流床流体动力特性

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1、第二章 循环流化床锅炉流体动力特性 24 第二章第二章 循环流化床锅炉流体动力特性循环流化床锅炉流体动力特性 循环流化床气-固两相流体动力特性是 CFB 锅炉性能设计、 炉内传热研究及锅炉运行调试 的基础。循环流化床的流体动力特性不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性，而 且受设备的结构尺寸，包括床径、床高、进出口结构以及运行参数(如温度、压力)的影响，因 此在锅炉设计和运行调试前有必要对 CFB 锅炉的流体动力学有所熟悉和研究。 2.1 气固流态化形式气固流态化形式 流态化用来描述固体颗粒与流体接触的一种运行形态， 是一种使微粒固体通过与气体接触 而转变为类似流体状态的操作模式。 气

2、固流态化大致可分为固定床、鼓泡床、湍流床、快速床到气力输送几种形式，见图 2-1。 图图 2-1 流态化过渡形式流态化过渡形式 提高鼓泡床的运行风速， 床层流动就转到湍流流化床流型， 此时密相床层和悬浮段间的界 面变得不很明显， 颗粒的向上夹带量明显增加， 如再进一步增加风速将会形成快速流态化状态。 由于流态化转变是一个相当复杂的过程， 不仅与装置本身有关， 而且在很大程度上取决于运行 工况的组织、流化颗粒物性等因素。即使对同一流化床装置，在所有运行工况及颗粒物性稳定 的情况下， 床层的不同区域亦会呈现出不同的流动型态。 如传统的鼓泡流化床虽属低速流态化 范畴， 当燃用宽筛分煤粒时， 呈现出底

3、部布风板以上的密相鼓泡区和悬浮段的稀相气力输送区 域。 燃煤循环流化床虽属高速流态化范畴， 但由于底部床料的加速效应和大颗粒从底部循环回 送， 因而仍然存在着底部的密相区和二次风口以上的相对稀相区， 并且在布风板和二次风口之 间的区域基本上处于鼓泡流化床和湍流流化床状态， 而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化 第二章 循环流化床锅炉流体动力特性 25 床状态。 快速流化床是流态化的一种形式， 循环流化床锅炉所具有的许多优点， 例如燃料适应性广、 NOx排放量低、燃烧效率高、脱硫时石灰石利用率高和给料点较少等，其原因均是由于气固处 于快速流态化运动状态。 习惯上人们总是用风速来判别流化状态。 当

4、流化风速超过临界流化风速后， 整个床层由固 定床过渡到鼓泡床， 再继续提高风速就过渡到湍流床和快速循环流化床。 快速流化床内存在着 较大的固体颗粒返混，即存在强烈的颗粒内循环，这对延长颗粒的停留时间是有利的。 由于内循环的存在，在炉内的固体物料浓度不仅沿高度(轴向)是变化的，沿径向也是变化 的。内循环的存在也使炉内温度场趋于均匀。 流体动力特性是非常重要的参数，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。 鉴于循环流化床技术的发展历史还很短，特别是煤燃烧领域所涉及的高温和大颗粒情况， 从鼓泡流化床(慢速床)过渡

5、到循环流化床(快速床)的流型转变规律以及循环流化床内的各种特 征，目前研究的尚不完整，对它的认识还在不断深化中，故其研究结果在应用中要注意分析。 2.2 各类流态化的过渡准则各类流态化的过渡准则 为了便于研究流态化过渡，首先研究循环流化床的颗粒分类。 2.2.1 颗粒分类颗粒分类 根据流态化经验，Geldart(1973)把固体颗粒概括分成如图 2-1 所示的 A、B、C 和 D 四类。 图 2-2 是颗粒分类相对于气固密度差的曲线。在 了解固体颗粒流态化表观上， 分类是一种很重要 的手段， 因为在相近的操作条件下不同类的颗粒 流动表现可能完全不同。某种固体颗粒是属于 A、B、C 还是 D 类

6、，这主要取决于颗粒的尺寸 和密度，同时也取决于流化气体的性质， 因而与 它的温度和压力有关。 A 类颗粒(p=2500 kg/m3)一般在 30100 m 范围内，气固密度差小于 1400 kg/m3，主要包括 有裂化催化剂。 早期的流态化研究工作都是以它 们为主进行的。这类颗粒能很好地流化， 但表现 气速在超过临界流化速度之后及气泡出现之前床层会有明显的膨胀。 很多循环流化床系统采用 A 类颗粒，这类颗粒在停止送气后会有缓慢排气的趋势，由此可鉴别 A 类颗粒。B 类主要是 砂粒和玻璃球，这类颗粒粒度通常在 100500 m 范围内(p=2500 kg/m3)。气固密度差为 图图 2-2 颗粒

7、分类颗粒分类 第二章 循环流化床锅炉流体动力特性 26 14004000 kg/m3。B 类颗粒床易于鼓泡，气速一旦超过临界流化速度，床内立即出现两相， 即气泡相和乳化相。它们能流化得很好，大部分锅炉都采用这类颗粒。C 类颗粒非常细，一般 小于 30 m(p=2500 kg/m3)。它是具有粘结性的一类，特别易于受静电效应和颗粒间作用力的 影响，很难达到正常流化状态。颗粒间作用力与重力相近。如果要流化 C 类颗粒，则需特殊 的技术， 否则常会造成沟流。 常常通过搅拌和振动方式使之正常流化。 D 类颗粒(p=2500 kg/m3) 是所有颗粒中最粗的(500m)，通常达到 1 mm 或更大。虽然

8、它们也会鼓泡，但固体颗粒的 混合相对较差， 更容易产生喷射流。 它们需要相当高的速度去流化， 通常处于喷动床操作状态。 表 2-1 给出了不同类型的颗粒特性比较。 表表 2-1 四类颗粒的特点四类颗粒的特点 类别 C A B D 对于p=2500 kg/m3的粒度 30m 30100m 100500m 500m 沟流 严重 轻微 可忽略 可忽略 喷动 无 无 浅层度 明显 临界鼓泡速度 umb 无气泡 umf = umf = umf 气泡形状 只有沟流 平底圆冠 圆形有凹陷 圆形 固体混合 很低 高 中等 低 气体返混 很低 高 中等 低 气栓流 扁平雨状气栓 轴对称 近似轴对称 近似贴壁 粒

9、度对流体动力特性的影响 未知 明显 微小的 未知 粒度分布较宽的煤颗粒同时具有 A 颗粒和 B 颗粒的属性。气速较低时，它充分表现 B 颗 粒的鼓泡特征；气速高时，煤颗粒中细粉特征占主导地位，它也可以是下部鼓泡流态化，而上 部为湍流或快速流态化。 下面分别叙述各种主要形态的过渡准则。 2.2.2 由固定床到鼓泡床由固定床到鼓泡床 在流速较低时，气流仅是在静止颗粒的缝隙中流过，这时称为固定床。当气流速度增大到 一定值时， 所有的颗粒被上升的气流悬浮起来， 此时气体对颗粒的作用力与颗粒的重力相平衡， 通过床层任意两个截面的压力降与在此两截面间单位面积上颗粒和气体的重量之和相等， 这时 床层达到起始

10、流态化。这时的气流速度称为最小流化速度。当气流速度超过这个值时，除了非 常细而轻的颗粒床会均匀膨胀外， 一般地会出现气体的鼓泡这样明显的不稳定性。 这样的床层 称为鼓泡流化床。 2.2.3 由鼓泡流化床到湍流流化床由鼓泡流化床到湍流流化床 当通过鼓泡流化床的气速增加到最小鼓泡速度以上时， 床层会膨胀， 继续不断地增加气速 会最终使床层膨胀形式产生变化， 这可能是由于气泡份额增加， 乳化相膨胀及分隔气泡的乳化 第二章 循环流化床锅炉流体动力特性 27 相壁厚度减弱而引起的，在该状态下，气泡相由于快速的合并和破裂失去了其同一性，这就导 致了床内强烈的运动和床层膨胀的增大， 改变了床层膨胀的型式，

11、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，这种床层称之为湍流流化床。 床层的压力降快速地脉动， 脉动的幅值在速 度Uc时达到峰值， 当流化风速继续增大到Uk时， 脉动幅值会下降到一个稳定值(见图 2-3)，从鼓 泡床到湍流床的转变不是突然发生的， 转变的初 始值是在 Uc，结束时的风速为 Uk。流态化的转 变是从床层表面开始逐步向下移动， 目前尚无通 用的从鼓泡床到湍流床转变速度的计算式。 2.2.4 由湍流流化床过渡到快速流化床由湍流流化床过渡到快速流化床 在湍流流化床中，随着操作气速的不断增加，床内的气泡份额将愈来愈大。由于在高的气 泡份额下， 床内作为连续相的乳相不再

12、稳定。 高速气流的切割使乳相极易被分散为尺度较大的 颗粒团，从而使床层失去湍动流化床的特征。此时，流型即脱离了湍流流态化。从现象上看， 这种流型转变的发生显然类似于一般的“转相过程” ；密相由连续相变成了分散相，稀相则由 分散相变成了连续相。 快速流化床被认为介于湍流流化床和气力输送状态之间的一个流型， 在典型的快速流化床 中可观察到不均匀的颗粒絮状物在非常稀相的上升气固流中随机地作上行或下行运动。 快速流 化床具有高的气固相对速度、颗粒絮状物的形成与解体、极好的混合条件等主要特征。另一个 明显的特征是快速流化床中悬浮颗粒浓度不但沿轴向(高度)而且还沿径向位置有变化。 关于颗粒絮状物形成 机理

13、，如图 2-4 所示。颗粒 被连续地给入上升气流中， 当给料速度很低时， 颗粒将 均匀分散在气流中， 每个颗 粒将孤立地运动， 气固间的 相对速度会在每个颗粒尾 部形成尾涡，如图 2-4(a)所 示。 在给定气速情况下，随着给料速率的增加，床内颗粒浓度达到足够高时，且气固相对速度 高于颗粒携带尾涡所必须具有的最小速度 uT时，尾随的颗粒会进入下面颗粒的尾涡中，如图 2-4(b)所示。一旦出现这种情形，上面颗粒的流体曳力将减小，并且在重力的作用下沉降到位 于其下部的颗粒上，由于这样形成的一对颗粒的有效表面积小于两个单独颗粒表面积之间和， 与组合体的重力相比，其流体曳力要小些，进而导致颗粒对与其他

14、颗粒相碰撞，由此使大量的 图图 2-3 压力波动幅值随气流速度的变化曲线压力波动幅值随气流速度的变化曲线 图图 2-4 颗粒絮状物的形成机理颗粒絮状物的形成机理 第二章 循环流化床锅炉流体动力特性 28 颗粒结合在一起形成名为絮状物的颗粒凝聚群。 然而， 所形成的这些颗粒絮状物并非稳定不变， 他们往往会被上升气流所撕碎，因此颗粒絮状物的形成与解体是交替发生的现象。 迄今， 尚缺乏向快速流态化流型过渡的定量判据。 下面引述 Reddy-Karri 和 Knowlton 的流 型过渡示意图，如图 2-5 所示。 设想在一个垂直流动体系， 颗粒以给定的流率 W1连续给入床内，气体向上流动，整个气固流

15、动 处于气力输送状态。此时，如降低表观风速而维持 给料量不变， 单位高度床层的压降将减小，这是由 于与壁面流动阻力减少的缘故(C-D 线)。然而，随 着进一步减低气速，悬浮颗粒的浓度越来越大，因 此悬浮颗粒体的静压头随着气速减低而增高， 并进 而开始主导通过床层的压力降。 在这种情况下，随 着表观风速的减小，压降开始增大(D-E 线)，曲线 中折转点 D 表示了从气力输送过渡到快速流态化 的临界点， 如果与湍流流化床过渡到快度流化床相 比，D 点相当于快速流化床运行范围的上限点。 如果气速再降低， 床内的颗粒浓度会增加到使床层达到颗粒饱和状态， 即气流不再能携带 颗粒离开床层，这是就形成了密相

16、床层，在曲线上显示了很陡的压降增加，此状态(E 点)称为 噎塞(choking)。对于小尺寸床体，此时床层易形成节涌，而对于大尺度床层，则呈现非节涌的 密相流化床，如上所述的湍流流化床状态。E 点对应的速度称为噎塞速度 uch，快速流化床的 运行范围为 E-D，风速低于 uch时的气固流型有湍流流化床、节涌流化床、鼓泡流化床和固定 床，这些通称为系留床。 图2-6示出了快速流化床的存在区域， A-B 线表示了前述的噎塞速度线，可作为 系留和快速床的分界线。 从图中可以看出， 在高颗粒循环流率的情况下，过渡到快速 流态化的临界速度亦将更高。 关于从湍流流化床过渡到快速流化床 的另一种判据是由 Yerushalmi 和 Cankurt 提出的输送速度的概念。为解释其物理含 义，我们先来看一下表观风速超过床料终 端速度的一个假想流化床的情形。显然，经过一段有限时间后，所有的床料颗粒均将夹带出床 层，除非同时连续地给入等量的颗粒。随着表观风速从远超过床料终端速度的状态开始减小， 把整个床层吹空所花的时间亦随之增加。 继续降低气速时会存在一个临界点