的形成和离析以及良好的混合。5.气力输送 气体速度继续增大，导致固体颗粒空间浓度很稀，气固悬浮物处于气力输送状态第四节循环流化床炉内流体动力特性 气-固两相的流体动力特性，主要包括炉内气固两相流动状态、颗粒聚集行为、气固混合、炉内颗粒浓度分布、炉内压力分布等规律。流体动力特性是循环流化床锅炉非常重要的特性，它决定着辅机的能耗、床内吸热量、温度分布、燃烧情况、床内载料量和磨损等。良好的综合流体动力特性是合理设计循环流化床锅炉的基础。一、炉内气固两相流动状态 1.炉内不同区域流型分布 在循环流化床锅炉中，高温固体物料沿着一个封闭的循环回路运动。在这个循环回路中的不同区域固体颗粒处于不同的流动状态，如下表所示：可见循环流化床锅炉中包括了气固两相流的所有流态，不同位置、不同部件结构中都有不同的流型。炉膛中的不同区域存在着从鼓泡流态化、湍流流态化至快速流态化的多种流动型态，同一区域在不同的运行风速下流动型态也有变化.循环流化床锅炉由于底部床料的加速效应和大量颗粒从底部循环回送，因而存在着：1.底部靠近布风板区域的密相区2.二次风口以上的相对稀相区域，3.布风板和二次风口之间的区域基本上处于鼓泡流化床或湍流流化床状态，4.二次风口以上才逐步过渡到快速流化床状态。目前大多数循环流化床锅炉的流化风速约为58ms。2.床内气泡与颗粒运动 在较低气流速度下，流化床中的空气以气泡的形式向上运动，当气泡上浮时其尾迹附近局部压力降低，空缺出的空间立即由周围的颗粒所补充。上浮的气泡由于气泡尾迹迁移的作用，使床层下部的颗粒被携带到床层上部，如图2-18所示。因此，在大量气泡上浮时，又导致固体颗粒的纵向移动，促进了床内的混合。流化床锅炉流化速度较高(一般在5l0 ms)，流化介质在床内不再以气泡形式通过物料，固体颗粒的运动方式也发生了变化。在颗粒流型上，快速流化床明显存在着颗粒絮状物的运动，如图2-19 所示。原因 因为床内物料密度很大，物料在高速气流作用下，后续上浮的颗粒接近前面颗粒，使前面颗粒所受气流的作用力降低，并在其重力作用下落在尾随其后的颗粒上，依次作用使物料单一颗粒形成颗粒团或颗粒带，颗粒团(或颗粒带)的自身重力较单一颗粒重得多，当其重力大于气流对其作用力时，颗粒团落降与后部的物料混合。面壁流 当物料呈湍流床时，沿四周壁面的物料浓度较中心大，并沿壁面向下流动。而中心区物料颗粒相对稀少(浓度低)，并随气流向上运动。当气流速度再增大时，沿壁面明显下降的高浓度气固两相流出现湍动，下降环流与上升中心流发生掺混，在炉内产生循环。这种物料在炉内掺混循环，称做“内循环”，如图2-20所示。“面壁流”现象对炉内传热和受热面磨损影响极大。影响面壁流形成及其厚度的因素较多，如物料特性、布风板、风帽结构、受热面结构、流化速度等。3.颗粒的扬析和夹带夹带：指单一颗粒或多组分系统中，气流从床层 中带走固体颗粒的现象。扬析：从混合物中分离和带走细粉的现象。二、二、炉内颗粒浓度分布炉内颗粒浓度分布1.颗粒浓度沿床高（轴向）分布规律 从颗粒浓度沿床高的分布特征看，处于不同流型状态的流化床内的颗粒浓度沿床高分布规律差别很大。从总体上讲，循环流化床炉内颗粒浓度一般呈上稀下浓的不均匀分布，如图2-21所示。2.颗粒浓度沿床截面（径向）分布规律 在循环流化床中，由于壁面的摩擦效应，在靠近壁面处的气速低于床层中心的气速。在床内核心区上行的固体颗粒，由于流体动力的作用，会向边壁漂移，当到达壁面时，由于气速较低，流体对颗粒或颗粒团的曳力也降低，这样颗粒在近壁面处的上升速度减慢或者向下运动（见图2-25）。三、床层高度、阻力与气流速度变化的关系a.固定床，b.鼓泡床，c.湍流床，d.气力输送1.在固定床中-气流从颗粒与颗粒之间空隙曲折通过料层，A.床料层越厚其气流通过路径越长，受到阻力越大；b.气流速度越大，阻力也越大；2.鼓泡床和湍流床：气流速度达到临界流化速度后，气体以气泡的形式携带一些固体颗粒向上通过料层，料层中空隙率增大，床层增高，但料层阻力却不再增大，气流速度继续增大，床层增加更高，即床层体积膨胀，空隙率增加，流体在床内颗粒间的流通截面积增大，使流体通过料层颗粒间的真实流速不变，因此料层阻力也基本不变3.气力输送：当气流速度再增大时，床料进入气力输送状态，固体颗粒被气流带出炉床，床料密度降低，炉内空隙率1，气流阻力将随着下降（见图2-26、2-27）。根据料层高度和阻力与气流速度变化规律，利用临界流化速度与料层厚度基本没有多大影响的道理，就可以调整回料阀和风选式冷渣器的流化风速，使之在运行中基本保持不变而正常流化。四、床内压力波动-循环流化床的压力分布。对循环流化床内 的轴向压力分布 的测量表明，在 床层底部的密相 区，压力梯度比 较大，在上部区 域压力梯度比较 小（见图2-29）；床层压降与运行风速的关系：在同一循环物料量下，床层压降随运行风速的增加而下降，这意味着在同一循环量的条件下，速度越大，床内的颗粒浓度必然变稀，因而床内压降和速度成反比。第五节 流化床炉中的物料平衡