第二章 循环流化床锅炉流体动力特性分析

第二章循环流化床锅炉流体动力特性

循环流化床气-固两相流体动力特性是CFB锅炉性能设计、炉内传热研究及锅炉运行调试的基础。循环流化床的流体动力特性不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性，而且受设备的结构尺寸，包括床径、床高、进出口结构以及运行参数(如温度、压力)的影响，因此在锅炉设计和运行调试前有必要对CFB锅炉的流体动力学有所熟悉和研究。

2.1 气固流态化形式

流态化用来描述固体颗粒与流体接触的一种运行形态，是一种使微粒固体通过与气体接触而转变为类似流体状态的操作模式。

气固流态化大致可分为固定床、鼓泡床、湍流床、快速床到气力输送几种形式，见图2-1。

图2-1 流态化过渡形式

提高鼓泡床的运行风速，床层流动就转到湍流流化床流型，此时密相床层和悬浮段间的界面变得不很明显，颗粒的向上夹带量明显增加，如再进一步增加风速将会形成快速流态化状态。由于流态化转变是一个相当复杂的过程，不仅与装置本身有关，而且在很大程度上取决于运行工况的组织、流化颗粒物性等因素。即使对同一流化床装置，在所有运行工况及颗粒物性稳定的情况下，床层的不同区域亦会呈现出不同的流动型态。如传统的鼓泡流化床虽属低速流态化范畴，当燃用宽筛分煤粒时，呈现出底部布风板以上的密相鼓泡区和悬浮段的稀相气力输送区域。

燃煤循环流化床虽属高速流态化范畴，但由于底部床料的加速效应和大颗粒从底部循环回送，因而仍然存在着底部的密相区和二次风口以上的相对稀相区，并且在布风板和二次风口之间的区域基本上处于鼓泡流化床和湍流流化床状态，而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化

床状态。

快速流化床是流态化的一种形式，循环流化床锅炉所具有的许多优点，例如燃料适应性广、NO x排放量低、燃烧效率高、脱硫时石灰石利用率高和给料点较少等，其原因均是由于气固处于快速流态化运动状态。

习惯上人们总是用风速来判别流化状态。当流化风速超过临界流化风速后，整个床层由固定床过渡到鼓泡床，再继续提高风速就过渡到湍流床和快速循环流化床。快速流化床内存在着较大的固体颗粒返混，即存在强烈的颗粒内循环，这对延长颗粒的停留时间是有利的。

由于内循环的存在，在炉内的固体物料浓度不仅沿高度(轴向)是变化的，沿径向也是变化的。内循环的存在也使炉内温度场趋于均匀。

流体动力特性是非常重要的参数，它决定着辅机的能耗、床内吸热量、温度分布、燃烧情况、床内载料量和磨损等。良好的综合流体动力特性是合理设计循环流化床锅炉的基础。

鉴于循环流化床技术的发展历史还很短，特别是煤燃烧领域所涉及的高温和大颗粒情况，从鼓泡流化床(慢速床)过渡到循环流化床(快速床)的流型转变规律以及循环流化床内的各种特征，目前研究的尚不完整，对它的认识还在不断深化中，故其研究结果在应用中要注意分析。

2.2 各类流态化的过渡准则

为了便于研究流态化过渡，首先研究循环流化床的颗粒分类。

2.2.1 颗粒分类

根据流态化经验，Geldart(1973)把固体颗粒概括分成如图2-1所示的A、B、C和D四类。图2-2是颗粒分类相对于气固密度差的曲线。在

了解固体颗粒流态化表观上，分类是一种很重要

的手段，因为在相近的操作条件下不同类的颗粒

流动表现可能完全不同。某种固体颗粒是属于

A、B、C还是D类，这主要取决于颗粒的尺寸

和密度，同时也取决于流化气体的性质，因而与

它的温度和压力有关。

A类颗粒(ρp=2500 kg/m3)一般在30~100 μm

范围内，气固密度差小于1400 kg/m3，主要包括

有裂化催化剂。早期的流态化研究工作都是以它

图2-2 颗粒分类

们为主进行的。这类颗粒能很好地流化，但表现

气速在超过临界流化速度之后及气泡出现之前床层会有明显的膨胀。很多循环流化床系统采用A类颗粒，这类颗粒在停止送气后会有缓慢排气的趋势，由此可鉴别A类颗粒。B类主要是砂粒和玻璃球，这类颗粒粒度通常在100~500 μm范围内(ρp=2500 kg/m3)。气固密度差为

1400~4000 kg/m3。B类颗粒床易于鼓泡，气速一旦超过临界流化速度，床内立即出现两相，即气泡相和乳化相。它们能流化得很好，大部分锅炉都采用这类颗粒。C类颗粒非常细，一般小于30 μm(ρp=2500 kg/m3)。它是具有粘结性的一类，特别易于受静电效应和颗粒间作用力的影响，很难达到正常流化状态。颗粒间作用力与重力相近。如果要流化C类颗粒，则需特殊的技术，否则常会造成沟流。常常通过搅拌和振动方式使之正常流化。D类颗粒(ρp=2500 kg/m3)是所有颗粒中最粗的(＞500μm)，通常达到1 mm或更大。虽然它们也会鼓泡，但固体颗粒的混合相对较差，更容易产生喷射流。它们需要相当高的速度去流化，通常处于喷动床操作状态。表2-1给出了不同类型的颗粒特性比较。

粒度分布较宽的煤颗粒同时具有A颗粒和B颗粒的属性。气速较低时，它充分表现B颗粒的鼓泡特征；气速高时，煤颗粒中细粉特征占主导地位，它也可以是下部鼓泡流态化，而上部为湍流或快速流态化。

下面分别叙述各种主要形态的过渡准则。

2.2.2 由固定床到鼓泡床

在流速较低时，气流仅是在静止颗粒的缝隙中流过，这时称为固定床。当气流速度增大到一定值时，所有的颗粒被上升的气流悬浮起来，此时气体对颗粒的作用力与颗粒的重力相平衡，通过床层任意两个截面的压力降与在此两截面间单位面积上颗粒和气体的重量之和相等，这时床层达到起始流态化。这时的气流速度称为最小流化速度。当气流速度超过这个值时，除了非常细而轻的颗粒床会均匀膨胀外，一般地会出现气体的鼓泡这样明显的不稳定性。这样的床层称为鼓泡流化床。

2.2.3 由鼓泡流化床到湍流流化床

当通过鼓泡流化床的气速增加到最小鼓泡速度以上时，床层会膨胀，继续不断地增加气速会最终使床层膨胀形式产生变化，这可能是由于气泡份额增加，乳化相膨胀及分隔气泡的乳化