第三节 流态化过程的基本原理

1、第三节 流态化过程的基本原理 一、流态化的概念 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，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。这时的固体颗粒具有了流体的性质。 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。 二、流化床的形成 如图所示，固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的状态：固定床、鼓泡床、紊（湍）流床、快速床、气力输送。循环流化床处于紊（湍）流床与快速床阶段。 固定床：气流在颗粒的缝隙间流过，所有固体颗

2、粒呈静止状态。 鼓泡床：当气流速度达到一定值时，静止的床层开始松动，当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚集成更大的气泡穿过料层并破裂。整个料层呈现沸腾状态。鼓泡流化床存在明显的分界面，其上部为稀相区，下部为密相区，也称为沸腾段。 紊（湍）流床：随着气流速度继续上升，固体颗粒开始流动，床层分界面逐渐消失，固体颗粒不断被带走，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。此时的气流速度为床料终端速度。 快速床：当气流速度进一步增大，固体颗粒被气流均匀带出床层。此时气流速度大于固体颗粒的终端速度，床内颗粒浓度基本相等。床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。循环流化床的上升段属于快速流

3、化床。快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速。 气力输送：分为密相气力输送和稀相气力输送。对于前者，床内颗粒浓度变稀，并呈上下均匀分布状态，其单位高度床层压降沿床层高度不变。增大气流速度，床层压降减小。对于后者，增大气流速度，床层压降上升。密相气力输送的典型特征为：床层压降用于输送颗粒并克服气、固与壁面的摩擦。稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。 流态化应用于燃烧： 固定床 初始流态化鼓泡湍流快速气力输送层状燃烧方式 沸腾燃烧方式 悬浮燃烧方式 链条炉 流化床锅炉 煤粉炉 三、流化床的特点 优点：（1）颗粒的流动平稳，其操作可连续自动控制； （2）固体颗粒的混合迅速

4、而均匀，使整个反应器内基本处于等温状态； （3）通过颗粒的循环，易取出大型反应器中燃料燃烧产生的大量热量； （4）气体与固体颗粒之间的传热、传质速率大； （5）炉内受热面的传热系数大。 缺点：（1）易产生不正常的流化状态； （2）颗粒在炉内的停留时间不均匀； （3）细小粉末易被夹带，造成不完全燃烧； （4）磨损严重； （5）对于易结团或者灰熔点低的煤，需低温运行； （6）能耗较大。 四、非正常流化的几种状态 流化床内各种固体颗粒的大小、性质不同，炉内的温度场和流动场也不均匀，因此运行中易产生非正常流化状态。 1.沟流 大量的空气从阻力小的地方穿过料层而其它部位仍处于固定床状态，这种现象就称做沟

5、流。 沟流一般分为贯穿沟流和局部沟流两种。贯穿沟流就是沟流穿过整个料层；局部沟流是沟流仅发生在料层局部高度，如图所示。(a)贯穿沟流图 (b) 局部沟流 锅炉床内发生沟流，不仅使床料（物料）流化质量降低，料层容易结焦，而且影响炉内传热和燃烧的稳定性。 产生沟流的主要原因是运行中一次风速太低、料层太薄或严重不均以及炉床内结焦、给煤太湿、布风板设计不合理等。 2.气泡过大和节涌 在床料被流化过程中形成湍流流化床前，流化一次风主要是以“气泡”形式在料层中向上运动，在料层上部小气泡汇集成较大气泡，气泡尾部携带部分细小颗粒，相当于一个个稀疏流化气团；气泡周围的料层中也有较低速度的气体在流动，而颗粒浓度比气泡中稠密得多。 若料层中的气泡分布不均匀或气泡过大，就会造成流化不正常。如果气泡过大或集中向上运动时，流化表面层就会形成较大起伏，锅炉运行就不稳定。 如果料层中的气泡聚集汇合接近炉床宽度时（在小而深的床层中它们甚至会大得几乎充满床层的整个截面），料层就被分成几层，一层比较稠密的床料一层稀疏床料的“空气”向上运动，当达到某一高度后崩裂，固体颗粒喷撒而下。这种现象称做节涌，如图所