第二章-流化床的流体动力学

2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
这是 Ergun 公式 公式.
2.2.2 临界流化速度
临界流态化速度Umf是流态化操作的最低速度。要使固体颗 粒床层在气流作用下实现完全流态化，操作气速必须大于Umf。
图2.2.2 临界流态化速度实测法
临界流态化速度的计算
在不易实验确定临界流态化速度的场合可采用计算的办法来 近似求得Umf,因为： 固定床压降和流速之间有一定的关系；压降等于颗粒的浮重 时即为临界流态化状态，二者同时存在时可求得临界流态化速度 Umf。 临界流化状态下压降为：
∆p = 150µ Lu 0 (1 − ε )2 D2 p
ε3
类似地，对于湍流可得到 the Hagen-Poiseuille 等式：
Re p > 1,000
对于过渡流动:
∆p =
2 1.75 ρ u 0 L (1 − ε ) ∆p = Dp ε3
150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
m 2.1 固定床压降
床层压降的计算
假定: 忽略重力对流体的作用， 流动为层流 (f = 16/Re).
Re =
ρ f VD µ
床层压降的计算
关键点转化为计算流速V和定性尺寸D Lb S = 床体积 εLb S = 有效流通体积 对单位床高: 流速:
∆P = ( ρ s − ρ f )(1 − ε mf ) g Lmf
由Ergun公式：
∆p = 150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
临界流态化速度的计算
得到临界状态时的床层压降为：
(1 − ε mf ) 1 − ε mf ρ f U mf µU mf ∆P = 150 • + 1.75 • L mf φs d p (φ a d p ) 2 ε mf 3 ε mf 3
µ2
对于球形颗粒，则有：
ε mf = 0.4, φ s = 1
Re 2 + 51.4 Re mf − 0.0366 Ar = 0 mf
Re mf = 25.7( 1 + 5.53 × 10 −5 Ar − 1)
2.2.3 颗粒终端速度
浮重力＝
π
6
d 3 (ρ s − ρ f ) g p
π
4 d2 p
13. 临界流化风速与临界流化风量 临界流化风速就是床料开始流化时的一次风风速， 这时的一次风量就是临界流化风量。对于不同型号的 锅炉或同型号而不同物理性质的床料，其临界流化风 速和临界流化风量不同。具体值可以通过锅炉冷态和 热态试验测定。
14. 物料循环倍率 物料循环倍率因炉型、系统以及研究方法的不同， 有不同的定义。最简单通用的是由物料分离器捕捉下 来且返回炉内的物料量与给进的燃料量之比。
2.1.2 流化床压降和流速的关系
1．理想流态化 一般而言，理想流态化具有以下特点： ① 有确定的临界流态化点和临界流态化速度Umf， 当流速达Umf以后，整个颗粒床层开始流化； ② 流态化床层压降为一常数； ③ 具有一个平稳的流态化床层上界面； 流态化床层的空隙率在任何流速下，都具有一个代 表性的均匀值，不因床层的位置和操作时间而变化，但随 流速的变大而变大。
图2.1.2 Geldart 的颗粒分类图
Geldart 的颗粒分类
A类颗粒： 这类颗粒粒度较细，一般为20～90μm，如化工流 化床反应器常用的裂化催化剂即属此类颗粒。这类颗粒 通常很易流化，并且在开始流化至开始形成气泡之间一 段很宽的气速范围内床层能均匀散式膨胀。 B类颗粒： 这类颗粒具有中等粒度，典型的粒度范围为90～ 650μm，具有良好的流化性能。流化床常用的石英沙即属 典型的B类颗粒，此种颗粒在流化风速达到临界流化速度 后即发生鼓泡现象。
2.密相区 布风板上部，床层下部的炉膛空间称为密相区。密相 区中煤及石灰石的浓度很大，燃料与空气的反应主要 发生在密相区。为了达到脱硫效果，密相区的温度一 般控制在850℃－900℃。由于密相区中只送入部分助 燃空气，故该区燃烧反应处于还原性气氛中。燃料中 的大颗粒物质在重力的作用下在密相反应区进行上、 下往返运动，不断地与空气发生反应，当颗粒尺寸减 小到一定程度时，气流对颗粒的气动力大于颗粒的重 力及运动阻力，颗粒进入稀相区继续燃烧。
2.1.2 流化床压降和流速的关系
图2.1.3 压降与流速的关系
流化床压降和流速的关系
2．实际流态化 实际流化床压降和流速的关系较复杂。由于受颗粒之间作用 力、颗粒分布、流体分布板结构特性、颗粒外部特征、床直径大 小等因素的影响，造成实际流化床压降和流速的关系偏离理想曲 线而呈各种状态，主要表现在以下几个方面： ①流速在接近临界流态化速度时，在压降还未达到单位面积的浮 重之前，床层即有所膨胀，若原固定床充填较紧密 固定床充填较紧密，此效应更明 固定床充填较紧密 显。此外，由于颗粒分布的不均匀性以及床层充填时的随机性造 成床层内部局部透气性不一致，使固定床和流化床之间的流化曲 线不是突变，而是一个逐渐过渡过程。在此过程中，一部分颗粒 先被流化，其它颗粒的重量仍部分由分布板承受。因而此时床层 压降低于理论值。最后，随着流速的增加，床层颗粒重量才逐渐 过渡到全部由流体支撑，压降接近理论值，此时对应床层重量完 全由流体承受的最小流速Umf，亦即完全流态化速度。
第二章 流化床的流体动力学
第一节 流化床的流动特性
影响流化床流动特性的因素很多。首先，床层的均匀性和稳 定性与床层流速有关系，不同流速下会形成不同的床层形式。对 应不同的粒度、不同的气速、便会形成不同的床层，如散式流态 化，聚式流态化等。
2.1.1 Geldart 的颗粒分类
一般情况下，粒度过细、密度过小则会使起 始流态化困难，且易形成严重的沟流。
第二节 床层压降的计算
如何计算流体通过固定床所产生的压降？首先假定流 体由下向上流过容器中的颗粒层: 由机械能守恒，对于流体：
∆p
ρf
+ Lb g = −h f
对于管内流动：
2 L V hf = 4 f D 2
∆P= 压降 ε = 空隙率 ρf =流体密度
L =床高 U or V =流速
11. 物料筛分 进入锅炉的燃料颗粒的直径一般不相等。如果粒 径粗细范围较大，即筛分较宽，称为宽筛分；粒径粗 细范围较小，就为窄筛分。 12. 流化速度 流化速度是指床料或物料流化时动力流体的速度。 对于循环流化床锅炉来说，动力流体就是空气经风机 产生一定能量，通过布风板或风帽使床料（物料）流 化起来。这部分风叫做一次风。
9. 堆积密度与颗粒密度 如果 把 固体颗 粒燃 料或物 料自 然 堆放 不 加任 何 “约束”，那么这时单位体积的燃料质量就称为堆积 密度。单个颗粒的质量和其体积的比值称为颗粒密度 或真实密度。
10. 空隙率 在电厂中无论是固体燃料煤还是其他颗粒物料， 尽管粒径大小不同，但是粒子间都有空隙，因此堆积 密度总是比颗粒密度小。燃料和床料或物料堆积时， 其粒子间空隙所占的体积份额为堆积空隙率。
基本术语
3.稀相区 床层上部的炉膛空间称为稀相区。炉膛中的细颗粒在 床层表面被气流夹带进入稀相区。二次风在稀相区送 入炉膛，使燃料在炉膛内形成强烈的气旋运动，气固 两相流混合充分，燃料和空气发生强烈的燃烧反应。 燃烧放出的热量与炉膛中的换热面进行热量交换，使 换热面中的工质逐步升温以满足要求。炉膛中除布置 有水冷壁外，有的循环流化床锅炉在稀相区还布置有 各种对流及幅射受热面。
摩擦阻力＝ C D •
ρ fU 2
2
二力相等时所对应的颗粒速度即为颗粒终端速度Ut，即
Ut = 4 d p (ρ s − ρ f ) g 3 CD ρ f
24 C D = Re , Re p < 0.4 p 10 , 0.4 ≤ Re p < 500 C D = Re p1 / 2 C D = 0.43, 500 ≤ Re p < 200,000
2 2
由此可以得到：
150 (1 − ε mf )
φ a 2 ε mf 3
•
d pU mf ρ f
µ
+ 1.75
1
φ s ε mf 3
•(
d p ρ f U mf dp
) =
2
d p 3 ρ f (ρ s − ρ f )g
µ2
雷诺数： 阿基米德数：
Re mf =
U mf ρ f d p
µ
Ar =
d p 3 ρ f (ρ s − ρ f ) g
Geldart 的颗粒分类
C类颗粒： 这些颗粒粒度很细，一般均小于20μm，颗粒间相互 作用力很大，属于很难流态化的颗粒，由于这种颗粒相 互粘着力大，因此当气流通过这种颗粒组成的床层时， 往往会出现沟流现象。 D类颗粒： 这类颗粒通常有较大的粒度和密度，并且在流化状 态时颗粒混合性能较差，大多数燃煤流化床锅炉内的床 料及燃料颗粒均属于D类颗粒。由于化工领域流化床多 集中在C、A、B类颗粒，因而以前对D类颗粒的流化性能 研究得很少。近年来的一些研究结果说明，D类颗粒的 流化性能与A、B类颗粒有较大差别，如气泡速度低于乳 化相间隙气流速度，即所谓的慢速气泡流型。
第二章 流化床的流体动力学
基本术语
1.布风装置(布风板、风室、风帽) 布风装置由布风板、一次风室及风帽组成。一次 风经过空气预热器加热后进入一次风室，然后通过布 风板上的小孔和布风帽进入炉床上面，与给煤及返料 混合、燃烧。床料以布风板为支撑，一次风通过布风 板对床料、燃料及石灰石产生向上的动力，建立流化 状态，使床料、燃料、石灰石在床层上强烈掺混，进 行剧烈的燃烧及传热过程。
流化床压降和流速的关系
② 由于颗粒表面并不是理想的光滑表面，造成颗粒之间“架桥”现 象。当床直径较小时，床层和器壁之间的摩擦更为明显，甚至形 成初始流态化对应床层压降大于理论值的现象。当床层全部流化 之后，颗粒和器壁之间以及颗粒之间不再相互接触或接触较小， 则此现象消失，压降和理论值相差不大。 ③ 当颗粒分布不均以及分布板不能使流体分布均匀时，可能出现局 部沟流。结果，大部分流体短路通过沟道，而床层其余部分仍处 于非流态化状态。 因此，实际流态化过程总是偏离理想流态化的，而理想流态 化在实际中是很难得到的，这与实际颗粒分布、床中流体分布等 很难达到理想状态有关。
as 为颗粒表面积和体积之比。 对于球形颗粒:
as = 4π R 2
4 π 3
R3
=
6 Dp
4 ε Dh = (1 − ε ) D p 6
因此对于层流:
∆p = 72µ Lu 0 (1 − ε )2 D2 p
ε3
床层压降的计算
实际上，上式没有考虑曲折路径∆L比较长。实验数 据获得的常数150应替代72. 获得Blake-Kozeny 等式.
7. 床料 锅炉启动前，布风板上先铺上一定厚度，一定粒 度的“原料”，称为床料。床料一般由燃煤，灰渣， 石灰石粉组成，有的锅炉床料中还掺入砂子，铁矿石 等，甚至有的锅炉冷态热态调试或启动的时仅用一定 粒度的砂子作床料。
8. 物料 所谓物料，主要是指循环流化床锅炉运行中，在炉膛及 循环系统（分离器，料腿，回料阀等）内燃烧或载热 的固体颗粒。它不仅包含床料成分，还包括锅炉运行 中给入的燃料，脱硫剂，返送回来的飞灰以及燃料燃 烧后产生的其他固体物质。
4.气固分离装置 从CFBB炉膛出来的烟气中含有大量未燃煤颗粒，若不 把这些未燃燃料从烟气中分离出来，不仅影响燃烧效 率，而且会对尾部烟道及尾部受热面造成十分严重的 磨损。因此，CFBB在常规流化床锅炉的基础上增加了 气固分离装置及返料装置,以把未燃颗粒从烟气中分离 出来并送入炉膛继续燃烧。
5. 排渣装置 CFBB正常运行时要求维持一定的床层厚度。床层 太厚不利于燃料进入流化状态，同时也加大了送风电 耗。相反，床层太薄又容易把床料及燃料吹跑，无法 形成床层。CFBB是通过排渣装置来控制床层厚度的， 床层增厚则加大排渣，床层减薄则减少排渣量。
u 0 S = uε S
u = u0 ε
定性尺寸，床有效直径:
流通流面积 Dh = 4 × 湿周
床层压降的计算
上式右侧乘以 L/L
可流通体积 Dh = 4 × 湿表面积
ε Lb S Dh = 4 × (1 − ε )L S a b s