第二章 循环流化床的基本理论

（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
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2015年12月3日
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一、颗粒浓度分布

1.
各种流态化形态下的颗粒浓度分布
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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
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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 u0 A
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
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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
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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）
（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。



（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
（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↓


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六、夹带和扬析

1. 2.
夹带：气流从床层中带走固体颗粒 扬析：从混合物中分离和带走细粉

2015年12月3日
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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
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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



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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

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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
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一、颗粒浓度分布

（2）颗粒密度ρp（kg/m3） 单个颗粒的质量与其体积的比值
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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 Vg Vg 0 1 d Vm Vg V p p

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
（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）

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Vg Vm

Vm V p Vm
1 Cv, p
二、固体颗粒的物理特性
3、颗粒球形度φ
Baidu Nhomakorabea
（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

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
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一、颗粒浓度分布

1.
各种流态化形态下的颗粒浓度分布

4.
输送分离高度（TDH，Transport Disengaging Height）

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。
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第二节 流态化及其典型形态
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




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二、固体颗粒的流态化性能与颗粒分类
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三、流态化的典型形态

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
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一、流态化


4.
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四、颗粒终端速度
3. 计算公式
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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）



（3）静止床料层厚度 350～600mm
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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




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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

（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
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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
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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

（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
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一、颗粒浓度分布

1.
各种流态化形态下的颗粒浓度分布
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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
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四、颗粒终端速度
4. 说明





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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。
Gh R B
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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↓
循环流化床锅炉设备及系统
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第二章 循环流化床的基本理论

第一节
第二节 第三节
循环流化床中的基本概念
流态化及其典型形态 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
2015年12月3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


u0＞8m/s，ε=0.75～0.95 ——快速床
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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
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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
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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
1. 2.
固定床 鼓泡流态化 （聚式流化）


3.
4.
紊流流态化
快速流态化


5.
6.
密相气力输送
稀相气力输送

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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
2 与颗粒有相同体积的球 体表面积 d v ＝ 颗粒实际表面积 S
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

2015年12月3日
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