第2讲 气固两相流基础理论
锅炉气固两相流基础理论
2. 颗粒球形度 表征颗粒接近球形的程度。球形度数值越小，颗 粒偏离球形越远。用实测方法获得。 •
3.宽筛分颗粒的平均粒径
• 筛分重量平均直径：dav=∑xidi • Xi—不同直径颗粒份额 • Di—颗粒各种不同粒径，用不同孔径的筛子表示 • 对孔径小于25.4mm的孔，用25.4mm长度上的 孔数表示，简称“目” • 表3-3 为我国常用的泰勒标准筛的目数（25.4mm 长度上孔数）和对应孔径（相邻网线间的孔径）
3.颗粒的扬析和夹带
• 夹带：指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。 • 扬析：从混合物中分离和带走细粉的现象。
二、 炉内颗粒浓度分布
• • • • • • • • •
1. 颗粒浓度沿床高（轴向） 分布规律 从颗粒浓度沿床高的分 布特征看，处于不同流型 状态的流化床内的颗粒浓 度沿床高分布规律差别很大。 从总体上讲，循环流化床炉 内颗粒浓度一般呈上稀下浓 的不均匀分布，如图2-21所示。
•
通常，对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较 大，筛分较宽；对于挥发分较低的无烟煤、煤矸 石，一般要求粒径较小，相对筛分较窄。 • 国内目前运行的循环流化床锅炉，其燃料粒径 要求一般在0.1～10mm、0.1～l5mm，特殊的要求 0.1～20mm，这些燃料粒径要求范围较大，均属 宽筛分。
• 6．燃料颗粒特性—称燃煤的粒比度 • 是选择制煤设备和锅炉运行的参数 • 细颗粒多,一般炉温整体高,燃烧后燃 • 粗颗粒多,影响排渣,炉膛易结焦 • 7．流化速度--空塔速度,不是一个常量,指床料或物 料流化时动力流体的速度 • 运行中控制和调整风量,就控制盒调整了流化速 度,即控制炉内物料的流化状态 • 一次风:通过布风板和风帽使床料(或物料)流化起 • 来的空气
气固两相流体力学
10.2.2 浮力 由于固体颗粒处在气体中，也始终受着浮力的作用，根据阿基 米德定理： F B gvp g
由于浮力与气相密度成正比，而重力与固相密度成正比，因此 在研究气固流通常可以忽略浮力的作用。但在研究液固流时，浮 力通常不能忽略。 10.2.3 气动力
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气固颗粒两相流体力学
4. 柱状流 栓状的固相颗粒聚集，形成料柱。 10.3.2 水平管道内的流型 1. 均匀流 固相在管道横截面内分布均匀，流动通畅。 2. 疏密流 重力作用显现，颗粒分布呈疏密不一分布，底部颗粒跳跃前进。 3. 沙丘流 颗粒在重力作用下开始沉降，在管道下部形成波纹状沙丘。 4. 栓状流 颗粒开始出现运动噎塞，形成料栓，运动变为不稳定状态。
k
1
气固颗粒两相流体力学
3. 平均粒径 颗粒群中不同颗粒粒径的平均值称为平均粒径，利用不同方法 可以得到不同含义的颗粒粒径。 D f (D )dD D 长度平均粒径 f (D )dD D f (D )dD ) D ( 表面积平均粒径 f (D )dD D f (D )dD ) 体积平均粒径 D ( f (D )dD D f (D )dD 面积-长度平均粒径 D D f (D )dD D f (D )dD 体积-面积平均粒径 D D f (D )dD 在研究颗粒传质、燃烧等特性时体积-面积平均粒径具有特殊 含义，因为该平均粒径表示的颗粒群具有与原系统类似的质量和 表面积特性，能反应原系统的基本特性。该粒径又被称为颗粒索 尔特（Sauter）直径，也常用D32表示。
10.1 气固颗粒两相流的基本概念和特征参数
10.1.1 固体颗粒的粒径和粒径分布 1. 颗粒粒径 颗粒粒径为球形颗粒的直径或非球形颗粒的某种含义下的当量 直径，是判断颗粒粗细程度的指标。 颗粒当量直径是指非球形颗粒的某种特性与某个球形颗粒相同 时球形颗粒的直径。如颗粒沉降直径。 2. 粒径分布 不同颗粒出现的频率。通过实验研究，给出了颗粒粒径分布的 函数。它们只是一种近似，如R-R分布。 ( DD ) VD ( ) 1 e
气固两相流体力学
颗粒在气相中做变速运动，由于变速运动增加的阻力，其表达 式为：
F B a3 2d p 2(
1t
1d
g g)2t0(t t')2d t(v g vp)d t'
对其气固两相流，Basset力为颗粒沉降阻力（斯托克斯阻力） 的十分之一，通常忽略其影响；但对于液固流，该力必须考虑。
10.2.7 Saffman升力
颗粒开始出现运动噎塞，形成料栓，运动变为不稳定状态。
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气固颗粒两相流体力学
4. 柱状流 栓状的固相颗粒聚集，形成料柱。
10.3.2 水平管道内的流型 1. 均匀流
固相在管道横截面内分布均匀，流动通畅。 2. 疏密流
重力作用显现，颗粒分布呈疏密不一分布，底部颗粒跳跃前进。 3. 沙丘流
颗粒在重力作用下开始沉降，在管道下部形成波纹状沙丘。 4. 栓状流
单位管长中颗粒质量与输送气体的质量之比称为真实混合比。
'q qm m g p//v vg p g p '' 1 g p1 v vg p
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气固颗粒两相流体力学
10.2 作用在固体颗粒上的力 气固两相流问题的解决依赖于颗粒相与气相之间的动量交换，
为了很好地计算动量交换，必须对它们之间相互作用力给出描述。 10.2.1 重力
固体颗粒在有速度梯度的流场中运动时，颗粒两侧流速不同导致
一个由低速区指向高速区的作用力。对于低雷诺数流动区域
（Re<1）：
F s 1 .6 1 d p 2 (gg ) 1 /2 ( v g v p )|d v g /d y |1 /2
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气固颗粒两相流体力学
10.2.8 Magnus效应 固体颗粒在气相中存在旋转时，会产生一个与流动方向垂直的、
流化床气固两项流基础理论34页PPT
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
40、人类法律，事物有规律，这 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
气液两相流 第2章-两相流的基本理论
2.1管内气液两相流的基本参数
9、滑动比s:(slip ratio) 气相真实平均速度和液相真实平均速度之比。 s=VG/VL(反映两相间流速的不同)
10、滑移速度Vs：（slip velocity） m/s 两相间速度之差。（与两相间的动量交换密切相关） Vs=VG-VL=VGL=－VLG
11、两相流体的平均密度:kg/m3 有两种表示方法：真实密度 VS 流动密度
2、半理论半经验方法（semi-Empirical） ①根据所研究具体过程的特点适当简化； ②再从基本方程中求得简化了的该两相流过程的函数形式； ③用实验方法定出方程中的经验系数。
2.2 气液两相流的处理方法
3、流体力学分析法（Fluid－dynamic Analysis）
①首先分析流型或流动的具体特征; ②根据具体流型或流动的具体特征建立相应的描述方程 ③求解。
(1 )(VL
Vm )
(1 )VLd
注意：流率（flux）和流量（flow rate）意义上的不同。
2.2 气液两相流的处理方法
两相流研究处理中的问题
两相流是流体力学的一个分支，流体力学的基本方程仍然 适用于两相流，但是应当做如下考虑：
①应对各相列出各自的守恒方程（质量守恒、动量守恒、能量守恒）；
该方法能较深入地探究两相流的本质，更具有普遍意义，应当说更准确和 有前途。
另一流体力学分析法是：现在已有人直接从两相或多相流体的基本微分 方程出发进行求解，不过在寻求方程封闭时，仍可能要根据具体问题（ 或流型的特点）来找出特定封闭方程
2.3 气液两相流的基本模型
(主要用于泡状流、雾状流)
这是一种最简单的分析方法，又称为“摩擦因子”模型或 “雾状流”模型。 基本思想：将两相混合物看作是混合均匀的、具有平均流动 特性和平均物性的单一流体来处理。 基本假定：⑴两相具有相等的线速度；⑵两相间处于热力学 平衡；
第2章 气固两相流理论汇总
1 流态化理论1.1流态化现象流化床燃烧方式的气体动力学基础是固体燃料的流态化。
所谓固体燃料的流态化,是指固体颗粒在与流动着的流体混合后,能像流体那样自由流动的现象。
除重力作用外，一般是依靠气体或液体的流动来带动固体粒子运动的。
ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.1 流态化现象•流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。
❿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。
❿与高粘度液体性质相似。
1.1流态化现象ParticlesflowGas flow1 流态化理论1.2流态化的描述及其性质⏹散式流化和聚式流化➢散式流化d b /dp＜1d b ——气泡直径dp——颗粒直径对于L-S系统，流体与粒子的密度相差不大，故umf 一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作散式流化态。
颗粒越细，流体与固体的△ρ值越小，则越接近理想流化，流化质量也就越好。
1.2流态化的描述及其性质➢聚式流化d b /dp＞10对于G-S系统，一般在气速超过Umf后，将会出现气泡，气速越高，气泡造成的扰动也越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称聚式流化床。
处于流化状态的颗粒系统称为流化床当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床层时，整体床层将依气体流速的不断增大而呈现完全不同的状态。
1.2流态化的描述及其性质1.2流态化的描述及其性质总结：固定床：固体粒子处于堆紧状态，颗粒静止不动的床层，叫做固定床。
床层的压降随流体流速的增加而增加。
移动床：流体和固体颗粒同时进入反应器，他们互相接触，一面进行反应，一面颗粒移动。
流化床：床层颗粒之间脱离接触，颗粒悬浮在流体中，往各个方向运动的床层叫做流化床。
床层高度和空隙率随流速增大而增大，但床层压降基本不随流速而变。
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒分布均匀，颗粒间充满流体，无颗粒与流体的聚集状态，此时已具有一些流体性能。
气力输送之气固两相流
1.4 输送气体速度
气力输送系统的风机、压缩机或负压风机除气源压力外引入容积流量参数，尽管输
送空气速度尤其是输送线入口速度或拾取速度决定气力输送设计参数。在单一管径下不 管是正压或负压输送系统,管线始端的物料给料点总是风速最小。
2.2.2 案例分析
输送管线压力损失对粒子浓度影响超过了输送空气流量，用普通的硅酸盐水泥、含 沙的矾土和聚乙烯颗粒三种完全不同的物对应的输送方式。
用同一轴上显示三种物料输送资料以便于直观比较它们的输送能力，这三种物料分 别经图4.2所示管线进行输送研究。气速200ft/min(10m/s)表压100lb/in2(689.5KPa)，发送 罐以上出料形式将物料送至管道，用来输送物料最大压力值是表压40lb/in2(275.8KPa)。
试验范围应包括物料输送模式，以往的可用经验很少时，按比例增加气源压力、 管径、输送距离、用已有的资料预测管道参数。假如不能按比例增加输送模型，推断出 长距离、高固体填充率和最低输送气速范围是多少，不要冒然用于实际，除非证明物料 就是像这样产能输送的。
2.1 输送模式
高压常见于稀相输送，假如物料适合稀相输送模式。物料特性影响输送形式，同一 输送条件下物料流量也存在差异，成功设计以前未曾尝试过的物料输送，试验是至关重 要的。所以输送试验中必须有附加的高压空气，建立输送界限和一个非常宽输送范围条 件。
稀相悬浮流阻力是输送管线压力损失主要贡献者，不管从给料点或直管段或弯头加 速粒子，不同的物料表现不同,这差异在本章中将成为重点，作为主要参数将贯穿本手册。
气固两相流在燃烧器中的应用
气固两相流在燃烧器中的应用1、气固两相流的基本理论不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。
因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。
2、气固两相流的基本特点单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。
一般来说，有以下主要的特点:(1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。
(2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。
(3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。
(4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。
在不等温的热流中还存在着热泳现象。
(5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。
(6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。
(7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。
小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。
3、气固两相流的分类工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。
这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。
浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。
一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。
对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。
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图 2-26 流化床中料层随气流 速度变化的情况
图 2-27 床层高度、阻力随气 流变化速度变化的情况示意图
• 床内压力波动 • 循环流化床的压力分布
输送床 湍流床 快速床 鼓泡床
高度
此处，压力指的是气体压力。 床料在尚未流化时，任何一点， 床料受到大气的压力平衡，而 重力则通过颗粒之间的传递最 终压在布风板上，所以此时不 同高度的压力差为零；当床料 流化之后，不同高度的床料受 到的大气压力不再相同，故不 同高度之间的压差不再为零， 而且在相对高度之上的床料越 多，床料受到的阻力越大，即 与之相平衡的大气压力越大。
图 2-18
气泡上浮对床料的扰动
当床料上升到一定高度之后，气泡破裂而使床 料散开，有利于强化床料之间的混合。
• 二、 炉内颗粒浓度分布
–1. 颗粒浓度沿床高（轴向）分布规 律
不同流态化型式沿高度的 颗粒浓度分布
–2. 颗粒浓度沿床截面（径向）分布规律
三、床层高度、阻力与气流速度变化的关系 床层高度、 床层高度
第2讲 气固两相流基础理论
• 主要内容 • 基本概念 • 流态化基本原理 • 循环流化床炉内流体动力特性
基本概念
• 1．床料
• 燃煤、灰渣、石灰石、砂子或铁矿石
• 2．物料
• 循环系统内燃烧或载热固体颗粒
• 3．堆积密度与颗粒密度
• 无约束，真实密度
• 4. 空隙率
• 堆积与流化并不相同。确定流化状态
• 5．燃料筛分
• 宽筛分窄筛分
基本概念
• 6．燃料颗粒特性
• 燃煤的粒比度
• 7．流化速度
• 空塔速度，控制流化状态
• 8．临界流化风速与临界流化风量
• 开始流化时的一次风速度与风量
• 9．物料循环倍率
• 物料返送量与燃料给进量之比
流态化基本原理
• 流态化的概念
流化床的形成过程
不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态
鼓泡床实验演示
循环床实验
循环流化床炉内流体动力特性
• 一、炉内气固两相流动状态 • 1. 炉内不同区域流型分布
位置 燃烧室（二次风口以下） 燃烧室（二次风口以上） 旋风分离器 返料料腿（立管） 返料机构/外置式换热器 尾部烟道 流动状态 湍流或鼓泡流化床 快速流化床 旋涡流动 移动床 鼓泡流化床 气力输送
移动床，充气移动床，床内有气泡，但物料不呈流化状态。
图 2-17 分布
床内颗粒浓度
• 2. 床内气泡与颗粒运动
图 2-19 颗粒带(颗粒图) 形成示意图
图 2-20 面壁流
流化过程中，由于颗粒阻力作用， 颗粒上部气体流速会发生变化，这 种变化导致颗粒会积聚在一起，形 成颗粒团。
由于颗粒的阻力，气体流速会发生 改变，产生面壁流。
五 冷态临界流化风量测定
• 临界流化风量概念
• 临界流化风量的测定
• 冷态临界流化风量对热态运行的指导意义
–临界流化风速受温度影响， 随温度的升高而增 临界流化风速受温度影响， 临界流化风速受温度影响 大; –热态临界流化风量随温度升高而降低 ，运行温 热态临界流化风量随温度升高而降低 热态临界流化风量随温度升高而降低， 900℃ 时约为冷态时的50 50% 度 （ 900℃ ） 时约为冷态时的 50% ， 热态运行时 需冷态临界流化风量的一半即可达到临界流化 状态； 状态； – 实际运行时流化风速应不低于（1.5~2）umf， 实际运行时流化风速应不低于（ 2 即实际运行时良好流化所需的风量与冷态临界 即实际运行时良好流化所需的风量 与冷态临界 流化风量相当。
ΔP / L
图2-29 不同流型下床内压力沿床 层 高度的变化曲线
四 布风均匀性检查
在不同料层高度下，当床料接近流化时， 在不同料层高度下，当床料接近流化时，注意观察床面 哪些地方先鼓泡，有无流化死角况； 待风量达到使物料充分流化后，迅速将风量减少到零观 待风量达到使物料充分流化后， 察料层表面的情况，确定布风板布风的均匀性。 察料层表面的情况，确定布风板布风的均匀性。