煤顆粒流化床燃燒的顆粒學研究

1、煤顆粒流化床燃燒的顆粒煤顆粒流化床燃燒的顆粒學研究學研究北京科技大學 機械工程學院劉柏謙為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程1.按照擴散燃燒理論，發(fā)生密度不變的縮核反應時有但在流化床中發(fā)生了不同的表現(xiàn)。 20t/h爐流化床鍋爐測試數(shù)據(jù)123平均值對流段灰4.994.025.804.394除塵器灰7.227.128.567.633飛灰6.375.7010.217.426溢流灰0.811.242.260.478冷渣冷渣1.281.521.400為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程1.按照擴散燃燒理論，發(fā)生密度不變的縮核

2、反應時有但在流化床中發(fā)生了不同的表現(xiàn)。l測量的鼓泡流化床溫度分布()為：距爐墻1m處距爐墻0.5m處平均平均值值沸下(距布風板400mm)950903926.5沸中(距布風板800mm)963866914.5沸上(距布風板1500mm)925876900.5為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程1.按照擴散燃燒理論，發(fā)生密度不變的縮核反應時有但在流化床中發(fā)生了不同的表現(xiàn)。鼓泡床沸中高度(400500mm) 30多次取樣 Cfc =0.11% 5.47 % VM= 0.62%4.21%讓人非常疑惑的是，這些測量所作的樣品工業(yè)分析顯示，樣品揮發(fā)分含量幾乎都高于

3、固定碳含量，這樣的測量結果雖然受到鼓泡流化床鍋爐燃燒方式的困擾，但經(jīng)典理論在描述流化床燃燒時已經(jīng)顯示出弱點。為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程2.從顆粒運動角度看，顆粒運動并沒有完全遵從氣固兩相流理論下圖是測試用燃料篩分曲線為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程2.從顆粒運動角度看，顆粒運動并沒有完全遵從氣固兩相流理論鼓泡床：大顆粒沿著床高下降，中等顆粒和較小顆粒沿床高增加，小顆粒很少大顆粒沿著床高下降，中等顆粒和較小顆粒沿床高增加，小顆粒很少 為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃

4、燒過程2.從顆粒運動角度看，顆粒運動并沒有完全遵從氣固兩相流理論鼓泡床為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程2.從顆粒運動角度看，顆粒運動并沒有完全遵從氣固兩相流理論循環(huán)床：距布風板15m高取樣結果05001000020406080100Distance from boiler wall (mm)Weight percent (%)50% capacitydp=0.1mmdp=0.2mmdp=0.35mmdp=0.75mmdp=1.5mm05001000020406080100Distance from boiler wall (mm)Weight per

5、cent (%)70% capacitydp=0.1mmdp=0.2mmdp=0.35mmdp=0.75mmdp=1.5mmdp=2.5mm05001000020406080100100% capacityDistance from boiler wall (mm)Weight percent (%)dp=0.1mmdp=0.2mmdp=0.35mmdp=0.75mmdp=1.5mmdp=2.5mm為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程2.從顆粒運動角度看，顆粒運動并沒有完全遵從氣固兩相流理論循環(huán)床：距布風板7m(左)和15m(右)高取樣結果結果比較(10

6、0%負荷)05001000020406080100Distance from boiler wall (mm)Weight percent (%)100% capacitydp=0.1mmdp=0.2mmdp=0.35mmdp=0.75mmdp=1.5mmdp=2.5mm05001000020406080100100% capacityDistance from boiler wall (mm)Weight percent (%)dp=0.1mmdp=0.2mmdp=0.35mmdp=0.75mmdp=1.5mmdp=2.5mm為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化

7、床燃燒過程3. 流化床鍋爐設計理論中發(fā)現(xiàn)了顆粒尺度對鍋爐設計的明顯影響l流化床鍋爐設計時顆粒平均粒徑計算式為 (1)形狀因子不同則p不同, 由此影響到阿基米德數(shù)r和臨界流化風速mf，進而影響到流化床內傳熱系數(shù)，最終影響到鍋爐性能。piipdxd為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程3. 流化床鍋爐設計理論中發(fā)現(xiàn)了顆粒尺度對鍋爐設計的明顯影響l如果有一增量因子,使發(fā)生變化 (2)l阿基米德數(shù)相應發(fā)生變化 (3)l如采用下式計算臨界流化速度 (4)rrAA3pgrmfdAu528. 00882. 0為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究

8、流化床燃燒過程3. 流化床鍋爐設計理論中發(fā)現(xiàn)了顆粒尺度對鍋爐設計的明顯影響00.511.520406080100120140Value of Relative percentage of Umf(%)為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程3. 流化床鍋爐設計理論中發(fā)現(xiàn)了顆粒尺度對鍋爐設計的明顯影響l在傳熱計算中,流化床傳熱量為 （5）l其中傳熱系數(shù) （6）l受顆粒特性影響的參數(shù)是乳化團放熱系數(shù) （7）tKHQrrhK2145. 01RRfprh為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程為什么要從顆粒學角度研究流化床燃燒過程3. 流化床鍋爐設計理論中發(fā)現(xiàn)了顆粒尺

9、度對鍋爐設計的明顯影響式中接觸熱阻: （8）乳化團熱阻: (9)l以一臺6t/h流化床鍋爐為例，考慮到的影響，對h、1、2式就作量級分析，可以得到對h的影響。熱力計算書給出=0.2731=0.000432/2=0.001092/l當=1.2,接觸熱阻和乳化團熱阻大約分別上升20%和5%,乳化團和埋管的接觸時間只延長0.6%,造成乳化團傳熱系數(shù)下降,則總傳熱系數(shù)必然相應降低,設計傳熱面積相應增大。這也許是鼓泡流化床鍋爐床內埋管割除的重要原因之一。rhpdR75. 3/15 . 023600/rhrhrhrhCR用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？通常采用一些定性的術語來表明顆

10、粒形狀的性質。如： 針 狀 針形體 多 角 狀 具有清晰邊緣或有粗糙的多面形體 結 晶 狀 在流動介質中自由發(fā)展的幾何形狀 枝 狀 樹枝狀結晶 纖 維 狀 規(guī)則的或不規(guī)則的線狀體 片 狀 板狀體 粒 狀 具有大致相同量綱的不規(guī)則形體 不規(guī)則狀 無任何對稱性的形狀 模 狀 具有完整的、不規(guī)則形體 球 狀 圓球形體用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l1 形狀系數(shù) 形狀系數(shù)是根據(jù)顆粒的兩個基本幾何特征（面積和體積）導出的。首先考慮一個顆粒，設d為顆粒直徑，V為顆粒體積，S為顆粒表面積。則按定義，其表面積形狀系數(shù)、體積形狀系數(shù)、比表面

11、積形狀系數(shù)分別為： （1-1） （1-2） （1-3）l因為單位體積顆粒的比表面積， 故有 （1-4） 2/dSS3/dVVVSSV/dddVSSVSSVSV/2dSVSV用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l 如以比表面積當量徑ds和等體積球當量徑dv代替d，則 （1-5） （1-6）式中 -Carman形狀系數(shù)或表面系數(shù)。l當研究對象為顆粒群，求其形狀系數(shù)時，其表面積、體積和粒徑均采用平均值，即 （1-7） （1-8）l形狀系數(shù)實際上是表示顆粒形狀與球形顆粒不相一致的程度。VCSVddS/6/6VVVCSdVdS/6/6C

12、2/ dSS 3/ dVV用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l2 形狀指數(shù)（1）Zingg指數(shù)Fz：顆粒長短度（長徑/短徑即l/b）和扁平度（短徑/厚徑即b/t）之比，即 （1-9） 當l=b=t時，即立方體的上述指數(shù)全部等于1。這指數(shù)在地質學中早已得到了應用。（2）體積充滿度：顆粒的外接立方體體積與顆粒體積之比，即 （1-10） 的倒數(shù)可看作為顆粒接近于立方體的程度。在表示研磨料顆粒抗碎上采用。vf2/bltFz扁平度長短度Vlbtfv/用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何

13、形狀的定量描述l2 形狀指數(shù)l（3） 面積充滿度 又稱為外形放大系數(shù)，顆粒面積和最小外接矩形面積之比，即 （1-11） 式中 l、b-矩形的長邊和短邊。 這一指數(shù)在粉末冶金方面得到應用。l （4）Schulz指數(shù)K （1-12） 其中 這一指數(shù)在建材工業(yè)中用來評價道路碎石的形狀，K值越小越好。l （5） 球形度 分為真求形度和實用球形度。 真球形為與顆粒等體積的球體表面積和顆粒表面積之比，。即 （1-13） 這一指數(shù)適用于表面積和體積可計算的顆粒，在選礦工程中常用。值愈小，表示顆粒形狀愈不規(guī)則。 實際球形度常用于形狀不規(guī)則的、表面積測量有困難的顆粒。 （1-14） 式中最小外接圓的直徑可用圓形

14、篩目決定。/ blSfs1002blZKsVZs/100粒球SS/的直徑顆粒投影圖最小外接圓的圓的直徑面積等于顆粒投影面積w用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l（6） 圓形度X 該值又稱為輪廓比。 （1-15） 圓形度的倒數(shù)又稱為周長比，用于沉淀物的水力輸送。l （7） 圓角度M 表示顆粒棱角磨損程度之值 （1-16）式中 r1、r2、r3-為顆粒輪廓相應各個角的曲率半徑，非圓角者為零； R-最大內接圓半徑； N-測定角的總數(shù)。 就總體而言，隨圓角度的增大，r接近于R。圓的圓角度近似于1。圓角度可用于表示被磨碎顆粒的磨碎度。l

15、 （8） 表面指數(shù)z 根據(jù)顆粒的投影圖測定出投影面積S和顆粒的周長C，則 （1-17） 圓形的表面指數(shù)為1。用于顆粒的水力輸送 顆粒投影輪廓的長度面積的圓的周長與顆粒投影面積有相同XRNrrrM 321SCz6 .12/2用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l3 形狀因素 Hausner建議用最小面積的封閉矩形與顆粒實際形狀比較的方法來評價顆粒的形狀。設矩形的長度為a、寬度為b，則可計算出三種形狀特性，即形狀因素：l 伸長比 （1-18）l 龐大率 （1-19）l表面率即表面指數(shù) （1-20）l一般長行顆粒的伸長比x大于1.5；

16、大多數(shù)顆粒的龐大率y在0.70.8之間，若時，則表明顆粒有教深的凹形溝或為多豁口狀。bax/abSy/SCz6 .12/2用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l4 粗糙度系數(shù)l形狀系數(shù)、形狀指數(shù)和形狀因素都是宏觀量。微觀地觀察，顆粒表面往往是高低不平的，并且有很多微小裂紋或孔洞。粗糙度系數(shù)表示顆粒實際表面積與外觀看成光滑顆粒的表面積之比，即： （1-21） 顆粒表面實際的粗糙程度直接關系到顆粒間的摩擦、粘附、吸水性以及空隙率等物理化學現(xiàn)象，因此，是一個不容忽視的參數(shù)。觀表面積外觀看成光滑顆粒的宏顆粒微觀的實際表面積粗糙度系數(shù) 用

17、顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l5 顆粒形狀的其他描述 Tsubaki和Jimbo認為前述若干形狀因子在電子技術和計算機出現(xiàn)以前，實際應用價值較小。他們基于顆粒投影面積直徑da、周長直徑dc、Feret直徑dF和展開直徑dR的比值規(guī)定了6個形狀指數(shù)： 、 、 、 、 、 ，例如： ，余類推。他們根據(jù)一些公式計算規(guī)定了統(tǒng)計直徑和變易系數(shù)。他們根據(jù)一些公式計算規(guī)定了統(tǒng)計直徑和變異系數(shù)。在深入討論中，還引入了動態(tài)形狀指數(shù)，其定義為某給定顆粒的運動阻力與等體積球體顆粒阻力之比率。該動態(tài)形狀指數(shù)在重力選礦中是經(jīng)常使用的。acaFaRc

18、FcRFRcaacdd /用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述 1.均齊度： 長短度=長徑/短徑= l/b 扁平度=短徑/高度=b/h (2-1) 式中b、l、h按Heywood規(guī)定2體積充滿度fv 又稱容積系數(shù)，表示顆粒外接直方體體積與顆粒體積Vp之比： (2-2) 3面積充滿度f b 又稱外形放大系數(shù)，表示顆粒投影面積A與最小外接矩形面積之比： (2-3)pvVlbhflbAfb/用顆粒學如何研究燃煤流化床？用顆粒學如何研究燃煤流化床？ 顆粒幾何形狀的定量描述顆粒幾何形狀的定量描述l4.球形度表示顆粒接近球體的程度：lWadell球形度 =與顆粒體積相等的球體表面積/顆粒的表面積 (2-4)