循环流化床的流体动力特性

颗粒浓度分布

各种流态化形态下的颗粒浓度分布

循环流化床上部和下部区域的颗粒浓度差别较大：上部区域为稀相区，下部为密相区。当运行工况发生变化时，这个结构不会发生变化，只是稀相、密相的比例及其在空间的分布会相应改变。在鼓泡床阶段，密相区浓度很大，成为连续相，气体往往以气泡的形式存在，成为分散相。如前所述，在快速床阶段，沿床高方向床内颗粒浓度一般呈上稀下浓的不均匀分布，而沿整个床截面颗粒浓度分布均匀，但密相区颗粒浓度降低，稀相区浓度增大。当固体颗粒循环量增加时，稀相区浓度也增加。此时，气体变成连续相，而固体颗粒则成为分散的絮状物。床层进人气力输送状态后，床层上下颗粒浓度趋于一致。

循环流化床气固两相流局部流动是不均匀的。从床内颗粒的速度分布来看，循环流化床可以分为底部的加速区和上部的充分发展区两部分。沿床高方向，尤其在床层底部，颗粒处于加速过程，颗粒垂直方向的平均速度由接近于零（布风板处）加速达到某一稳定的速度，即上部充分发展区的平均颗粒速度。对于任一床层截面，运行风速升高或颗粒循环流率减小，颗粒截面平均速度均增大。

在循环流化床横向截面上，小颗粒会随气流上升，其中会有部分颗粒由于碰撞而下落，但总的趋势是向上的。大颗粒则表现出不同的特点，中心处主要为上升过程，上升到一定高度之后在边壁附近趋于下落。在床层各截面上，颗粒平均速度沿轴向向上增大，如果床层足够高，颗粒速度趋于恒定。当物料循环倍率一定时，平均颗粒速度随流化风速的增大而增大；而当风速一定时，物料循环倍率对颗粒平均速度的影响较小。

2 ．颗粒浓度的轴向分布

如图2-9所示，循环流化床内颗粒浓度的轴向分布通常呈上稀下浓的不均匀形式。根据理论和实验研究，可以认为颗粒浓度的轴向分布一般分为单调指数函数分布、S 型分布和反C 型分布二种基本类型．颗粒浓度分布也可以利用床层空隙率分布来衡量。

反C 型分布。一般来说，上述的两种分布形式在循环流化床出口比较通畅时才能形成，即当出口约束较小时，床层上部空隙率的轴向分布基本不受出口结构的影响，颗粒浓度呈上稀下浓结构．由于在循环流化床锅炉中，为提高床内固体颗粒的浓度水平，多采用气垫直角弯头出口，这种出口结构将对气固两相流产生较强的约束效应．气体通过气垫弯头由垂直运动急转成水平运动，而颗粒在惯性作用下冲向气垫封头，运动受阻后折流向下，一部分颗粒被气流带出（其流量约等于循环物料量），另一部分颗粒沿床壁面向下运动，与向上运动的颗粒产生较强的动量交换并逐渐与气固两相流动相融合，使颗粒浓度轴向分布逆转，呈现上浓下稀趋势。在远离出口的下方，折流颗粒群的影响消失，颗粒密度沿轴向呈上稀下浓分布，此时全床整体沿轴向则出现中间空隙大、两端空隙小的反C 型分布颗粒浓度轴向分布的影响因素

（1）运行风速。运行风速升高，床内空隙率增大，床内空隙率趋于均匀，顶部与底部的空隙率差别变小，直至全部的空隙率都接近出口值，从而进人稀相气力输送状态。

( 2 ）循环物料量。与风速的影响正好相反，循环物料量增大时，床层各截面上平均空隙率都逐渐减小，而顶部与底部的空隙率差距加大，沿床层轴向空隙率的梯度也加大。( 3 ）颗粒物性。采用较大直径的颗粒时，循环流化床截面平均空隙率沿轴向变化较大．与细颗粒床相比，粗颗粒床的床层底部具有较大的颗粒浓度，而在床层顶部颗粒浓度更小些，与颗粒直径的影响相似，当颗粒密度不同时，密度大的颗粒在循环流化床的空隙率分布情况类似于粗颗粒的情况，即床层底部的空隙率相对较小，顶部的空隙率相对较大．( 4 ）床截面尺寸。床截面尺寸主要影响截面平均空隙率的分布。尺寸较小时，边壁效应相对较大，边壁颗粒密集区在截面上所占的比例增大。此时，不仅床层密度增大，而且颗粒浓度沿轴向分布的不均匀性也增大；反之，尺寸较大时，床层密度减小，颗粒浓度的轴向分布趋于均匀。

( 5 ）床体结构。对于由大颗粒组成的流化床特别是循环流化床，颗粒浓度沿轴向不易出现S 型分布，一般呈单调指数下降。正如前述，由于循环流化床出口处气垫直角弯头结构的影响，颗粒浓度轴向分布变为反C 型。在循环流化床锅炉中，由于在床内一定高度上还可能存在截面收缩、二次风的加人等，而且床内物料一般由宽筛分及密度不同的颗粒组成，从而使床内空隙率分布变得更为复杂。一般可以认为，在床层下部有一个由大颗粒组成的密相床，再叠加上一个由前面所述的空隙率分布，则总体上讲是呈单调指数下降或反C 型分布的．

4 ，颗粒浓度的径向分布

在循环流化床中，流化介质以柱塞流的形式向上流动。实验研究表明，由于壁面的摩擦效应，靠近壁面处的气流速度低于床层中心的气流速度。在床内核心区上行的固体颗粒，因为流体动力的作用会向边壁漂移，当到达壁面时，由于此处气流速度较低，流体对颗粒或颗粒团的曳力也降低，从而导致颗粒在近壁面处的上升速度减小或者转而向下运动，循环流化床内径向空隙率分布出现不均匀性，即在床层中心区的空隙率较大，而靠近壁面处空隙率较小。当截面平均空隙率大于0 . 95 时，径向空隙率分布就比较平坦。对于圆形截面，一般仅在距床壁1 / 4 半径距离内空隙率才有所下降，而对于平均截面空隙率小于。．95 的床层，径向空隙率不均匀分布就比较明显。

根据上述颗粒浓度径向分布的情况，在循环流化床中，除了固体颗粒通过循环灰分离器分离再送回床内的外部循环外，固体颗粒在核心和边壁处的上升和下落也构成了颗粒的床内循环，床层的温度能保持均匀分布是内外循环共同作用的结果。

气流速度增加，床层截面平均固体颗粒浓度下降，空隙率径向变化变小，曲线变得平坦。