第二章循环流化床的基本理论课件

2023年9月18日循环流化床锅炉设备及系统2023年8月6日循环流化床锅炉设备及系统2023年9月18日第二章循环流化床的基本理论第一节 循环流化床中的基本概念第二节 流态化及其典型形态第三节 循环流化床的流体动力特性第四节 临界流化速度及床层阻力特性 2023年8月6日第二章循环流化床的基本理论第一节 循环2023年9月18日循环流化床锅炉燃烧特点特殊气固两相流动体系高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环高强度的热量、质量和动量传递2023年8月6日循环流化床锅炉燃烧特点特殊气固两相流动体2023年9月18日第一节 循环流化床锅炉的燃料一、循环流化床中的固体颗粒二、固体颗粒的物理特性三、流化速度四、颗粒终端速度五、物料循环倍率六、夹带和扬析2023年8月6日第一节 循环流化床锅炉的燃料一、循环流化2023年9月18日一、循环流化床中的固体颗粒1. 床料（1）定义（2）成分燃煤灰渣石灰石粉沙子、铁矿石、石英砂（3）静止床料层厚度

350～600mm2023年8月6日一、循环流化床中的固体颗粒1. 床料2023年9月18日一、循环流化床中的固体颗粒2. 物料（1）定义（2）成分（3）循环物料（4）废料飞灰炉渣2023年8月6日一、循环流化床中的固体颗粒2. 物料2023年9月18日二、固体颗粒的物理特性1. 堆积密度与颗粒密度——ρd<ρp（1）堆积密度ρd（kg/m3） 固体颗粒不加任何约束自然堆放时单位体积的质量（2）颗粒密度ρp（kg/m3） 单个颗粒的质量与其体积的比值2023年8月6日二、固体颗粒的物理特性1. 堆积密度与颗粒2023年9月18日二、固体颗粒的物理特性2. 空隙率（1）固定床空隙率ε0

床料或物料自然堆放时，在堆积总体积为Vm的颗粒体中，颗粒间的空隙占总体积的份额（2）床层空隙率（流化床空隙率）ε

气固两相流系统中，气相所占的体积Vg与两相流体总体积Vm之比ε

（Cv,p——两相流体中颗粒容积浓度）2023年8月6日二、固体颗粒的物理特性2. 空隙率2023年9月18日二、固体颗粒的物理特性3、颗粒球形度φ（1）定义：具有与某种任意形状颗粒相同体积的球体，其表面积与该种颗粒表面积之比

dv—等体积球直径（mm）；S——颗粒表面积（mm2）（2）作用：表征颗粒的实际形状接近球形的程度（3）特征：球形颗粒的球形度为φ＝1，φ值越大，颗粒形状越接近于球形2023年8月6日二、固体颗粒的物理特性3、颗粒球形度φ2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日二、固体颗粒的物理特性4、燃料筛分和燃料颗粒特性（1）燃料筛分含义：燃料颗粒粒径大小的分布范围分类及应用

宽筛分——V较高的煤 窄筛分——V较低的无烟煤、煤矸石（2）燃料颗粒特性（燃料的粒比度）

燃料中各种粒径的颗粒占总质量的份额之比（3）颗粒特性曲线定义：原煤经过碎煤机破碎后各粒径大小是连续的，按着粒比度在坐标图上作出的是一条连续的曲线作用：比燃煤筛分、粒比度更确切，是选择制煤设备和锅炉运行的重要参数2023年8月6日二、固体颗粒的物理特性4、燃料筛分和燃料颗2023年9月18日三、流化速度1. 流化速度u0（m/s）（1）定义：床料流化时动力流体的速度（2）空塔速度（表观速度） 假设床内没有床料时空气通过炉膛的速度u0

Q—空气或烟气体积流量（m3/s）；A—炉膛截面积（m2）（3）说明一般给出的u0是床内空气速度（Q、A不变，u0可确定）若无特别注明，u0指锅炉在热态时的气流速度

u0又称为烟气速度运行中控制和调整风量→

u0→炉内物料流化状态2023年8月6日三、流化速度1. 流化速度u0（m/s）2023年9月18日三、流化速度2. 临界流化速度umf（m/s）（1）定义 使颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低气流速度（2）含义 当床层ΔP等于床层颗粒G时对应的流化速度2023年8月6日三、流化速度2. 临界流化速度umf（m/2023年9月18日u0、ε和流化状态间的关系ε随u0大小的变化而变化

u0＜3m/s，ε≈0.45

——鼓泡床

u0=4～7m/s，ε=0.65～0.75

——湍流床

u0＞8m/s，ε=0.75～0.95

——快速床2023年8月6日u0、ε和流化状态间的关系2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日四、颗粒终端速度1. 受力分析（1）重力（2）浮力 →二者之差是使颗粒发生下落的动力（3）摩擦阻力2023年8月6日四、颗粒终端速度1. 受力分析2023年9月18日四、颗粒终端速度2. 颗粒的终端速度（终端沉降速度、自由沉降速度）ut固体颗粒在静止空气中作初速度为零的自由落体运动时，由于重力的作用，下降速度逐渐增大，速度越大，阻力也就越大。当速度增加到某一数值时，颗粒受到的阻力、重力和浮力将达到平衡，也即空气对颗粒的阻力等于颗粒的浮重（重力与浮力之差）时，颗粒将以等速度向下运动2023年8月6日四、颗粒终端速度2. 颗粒的终端速度（终端2023年9月18日四、颗粒终端速度3. 计算公式dp

—

颗粒平均直径（m）ρg

—流体密度（kg/m3）；CD

—曳力系数，反映颗粒运动时流体对颗粒的曳力（或摩擦阻力），为雷诺数Ret的函数（Ret，μ为气体的动力粘度，单位为Pa·s），一般用实验方法确定。g—重力加速度（g=9.81s/m2）2023年8月6日四、颗粒终端速度3. 计算公式2023年9月18日曳力气体对颗粒表面的粘滞力在流动方向上的分力，与气体的黏性和固体的表面性质有关气体对颗粒的压力在流动方向上的分力，与颗粒的粒径和迎流横截面积有关 →气体速度较低，气体以层流方式绕颗粒两侧，黏性力 流速大，漩涡，压力成为主导2023年8月6日曳力2023年9月18日四、颗粒终端速度4. 说明（1）经验性准则方程式确定CD（颗粒团运动具有随机性）（2）ut与umf间的关系

ut也可理解为当上升气流速度大到恰好能将固体颗粒浮起并维持静止不动时的气流速度（尺寸和密度较大的颗粒具有较高的ut）（3）流态化操作：u0≤ut（4）ut/umf——流化床操作性能大→流态化操作速度的可调节范围宽，改变u0不会明显影响流化床的稳定操作，同时可供选择的操作速度范围也较宽，有利于获得最佳流态化操作气速较小→操作灵活性较差最大允许床高判据：流体通过床层存在ΔP，P低引起流速的增加→床层的Hmax就是底部刚开始流化而顶部刚好达到ut时的床高。2023年8月6日四、颗粒终端速度4. 说明2023年9月18日五、物料循环倍率1. 定义

由循环灰分离器捕捉下来并返送回炉内的物料量（循环物料量）与新给入的燃料量之比。

2023年8月6日五、物料循环倍率1. 定义2023年9月18日五、物料循环倍率2. 影响Gh的因素（1）一次风量 过小→Gh↓（2）燃料颗粒特性 入炉煤颗粒变粗，且所占份额较大时，在一次风量不变的情况下，炉膛上部的物料浓度将降低→Gh↓；（3）循环灰分离器效率 物料分离效率↓→Gh↓（4）回料系统的可靠性 送灰器的运行状况→结焦或堵塞、回料风压过低→Gh↓2023年8月6日五、物料循环倍率2. 影响Gh的因素2023年9月18日六、夹带和扬析1. 夹带：气流从床层中带走固体颗粒2. 扬析：从混合物中分离和带走细粉2023年8月6日六、夹带和扬析1. 夹带：气流从床层中带走2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日六、夹带和扬析3. 夹带、扬析的重要性合理组织燃烧和传热保证足够的循环物料烟气中灰尘达到排放标准4. 输送分离高度（TDH，TransportDisengagingHeight）粗颗粒ut>u0 →经过一定的分离高度后重新返回床层细颗粒ut<u0 →被夹带出床体自由空域内所有粗颗粒都能返回床层的最低高度（高度从床层界面算起）定义为TDH。2023年8月6日六、夹带和扬析3. 夹带、扬析的重要性2023年9月18日第二节 流态化及其典型形态一、流态化1. 流态化现象

固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的现象（气体和液体作为流化介质）2. 流态化

由于固体颗粒群与气体（或液体）接触时固体颗粒转变成类似流体的状态3、气固流态化

在流化床锅炉燃烧中，流化介质为气体，固体煤颗粒及其燃烧后的灰渣被流化2023年8月6日第二节 流态化及其典型形态一、流态化2023年9月18日一、流态化4. 流化床具有的类似流体的性质主要表现在如下方面：（1）任一高度静压近似于此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量（2）液面特性（3）小孔射流（4）浮力定律（5）连涌效应2023年8月6日一、流态化4. 流化床具有的类似流体的性质2023年9月18日二、固体颗粒的流态化性能与颗粒分类2023年8月6日二、固体颗粒的流态化性能与颗粒分类2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日三、流态化的典型形态1. 固定床2. 鼓泡流态化 （聚式流化）3. 紊流流态化4. 快速流态化5. 密相气力输送6. 稀相气力输送2023年8月6日三、流态化的典型形态1. 固定床2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日三、流态化的典型形态7. 不正常的流化状态（1）沟流——

不仅降低固体颗粒流化质量，使料层容易产生结焦，且影响炉内传热、燃烧的稳定性（2）腾涌（节涌——

发生腾涌时，床面以某种有规律的频率上升、破裂，风压剧烈波动，燃烧不稳定，在床料断层下部易引起结焦2023年8月6日三、流态化的典型形态7. 不正常的流化状态2023年9月18日第三节 循环流化床的流体动力特性

循环流化床装置

下部颗粒密相区和上部上升段稀相区的循环流化床、气固物料分离装置、固体物料回送装置等三个部分组成的闭路循环系统

研究流动特性，分析床内的颗粒浓度、压力和气流速度等的分布→掌握炉内流动、燃烧、传热、污染控制2023年8月6日第三节 循环流化床的流体动力特性循环流2023年9月18日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗粒浓度分布（1）下部密相区（鼓泡流化床/湍流流化床）a.形成原因：床内气速虽高，但床底颗粒由静止开始加速，且大量颗粒从底部循环回送→床层下部颗粒浓度较高b.结构特点：密相乳化相——

连续相 气泡相——

分散相2023年8月6日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗2023年9月18日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗粒浓度分布（2）上部稀相区（快速流化床）a.形成原因：气体高速流动+二次风→ε↑↑→典型稀相区：u0>ut，颗粒夹带量很大→快速流化床甚至密相气力输送b.结构特点：发生转相过程，稀相成连续相，浓相颗粒絮状聚集物成分散相2023年8月6日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗2023年9月18日2023年8月6日2023年9月18日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗粒浓度分布（3）气固两相流局部流动不均a.按颗粒运动速度分布划分：底部加速区（颗粒在气流曳力作用下垂直方向速度由零加速）和充分发展区（颗粒最终稳定速度）b.任一床层截面，运行风速升高或颗粒循环流率减小，颗粒截面平均速度增大2023年8月6日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗2023年9月18日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗粒浓度分布（4）颗粒混返（固体物料内循环）a.小颗粒随气流上升，部分碰撞下落，总趋势向上b.大颗粒中心处上升，一定高度时在边壁处下落c.床层各截面上，颗粒平均速度沿轴向增大直至趋于恒定（床层足够高）d.若R一定，平均颗粒速度随u0增大而增大；若风速一定，R对颗粒平均速度影响较小2023年8月6日一、颗粒浓度分布1. 各种流态化形态下的颗2023年9月18日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（三种基本类型）（1）单调指数函数分布 特征：随床层高度增加，轴向空隙率逐渐增大2023年8月6日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（2023年9月18日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（三种基本类型）（2）S型分布（典型形态） 特征：床层底部为颗粒密相区，顶部为稀相区，浓稀相间存在拐点（受运行风速、R及整个循环回路存料量影响）2023年8月6日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（2023年9月18日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（三种基本类型）（3）C型分布

特征：出口处颗粒浓度轴向分布逆转，呈现上浓下稀趋势；远离出口的下方呈上稀下浓分布；全床整体沿轴向出现中间空隙大、两端空隙小的反C型分布

原因：采用气垫直角弯头出口，对气固两相流产生较强约束效应——气体由垂直运动急转成水平运动，颗粒在惯性作用下冲向气垫封头，受阻后折流向下，一部分被气流带出，另一部分沿床壁面向下，与向上颗粒碰撞后再与两相流融合2023年8月6日一、颗粒浓度分布2. 颗粒浓度的轴向分布（2023年9月18日一、颗粒浓度分布3. 颗粒浓度轴向分布的影响因素（1）运行风速

u0↑，ε↑→指数型分布向S型分布转变，拐点位置↓，ε分布均匀→稀相气力输送（2）循环物料量R R↑，颗粒↑→颗粒间碰撞和相互作用↑→颗粒上升速度↓→床层下部颗粒浓度↑↑（3）颗粒物性（直径、密度） 颗粒直径或密度↑→床层底部颗粒加速较慢，浓度较大，顶部受颗粒物性影响较小（4）床截面尺寸影响明显 床层直径↓，边壁效应凸显，颗粒向上速度↓，颗粒浓度↑，沿轴向分布不均匀性↑（5）床体结构（入口、出口结构状态）

a.入口（蝶阀）：循环流率控制

b.出口 弱约束（直接喷射式、45°挡板短弯头式） 强约束（直角弯头出口），较大气速下影响显著ε呈单调指数下降或反C型分布2023年8月6日一、颗粒浓度分布3. 颗粒浓度轴向分布的影2023年9月18日一、颗粒浓度分布4. 颗粒浓度的径向分布a.壁面摩擦效应使床层中心区ε较大，壁面处较小b.气速增加，床层截面平均固体颗粒浓度下降，ε径向变化变小2023年8月6日一、颗粒浓度分布4. 颗粒浓度的径向分布2023年9月18日二、压力分布1. 床内P的轴向分布——反映床内固体颗粒的滞留量及气固间动量交换（1）不同流态化形态轴向P分布与颗粒浓度轴向分布类似：床层底部压力梯度较大，上部区域较小（2）鼓泡床沿轴向存在明显的密相区和稀相区2023年8月6日二、压力分布1. 床内P的轴向分布——反映2023年9月18日二、压力分布2. ΔP（1）Ergun包含层流和湍流的床层ΔP综合表达式（2）床层内任意两点间的ΔP计算式：已知轴向颗粒浓度分布，即可知P沿床层的分布规律（3）相同Gs，ΔP和u0成反比关系 相同气速，Gs与床层ΔP近似线性增加2023年8月6日二、压力分布2. ΔP2023年9月18日三、气体速度分布1. 气体速度的轴向分布（1）二次风的加入和床层截面变化的影响（2）固体颗粒浓度沿轴向变化，气体在颗粒间隙中的实际速度造成轴向不均2. 气体速度的径向分布（1）有利于研究颗粒的横向运动、浓度径向分布和磨损（2）颗粒浓度和u0增大都造成气速径向分布不均（3）壁面对气流作用以及沿壁面下降的颗粒流作用，使得气体局部速度在径向上不均匀（超过轴向）（4）二次风加入形式及送入位置的影响2023年8月6日三、气体速度分布1. 气体速度的轴向分布2023年9月18日第四节 临界流化速度及床层阻力特性一、临界流化速度1. umf定义（最小流化速度）床料从固定态转变为流化态时，按布风板通流面积计算的空气流速当床层ΔP等于颗粒重量时所对应的流体速度（气体对固体颗粒产生的曳力等于颗粒在气体中的浮重）结合Ergun公式推导出umf公式，反映了umf与颗粒和流体的物性以及流动状态间的定量关系2. 确定umf的方法理论计算试验测定（最好）2023年8月6日第四节 临界流化速度及床层阻力特性一、临2023年9月18日一、临界流化速度3. 影响umf的因素（较复杂）（1）固体颗粒的粒度和密度（umf随之增大）（2）流化气体的密度和黏度（3）浙江大学应用于层燃炉和流化床锅炉设计和计算公式4. 临界流化风量（重要运行参数）

由于燃煤为宽筛分，大颗粒不易流化，为防止其沉积结渣，须保证料层均处于流化态，因此实际流化风速为umf为的2~3倍2023年8月6日