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当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 机械/模具设计 > 第五章流态化炉内热工过程02
15流态化炉25.1概述5.2流化床气体动力学5.3稳定流化床结构的建立5.4沸腾层内的传热5.5沸腾层的供热与排热5.6流化床燃烧3•用于物料焙烧•流态化(流化):流体自下而上流过静止的粒状物料时,若流速ww临界,散料层开始膨胀、蠕动而具有流动性,变成假流体状态,此过程称为流态化(Fluidization)•流化后的粒料上下翻动而与流体的沸腾状态相似,故又称为沸腾床。•典型炉窑锌精矿流态化焙烧炉、氢氧化铝煅烧炉5.1概述4流态化焙烧炉1-排烟口;2-炉膛;3-溢流口;4-本床;5-气体分布板;6-风箱;7-前室风箱;8-前室;9-加料斗5前室加料直筒型沸腾焙烧炉1-加料孔;2-事故排出口;3-前室进风口;4-炉底进风口;5-排料口;6-排烟口;7-点火孔;8-操作门;9-开炉用排烟口6加料管加料上部扩大型焙烧炉1-加料孔;2-操作门;3-进风管;4-排烟口;5-油嘴孔;6-排料口7卢奇扩大型流态化焙烧炉1-排气道;2-烧嘴;3-焙砂溢流口;4-底卸料口;5-空气分布板;6-风箱;7-风箱排放口;8-进风管;9-冷却管;10-排料机;11-加料孔;12-安全罩8竖罐炼锌流态化焙烧炉1-下料管;2-前室;3-水套;4-流态化床;5-操作门;6-排料管;7-进风管;8-风箱;9-分布主管;10-炉气出口;11-清理门;12-风帽;13-隔热层;14-前室风箱9流态化炉的特点•优点气-固间热交换质交换速度快,层内温度均匀,产品质量好、流态化层与冷却器壁间传热系数大,生产率高,操作简单,便于实现生产连续化和自动化,应用广泛。•缺点烟尘高,热利用率低。•发展方向:大型化、富氧鼓风、扩大炉膛空间、制粒焙烧、余热利用和自动控制。10•分类稀相浓相相扩大型、直筒型炉膛形状单层、多层床层椭圆形、矩形圆形横断面锥形床(上大下小)柱型床纵剖面床形分类11流化床的形成当流体的表观速度继续增大到一定值,床层开始膨胀和变松,全部颗粒都悬浮在向上流动的流体中,形成强烈搅混流动。这种具有流体的某些表观特征的流-固混合床称为流化床,在气-固流化床中,形成颗粒强烈翻滚,故又称为沸腾床。12p概念•计算速度wj:按流化空间整个断面计算的气流速度。lgjFQw=ε=ε==wFQFQwlggg孔隙•实际速度wg:5.2流化床气体动力学13•临界速度wc:与流化状态开始条件相对应的计算速度。•带出速度wout:(自由沉降速度)料层由沸腾状态转为完全悬浮状态,颗粒将被气流带走,气体对颗粒的曳力与颗粒有效重量平衡,对应此点的直线速度为颗粒带出速度。开始转为悬浮状态的最低计算速度又称为该物料的极限速度。•操作气流速度w:以计算速度为基准,大于绝大部分正常颗粒的临界流化速度,(一般)不大于物料颗粒某一指定粒级的带出速度。WcWWout14p流化层特性参数•流化范围从临界速度开始流化,到带出速度时流化床开始破坏这一速度范围称为流化范围。可以用wout/wc来表征。表征流化床稳定性•料层膨胀倍数K=VF/Vd表征流化程度•流化指数W=w/wc表征流化强度•流化现象→沸涌、气沟、聚式流化、散式流化15流化指数W选择•在保证物料与烟尘质量前提下,选择较大的W以强化生产;W=w/wc•在操作温度下物料易粘结时,应采取较大的W;•当流化层内两相化学反应缓慢且流化介质较贵重,宜采用较小W以提高流化介质的利用率和减少消耗量。16p流化床基本特征()2-2N.m2PgggmggwdHgx=Δ达西公式ε=ε==wFQFQwlggg孔隙wcwoutwcwoutwcwoutABCABCABCHw45owgw45oΔPw()N2222mggmggFwKFgwKPrg==Δ曳力17p流化机理•阿基米德准数ArggmgmdgArρρ-ρ⋅ν⋅=23(1)Ar越大,wc越大;(2)气体的νg与γg越大,物料的dm与γm越小,Ar越小;越易流化;(3)Ar相同,表征沸腾层动力学特征相似。18•临界速度wcØ固定散料层料层压力降以圆筒形炉为例Ø流化后散料层料层压力降()()2-2322m.N112feegx-=ΔgmmgwdHP固()()gmmHPgge--=Δ1流Ø临界速度wc下流固PPΔ=Δ19()()()()Argddwdgwcggmmmcggmmc⋅⋅-=⇒⋅-⋅-⋅⋅=⋅⇒-⋅-⋅⋅=23223232223221Re21212feexfeegggnxnexgggef临界速度下ε与物料形状有关。形状确定,Rec=f(Ar)20•带出速度wout当单个颗粒所受气体动压力(曳力)与其自身有效重量相等时的速度.22mggFgwKP⋅⋅⋅=Δg单个颗粒所受曳力()gmmVGgg-=颗粒自身有效重量ΔPGm-Fg21()ggmmmmgmgmoutgoutFVKgFKVg=-=⇒⎭⎬⎫==Δ22由对于球形颗粒物料ArKKgdwoutggmmout⋅=⋅⋅⇒-=22Re4334fggg()Arfout=⇒Re22•临界速度wc与带出速度wout的确定Ø试算法⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧====紊流区紊流区过渡区层流区,83.2,7000Re,Re84.15,7000Re700,Re65,700Re30,Re495,30Re2.04.0xxxx()Arwcc⋅⋅-=2321Re2feex临界速度23带出速度wout⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===44.0,500ReRe5.18,500Re2Re24,2Re5.0KKKoutdoutdoutArKout⋅=⋅⋅22Re43f球形物料思考:Ar对流化速度的影响。Ar,Re,Nu等准则数在炉窑热工分析中的应用。245.3稳定流化床结构的建立p理想的流化床状态适当的流化指数W、物料浓度分布Cm、料层孔隙度ε均匀和合适的沸腾层膨胀倍数K。Øε主要取决于物料粒度、重度以及气流速度、粘度Ø实验公式()↑↓→↑⇒+=-eeAr,ReRe36.0Re1821.0221.0Ar25Ø均匀度对流化床结构的影响()()gmgccgwdggefegx--⋅=32221临界粒度()gmgoutgKwdggg-⋅=243球状物料极限粒度生物料要求:严格筛料分级cmoutddd物料不均匀性可能对流化床产生的影响:气沟、死料堆、沸涌p物料对流化床结构的影响26()()gmmmgggmmVFgwKVPggggg-=-Δ22Ø物料粒度组成、重度对Cm的影响↓↑↑⇒↑eg,,mArdm结论沸腾层浓相、稀相27Ø沸腾层内物料均匀条件•物料Ar相等2321312232123121mmmmggmgmggmgmddddArArrrgggngggn⋅=⋅⇒-⋅=-⋅⇒=28p流化剂性质对流化层结构的影响•流化剂粘度νg•聚式流化散式流化ggmgmdgArρρ-ρ⋅ν⋅=2329p流化床高度H层对流化床的影响•对于溢流排料的炉子,近似等于气体分布板至溢流口下沿的高度•H层过低,易出现沟流;炉内热容量小,布置换热器困难;•H层过高,鼓风压力增高,动力消耗大。30p气流分布栅板对流化床影响•组成:风帽、分布板、耐火衬垫风帽安装示意图1-风帽;2-套管;3-炉底分布板;4-耐火混凝土;5-耐火砂浆12354•设计目标:–使进入床层的气体分布均匀,创造良好的初始流化条件;–有一定孔眼喷出速度,使物料颗粒受到激发湍动起来;–减少流化层波动31侧流型风帽结构直通型风帽结构32风帽排列形式A-同心圆排列B-等边三角形排列C-正方形排列33风帽概述•侧流型风帽广泛用于中有色冶炼厂流态化焙烧炉上。从风帽的侧孔喷出的气体紧贴分布板进入床层,对床层搅动作用较好,孔眼不易堵塞,不宜漏料。•内设阻力板的侧流型风帽,阻力板可调整气体分布板各部分的阻力,使床层气流分布均匀,并且由于控制床层各处的流速方便,有利于组织炉内物料的排送,灵活性大,被重冶厂广泛使用;•不设阻力板的侧流型风帽结构简单,阻力小;•大型流态化焙烧炉也可采用直通式风帽。34•风帽排列形式,目的是使分布板各处的气流均匀,炉内各部位的实际排列密度应适应进风箱结构及进风方式的特点;如中心进风的圆形炉由于进风箱边缘风压较低,通常周边的排列密度应比中间大。35p进风箱对流化层影响•尽量使分布板底下气流的动压转变为静压,使气流进入分布板前各处压力分布均匀,起到预先分配的作用,避免气流直冲分布板;•进风箱应有足够的容量。36A-圆锥式风箱B-圆柱式风箱C-锥台式风箱D-柱锥式风箱风箱结构37p颗粒在料层中的平均停留时间Kv;与粒子容积比重改变有关的系数,单个粒子的停留时间决定于他的移动速度和循环途径。38思考(1)如果入炉生料尺度不满足要求,将会出现何种现象?(2)均匀度对流化床结构影响?(3)如何改善流化床结构?39▲5.4沸腾层内的传热p沸腾层内传热的特点•热交换对象复杂–物料颗粒与流化介质之间–整个沸腾层与流化室围壁、换热器之间–沸腾层内部传热•热交换个体非稳态,整体为稳态•传热因素复杂40p物料颗粒与流化介质间热交换•特性–气流与颗粒表面间热交换以对流为主–沸腾层内气流紊乱程度及颗粒扰动程度均较大,对流传热条件极为优越;–颗粒间空隙不大,气层厚度很薄,气体辐射能力很小。–换热系数绝对值不大–沸腾层条件下的热交换表面非常大–容积传热系数较致密料层成百倍的增加41•影响α的因素及提高的措施–增加Δw–增加Re–适当增加物料湿度–适当增加粒子粒度与重度42p沸腾层与热交换器、围壁之间热交换•热交换器–排热–优化传热–温控•热交换方式:对流传热(主要)+辐射传热(800°以上时)–颗粒与受热面αpc,空隙气流与受热面αgc,辐射换热αr–气膜的影响•综合换热系数200~400W/m2.℃4344p物料颗粒间的传热•热交换形式–不同温度颗粒的直接位移(近似两相间的对流换热),颗粒间的辐射•换热表达式HtAQcΔλ=•影响因素–影响物料层搅动程度(Re)、粒度dm、温度T、料层孔隙度ε455.5沸腾层的供热与排热p供热方式•直接加热—固、液、气•间接加热—电加热、隔焰燃烧p排热方式•直接排热—喷水•间接排热—箱式水套、管式水套46箱式水套1-排水(汽)管;2-拉钉;3-进水套;4-排污管47管式水套套管式水套48管式水套弯管式水套495.6流化床燃烧•煤的流化床燃烧法是一种很有发展前途的燃烧法;•它利用空气动力使煤在流态化状态下完成传热、传质和燃烧反应;•流态化炉的料层温度一般控制在850~1050℃;•解决了劣质煤的利用问题,并给大量煤矸石的利用找到了出路;•流态床燃烧法在锅炉上发展很快。5051
本文标题:第五章流态化炉内热工过程02
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