鼓泡流化床异质颗粒混合特性微观研究
化学反应工程第八章流化床反应器
2. 聚式流态化与散式流态化 使用不同的流体介质，固体流态化可分为：
散式流态化（particulate fluidization） 聚式流态化（aggregative fluidization）
2. 聚式流态化与散式流态化
理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而 均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都 流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热 和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十 分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality） 是最高的。 在实际的流化床中，会出现颗粒及流体在床层中的非均 匀分布，越不均匀，流化质量越差。 液体作流化介质时，液体与颗粒间的密度差较小，在很 大的液速操作范围内，颗粒都会较均匀地分布在床层中， 比较接近理想流态化，称为散式流态化。
(2) 聚式流态化
由于气泡在床层径向截面上不均匀分布，诱发了床内密 相的局部以致整体的循环流动，气体的返混加剧。这种 流型称为 鼓泡流态化 （bubbling fluidization），气-固接 触效率和流化质量比散式流态化低得多。 气泡上升到床层表面时的破裂将部分颗粒弹出床面。在 密相床上面形成一个含有少量颗粒的自由空域 （freeboard）。 一部分在自由空域内的颗粒在重力作用下返回密相床， 而另一部分较细小的颗粒就被气流带走，只有通过旋风 分离器的作用才能被捕集下来，经过料腿而返回密相床 内。
快 床 颗 粒 的 径 向 分 布
颗粒含率 高 度 实际分布 模型分布
气流输送 快床 湍流床 鼓泡流化床 0.2 0.4 0.6 密度
图：各种状态 流化床沿床高密度变化
2. 高气速气-固流态化中的流型
流化床燃烧技术
鼓泡流化床燃烧技术的主要特点如下。
① 流化床床内混合剧烈，燃烧稳定，其燃料适应性很强，几乎可以燃 烧所有燃料。 ② 低温燃烧特性可以实现炉内加脱硫剂进行直接脱硫，而且可以利用 低灰熔点的燃料。 ③ 低温燃烧和分级燃烧可以较好地控制煤燃烧过程中NOx的生成。 ④ 通常燃用宽筛分燃料颗粒（如0-8mm，0-10mm），床料的组成也比 较复杂。 ⑤ 流化床运行速度较低，一般在2-4m/s之间，燃烧室内运行在鼓泡流 化状态，可以明显分为下部高颗粒浓度的流化床区（密相区）和上部 颗粒浓度很低的稀相区（悬浮段）。
1.2.3 循环流化床的气固两相流体动力特性
一般来说，循环流化床锅炉炉膛截面积形状大都是矩形或方形的，其高度与截 面当量直径之比要小得多，而且炉膛通常布臵垂直的膜式水冷壁以吸收热量。循环 流化床锅炉的炉内床料是宽筛分的粗颗粒，如中国循环流化床锅炉常用的煤粒粒径 为0-10mm。
项目 截面形状 直径/m 高度与当量直径比 反应器壁面 床料分布及平均直径/mm 循环流化床锅炉 大都为矩形 4-8(当量直径） <5(10) 膜式水冷壁（垂直管和鳍片） 约0.2
为了克服这些问题，通过把燃烧室内的流化床速度从原来的2-4m/s提高 到4-6m/s甚至更高后，把更多的床料颗粒从燃烧室下部的密相区带到了上部 稀相区，这样不仅使得更多的燃料在上部稀相区燃烧，而且也通过这些携带 的大量细灰颗粒从密相区带出了大量热量，从而使得燃烧室上部颗粒浓度增 加，燃烧室温度分布均匀，而密相区内则不再需要布臵埋管受热面吸热。同 时通过布臵飞灰颗粒分离及回送装臵，把携带出燃烧室细灰颗粒中不完全燃 烧的燃烧颗粒或未完全反应的脱硫剂颗粒重新送回到燃烧室内循环燃烧或利 用，从而大大提高燃料燃烧效率和脱硫剂利用率。这种状态运行的流化床燃 烧技术称为循环流化床燃烧技术，近三十年内得到快速发展的一种新型燃烧 技术。
固废流化床异型颗粒与床料共流化特性
http： / / journal． seu． edu． cn
448
东南大学学报（ 自然科学版）
第 42 卷
我国是世界上最大的能源消耗大国和二氧化 碳排放国［1］，同 时 也 是 世 界 上 最 大 的 废 弃 物 产 生 国［2］． 为了缓解煤炭供需的压力，同时减少固体废 弃物对我国环境、生态的破坏和人体健康的危害， 促进多元化能源结构的形成，可燃固体废弃物已成 为我国能源动力系统不可忽视的能源． 流化床热转 化技术，如燃 烧［3］、热 解 / 气 化 等［4］，由 于 效 率 高、 减容明显、能回收热能等特点，已成为国内外可燃 固体废弃物规模化清洁高效能源化利用处置发展 方向． 然而，目前对可燃固体废弃物流化床技术的 掌握还远不能满足日益广泛的工业应用要求． 引进 的国外设备与我国现有固体废弃物情况不适应，自 主研发的产品存在放大设计的技术瓶颈，已有的工 程项目大多存在能量转化品位低、二次污染严重以 及一系列 安 全 问 题［2］，急 需 针 对 固 体 废 弃 物 流 化 床的气固流动特性、反应特性和污染物控制等开展 较系统深入的基础研究．
第 42 卷第 3 期 2012 年 5 月
东南大学学报（ 自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2012． 03． 010
Vol． 42 No． 3 M ay 2012
固废流化床异型颗粒与床料共流化特性
邵应娟 胡 颢 金保昇 钟文琪 陈 曦 任 冰 沙春发
气固鼓泡流化床非稳态升温过程的实验研究
气固鼓泡流化床非稳态升温过程的实验研究摘要：气固鼓泡流化床是一种复杂的真空热处理装置，其运行过程特别是非稳态升温过程中物料的传热传质特性有很强的时变性。
本文以气固鼓泡流化床非稳态升温过程为研究对象，实验观察了非稳态升温过程中，物料在床层中的温度分布特性，以及由两种气体分别带动物料运动的情况下，物料的传热效果及动态运动特性。
结果表明，物料在床层中的温度分布特性受到气体带动的影响很大，物料的传热效果随着气体的流速变化而变化，气体的流向也会影响物料的传播路径。
因此，在气固鼓泡流化床非稳态升温过程中，正确的操作参数及调整方法是获得较高的传热效率和传质效率的关键。
关键词：气固鼓泡流化床；非稳态升温；传热；传质1.言气固鼓泡流化床（FBHD）是一种真空热处理装置，它结合了熔融混合和传热传质技术，能够很好地满足工业生产中物料的选择性混合、传热和传质等复杂工艺要求[1]。
这种装置主要是将物料和气体混合在一起，形成有一定密度的悬浮液，从而控制热能的传递和传质[2]。
气固鼓泡流化床的运行过程，特别是非稳态升温过程中，物料的传热传质特性有很强的时变性。
因此，正确的操作参数及热传过程的调整方法，对获得较高的传热效率和传质效率具有重要意义[3]。
本文以气固鼓泡流化床非稳态升温过程为研究对象，通过实验观测了物料在床层中的温度分布特性，以及由两种气体分别带动物料运动的情况下，物料的传热效果以及动态运动特性。
2.料与方法2.1验装置本次实验采用的气固鼓泡流化床实验装置如图1所示，包括两个元件：传热独立仪表部分（A部分）和真空加热部分（B部分）。
传热独立仪表部分（A部分）主要用于实时监控实验过程中物料的变化，包括温度变化、静态粘度变化和流场温度场三种特性参数。
真空加热部分（B部分）主要负责控制空气进入实验系统，以及对升温过程中物料的传热和传质。
图1固鼓泡流化床实验装置2.2验参数本次实验的主要参数如下：真空系统的真空度=4Pa，加热温度=600C；气体一（氧气）的进入压力=200KPa，流速=100L/min；气体二（氮气）的进入压力=150KPa，流速=50L/min。
循环流化床锅炉原理和特性
循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点：
(1)低温的动力控制燃烧
(1)燃料适应性广
这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。
(9)燃料预处理系统简单
循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。
(10)给煤点少
循环流化床锅炉的炉膛截面积小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。既有利于燃烧，也简化了给煤系统。
(2)燃烧效率高
循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，通常在95～99％范围内，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气固混合良好；燃烧速率高，其次是飞灰的再循环燃烧。
(3)高效脱硫
由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫率可达85～90％。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到85～90％ ，钙硫比要达到3～4，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。
循环流化床课程4
循环流化床炉中物料平衡
炉内气固两相流动状态
较低的气流速度下的床内颗粒运动 在较低的气流速度下， 在较低的气流速度下，流化床中的空气 以气泡的形式向上运动， 以气泡的形式向上运动，小气泡在运动 中不断地形成较大的气泡， 中不断地形成较大的气泡，床内颗粒的 混合主要依靠气泡运动所带来的扰动。 混合主要依靠气泡运动所带来的扰动。 当气泡上浮时， 当气泡上浮时，其尾迹附近局部压力降 低，空缺出的空间立即由周围的颗粒所 补充。 补充。上浮的气泡由于气泡尾迹迁移的 作用， 作用，使床层下部的颗粒被携带到床层 上部。在大量气泡上浮时， 上部。在大量气泡上浮时，又导致固体 颗粒的纵向移动，促进了床内的混合。 颗粒的纵向移动，促进了床内的混合。
气固两相流中的颗粒特性
颗粒终端速度—— 颗粒在无限大的静止介质 中，下降加速度为零时的速度
气固两相流中的颗粒特性
颗粒终端速度
流态化
当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层，固体颗粒层 会呈现出类似于流体状态，这种状态称为流态化现象。
流态化
流态化现象
散式流态化——固体颗粒 均匀地分散于床层中
炉内颗粒浓度分布 炉内颗粒浓度分布
沿高度分布规律 循环流化床炉内颗粒 浓度一般呈上稀下浓 的不均匀分布， 的不均匀分布，即在 床层底部为颗粒密相 区，在床层顶部为颗 粒稀相区， 粒稀相区，在浓稀相 间存在一个拐点， 间存在一个拐点，其 位置随运行风速、 位置随运行风速、颗 粒循环流率以及整个 循环回路的存料量而 上下变化。 上下变化。
炉内气固两相流动状态
颗粒的扬析和夹带 夹带——在单一颗粒或多组分系统中， ——在单一颗粒或多组分系统中 夹带——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。 的现象。 扬析——混合物中分离和带走细粉的现象。 ——混合物中分离和带走细粉的现象 扬析——混合物中分离和带走细粉的现象。这一现象不论高于或低 TDH时都存在 时都存在。 于TDH时都存在。
第二章 循环流化床的基本理论
2020年4月2日
第二节 流态化及其典型形态
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
➢ （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
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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
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
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
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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）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；
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流化床的基本原理课件
流化床生物质燃烧可实现生物质的清洁燃烧，同时具有高燃烧效率、低污染排 放和能源利用效率高等优点，是当前生物质能利用领域的研究热点之一。
应用案例三：废弃物处理
原理
流化床废弃物处理是将废弃物破碎后，在流化床内与空气混 合燃烧的技术。
特点
流化床废弃物处理可实现废弃物的减量化、无害化和资源化 处理，同时具有处理量大、燃烧效率高和能源利用效率高等 优点，是当前废弃物处理领域的研究热点之一。
应用领域
流化床广泛应用于能源、 化工、环保等领域。
流化床的组成
床层
由固体颗粒组成，提供反应或 传热表面。
气体分布板
使气体均匀分布，避免形成沟 流。
气体和固体输送系统
用于向床层中加入或排出气体 和固体。
控制系统
监测和控制温度、压力等参数 。
流化床的工作原理
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流态化现象
当气体或液体通过固体颗粒床 层时，颗粒会呈现类似流体状
对流传热
通过流体流动时与固体表面之间的摩擦作用，将 热能从流体的一部分传递到另一部分。
辐射传热
通过电磁波将热能从一个物体传递到另一个物体 。
流化床的传热过程
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热气体通过流化床底部入口进 入，与床内固体颗粒充分混合
。
固体颗粒被加热到接近气体温 度，形成均匀温度分布。
热气体和固体颗粒之间的传热 导致固体颗粒被进一步加热。
05 流化床的应用与 案例分析
工业应用领域
能源领域
流化床在能源领域中有着广泛的应用，如煤燃烧、生物质燃烧等 ，可用于生产电力和热力。
环保领域
流化床技术也可用于废弃物处理，如生活垃圾、工业废弃物等，可 实现废弃物的减量化、无害化和资源化处理。
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鼓泡流化床异质颗粒混合特性微观研究
李化南;黄继凯;董开明
【期刊名称】《山东科学》
【年(卷),期】2022(35)4
【摘要】开发了一种基于电容探针的稠密气固两相流中异质颗粒混合特性测试新方法。
研究了鼓泡流化床内异质颗粒混合过程中微观混合比的变化规律,分析了流化床一系列位置处对流与扩散机制对于混合过程的作用规律及其微观机理。
结果表明:随着流化床床层高度的增加,对流机制对于颗粒混合的作用先增大后减小;壁面处微观混合比随着混合时间出现小幅波动,主要表现出扩散混合行为;不同高度处颗粒达到混合平衡所需时间无明显差异,而壁面处颗粒达到混合平衡所需时间是轴线处颗粒混合时间的2倍左右;混合平衡状态下最终微观混合指数相近。
【总页数】9页(P68-76)
【作者】李化南;黄继凯;董开明
【作者单位】齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院能源研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TK175
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