教案第三章生物质燃料与能源.docx

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教案第三章生物质燃料与能源

生物质燃料与能源课程教案编写日期：

年月日

章、节（或课题、单元）名称第三章流态化基础知识

授课学时4

目的要求掌握流化的基本方式和技术

流态化技术的表征，各个参数的意义，流化床基本设备的了解

重点、难点流态化的概念以及参数的表达

教学组织（包括主要教学方法、手段、参考书目文献等）

课堂讲授及例证，理论及计算

课后作业（课外复习预习内容）

授课小结

陕西科技大学教案

第一节流态化现象及其基本特征

1、流态化现象及其定义

图1－1流态化现象

如图1－1所示，在一个开口容器中，放入一定质量的固体颗粒，使流体（液体或气体）从容器底部均匀地流入容器中，当流体速度达到一个临界值后，容器中的固体颗粒就会在容器中漂浮起来，处于一种拟悬浮状态，并呈现出一种上下翻腾的现象，这种现象就叫流态化现象。

从理论上讲，在流体流过固体颗粒层时，只有当固体颗粒所受到的各种力（主要是重力、浮力和流体在固体颗粒表面产生的摩擦力等）达到平衡时，才会出现流态化现象。

因此，可以将流态化定义为：

流体以一定速度流过固体颗粒层，流体对颗粒所产生的曳力与颗粒所受到的其它作用力相平衡的状态，就叫流态化。

根据流体种类的不同，有气固流态化、液固流态化、气液固三相流态化。

根据固体颗粒的受力不同，有与磁场力相平衡的流态化、与浮力相平衡的流态化等流态化现象。

流态化现象最早应用于化工领域。

由于化工领域中，经常将各种反应器叫作“床”，因此应用流态化原理的反应器（包括容器、固体颗粒、流体）就叫流化床。

气固流化床具有以下重要性质：

1）由固体颗粒和流过固体颗粒层的气体组成的气固流化床，具有类似于静止状态的液体的基本性质。

2）床内任一高度的静压，近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量。

3）当流化床本体发生倾斜时，床表面总是保持水平，床内气固混合物的总体形状也保持流化床容器的形状。

4）床内固体颗粒可以象液体一样，从底部或侧面的孔口中排出。

5）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。

例如，一个钢球会沉在床底，而羽毛球会浮在床层表面。

6）当其它操作参数相同时，将两个不同床面高度的流化床用一根连通管相连，床面较高的流化床中的固体颗粒会自动流向床面较低的流化床中，直至两个流化床中的床面高度相同。

7）床内颗粒混合良好，当加热床层时，整个床层的温度基本上是均匀的。

流态化现象：

指固体颗粒在流体（气体或者液体）的作用下，悬浮在流体中跳动或随流体流动的现象。

2、气固流态化的形成与流化质量

（一）、气固流态化的形成

气固流态化是伴随着流化风由小到大的过程中形成的。

要形成气固流态化，必须要有三个基本条件：

1）、底部具有能使气流均匀流入的布风装置的容器（或炉膛）；

2）、容器内或炉膛内有一定高度的粒径及其粒径分布均匀的固体颗粒（或床料）；

3）、具有一定压力的空气。

在一个气固流化床中，起始流态化一般是这样形成的：

首先在容器（或炉膛）中堆放一定厚度的固体颗粒（或床料），并使料层表面基本平整。

通过布风装置向床内送入空气（流化风）。

刚开始时，由于空气流速很低，还不足于将床料吹起来。

但随着流化风量增大，床层出现松动，并略有膨胀，个别粒径较小的床料颗粒被吹起。

随着流化风量的继续增大，全部床料都被吹起，整个床层呈现出象煮沸的稀饭一样的波动现象。

被吹出床层的床料，大部分会在一定高度范围内又回落至床层。

（二）流化质量

流化质量的高低主要从流体与颗粒的混合、气-固接触状态等一系列参数来表征流化质量的好坏。

通常用床层压降的波动、床层密度的变化、床层料面起伏比等参数来评价。

还包括床层粒子的分级、温度分布、传热和传质系数的大小、流化床床身的震动等。

在不同的情况下都可用来判断流化的质量。

第二节流态化技术的优缺点

1、流态化技术的优点

1）流体和固体之间的传热和传质增强，床层温度均匀

首先考虑固体颗粒的几何形状，相比于固定床物料尺寸，流化床颗粒尺寸要小得多，因此增大了比表面积，即增大了与流体和固体颗粒间之间的接触面积。

其次流体的强烈扰动使得碰撞增强，接触传热增强，因此温度更均匀。

此外，颗粒间的碰撞还大大增加了固体颗粒表面的更新几率。

2）床层与管壁的传热增强

在流化床（锅炉）工艺当中，需要埋设一些管路来加热或者冷却。

流化的固体颗粒与管壁的碰撞可以是管壁上的流体边界层遭到破坏，增强了传热。

3）可以像流体一样大量输送

由于固体颗粒的流化使得固定的大批量加工成为可能，解决了固体输送、携带的技术问题。

因此对于循环量大的固体进行处理时常使用流化装置。

4）固体颗粒可以作为热载体

实质上是利用了固体颗粒的热容量较大的特点，因而可以实现对流体的加热或者冷却。

如循环流化床生物质热解装置。

此外固体颗粒还可以搭载催化剂。

2、流态化技术的缺点

1）固体颗粒磨损大、损耗多

由于固体颗粒的碰撞和扰动，造成颗粒的磨损。

并且细微的颗粒或者粉尘被带出后还增大了除尘和回收系统的负荷。

贵重固体催化剂损失更大，不得忽视。

2）增大了受热面的磨损

固体颗粒与管壁之间的磨损影响了换热管的适用寿命。

3）反应效率下降

反混现象造成反应物被稀释，从而造成反应过程转化率的降低。

此外，由于流化过程的复杂，还会产生其他不利的影响。

第三节气固流化床的重要参数

任何气固流化过程都必须具备固体颗粒、流化介质这两个条件。

1、颗粒物料的性质

直径、形状、密度、比表面积等。

1）颗粒的直径:

利用筛分法求颗粒的直径。

目数：

筛网每英寸（25.4mm）长度上所具有的网眼数。

2）颗粒的密度：

单位体积的质量。

单位体积包括颗粒内空间。

3）颗粒的比表面积和形状系数

比表面积：

单位颗粒体积的外表面积

球形颗粒的比表面积：

表面积/体积=6/dp.

形状系数

=同颗粒体积相等的球体表面积/颗粒的实际表面积

4）床层空隙率：

空隙体积占整个床层体积的百分数成为空隙率

。

2、冷态流化特性曲线

在各类流化床中，应用最为广泛的是气固流化床。

各种气固流化床反应器大量应用于化工、石油、能源、食品、冶金等行业中。

要系统地了解气固流化床，首先要掌握气固流化床的两个最重要的运行参数：

临界流化速度和床层压降。

所谓临界流化速度，就是使床料呈现流态化状态的最小流化速度。

床层压降则是紧靠布风板上表面所测得的床层静压。

冷态流化特性曲线，十分形象地说明了在起始流态化过程中，床层压降与流化速度的关系。

它同时也说明了，随流化风速不同，气固两相呈现出不同的流化状态。

图1－4是一个在理想条件（采用尺寸均匀的球形颗粒）下得到的一个典型的流化特性曲线。

图中，AB区域代表固定床。

在固定床中，颗粒彼此紧靠，并由布风装置支承其重量。

随着流化风速的增大，床层压降是增加的。

流速增大到B点时，床内开始呈现流态化现象：

床层表面开始变得平坦，在床层附近的颗粒开始有了比较缓慢的运动以及重新排列。

当流化风速继续增大时，床层压降将保持不变，而床层高度却开始增大。

这是流化床特有的膨胀现象。

根据不同的具体情况，床层有可能随流化风量增大而继续膨胀，也可能随流化风量增大而产生更多的气泡。

床层膨胀和超过临界流化风量的气体以气泡形式通过床层，使流过床料颗粒之间的流速基本没有变化，这就是随流化风速增大，床层压降不变的原因所在。

图1－4　床层压降与流化速度的关系

床层压降的大小，代表了单位布风板面积上，床料量的多少。

当流化速度从C点下降时，它并不沿原来的路径下降，而是沿着路径CDE下降。

这是由于从流化床转变为固定床时，床料颗粒之间不存在搭桥、联锁现象。

D点所对应的流化风速，也就成为最小的流化风速。

流化床锅炉运行中，就要始终保持流化速度大于最小流化速度。

而床层压降，则成为判断炉内床料量的多少以及是否应该排渣的一个重要参数。

3.临界流化速度和带出速度（终端沉降速度）

1）临界流化速度μmf：

通常将床层从固定状态转变到流化状态（或称沸腾状态）时按布风板（或炉膛空截面）面积计算的空气流速称为临界流化速度μmf，即所谓的最小流化速度。

临界流化速度是一个非常重要的流态化参数。

对循环流化床锅炉而言，在某种程度上，临界流化速度决定了锅炉低负荷运行的下限风速。

临界流化速度与床料颗粒粒径的平方值、固气密度差成正比。

但至今还未能从理论上找到一种可靠的计算方法，一般依赖于实验测定值或借助于经验公式作近似计算。

需要说明的是，在实际的工业燃煤流化床锅炉中，其正常运行时的流化速度均要大于μmf。

为保证床内颗粒充分流化，鼓泡流化床锅炉实际运行时的流化风速约为临界流化风速的两倍左右。

临界流化风速还受温度和颗粒平均粒度的影响。

在热态下，达到临界流态化状态所需要的风量比冷态时要少。

工业试验表明，在温度为700－1000℃时，其热态临界流化速度约为20℃时的冷态临界流化速度的0.45－0.52倍。

换言之，热态下的流化风量达到冷态的45％－52％，就可达到与冷态时相同的流态化效果。

当其它条件不变，只是煤粒平均直径变化时，直径增大一倍，鼓泡流化所需的鼓风量约增大50％。

公式及选择原则见书21~22页。

2）颗粒终端沉降速度ut:

固体颗粒在静止流体中自由下落时所能达到的最大速度。

在循环流化床中，只有流化速度大于颗粒终端沉降速度时，颗粒才能跟随气体一起从流化床中逸出。

颗粒终端沉降速度与床料颗粒粒径的平方根、固气密度差的平方根成正比。

可以采用下式计算：

（m/s）（1－3）

式中，

dp――颗粒粒径，m;

ρg――气体密度，kg/m3;

ρp――颗粒密度，kg/m3;

g――重力加速度；

CD――常数。

4、膨胀比、起伏比和夹带分离高度

1）膨胀比=实际流化床层的高度/静床高=

2）起伏比=床层最大高度/最小高度，（图示说明）

3）夹带分离高度（依照书上27.28页图例和文字说明）

5、垂直上升气固流动系统中气固流态化的形式及判别

循环流化床锅炉及其燃烧辅助设备中包括了多种气固流动状态，因此有必要在经典流态化的基础上，学习掌握更多的气固流动状态特性。

垂直上升气固流动系统包含了一个较为完整的气固流动体系，在这一范围内的气固流态化现象也是较为复杂的，其中有许多影响因素我们目前还不清楚。

目前只知道各种形式的气固流态化主要受气体流动速度（流化速度或空截面速度）、固体颗粒特性（密度、粒度及其分布）、流体特性（密度、粘度等）以及固体器壁的影响。

如图1－6所示，随流化速度的增加，一个垂直上升气固系统会依次呈现以下几种状态：

1）固定床

此时由固体颗粒组成的床层静止于一个多孔的网格上（比如，层燃锅炉的炉排），气体通过这个多孔网格上行，床料基本不随气体运动（极个别细粉除外），固体颗粒之间没有相对运动。

这种床层称之为固定床。

当气体流经固体颗粒时，它对颗粒产生曳力（颗粒对气体产生磨擦阻力），因此气体流经床层时会产生压力损失。

图1－6垂直上升气固流动系统范围内的几种流态化形式

移动床也是与固定床的气固流动特性基本相同的一种流化床。

在移动床中，床层固体颗粒整体相对于器壁产生移动，但床层颗粒之间没有相对运动。

循环流化床锅炉分离器分离下来的循环灰在进入回料装置之前，在料腿（也叫立管）中就处于移动床状态。

2）鼓泡流化床

如果通过固定床的气体流量增加，气体通过固定床而产生的压降会持续增大，直至达到一个临界值――最小流化风速Umf为止。

最小流化风速的定义是：

气体对颗粒的曳力刚好等于颗粒的重力减去浮力时的流化风速。

在此状态下，颗粒似乎是“无重量”的，此时固定床转化为初始流态化状态。

在该状态下，固体颗粒呈液体的特性。

在气流速度达到临界流化速度后，若继续增大流化风速，则根据不同的固体颗粒特性和流化床结构，床内有可能呈现以下三种流化状态中的一种：

⑴鼓泡流化床：

其特征是超过临界流化风速的空气以气泡形式流过床层，床内存在明显的密相界面。

气泡从布风板处产生，在上升过程中不断与其它气泡合并或分裂，到达床面后气泡破裂并飞溅，同时将少量床料颗粒抛向床层上方的悬浮空间。

这是工业应用中常见的一种流化现象，也叫聚式流化床。

⑵（准）散式流化床：

其特征是：

当流化风速超过临界流化风速后，床层会随流化风速增大而继续膨胀，床内基本无气泡产生。

一直到流化风速达到一个临界速度Umb后，床内才产生气泡。

（准）散式流化床只存在于细颗粒组成的流化床中。

⑶节（腾）涌流化床：

对一个给定的流化床，当流化风速或床层高度增加时，气泡尺寸也随之增大。

如果床截面较小而又较深时，气泡尺寸可能会增大到与床直径或床宽度相差不大的程度，此时气泡会以节涌的形式（类似于一个运动的活塞）通过床层。

3）循环流化床

在垂直上升气固流动系统的术语中，并没有循环流化床的定义。

一般而言，循环流化床是指快速流化床和密相气力输送这两种流化状态。

但在燃煤锅炉中，循环流化床有时还可能包括湍流床在内。

当床内处于鼓泡流化床时，随流化风速继续增大，床内会依次呈现湍流床、快速流化床、密相气力输送和稀相气力输送。

下面分别加以介绍：

⑴湍流床：

当床内达到鼓泡流化状态后，继续增大流化风速，超过临界流化风量的气体以气泡形式通过床层。

但随着流化风速增大，气泡产生、合并和破裂都相应增大，床内呈现较强烈的气固运动，气固接触良好；床层表面有大量的气泡破裂，床层的压力降快速地脉动，大量床料颗粒被抛入床层上方的悬浮空间，床层仍有表面但已相当弥散，这种床层称之为湍流流化床。

湍流床的运行风速会高于细颗粒的终端沉降速度，而低于粗颗粒的终端沉降速度。

⑵快速流化床：

图1－7不同流化状态下的气固滑移速度

在湍流床的基础上继续增大流化风速，使床层中的流化风速高于颗粒的终端沉降速度，床内呈现一种由高速气固悬浮物组成的床层，由气流从床内夹带出的颗粒被分离下来并被送回床层下部，这就是快速流化床。

在快速流化床中，由于返回的床料足够多，使床内的温度分布很均匀。

快速流化床具有以下重要特性：

在垂直上升气固流动系统中，循环流化床（包括快速流化床）内的气固之间具有最高的滑移（相对）速度，如图1－7所示。

由于具有较高的气固滑移速度，故其燃烧强度较高。

固体颗粒具有成团与返混现象；固体颗粒之间混合良好。

由于存在成团与返混现象，使床料（包括煤粒）在炉膛内的停留时间大大延长。

床内已不存在明显的密相界面，但床内仍呈现上稀下浓的固体颗粒浓度分布。

⑶密相气力输送：

在快速流化床的基础上继续增大风速或减少床料加入量，床内颗粒浓度将变稀，床内颗粒浓度呈上下均匀分布状态，此时即为密相气力输送。

其特征是：

单位高度的床层压降沿床层高度不变。

4）稀相气力输送

图1－8床层上、下部压降与流化风速的关系

在密相气力输送的基础上继续增大风速，就转变成稀相气力输送。

它与密相气力输送的区别是：

增大风速，单位高度的床层压降上升（摩擦压降占据主导地位）；而在密相气力输送状态下，增大风速，单位高度的床层压降会减小（由于颗粒浓度下降，颗粒浓度压降占据主导地位）。

压降随风速变化的转折点，恰好是最经济的气力输送流速。

图1－8给出了流化床上、下部单位高度床层压降与流化风速的关系曲线。

由图1－8可见，在鼓泡流化床状态下，下部床压比上部床压大得多；在快速流化床状态下，上、下部床压逐渐接近；而在密相气力输送时，二者相等。

在图1－8中，UTF是湍流流态化向快速流态化的转变速度，UFD是快速流态化向密相气力输送的转变速度，UPL是密相气力输送向稀相气力输送的转变速度。

应当注意的是，图1－8中指的是单位高度的床层压降，不是指的流化床内的总压降。

还需要特别注意的是，循环流态化并不是在传统的鼓泡流态化的基础上简单地增大流化风速就可得到的，还必须满足如下条件：

⑴合适的床料颗粒物性；

⑵运行风速大于颗粒终端沉降速度；

⑶足够大的颗粒循环速率。