1、引言
目前運(yùn)行的燃煤循環(huán)流化床
鍋爐中，普遍存在飛灰含碳量偏高、高溫分離器內(nèi)存在后燃、實(shí)際運(yùn)行熱效率達(dá)不到設(shè)計(jì)效率等現(xiàn)象，所有這些問(wèn)題可能有一個(gè)共同的原因：爐膛內(nèi)氣體混合擴(kuò)散不好。許多證據(jù)表明，直到爐膛出口處氣體還沒(méi)有能夠均勻混合，這引起爐膛徑向氧量分布很不均勻，中心區(qū)域的氧濃度比靠近壁面的區(qū)域低得多，為了解決這些問(wèn)題．對(duì)循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固兩相流中氣體混合擴(kuò)散的規(guī)律進(jìn)行研究是很有必要的，這些規(guī)律將對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并有助于指明優(yōu)化運(yùn)行的方向。
雖然已經(jīng)有許多研究者對(duì)氣固兩相流中的氣體擴(kuò)散進(jìn)行過(guò)研究，但該研究領(lǐng)域仍屬薄弱環(huán)節(jié)．由于氣固兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，再加上前人的研究多集中于化工反應(yīng)器循環(huán)流化床，所以至今仍無(wú)可以應(yīng)用于燃煤循環(huán)流化床鍋爐工程實(shí)際的結(jié)論，在已有的研究中，試驗(yàn)條件各不相同，所得結(jié)論差別較大，有的甚至相互矛盾。更普遍意義的結(jié)論尚待有足夠多的報(bào)告后才能進(jìn)一步總結(jié)。
鑒于還不具備在實(shí)爐上進(jìn)行試驗(yàn)研究的條件，我們先在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期發(fā)現(xiàn)一些具有普遍意義的規(guī)律即氣固兩相流中的氣體混合擴(kuò)散一般性的機(jī)理，待條件成熱時(shí)再在實(shí)爐上進(jìn)行驗(yàn)證和修正．
2、試驗(yàn)原理及試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1試驗(yàn)原理
在快速流化床中，氣體為連續(xù)相，顆粒為分散相，因而從氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)看，可以將氣體混合過(guò)程處理為擬均相的擴(kuò)散過(guò)程。于是，氣體混合程度即可用軸向擴(kuò)散系數(shù)和徑向擴(kuò)散系數(shù)來(lái)表征，描述擴(kuò)散過(guò)程的基本方程為：
其中，U為流化風(fēng)速，m/s;
C為示蹤氣體濃度，‰
D
ax為氣體軸向擴(kuò)散系數(shù)，m
2/S；
D
r為氣體徑向擴(kuò)散系數(shù)，m
2/s。
在實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行如下假設(shè)：
(1)定常假設(shè)：每一個(gè)試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)條件與參數(shù)不隨時(shí)間變化；
(2)軸對(duì)稱假設(shè)：將提升段垂直軸線附近區(qū)域視作一個(gè)軸對(duì)稱區(qū)域；
(3)柱塞流假設(shè)：氣體速度沿截面均勻分布，顆粒的濃度均勻分布；
(4)忽略沿床邊壁區(qū)的邊界層對(duì)氣流的影響。
這些假設(shè)適用于提升段垂直軸線附近區(qū)域的上升氣流中顆粒密度較低的部分及氣體沒(méi)有返混情況下。這種數(shù)學(xué)模型已經(jīng)在科學(xué)研究中被廣泛運(yùn)用。
以CO2作為示蹤氣體，從距布風(fēng)板某一高度處單點(diǎn)給入，示蹤氣體從中心線上的點(diǎn)上連續(xù)穩(wěn)定地注入。在其下游的提升段中測(cè)定CO2的分布，分析氣體在提升段內(nèi)的氣固兩相流中的擴(kuò)散規(guī)律，可以建立CFB提升段中主流區(qū)擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。
2.2實(shí)驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置是一個(gè)循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，主要由送風(fēng)管、引風(fēng)管、旋風(fēng)分離器、布風(fēng)板、提升段組成，見(jiàn)圖1。提升段主體段尺寸為床高H=3000m，截面尺寸（外部）為500mmx 250mm。旋風(fēng)分離器直徑為400mm。
示蹤氣體CO2在距布風(fēng)板以上850mm處通入。測(cè)量區(qū)測(cè)點(diǎn)沿高度分5層，最下排測(cè)點(diǎn)距噴口高度600mm，每?jī)蓪訙y(cè)點(diǎn)相距150mm，每層7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)橫向距離50mm．以提升段軸向中心線對(duì)稱分布，由世得到一個(gè)豎直平面上的二氧化碳的濃度分布情況。
在實(shí)驗(yàn)中用紅外光譜分析的方法來(lái)測(cè)量二氧化碳的濃度，設(shè)備型號(hào)為TEI 40C型CO2氣體分析儀，測(cè)量設(shè)備安裝示意圖如圖2所示。圖中的氮?dú)馄繛榧t色光譜分析儀提供高純氮，作為濃度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)氣。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各測(cè)量截面的示蹤氣體濃度分布類似鐘形，如圖3所示，提示我們可以使用概率分布函數(shù)描述濃度分布。概率分布函數(shù)的一般表達(dá)式如下：
Y=ae
-k2（x-xo）2
這里y即示蹤氣體濃度，z為測(cè)點(diǎn)距中心線距離（半徑），‰為濃度峰值橫坐標(biāo)。
由于D。對(duì)軸向混合的貢獻(xiàn)與對(duì)流相比可以忽略，所以我們?cè)跀?shù)據(jù)處理中忽略p，而只考慮D，軸向擴(kuò)散系數(shù)D，的計(jì)算結(jié)果如圖4。從圖中可以清楚地看出以下規(guī)律：
(1)無(wú)顆粒時(shí)，軸向擴(kuò)散系數(shù)D，最大；
(2)隨著顆粒濃度增大，Dr逐漸減小，但存在一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，顆粒濃度大于此點(diǎn)后，D，有增大趨勢(shì)；
(3) Dr的范圍約在20～70 CIF12／s之間；
(4)在同一個(gè)顆粒濃度下，D，受流化速度影響不大；而在相同流化風(fēng)速下，D，受顆粒濃度影響較大。
3.2結(jié)果分析與討論
在循環(huán)流化床鍋爐中，氣體擴(kuò)散按尺度可以分為以下三種：分子擴(kuò)散、氣流湍動(dòng)與旋渦引起的局部擴(kuò)散、氣體流動(dòng)引起的對(duì)流擴(kuò)散，三種擴(kuò)散形式產(chǎn)生的總效果叫混合。混合沿空間方向可以分解為兩個(gè)方向上的混合：軸向混合和徑向混合，一般認(rèn)為，循環(huán)流化床中氣體混合擴(kuò)散的機(jī)理有：
(1)在空間分布上存在氣體濃度梯度，這是氣體擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。由氣體濃度梯度引起的擴(kuò)散尺度具有分子平均自由程的量級(jí)，如在完全靜止的空氣中緩慢注入示蹤氣體，這種擴(kuò)散速度是很小的；
(2)氣體湍流運(yùn)動(dòng)存在橫向（徑向）速度脈動(dòng)，能促進(jìn)氣體橫向混合；此種擴(kuò)散尺度具有普朗特混合長(zhǎng)度的量級(jí)；
(3)湍流運(yùn)動(dòng)中的各種尺度的渦旋結(jié)構(gòu)促進(jìn)擴(kuò)散混合；
(4J氣體流動(dòng)把上游氣體帶到下游引起的混合，如提升段流化風(fēng)把下部氣體帶到上部引起的混合：影響這種混合的主要因素是風(fēng)速高低；
(5)流化床提升段中，固體顆粒濃度分布的環(huán)．核結(jié)構(gòu)使顆粒從中心區(qū)上升、不斷滑向邊壁區(qū)、在邊壁區(qū)下落、薦被帶入主流區(qū)，帶動(dòng)顆粒附近氣體產(chǎn)生橫向混合：
(6)固體絮狀物的不斷形成而又不斷崩潰的過(guò)程中，顆粒團(tuán)與周圍顆粒不斷進(jìn)行交換，并帶動(dòng)其附近氣體的流動(dòng)而引起混合。
已有的研究表明，在流化床中，相對(duì)于氣體的單相流動(dòng)，由于固體顆粒的存在，使氣體的湍流程度及流動(dòng)不均勻性增加，因此，當(dāng)顆粒循環(huán)速度增大時(shí)，氣體混合加劇，軸向擴(kuò)散系數(shù)增大。同時(shí)，軸向擴(kuò)散系數(shù)受到操作氣速、顆粒物性、床層幾何結(jié)構(gòu)等因素的影響。
氣體徑向混合強(qiáng)弱主要取決子氣固兩相流的湍動(dòng)程度，橫向湍動(dòng)越強(qiáng)烈，則氣體橫向混合擴(kuò)散越快。所以影響氣固兩相流橫向湍動(dòng)的因素也就是影響氣體混合擴(kuò)散的因素。
對(duì)于徑向擴(kuò)散系數(shù)來(lái)說(shuō)，其影響因素比軸向更加復(fù)雜。但目前由于數(shù)據(jù)匱乏，還沒(méi)有建立更通用的模型。由于軸向擴(kuò)散系數(shù)的復(fù)雜性，關(guān)于徑向擴(kuò)散系數(shù)的推論也存在不確定性。
前人對(duì)徑向擴(kuò)散系數(shù)的影響因素也提出了不同的見(jiàn)解．例如Wcrtherct a1．和Adams分別得出了徑向擴(kuò)散系數(shù)隨氣速增大而增大和減小的不同結(jié)論。這些矛盾現(xiàn)象固然與各自的實(shí)驗(yàn)條件不同有關(guān)，也反映了顆粒對(duì)氣體湍流強(qiáng)度影響的復(fù)雜性。
仔細(xì)分析對(duì)比前人結(jié)論，結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)循環(huán)流化床中氣體混合機(jī)理提出以下觀點(diǎn)：
(1)固體顆粒的存在對(duì)氣體的徑向擴(kuò)散有阻礙作用，在床內(nèi)無(wú)固體顆粒時(shí)，氣體的徑向擴(kuò)散系數(shù)大于有固體懸浮時(shí)的工況；
(2)固體顆粒濃度對(duì)氣體徑向擴(kuò)散系數(shù)的影響不是單向的：當(dāng)固體顆粒濃度從極低開(kāi)始增加時(shí)，徑向擴(kuò)散系數(shù)D．先下降，但下降到一極小值后又呈上升趨勢(shì)。分析出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能是：
1)相對(duì)于氣體的單相流動(dòng)，由于小粒徑固體顆粒的存在．氣體的湍流程度減弱-因?yàn)樾☆w粒跟隨氣體脈動(dòng)，吸收氣體脈動(dòng)的能量，會(huì)削弱氣體的湍動(dòng)程度。因此當(dāng)加入少量的固體顆粒時(shí)，流態(tài)處于氣力輸送狀態(tài)，擴(kuò)散系數(shù)小于在單相氣體中的數(shù)值。
2)此時(shí)隨著顆粒濃度的增加，氣體的湍流度進(jìn)一步下降，因而D，下降。
3)當(dāng)固體顆粒濃度進(jìn)一步增加時(shí)，流態(tài)處于循環(huán)流態(tài)化狀態(tài)，使氣體的湍流程度不均勻性增加．隨著顆粒濃度的增加，氣體混合加劇。
4)大顆粒與氣流相對(duì)速度大，氣體對(duì)其繞流運(yùn)動(dòng)時(shí)，其尾跡效應(yīng)可以增強(qiáng)氣體的湍動(dòng)。顆粒團(tuán)的作用可以等效為大直徑顆粒，所以顆粒濃度高到某一點(diǎn)，相當(dāng)子等效顆粒直徑達(dá)到臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)直徑，可以促進(jìn)氣體湍動(dòng)．從而提高徑向氣體擴(kuò)散系數(shù)。
5)顆粒濃度越大，貼壁回流的物料就越多，這些貼壁回流的物料又不斷被帶入主流中，促進(jìn)了橫向顆粒交換，也同時(shí)促進(jìn)了橫向氣體混合。
可見(jiàn)顆粒對(duì)氣體混合的影響是雙向的：一方面顆粒的存在會(huì)吸收湍動(dòng)能量，減弱湍動(dòng)：另一方面顆粒的存在導(dǎo)致氣體繞流、顆粒混合和返混等又能促進(jìn)氣體混合。在不同條件下兩方面的影響互相消漲+引起氣體混合的不同趨勢(shì)。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)流化床中氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了一些有意義的規(guī)律，對(duì)氣固兩相流中的氣體混合擴(kuò)散機(jī)理做出了解釋。本研究結(jié)果將對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并有助于指明優(yōu)化運(yùn)行的方向。
