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1、Jiangsu University江苏大学江苏大学流 化 床 水 煤 气 炉江苏大学能源与动力工程学院Jiangsu University江苏大学江苏大学目录一、流化床介绍 1 流态化的定义及现象 2 流化床的原理 3 流化床的主要特性二、流化床水煤气气化 1 煤气化的基本概念 2 水煤气气化的原理 3 煤气化工艺及设备 4 间歇式流化床水煤气气化工艺Jiangsu University江苏大学江苏大学三、煤气爆炸极限1 爆炸极限的定义 2 可燃气体或蒸气的爆炸极限 3 各种人工煤气的爆炸极限四、注意的问题Jiangsu University江苏大学江苏大学一、流化床介绍Jiangsu Un
2、iversity江苏大学江苏大学1 流态化的定义及现象流态化的定义当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增 大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越 来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力 与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，大量固体 颗粒悬浮于运动的流体中，所有固体颗粒表现出类似流 体状态的某些特性的现象，这种现象称为固态流态化。 颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为 临界流化速度。 Jiangsu University江苏大学江苏大学流态化现象根据流态化所使用液体介质不同，固体流态化可以分为液-固流态化气-固流态化气-液-固三相流态化Jiangsu U
3、niversity江苏大学江苏大学对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于 床层中，称为“散式”流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地 流过床层，固体颗粒分成群体做紊流运动，床层中的空 隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为“聚式 ”流态化。固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化 过程的设备称为流化床。Jiangsu University江苏大学江苏大学2 流化床的原理流化床的原理图1示出了不同流速下固体颗粒床层的流动状态。 随着气流速度的增加，固体颗粒呈现固定床、鼓泡流化 床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。Jiangsu University江苏大
4、学江苏大学图1不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态Jiangsu University江苏大学江苏大学3 流化床的主要特性1流化床恒定的压降 （1）理想流化床在理想情况下，流体通过颗 粒床层时，克服流体阻力产 生的压降与空塔气速之间的 关系如图2所示，大致可分 为以下几个阶段：固定床阶段 流化床阶段 与C点对应的流速称为临界流化速度umf ，它是最小流化速度 图2 理想流化床的p-u关系曲线Jiangsu University江苏大学江苏大学固定床阶段此时气速较低，床层静止不动，气体通 过床层的空隙流动，随气速的增加，气体通过床层 的摩擦阻力也相应增加。如图2中AB段所示。流化床阶段 当流速继
5、续增大超过C点时，床层开始 松动，颗粒重排，床层空隙率增大，逐渐地颗粒开 始悬浮在流体中自由运动，床层的高度亦随气速的 提高而增高，但整个床层的压力降仍保持不变，仍 然等于单位面积的床层净重力。Jiangsu University江苏大学江苏大学（2）实际流化床实际流化床的情况比较复杂，其Dp-u关系曲线如图3 所示。它与理想流化床Dp-u曲线的主要区别是：在固定床区域AB和流化床区域DE之间有一个“驼峰”BCD，这是因为 固定床的颗粒间相互挤压，需要较大的推动力才能使床层松动，直 至颗粒达到悬浮状态时，压降Dp便从“驼峰”段降到水平段DE段，此 后降基本不随气速而变，最初的床层愈紧密，“驼峰
6、”段越陡峭。 由于流化床阶段Dp保持不变，压降线DE应为水平线，而实际流化床 中DE线右端略微向上倾斜。这是由于气体通过床层时的压强降除绝 大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少一部分能量消耗于颗 粒之间的碰撞及颗粒容器壁之间的摩擦。 在图3中还可见到DE线的上下各有一条虚线，这是气体流化床压力降 的波动范围，而DE线是这两条线的平均值。在气泡运动、长大、破 裂的过程中产生压力降的波动。Jiangsu University江苏大学江苏大学图3 流化床的实际 p-u关系图Jiangsu University江苏大学江苏大学（3）影响临界流化速度的因素：料层厚度对临界流速影响不大。料层的当量平均
7、料径增大则临界流速增加。固体颗粒密度增加时临界流速增加。流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时 ，临界流速减小。Jiangsu University江苏大学江苏大学2.流化床类似流体的性质从整体看，流化床宛如沸腾着的液体显示某些液体的性质。 1）、流化床中固体颗粒可以从容器壁的小孔喷出，并象液体那样能从一 个容器进入另一个容器； 2）、比床层密度小的物体可很容易地推入床层，而一松开，它就弹起并 浮在床层表面上； 3）、容器倾斜时，床层的上表面保持水平，而且当两个床层连通时，它 们的床层自行调整至同一水平面； 4）、床层中任意两界面的压强变化大致等于这两界面间单位面积床层的 净重力； 其
8、中，固体颗粒的流出是一个具有实际意义的重要特性，它使流化床操 作能够实现固体的连续加料和卸料。Jiangsu University江苏大学江苏大学图4 流化床类似液体的特性Jiangsu University江苏大学江苏大学3.流化床的不正常现象 （1）沸涌现象如果床层高度：床径的比值（长径 比）过大（床层为细长形），或气 速过高时床层内就会发生小气泡合 并成大气泡的现象，当气泡直径长 大到床层直径相等时，则气泡将床 层分为几段，形成相互间隔的气泡 与颗粒层，颗粒层象活塞那样被气 泡向上推动，在达到上部后气泡崩 裂，而颗粒则分散下落，这种现象 称为沸涌现象。如图5所示： 图5Jiangsu U
9、niversity江苏大学江苏大学腾涌后的情况床层发生沸涌现象时， 气固两相接触不良，且使 容器受颗粒磨损加剧，同 时引起设备振动。防止沸涌现象的措施： 实际操作中应采用适宜的 床层高度/床径之比值， 以及适宜的操作气速。 图6 腾涌发生后的 p-u关系Jiangsu University江苏大学江苏大学（2）沟流现象 沟流现象是指气体通过床层时形成短路，大 部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好地 接触。由于部分床层变成死床，颗粒不是悬浮在 气流中，故在p-u图上表现为低于单位床层面 积上的重力，如图7所示。沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布 板的结构有关。粒度过细、密度大、易于粘连
10、的 颗粒，以及气体在分布板处的初始分布不均，都 容易引起沟流。Jiangsu University江苏大学江苏大学沟流的发生，通过观察流化床的压强降及其变化情况可以判断流化床操作是否正常。 图7 沟流发生后的的 p-u关系Jiangsu University江苏大学江苏大学4. 影响流化质量的因素 流化质量是指流化床均匀的程度，即气固接 触的均匀程度。一、分布板二、设备内部的构件三、粒度分布Jiangsu University江苏大学江苏大学二、流化床水煤气气化Jiangsu University江苏大学江苏大学1 煤气化的基本概念煤气化过程的定义煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料，以氧
11、气（空 气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通 过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。 煤的气化类型可归纳为五种基本类型：自热式的水蒸气气化外热式水蒸气气化煤的加氢气化煤的水蒸气气化加氢气化结合制造代用天然气煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气 Jiangsu University江苏大学江苏大学2 水煤气气化的原理水煤气的定义水煤气是用水蒸气和氧气作为气化剂得到的煤气，由蒸汽和炽热的无烟煤或焦炭作用而得，主要成分是CO和H2 。 水煤气的应用领域用做燃料气煤气化联合循环发电（IGCC）用于生产代用天然气用做化工原料Jiangsu University江
12、苏大学江苏大学水煤气气化的原理煤被加入高温的气化炉后，发生的反应主要包括热解、水煤气反应和 二次反应。煤通过热解脱除挥发分后生成煤半焦或焦炭，然后高温的焦炭 与水蒸气发生反应主要生成H2和CO，最后生成的气体之间还会发生二次 反应。控制不同的反应条件可以控制反应的进行，从而改变水煤气中的气体 成分。整个过程中最主要的化学反应即：C+H2O=（高温）CO+H2C+2H2O=（高温）CO2+2H2水煤气生产工业方法主要有两种：蒸汽和空气轮流吹风的间歇法蒸汽和氧一起吹风的连续法Jiangsu University江苏大学江苏大学3 煤气化工艺及设备根据煤气化炉的结构特点和燃料在气化炉中进行转化时的运
13、动方式， 将煤的气化分为如下三种主要工艺：固定床气化工艺流化床气化工艺 气流床气化工艺 流化床气化过程特点床层温度较均匀，气化温度低于灰的软化点气流速度较高，携带焦粒较多 Jiangsu University江苏大学江苏大学4 间歇式流化床水煤气气化工艺单一流化床二步法工艺流程 11 空气换向阀 12 烟气换向阀 21 水蒸气换向阀 22 燃气换向阀Jiangsu University江苏大学江苏大学Jiangsu University江苏大学江苏大学工艺的特点采用间歇法只利用一个气化炉，工艺简单运行稳定采用流化床气化炉，有以下优点： 煤种适应性广，它可使用无烟煤、次烟煤、贫煤、褐煤等各种粉煤
14、。特别适合 于我国储量丰富的次烟煤、贫煤、褐煤等。 煤气生产中不含焦油和酚类，净化设备简单，便于达到环保要求。 工艺简单、操作方便、劳动强度低，易于自动化。 投资省，运行成本低。由于粉煤价格仅为块煤的1/3，使煤气成本大大降低。 该炉生产的煤气在线可调，既可民用又可做为化工原料气。CO可控制在20% 内，煤气热值为26002800kcal/m3。特别适用于我国的广大中小城市的气 源。这对于能源以煤为主的我国具有特殊重要的意义。 Jiangsu University江苏大学江苏大学三、煤气爆炸极限Jiangsu University江苏大学江苏大学1 爆炸极限的定义可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘
15、）与空气（或氧气）必须在一定的 浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范 围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12580。可燃性混合 物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限， 这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限和高于爆炸上限 浓度时，既不爆炸，也不着火。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空 气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能 蔓延的缘故。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆 炸威力（即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例）。Jiangsu Universi
16、ty江苏大学江苏大学可燃性混合物的爆炸极限范围越宽、爆炸下限 越低和爆炸上限越高时，其爆炸危险性越大。这是 因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多；爆 炸下限越低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件； 爆炸上限越高则有少量空气渗入容器，就能与容器 内的可燃物混合形成爆炸条件。应当指出，可燃性 混合物的浓度高于爆炸上限时，虽然不会着火和爆 炸，但当它从容器或管道里逸出，重新接触空气时 却能燃烧，仍有发生着火的危险。Jiangsu University江苏大学江苏大学爆炸一般是指某一过程在有限的空间和很短时间内产生大量 热量与气体。体积迅速膨胀发生的剧烈的反应。此过程可又化学反应引发 也可由非化学反应引发。前者如可燃气体与助燃气体混合并达到爆炸极限内发生的爆 炸。后者如高压钢瓶发生的爆炸。Jiangsu University江苏大学江苏大学各种可燃气体和燃性液体蒸气的爆炸极限 ，可用专门仪器测定出来，或用经验公式估 算。多种可燃气体组成混合物的爆炸极限。
