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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 摘 要 布风系统是流化床中的核心系统之一，布风的均匀性是保证整个系统正常运转 的支柱，不合理的布风会影响流化床整体的运行，甚至根本不能实现流化床稳定运 行。因此，合理、均匀的布风是保证流化床正常流化、稳定安全运行的关键。 本设计主要是进行一个小型流化床反应器布风板的设计，并对流化床原理及其 工业应用做了初步的介绍。流化床布风板是流化床中的重要部件之一，主要是由风 室、布风板和风帽构成的流化床单元。本文选择普通的平板型风帽布风板和蘑菇型 风帽进行设计。通过一些公式完成设计的必要步骤。 本设计的目的是通过小型流化床反应器布风板的设计，领会流态化和流化床的 基本知识，掌握试验装置的设计方法。 关键词：流化床；布风板；风帽 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 Abstract Air distribution system is a mainly part of a fluidized bed, and the uniformity of air distribution is necessary to ensure the normal operation of fluidized bed. it will affect overall operation of fluidization bed whether air distribution is unreasonable, even fluidized bed stability can not be sustained. Therefore, reasonable and uniform air distribution is important to guarantee the normal flow and stable and secure operation of fluidized bed. This design is mainly for air distribution of a small fluidized bed reactor, and were introduced a preliminary presentation for fluidized bed principle and industrial applications. Air distributor belongs to important component in fluidized bed. This unit is consists of wind room, air distributor and air caps. This design choices ordinary flat air distributor and mushroom-type air caps. Calculating is necessary for the design. The purpose of this design catches the basic knowledge of fluidization and fluidized bed, and masters the method of the test equipment design through the fluidized bed reactor design of air distributor. Key words: fluidized bed; air distributor; air caps 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 目 录 引 言.I 第一章 流化床.2 1.1 流化床原理 .2 1.1.1 流化床的特征 .2 1.1.2 流化床的工业应用.3 1.1.3 流化床燃烧的特点.5 1.2 流化床的主要部件 .6 1.2.1 概述.6 1.2.2 床体 .6 1.2.3 布风装置.7 第二章 布风系统.8 2.1 布风板基本组成 .8 2.2 布风板 .9 2.2.1 布风板的类型.9 2.2.2 布风板的作用.9 2.3 风帽 .10 第三章 小型流化床布风系统的设计.12 3.1 流化床布风系统 .12 3.1.1 布风板设计要点.12 3.1.2 布风板的选择 .12 3.1.3 风帽类型的选择.13 3.2 风帽小孔流速的选取 .14 3.3 临界流化速度和终端流化速度 .16 3.4 布风方式的确定 .17 3.5 风室和风道 .18 3.6 排渣管 .19 总 结.20 参考文献.21 谢 辞.22 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 引 言 近几年来，流化床在工业领域得到了广泛的应用，这是由于流化床本身特有的 一些优点所决定的。本课题在分析流化床的原理、流化床布风板的作用、流化床燃 烧技术的优点以及流化床工业应用的基础上，设计了一个小型流化床流化床布风板。 本课题主要设计流化床布风板，主要设计内容是流化床布风板上风帽的类型、 风貌的开孔率和小孔流速的选择。介绍了风帽常用的类型和风帽形式对流化床性能 的影响。风帽的常用类型有很多种，例如蘑菇型风帽、P 型定向风帽、箭型风帽、S 型猪尾巴风帽、钟罩型风帽、内嵌逆流柱型风帽等。 布风装置是流化床的主要部件，布风板工作性能直接影响流化床的设计、颗粒 混合、流动和化学反应过程，以及设备的安全运行。随着流化床容量的增加，床体 面积增大，每个给料点给料量的增加，床内颗粒混合情况对燃烧和传热等过程的影 响更加突出。因此合理的设计布风板装置应该是保证床内床料浓度的均匀分布、颗 粒的排放以及防止漏渣问题的关键。 布风板的类型一般分成两类，一类是水平布置的布风板,它具有结构简单的特点， 被广泛应用于燃煤循环流化床锅炉中。但当流化床技术应用于固体废弃物混烧技术 时，对床内大颗粒等杂物的排放较为困难。还有一种倾斜布风板它可以实现床内颗 粒的合理排放。但是目前对倾斜布风板工作特性的研究相对较少，其倾斜角度对床 内颗粒流态特性的影响还不是十分清楚。本文主要是设计一个小型的实验装置上安 装的布风板，因此选择结构简单的水平布置的布风板就可以满足需求。 风帽也是本文主要设计的部件之一，它的作用是增加气流速度以及均匀布风， 最主要的作用就是风帽产生的阻力能够使流化床稳定运行。风帽的气流速度需要满 足床层内固体能够完全流化，即使得床料达到最小流化速度。根据已给出的流化流 速 0.52.0m/s 以及床料的粒径分布来选择风帽的小孔数，从而了解有关流化床稳定 运行的一系列的影响因素，能够更好的掌握流化床的动态特性和流化床在应用中需 要注意的一些问题。虽然迄今为止还没有关于风帽结构设计一个较为完整的准则或 建议，但是通过人们大量的实验，得出的结论是值得我们去借鉴的。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 第一章 流化床 固体流态化技术作为一门基础技术已经渗透到国门经济的许多部门，在化工、 冶金、石油加工、能源、轻工、生化、机械、环保等领域中得到了非常广泛的应用。 利用流化态技术实现的流化床，其独特的传热过程，炽热的颗粒在流化介质的 作用下不停的运动，从而不断地与被加热工件进行碰撞，由于颗粒的热容量比气体 高的多，使得颗粒与工件之间的传热又快又均匀，正是流化床具有的这种加热均匀、 传热系数大、加热速度等特点使得其有了突飞猛进的发展。 1.1 流化床原理 1.1.1 流化床的特征 流化床的定义：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 状态，当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗粒上的重力与气体的曳力相互平衡， 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，因此流化床 主要有以下几点特性1： （1）能使固体颗粒在装置内像液体般自由流动。这就使得对固体进行连续加工 成为可能。目前每个小时运输量在百吨以上的装置亦非罕见。 （2）由于颗粒与流体间的相对动作频繁而剧烈，因而传热和传质的效率很高。 （3）在气泡的作用下流化床中的颗粒亦四而八方运动，类似于搅拌状态，这就 使得床层内温度除了近床壁处外，基本均匀。 （4）颗粒的热容量大，故可以利用它作为热载体，对于高温的情况，尤为适应。 （5）由于颗粒运动的情况近于完全混合，因此在有颗粒连续进出的装置中，颗 粒的停留时间有较宽的分布。 （6）颗粒运动影响到气体发生返混，使气体沿路的浓度梯度减少，从而使传质 和化学反应的推动力有所减小，气体的停留时间分布变宽。 （7）由于颗粒的高热容量及其返混，故能防止局部过热或过冷，因此在爆炸范 围内的气体组成下操作或燃烧低热值的物料就成为可能，且操作较稳定。 （8）因使用的颗粒尺寸小而且具有大的比表面积，有利于液-固两相的传递。 如为多孔性颗粒则因颗粒小，微孔短，孔内扩散较易，因而内表面的利用率很高。 （9）由于固体颗粒间相互撞击摩擦而生成细粉并被气流带走，故需要高效的捕 集设施，以减少经济损失和对环境的污染。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 （10）由于机械运动部件，故能胜任苛刻的反应条件。 上述有的是优点有的是缺点，对于具体的应用要具体分析。工业上流态化技术 的应用比较广泛，不论是物理的或是化学的过程，不论是催化的或是非催化的过程， 也不论是常压的或是非常压放热过程都有应用。 流化床的运行主要是一个流态化的过程，流化床主要部件是布风板和其上分布 的风帽以及布风板下面的风室所构成。流化气体通过布风板的风帽进入炉床，与所 给床料混合。床料以布风板为支撑，流化气体通过布风板对床料、燃料产生向上的 推动力，形成流化状态。床料在床层上强烈混合，从而进行剧烈的扰动和传热过程。 流化床有几种典型的状态固定床、鼓泡流化床、湍流床、快速流化床，这些都 属于流化床的正常状态，但是流化床也有几种不正常的状态例如沟流、气泡与节涌 以及分层现象。流态化根据流化介质和它们各自的性质又可以分为散式流态化和聚 式流态化2。 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止不 动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由布 风板支撑，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠 与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支撑后， 每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。颗 粒床层静止状态转变为流态化时最低速度，称为临界流化速度。固体颗粒原本没有 流动性，但若采取某种措施，使作用在固体颗粒上的重力和气流的曳力相互平衡， 从而使颗粒也能像流体一样呈现流动状态。 形成流态化的基本条件： 1有一个固定的容器和底部有一个流体的分布器 2有适中的足够量的颗粒形成床层； 3有连续的供应流体作为流化介质； 4流体的流速大于初始流化速度但是不超过流体的终端速度。 1.1.2 流化床的工业应用 下面是流化床在工业上的一些应用3： 1.应用于物理操作 流化状态下的固体颗粒具有液体的特性，可应用于颗粒的管道运输，并已在水 泥、粮食、纯碱、树脂等的输送过程中被广泛的采用。流态化技术也成功地应用于 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 多种固体物料的干燥，有机气体的吸附分离等传质过程；应用于细粉的混合，矿物 和煤矸石的分选，抄袭粉体的粉碎、研磨、颗粒表面涂敷包裹以制备缓释农药、缓 释肥料和核燃料小球等机械过程；应用于废热回收的热交换技术，金属零件热处理 的高温粒子炉技术等热过程的一些物理过程。 2.应用于矿物资源的综合利用 流态化技术还应用于铁矿石的直接还原、贫铁矿的磁化焙烧、有色金属的氯化、 氟化焙烧、矿物及焙烧的流态化浸取和浸取液从矿物表面及空隙中的洗涤等都是流 态化工业过程。 3.煤的燃烧与转化 煤的流化燃烧技术发展十分迅速，因为工业实践已证明它的高效率和低污染特 性。目前技术进一步处于鼓泡流化床锅炉向新型、高效、清洁的循环流化床锅炉过 渡的过程中，加压流化燃煤技术也处在工业化过程。其他如煤的流化、干馏、气化， 煤的气-液-固三相反应器直接加氢液化，粉状页岩的干馏等，都是重要的流态化能 源转化技术。 4.石油加工工业 催化裂化流化床反应器是工业最早的流态化反应-再生系统，近年来技术不断完 善，20世纪60年代开发成功的提升管反应器把流态化技术的应用推到一个新的技术 高度。用下行管超短接触进行催化裂化、同时用提升管进行再生的新一代催化裂化 流化床反应器的开发也已取得决定性的进展。此外，如石脑油气相临氢重整，处理 重油的流化焦化，砂子炉裂解和以多产烯烃为目的的催化裂化技术都是流态化过程 的典型应用。 5.有机合成工业 在高分子三大合成材料塑料、纤维、橡胶的生产中，许多重要单体的合成，如 丙烯丁二烯、三聚氰胺等都是采用了流化床催化反应器；其他许多重要基本有机化 合物如苯二甲酸酐等制甲醛。以及百菌清等多种农药的生产也是用到流化床催化反 应器。除此之外，近年来流化床气相聚合技术得到了大规模发展。 6.生物工程中的应用 随着生化技术向工业应用的发展，流态化反应装置在这一领域也得到了越来越 广泛的应用，如植物细胞和动物细胞培养、单细胞蛋白的生产、发酵技术、生化法 有机废水的处理、都是很有发展前景的工业过程。 7.环境工程中的应用 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 流态化技术已开始被引入环境工程领域，如采用流态化电极处理含重金属废水 以回收中金属，多层流化吸附装置回收环境中的浓度有机物质，流化焚烧炉处理工 业废气、废液、废渣和城市垃圾等。都是在技术上有竞争能力的工业过程。 1.1.3 流化床燃烧的特点 流化床燃烧具有清洁燃烧、高效、燃料适应性好等优点，它在很多方面都有很 广泛的用途，流化床燃烧在工业锅炉、窑炉、废物焚烧、水泥工业等领域得到了一 定的发展，出现出了很大的生命力。英国是流化床在工业上应用的前列的国家，相 继美国也开始注重流化床在工业上的应用，现在我国流化床的工业应用也迈进了一 大步。 特别是流化床在废弃物的焚烧上的应用，大量的气体、固体、液体的废弃物堆 放会占用大量可用土地面积，并且用其他方式的燃烧分解时放出的有害气体污染环 境。例如城市固体垃圾的焚烧、热解细煤泥等。流化床燃烧它是属于低温燃烧，燃 烧释放的气体也容易控制，在世界上这个技术得到很好的评价，近几年来得到了世 界各国的重视。 锅炉是火力发电的三大主要设备之一，流化床锅炉相比较其它方式的锅炉而言， 流化床锅炉有着自身的特点和优势。尤其是作为先进的清洁燃烧方式，其大型化以 后，具有很好的市场竞争优势。但其大型化以后也随即带来了不少急待解决的难题。 因此，对大型流化床锅炉关键问题的研究具有重要的理论和实践意义。 流化床燃烧的优点我们总结如下几点4。 一、节约能源 近20年来的统计表明：我国一次能源结构中煤约占75%。煤产量的70%用于电 站锅炉、工业锅炉以及窑炉。这些窑炉的燃烧效率一般比世界上先进水平低510个 百分点。发展先进的流化床燃烧锅炉对于节约煤炭资源有重要作用。 二、利用劣质燃料 中国煤炭资源的分布和质量差异随地区变化大。南方劣质煤居多。北方累积的 煤矸石达1020t，并以年增1亿t的数量增加。原煤入选率将不断提高，细煤泥越来 越多。除煤以外的其他低热值燃料也很丰富。发展流化床燃烧技术，因地制宜利用 这些劣质燃料无疑有十分重要的意义。 三、绿色能源 我国煤炭能源产量的大约25%是含硫超过2%的高硫煤，年排放量500万吨来自 于煤的燃烧。高效脱硫和低NOx排放。典型的循环流化床锅炉达到90%脱硫效率时， 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 所需的脱硫剂化学当量比仅为1.52.5，NOx排放为50150ppm（Hiltunen等， 1988）或者20150mg/MJ5。总排放量的85%，年排放量仅次于美国，占居世 2 CO 界第二位。流化床在燃烧具有燃烧中脱硫，脱碳的优点，是一种低污染、低成本的 燃烧技术。发展我们称之为绿色能源的流化床燃烧技术，对于生态保护无疑有着重 要的作用。 四、灰渣综合利用 大量的灰渣要占用大量的土地，且会带来二次污染。我国人均耕地和世界上平 均值相比落后很多。随着电力工业的发展，灰场占地面积也随之增加，流化床燃烧 的灰活性好，对于节省土地起到一定的作用。 综上所述：流化床技术是一种清洁燃烧技术、绿色燃烧技术；流化床燃烧设备 是一种绿色节能的设备；这个世纪将是流化床锅炉燃烧技术在电厂锅炉、工业锅炉、 窑炉等领域加速发展的世纪。 1.2 流化床的主要部件 1.2.1 概述 流化床锅炉以其燃料适应性广，燃烧效率高，氮氧化物排放低，负荷调节比大 和负荷调节快等突出优点越来越被发电行业所接受。非机械阀、布风板和气固分离 器是流化床的三大主要部件，是流化床必备的部件，高温颗粒连续地在这些部分中 流动，因此对这三大部件的研究设计应该引起足够的重视。在这里我们主要设计风 帽和布风板的开孔率等，优化一系列的结构布置。研究了布风板上风帽小孔流速的 选取对流化床的工况的影响，怎样取风帽的风速才能使得流化床运行在最佳的状态。 流化床的应用有物理操作、化学操作和燃烧等，不论哪个领域的应用都不开流 化床的基本构造。通常的流化床的基本装置有以下几部分组成3： 气体分布装置（一般是气-固流化床） ； 床内构件，例如挡板、换热器、搅动机械等； 气-固分离装置，可以设置在床内或者是床出口以外，使固体物料重新回到床 内。 进料及排料装置 如果要维持流态化操作的正常进行，还需要动力设备、完整的床层空间器或容 器、床内加入一定量及一定颗粒范围、粒度形状的固体颗粒物以及测控仪表等。如 果仅从形成正常的流态化状态考虑，那么最简单的流化床由以下两部分构成。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 1.2.2 床体 床体即盛放固体物料的空间，也就是所谓的“床”。容器内盛有合适颗粒度、密 度的固体颗粒，在经分布装置通入气体介质，这就可以实现气体介质与固体的彼此 扰动、混合、上下左右的剧烈运动，成为流态化床。在燃烧技术中，床就是指锅炉 燃烧室，也即炉子。 1.2.3 布风装置 布风装置是流化床的重要组成部分。在上面我了解到布风板的基本作用是将流 化空气均匀地分布到床层的整个截面。其设计得是否合理，直接影响到床体的性能 与出力。设计不佳的布风装置可能导致流化床的流化质量差、结渣、磨损严重等。 传统的流化床炉的布风方式是采用直孔型或风帽式布风板，这种布风流化床是在水 平的布风板直接开孔或在其上设风帽，风帽开有小孔，一次风从小孔中吹出，在布 风板上开有排渣孔，下接排渣管。在运行过程中炉渣定期的从排渣管排出。 布风板也又名为气体分布器，它的主要作用是将流化气体均匀地分布在整个截 面上。它一般位于床层的底部。在许多情况下，气体布风板还起到支撑流化颗粒的 作用。布风板的型式有多种多样，比如多孔板式、微孔板式、多管式、泡罩式、浮 阀式、多层板式等等。许多文献中都有关于具体形式的详细介绍，在这我们只是稍 稍的了解一下。一般来说，布风板需要有足够的压降才能够保证气体床在层截面上 的均匀分布。布风装置压降大于整个床层压降的 10%30%是对布风板压降状况常 见的要求。但在实际工业应用中，因为床层较高，为了减少压头损失，布风板的压 降有时设计在全床压降的 5%左右3。 目前的常规水平布置布风板式的流化床炉，如果只考虑在布风板上开大口径的 排渣孔，将会导致局部流化质量恶化直接导致出现结焦，甚至扩大到整个床面的危 险，同时对灰渣的冷却、床料的分选回送系统造成很大的压力。即使在设计流化床 时，采用均匀布风，但有时候用于垃圾的焚烧，由于垃圾物性的不均匀性，也很难 保证均匀和稳定的流化，因此，为了促进垃圾在床内的均匀分布，稳定炉内的流场， 合理的设计布风方式就显得非常重要。倾斜式布风板流化床便是针对以上困难提出 的，它是由炉体、排渣、除尘、烟气处理系统组成。炉体底部是“V”字型布风板6， 在布风板上设有风帽，风帽顶部四周开设小孔，运行时，一次风从小孔中流出。由 于采用“V”字型布风板，大块、不易燃烧的物料，由于重力作用，很快沉积在布风板 上，实现大块物料的快速排除，稳定炉内工况。 但是本设计针对的是一个小型的实验室布风板的，所以 V 字型的布风板在这里 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 有点儿复杂，在此选择一个结构易于加工而且满足要求的布风板是本设计的宗旨， 选择水平布置的风帽式布风板，选此布风板的原因在此不再赘述，第三章节会详细 介绍。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 第二章 布风系统 2.1 布风板基本组成 布风板是位于流化床底部的一次风布风装置，对于流化床的安全、稳定、经济 运行具有重要的意义。目前在我国流化床使用最广泛的是风帽式布风装置。风帽式 布风装置是由风室、花板、风帽和隔热层组成的，通常把花板和风帽合称为布风板。 图 2-1 示出了典型的风帽式布风装置结构。 一般情况下，对布风装置的设计要求是7： 1.能均匀密集地分配气流，避免在布风板上面形成停滞区。 2.能使布风板上的床料与空气产生强烈的扰动和混合，要求风帽小孔出口流具 有较大的动能。 图 2-1 典型的风帽式布风装置 3.空气通过布风板的阻力损失不能太大，但又需要一定的阻力。 4.具有足够的强度和刚度，能支承本身和床料的重量，压火时防止风板受热变 形，风帽不烧损，并考虑到检修清理方便。 然而，随着流化床的大型化，许多问题也同时产生，漏渣就是中之一。漏渣指 的是炉膛内部布风板上的床料通过布风板漏进风室，造成风室内部堆积床料。漏渣 现象不仅与布风板上的风帽结构有关，同时也与整个布板上风帽的布置方式有关。 随流化床的炉膛布风板面积的不断增大，保证床料均匀流化的难度越来越大，漏渣 的可能性也越来越大。漏渣不仅造成流化床锅炉内床料的损失，而容易造成风室壁 面的磨损，严重时，风室被漏渣填满迫使流化床停运。为了避免布风不均匀和漏渣 现象，通常采用阻力较高的风帽，而在流化床实际运行中，又不能一味采用高阻力 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 的风帽，如果风帽阻力过大，将增加烟风系统的阻力，进而增加流化床锅炉运行的 风机电耗，影响机组经济性。 因此，在流化床大型化发展、床体面积相应增大的情况下，如何经济地实现均 匀布风、保证床料的均匀流化并避免漏渣等现象，是布风装置设计中需解决的首要 问题。风帽及布风板是布风装置中最为关键的部分，优化风帽及布风板设计对于流 化床锅炉的正常安全经济运行有很重要的意义。关于当前风帽及布风板的实际应用 和研究进展，国内外己有大量文献报导。 2.2 布风板 布风板是流化床的一个重要的部件，床料在其上进行流化，流化气体需要通过 布风装置才能使得流化床的运行得以进行，所以它决定着流化床运行质量的好坏。 2.2.1 布风板的类型 布风从广义上讲可以被分成三类： 多孔板和直孔形：这种类型的布风板一般在栅格板上开直孔或用烧结板。 风帽形或喷嘴型：空气首先进入喷嘴，然后通过水平或垂直向下的小孔，使 其分散进入床层。 布风管式：布有小孔的布风管直接插入床层，这样就不需要布风板和风箱。 除了以上的几种类型外，有几家公司成功地采用了其他形式喷嘴的布风装置。 例如帕埃尔迫伐公司采用的弯管型的喷嘴，该类型的布风装置具有防止固体颗粒落 入风室和易于清理的优点。 2.2.2 布风板的作用 布风板的主要作用是：依靠布风板自身阻力，使布风板上下两侧气流分布均匀， 使流化空气均匀地流入炉内并在炉内产生均匀的流化状态。具体地讲，当布风板下 面的气流静压分布不均匀时，具有一定阻力的布风板产生一个均压作用，使流过布 风板的气流速度处处相等，从而在炉内产生均匀的流化状态；当炉内流化着的床料 随机性地出现气固流动不稳时，布风板能依靠自身的阻力，及时消除炉内不稳定流 化状态。即当炉内某处出现沟流时，由于沟流处的流动阻力很小，大量的气流会从 沟流处短路穿过床层，若布风板具有一定的阻力，则会随气流增大，沟流处布风板 阻力急剧上升，从而阻止更多气流从沟流处短路并最终导致沟流现象消失。布风板 同时起到支承床料的作用。尤其是当正常运行的流化床送风机突然跳闸时，这时布 风板的床料可达近百吨之重，因此布风板必须要有一定的强度。 布风板的阻力特性是布风板性能的核心。布风板阻力特性的与风帽阻力特性的 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 研究方法类似，都是首先进行布风板阻力特性冷态实验，之后通过相似理论由冷态 实验结果推导热态工况下布风板的阻力特性。研究布风板阻力特性时，需要在风帽 的阻力特性的基础上，考虑布风板上的风帽布置，包括风帽数量、风帽的布置方式 等因素。由于我们的条件有限在此就不对布风板的阻力特性进行详细的讨论。 2.3 风帽 如前所述，目前在我国流化床中广泛使用风帽式布风板。而风帽作为布风板上 最重要的部分，其结构、尺寸以及在布风板上的布置方式等，直接影响到流化床的 运行情况。风帽的作用是使得进风产生第二次分流并使气流改向，同时产生旋转运 动以及产生阻力，从而维持床层流化稳定。 要考察一种类型的风帽是否能够更好的应用于流化床，就应该从阻力特性、防 漏渣性能等几方面考虑。风帽是流化床的重要部件，是炉内高温高磨损下的易损部 件，风帽的质量直接影响的流化工况和燃烧的稳定性，是流化床安全运行的保证。 风帽类型如图 2-2 所示8。 图 2-2 常见风帽的示意图8 如下为几种典型的风帽以及它们各自的优缺点9： (1)蘑菇形风帽。蘑菇形风帽在我国大量使用。该风帽结构简单、易于制造、阻 力设计简单，但是布置数量比较多，主要用于 200 t/h 及以下容量的流化床锅炉，如 上图 a 所示。 (2)S 形风帽。S 形风帽是对密孔板形布风装置的改进，S 形风帽的小弯管代替了 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 小直孔或锥形孔，增大了布风板阻力，提高了布风均匀性；同时，也避免了细颗粒 漏入风室，如上图 d 所示。 (3)大直径钟罩式风帽。钟罩式风帽是蘑菇形风帽的变形，该风帽由内管和外罩 两部分组成，如图 e 所示。通过合理设计外罩开孔尺寸及数量，控制好风帽出口速 度，可降低风帽的磨损情况。另外，罩体水平方向开孔且孔径较大，不易被颗粒堵 塞。风帽采用耐热钢精铸而成，使用寿命长；同时，风帽数量少，相对来说易于检 修。钟罩式风帽特有的结构布置还可有效防止物料漏入风室。钟罩式风帽已经出现 了很多变形，如逆流式、内嵌式（上图 f 所示）等。 (4)定向风帽。定向风帽在炉底形成的气流流向可以将粗颗粒床料吹向排渣口， 有利于渣的定向流动，能尽快将带有石块或其他杂质的床料排出；定向风帽的口径 较大，出口向下倾斜，不易堵渣。 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 第三章 小型流化床布风系统的设计 3.1 流化床布风系统 3.1.1 布风板设计要点 在流化床的设计过程中，对布风板主要要求有以下几点10： (1).采取布风均匀等措施，在整个运行范围内保证均匀和稳定的流化以及使得布 风板上的死区最小。 (2).空气通过布风板的阻力损失不能太大，但又需要一定的阻力；给布风板打耐 磨材料以使床料磨损最小。 (3).保证各方面的密封良好，以使固体颗粒落入风箱的量最少。 (4).能使布风板上的床料与空气产生强烈的扰动和混合，要求风帽小孔出口气流 具有较大的动能。 (5).具有足够的强度和刚度，能支撑本身和床料的重量，压火时防止风板受热变 形，风帽不烧损，并考虑到检修清理方便。 这里设计的流化床装置一般都是在高温条件下运行的，所以布风板的特性需要 有抗高温的要求，那么本设计的布风板是采用法兰闷板布风板，要充分考虑到制作 过程中的误差会使事先留出的间隙完全消失。否则布风板的自由膨胀就会受到一定 程度的限制，甚至完全不膨胀。这样就会造成布风板低的变形不能够很好的正常工 作，所我们在加工法兰的时候需要考虑受热变形的情况。 流化床布风装置主要由布风板、风室和冷渣管组成。 布风装置的主要作用有： (1).支承床料； (2).空气均匀的分布在各个炉膛的横截面上，并提供足够的动压头，使床料和物 料均匀的流化，避免勾流、沸腾、气泡尺寸过大、流化死区等不良现象的出现； (3).把那些已经基本烧透、流化性能差、有在布风板上沉积倾向的大颗粒及时排 除，避免流化分层，保证正常流化状态不被破坏。 3.1.2 布风板的选择 这里设计的是小型的实验室流化床布风板，所以只需采用平板型的布风板就可 以满足实验要求，在其上开孔安装风帽或者喷嘴的布风装置即可，如图3-1。其优点 是：固体床料不会在风帽的顶部产生小的死床，风帽之间相互的配合，这个为正 常的流化打下了基础；侧喷气流从多孔板的表面喷出，便于消除板面上的“死区”， 也不容易出现多空板面烧蚀问题，磨损也减少；因风室与炉膛不直接相同的，当 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 中断操作时，不会出现侧喷孔的堵塞现象，重新启动也比较容易；其结构简单， 易于设计及制造，成本低。但气流方向正对床层，易使床层形成沟流，小孔易于堵 塞，停车时又易漏料。选择的材料是 11,是奥氏体不锈钢中应用中最广 1189CrNi Ti 泛的钢号。该钢不用热处理项，冷加工是唯一的强化手段，它的焊接性良好，可以 采用各种焊接手段进行焊接。在800以上的高温下它的各种力学强度还是相当高 0 C 的，并且耐腐蚀，选择GB9119.6-88PN0.25MPa的凸面闷板法兰12。 图3-1 布风板类型 3.1.3 风帽类型的选择 风帽式布风装置由风箱、多孔板(也称花板)、风帽和隔热层组成，一般来说， 风帽上小孔的面积之和远小于布风板的面积，通过风帽上的小孔的气流速度很大， 高速气流进入床层的底部，对床层颗粒产生强烈的扰动，并在风帽周围形成气流垫 层，气固质量交换强烈，这对于均匀床层和提高流化质量都是非常重要的。 风帽结构设计要求： (1)保障流化均匀； (2)阻力大小适中； (3)磨损轻微。 流化不均将加剧局部漏渣、增加床层局部 结焦的危险、升高局部上升流速加大床料量， 加重分离器分离压力与回料器负担。风帽阻力 过大燃烧系统的阻力消耗过大，影响到锅炉运 图 3-2 箭型风帽示意图 行的风机电耗，进而影响到机组经济性。作为对于现有流化床的改造，其阻力如超 过风机的压头余量，将导致锅炉带不上负荷。但阻力过小，又将导致布风板上方的 密相区流化不均，造成严重的漏床料并影响密相区的扰动过程。风帽的磨损不完全 是风帽材质决定，风帽附近的气固流动状态也起着决定性作用。因此，对于结构良 好、设计合理的风帽，应该同时具备上述三方面的性。 在上一章节的介绍中，了解到蘑菇形风帽在我国大量使用。蘑菇型风帽外形有 风帽头，风帽小孔采用四周侧向开孔，每个风帽开孔 6-12 个。可以一排或双排均匀 布置，小孔中心线成水平，也可向下倾斜 15 度，以利于风帽间粗颗粒床料的扰动。 风帽小孔既可开在风帽头上，也可开在风帽头下。这种风帽阻力较小，气流的分布 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 均匀性较好，流化性能较好，但存在着排渣不畅的问题3。此外，由于风帽内部结 构简单，而且阻力特性受小孔风速影响较大，低风速下阻力较低，容易发生漏渣现 象，所以这种风帽在大型流化床锅炉上的使用也越来越少。瑞典 Gotaverken Energy System 公司于 1988 年申请了蘑菇型风帽专利13，国内也有相关的蘑菇型风帽专利 14-16，本设计的小风帽结构如上图 3-2，由于风帽一般都直接浸埋在高温的床料里， 因此风帽采用需要耐热的铸铁。本设计选用高硅耐热的球墨铸铁 RQTSi5.5。 3.2 风帽小孔流速的选取 已知石英砂粒径分布见表3-1。 表3-1 石英砂粒径分布 颗粒直径范围（mm） 0.150.20.20.30.30.45石英砂质量 分布（%） 22.9942.5334.48 根据公式 （2-1） 0 1 i p i i p d x d 把上表3-1中的数值代入上式可以得出这组石英砂的粒径， p d 1 0.150.2 0.175 2 p dmm 2 0.30.2 0.25 2 p dmm 3 0.30.45 0.375 2 p dmm 那么 0 11 1000.25 22.9942.5334.48 0.1750.250.375 i p i i p dmm x d 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 小孔流速是布风该装置设计需要的一个重要参数，小孔风速越大，气流对床层 底部颗粒的冲击力越大，扰动就越强，越有利于大颗粒的流化。但是风帽小孔的风 速太大的话，风帽阻力就会增加，所需的风机压头增大，将要增加电能的消耗。反 之，小孔风速过低，容易造成粗颗粒沉积，底部流化不良，尤其是负荷降低的时候， 往往不能维持稳定的运行，造成结渣灭火。在之前人们大量的实验表明，对颗粒度 为010mm的燃料，一般取小孔风速为3540m/s；而对于颗粒度为08mm的燃料， 一般取小孔风速3035m/s是可行的。并且选择小孔速度时候和密度也有关系，密度 低的取下限，密度高的取上限。 这里根据已知的条件来确定通过风帽小孔的流体速度，也就是通常所说的速度 。是根据以上所已知的床料粒度来选择的。在这里已经知道床料石英砂的平均vv 粒径为，从以上的颗粒可知是在 08mm 的燃料，一般取小孔风速为 p d0.25mm 30 35m/s。根据流化床放热运行实践，颗粒的大小及颗粒的密度也是一个影响小孔气速 的因素。当小孔气速高时，气流对底部颗粒的冲击强烈，这对于增加颗粒在床内的 扰动有好处，使床层底部的大颗粒容易吹起来，实现稳定扰动。当负荷降低时，仍 可维持床层的正常运行。相反，如果小孔风速过于低的话，可能造成低负荷时无法 稳定运行而结渣甚至是灭火，这里选择 =32，因此考虑风帽阻力不会太大，v/m s 而使得床内的流化特性比较稳定。 已知流化速度 =0.52.0，炉膛采用直径标准为 17的钢管。 u/m s484mm ， vb quA 2 4 b d A 由已知 =0.52.0，=40，=1256u/m s 1 dmm 2 4 b d A 2 3.1440 4 2 mm 得 =（0。52。0） vb quAu 2 4 d 2 63 3.1440 10/ 4 ms =(0.6282.512) 33 10/ms 已知 =32，(0.6282.512) v/m s v q 33 10/ms 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 由 ，那么 =19.62578.5 v q AfvAf 2 mm 本设计取风帽的直径为，这是由于直径为 1易于加工决定的，由1 f dmmmm 此可以计算出每个小风帽的面积： =0.785Af 2 4 f d 2 6 3.14 1 10 4 2 m 2 mm 在这里风帽的数量设为，根据求出的总的风帽面积和每个风帽的面积，从而n 求得风帽的个数，那么： n=/=19.62578.5/0.785=25100 个AfAf 在这里取风帽上的小孔总数为 48 个，通过计算可知此时的操作速度为 0.96m/s。 3.3 临界流化速度和终端流化速度 本设计已知床料石英砂的密度，那么在常温下冷态实验时的 3 2400/ d kg m 最小流化速度可以求出。而设计的布风装置运行温度是在8001300，本设计的流 化介质为空气，由于床料石英砂的动力粘度随着温度的升高而减少所以只要在常温 下能够流化的最小速度，在高温下也可以流化。最小流化速度又名临界流化速度。 流体流动带给颗粒的曳力平衡了颗粒的重力，导致颗粒被悬浮，并且颗粒开始进入 流化状态，这个速度就是我们这里所要求的最小流化速度。 可以查到在常温下空气的动力粘度，以及在常温下的空 6 18.08 10 Pas 气密度 18。 3 1.205/ f kg m 已知设计的操作速度是，从而可以求出雷诺数。从已知的条0.96/vm sRe 件下可以求出本设计在常温下的最小流化速度根据以下的公式19,，3： 3 6 0.25 101.205 0.96 Re16 18.08 10 p vd 20 （2- 2 1650 pdf mf dg u Re 2） 代入已知的数据可以得出在常温下床料的最小流化速度： mf u 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 0.05/ mf um s 流化床中的气流量，一方面受到临界流化速度的限制，另一方面也受到固 mf u 体颗粒被气体夹带的限制。当流化床中上升的气体速度等于颗粒的自由沉降速度u 时，颗粒就会悬浮于气体流中而不会沉降。当气流的速度稍微大于这一沉降速度时， 颗粒就会被推向上方，因而流化床中颗粒的带出速度即等于颗粒在静止气体中的沉 降速度。流态化操作时应该使得气体流化速度小于或者等于此沉降速度，以防止被 带出，那么这个速度为终端速度，亦即自由沉降速度20。它可以利用以下的公式计 算出常温下的终端速度，对于1500的流动公式为21：Re （2-3） 1 2 3 2 4 225 df tp f g ud 把已知各数代入上式可以得出 1.92/ t um s 3.4 布风方式的确定 此设计选择在布风板上布置 6 个小风帽，取 48 个小孔，因此需在每个风帽上 开 8 个小孔，可以集中分布在对着排渣孔的方向也可以均匀分布。若芯管侧壁开有 一排小孔，那么芯管小孔的开孔率相对较为有限，从而影响风帽阻力系数的变化范 围；若芯管侧壁开有三排小孔，则风帽结构相对较为复杂，因此选择在芯管侧壁开 有两排小孔。在一个以 25mm 为半径的圆上均匀的分布，8 个小孔在风帽上的分布 为两层，每层有 4 个小孔，这 4 个小孔处于同一水平高度，均匀的分布在风帽的圆 周上，这是蘑菇型风帽的特征之一。 通过以上所取的风帽个数可以求得实际布风板的气体流量为： vf qnvA 633 48 320.785 101.21 10/ms 此时的操作实际的速度是=0.96。从以上的（2-2）和（2-3）两个公式可u/m s 以知道我们已知的最小流化速度和最终流化速度分别是0.05m/s和1.92m/s，在这两个 速度之间选择的操作速度为0.96m/s是合理的，因此小孔数也是合理的。 开孔率是风帽设计的一个重要参数，开孔率是指各个风帽上小孔面积的总面积 和炉膛截面积之比，它是一个百分率表示的参数，即 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 = b f A A 100% 48 0.785 100% 1256 3% 对于鼓泡流化床锅炉，开孔率常为 2%3%，而对于循环流化床，由于采用高速 流化风速，对布风条件要求比较宽松，开孔率可以适当提高，一般为 4%8%。由 上式得出的开孔率为 3%，这里设计一个实验室小型流化床所以开孔率符合设计的要 求。 在本设计中在我们已经确定小风帽的个数为 6 个，那么在布风板上的布置情况 如图 3-3 所示，这里要求分布均匀， 并且每一个小孔的直径是 d=6mm， 每个小孔的圆心分布在直径为 25mm 的圆上。 图 3-3 布风形式 3.5 风室和风道 风室是进风管和布风板之间的空气均衡容器。对风室的设计应满足：有一定的 强度和气密性，在工作条件下不变形不漏风；具有一定的容积并具有一定的稳压作 用，消除进口风速对气流速度分布不均匀性的影响