流态化基础

－流态化理论
▪颗粒形状
▪颗粒大小
▪颗粒大小测量
▪流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。

▪气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动
▪与高粘度液体性质相似
▪一循环流化床中的流态性质
▪流态化一用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。

处于流化状态的颗粒系统称为流化床。

▪实际上气固两相流形态族谱中，流化床只是其中的一部分。

从广义上讲气固系统可划分为固定床、流化床、气力输送等。

▪至少有五种不同的流态化形式－散式流化，鼓泡态流化，腾涌，湍动流化，快速床流化到气力输送。

a)0<u<u
mf 固定床（fixed bed）
b)u
mf <u<u
mb
散式流态化（particulate fluidization）
c)u
mb <u<u
ms
鼓泡床（bubbling bed）
d)u
ms <u<u
c
腾涌（slugging regime）
e)u
c <u<u
tr
湍动床（turbulent bed）
f)u
tr <u快速床（fast bed）
气力输送（Pneumatic conveying）
类颗粒的流化状态
u mf u mb u t
u m/s
ε
Li and Kwauk 1990平均空隙率
床层空隙率代表床内气体所占空间
与全床所占空间的比例，记为e
理想情况下，不同床层状况的压降
∆P、床层空隙率ε与气体流速u的关系。

在理想条件下，气体通过散料床层时，床层呈现固定床、流化床和输
送床三种运动状态。

在固定床阶段，床层压降∆P与流速u为幂函数关系，而空隙率ε保持不变。

在流化床阶段，床层压降∆P为常数，这是因为床层颗粒的重量完全由气
体托曳，不再由布风板支持。

空隙
率ε线性增长，
流体以层流的形式通过散料床层时，
1<Re<20时，
Re>1000时，
式中，H为床层高度，m；μ为动力粘度，Pa⋅s；u为气体速
度，m/s；ρ
f 为流体密度，kg/m3。

2
p
d
u
H
pμ
∝
∆
p
2
f
d
u
H
pρ
∝
∆
在前人研究结果的基础上，通过实验得出了包含层流和湍流床层压降综合表达式
φs 为球形度，其中第一项为粘性项，当流速较低时，它
占主导作用；第二项为惯性项，当流速较高时，流动为
湍流时，该项起主要作用。

比表面因子是由反映
多孔介质水力半径因子，和反映相对流速因子综合得到的。

该表达式通过引入球形度φs ，也能适用于非球形颗粒情况。

p
s 2
f 3
2
p s 32
175.1)()1(150d u d u H p φρe e φμe e -+-=∆13
-e e
1-e e
1e
根据临界流态化u mf 的定义，临界流化速度u mf 是当床层压降等于床层颗粒重量时所对应的流体速度，可由Ergun 方程导出
g
H A A p ))(1)((f p m f m f t t ρρe --=⋅∆2f p 3
p
f 2
m f p f 3m f s m f
p f 3m f
2
s m f )(175.1)1(150
μρρρμ
ρe φμ
ρe
φe g
d u d u d -=
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-)
(1221p
f mf C Ar C C d u -+=
ρμs
mf
1185
.42φe -=C 75
.13mf
s 2e φ=
C 2
f p f 3
p )
(μρρρ-=
gd Ar
u
的实验测定
mf
流化床
固定床
将床层处理为气泡相和乳化相的所谓两相理论
模型都假定，多于临界流化的气体量都以气泡的形式窜过床层，即
mf b u u A
V -=实测值通常小于公式的计算值
对于气泡相，气体能够通过气泡边界；对乳化相，气体从颗粒间隙流入气泡
平均气泡直径表示为高度的函数，在Mori 与Wen 模型中，首先计算最大气泡直径
4
.0m f bm )]([64.1u u A d -=
为
D z e
d d d z d /3.00b bm bm b )()(---=简单的气泡沿床高几何合并模型(Darton) ，得出2
.08.0or 4.0mf b )/4()(54.0)(-+-=g
N A z u u z d 式中，A/N or 是每个小孔对应的布风板面积研究表明在任一给定的床高处，气泡大小服从对数正态分布或Γ分布，但是除平均方法之外，还没有通用的方法来计算这种分布的参数。

气泡大部分时间都在沿床高合并和分裂，气泡从大到小的直径分布也在变宽。

在特定床高处，特征气泡的速度可用下式估算
)
()(711.0)(mf b b u u z gd z u -+=
(elutriation and
entrainment)
1:夹带
一般指在单一颗粒或多组分系统中，气流从床层中带走固体颗粒的现象
2:扬析
表示从混合物中分离和带走细粉的现象
3: 沉降分离高度（transport disengagement height) TDH是自由空域内的一个特定高度，高于TDH后，自由空域内颗粒浓度或者粒度分布不再随高度而改变。

夹带产生机理
(1)从密相区到自由空域固体颗粒的输送；(2)颗粒在自由空域的运动。

对于鼓泡床，夹带起因有三个可能：
Zenz 和Weil 等给出了TDH 的
简单关系曲线，得到了广泛
应用。

TDH 高度
)(27f p p
2b
TDH ρρρ-=g u H 根据实验，99%颗粒的喷
射速度小于6u b 。

对于大颗
粒TDH 可按下式计算
TDH 以上的夹带量通过扬析常数E i ∞计算。

扬析常数E i ∞可按Lin 等人提出的关联式计算
65
.1p 241043.9⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=-∞gd u u E i ρ单位时间内每平方米截面上被扬析的i 组分颗粒的数量F i ∞，可由扬析常数Ei ∞与床层中原始颗粒的重量分率Xi 的乘积求得
i i i X E F ∞∞=∑∞∞=i
i X E E
一般公认自密相区表面到TDH 夹带量按照指数衰减:()()()
b H h a E E E E ---+=∞∞ex p 0E 0--密相区表面的夹带流率[ kg/m 2s]
E 00---TDH 以上的夹带率[ kg/m 2s]
H b --密相区高度[m]
h —所求物料流率处的高度[m]
a —衰减系数[m -1]
密相区表面的夹带量可按Wen-Chen 模型计算
()5.25.25.05
.3901007.3---⨯=g
mf g b U U g D E μρ其中D b 是密相床表面最大气泡直径
率的分布采用指数分布规律。

当密相床固体完全由第k 档颗粒组成时：
))(ex p()()(,,,den k k k den k k H h h ---+=∞∞αe e e e k t k t s k k t k t s k k t k U U U E U U U E U U ,02
,,,0,,,0,125.015.0-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++=∞∞∞ρρe k b k E k b k den f f ,,,,)1(+-=e e 密相区内的空隙率
TDH 高度以上的孔隙率
密相床以上空间孔隙率分布
－快速床的形成 快速床形成条件
表观气速大于输送速
，且循环流率或者
u
tr
给料率满足一定要求
1)当气速低于u c 时，固体循环量对床层空隙率无明显影响；2)气速一旦超过u c ，床层空隙率主要取决于固体循环量，3)对任一颗粒物料，当u=u c 时，床层达到饱和携带能力，物料便被大量吹出，此时必须补充等同于携带能力的物料量才能使床层进入快速流态化状态。

u c 为该物料进入快速流态化时的操作气速，即初始快速流态化速度。

在初始快速流态化u c 时的最小加料率定义为最小循环量R min 。

u c 主要与物料特性有关，按照实验统
计
u c =(3.5-4.0)u t (李佑楚,1980)
最小循环量可由以下经验关联式给出
627.0f p p 1.627f
2.25c min
)]
([164.0ρρρ
-=gd u R 上述内容是基于快速床的讨论。

对于鼓泡床和湍流床，饱和携带能力和最小循环量要根据颗粒的扬析和夹带计算求出。

实际CFB 锅炉内由于物料为宽筛分，因此可以将其流型理解为下部鼓泡床加上上部的快速床的迭加。

bulk density-bed
inventory
0204060801001200
51015local bulk density
h i g h t o f f u r n a c e
系列1系列2系列3
颗粒团平均尺度判断
物料浓度沿高度的分布为指数型分布，分布形状与床存量存在一一对应的关系
调整床存量可以改变物料浓度沿高度的分布。

▪(1)固体颗粒粒度细
▪(2)存在着以颗粒团聚状态为特征的密相悬浮夹带。

气相是连续相,颗粒相是非连续相。

▪(3)存在高度方向的强烈的物料混合，固体颗粒的夹带量很大，但颗粒返回床层的量也很大。

这种混合起到了热量传递拉均温度的作用。

▪(4) 物料浓度的分布在风速确定的条件下，完全取决于床存量的大小。

▪循环流化床是实现流化的一种装置
▪循环流化床内可以是不同的流化状态。

▪现在主流技术循环流化床内的流化状态是：
▪下部为鼓泡床上部为细粒子快速床的叠加
烟气
分离器
提升部分
分离部分
物料回送部分给煤料腿
床层回料阀
空气
排渣
循环流化床锅炉的构成。