流态化的典型形态

二、流态化的典型形态

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，整体床层将随气流速度的不断增大而呈现完全不同的状态：床层将依次历经固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床，最终达到气力输送状态。床层内颗粒间的气体流动状态也由层流开始，逐步过渡到湍流。一般来讲，从起始流化到气力输送，粗颗粒床的气流速度将增大10 倍，细颗粒床的气流速度将增大90 倍。
下面分别介绍上述流态化典型形态存在的条件及特征。
l ，固定床
当气体通过布风板上的小孔进入由固体颗粒组成的床层并穿过颗粒间隙向上流动时，如果床层静止于布风板上，这种床层称为固定床。固定床的明显特征是固体颗粒之间无相对运动。当气体流经固体颗粒时，它对颗粒有曳力，使得气体通过床层时有压力损失，通过固定床的气体流速越高，压力损失就越大。
在循环流化床返料机构的立管中，固体颗粒相对于壁面移动，颗粒之间无相对运动，这类固定床有时也称为移动床。
2 ，鼓泡流化床

通过固定床的气体流速增加，气体压降会连续地上升，直至悬浮气速达到临界流化速度为止。此时，固定床转化为初始流态化状态。在这种状态下，颗粒似乎是“无重量”，多余的气体将以气泡（气泡实际上是一个含有很少颗粒或没有颗粒的气体空腔）的形式上行。由于床料内产生大量气泡，气泡不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，这时气固两相有比较强烈的混合，与水被加热沸腾时的情况相似，这种流化状态称为鼓泡流化床，也称沸腾床，可以认为，此时气体通过床层的压力降近似等于床层的重量。3 ．湍流流化床
当通过鼓泡流化床的气体流速增加到最小鼓泡速度以上时，气泡作用加剧．气泡的合并和分裂更为频繁．床层压力波动的幅度增大，床层会膨胀。继续不断地增加气速会最终使帐力波动幅度大大减小，但波动频率非常高，床层膨胀形式产生变化，此时，气泡相由于快速的合并和破裂而失去了确定形状，甚至看不到气泡，气固混合更加剧烈，大量颗粒被抛入床层上方的自由空域。床层与自由空域仍有一个界面，虽然远不如鼓泡床的清晰，但是床内仍存在一个密相区和稀相区。下部密相区的床料浓度比上部稀相区的浓度大得多，床层呈现湍流流态化形态。
湍流流化床最显著的直观特征是“舌状”气流。其中相当分散的颗粒沿着床体呈“之”字形向上抛射，床面很有规律地周期性上下波动，造成虚假的气栓流动现象。湍流流化床中的床层空隙率一般在。0.65-0.75 的范围内。
湍流流化床的运行风速高于细颗粒的终端速度，而低于粗颗粒的终端速度，运行时气固接触良好。循环流化床锅炉下部密相区大多运行在湍流流态化状态。
4 ，快速流化床
在湍流床状态下继续增大流化风速，颗粒夹带量将随之急剧增加。此时，如果没有颗粒循环或较低位置的床料连续补给，床层颗粒将很快被吹空；当床料补给速率大于床内颗粒的飞出速率时，床层呈现快速流态化形态。

快速流态化的主要特征是：床内气泡消失，无明显密相界面；床内颗粒浓度一般呈现上稀下浓的不均匀分布，但沿整个床截面颗粒浓度分布均匀；存在颖粒成团与颗粒返混现象；在床层底部压力梯度比较高，在床的顶部比较低。
另外，在快速流化床中，固体颗粒的粒度较细，平均粒径通常在100 产In 以下，在前述的颗粒分类中属于A 类颗粒，而运行操作的气流速度高，一般高于颗粒终端速度的15 倍，床层空隙率通常在0.75-0.95之间。
5 ，气力输送
 如果在快速流态化状态下将流化风速继续增大到一定值或减少床料补给量，床料颗粒会被夹带离开，床内颗粒浓度变稀，床层将过渡到气力输送状态，即所谓的悬浮稀相流状态。此时的流化风速称为气力输送速度。对于大颗粒来说，气力输送速度一般等于颗粒终端速度；对于细颗粒群，气力输送速度远高于颗粒终端速度．
研究表明，在上行的悬浮稀相流中，颗粒明显地均匀向上运动并且不存在颗粒的下降流动，除在加速区外，床层的压力梯度分布是均匀的。从快速流态化过渡到悬浮稀相流同时伴随着空隙率的增加。通常认为从快速流态化过渡到悬浮稀相流的临界空隙率为。．93 一。．98 。如将悬浮稀相流再分成密相气力输送和稀相气力输送，则快速流态化首先向前者过渡。此时，床内颗粒浓度上下均一，单位高度床层压降沿床层高度不变。稀相气力输送的风速高于密相气力输送的风速，其特征是增大风速，床层压降上升。
由上述分析可知，鼓泡流态化可以维持在鼓泡流化床中，也可以维持在循环流化床中，但湍流流态化和快速流态化只能维持在循环流化床中。换言之，鼓泡床可以是循环流化床，也可以不是。但是，湍流床和快速床必须是循环流化床。
值得指出的是，在实际的流态化过程中，常会出现一些不正常的流化状态，主要有以下几种。
( l ）沟流。在料层中气流分布或固体颗粒大小分布及空隙率等不均匀而造成床层阻力不均匀的情况下，由于阻力小处气流速度较大，而阻力大处气流速度较小，有时大量的空气从阻力小的地方穿过料层，而其他部位仍处于固定床状态，这种现象称为沟流。例如，在流化床锅炉冷态试验和点火过程中，当一次风速朱达到临界流化速度时，床内易发生沟流。沟流不仅会降低固体颗粒的流化质量，使料层容易产生结焦，而且影响炉内传热和燃烧的稳定性。
( 2 ）腾涌（节涌）．在由鼓泡流态化过渡到湍流流态化之前，流化空气主要是以气泡形式在料层中向上运动的。因此，料层中含有气泡是正常现象．但是气泡过大或集中上涌，就属不正常流化。如果料层中的气泡聚集汇合并充满床体截面的大部分时，床内就会出现“稠密床料层”和携有床料的“稀疏空气层”相间地一起向上运动的情况，当达到某一高度后崩裂，固体颗粒喷涌而下，这种现象称为腾涌（也称为节涌），腾涌发生在鼓泡流态化与湍流流态化之间。炉内发生腾涌时，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。