1、引言

    目前运行的燃煤循环流化床锅炉http://www.ftxny.com/swzglcp/中，普遍存在飞灰含碳量偏高、高温分离器内存在后燃、实际运行热效率达不到设计效率等现象，所有这些问题可能有一个共同的原因：炉膛内气体混合扩散不好。许多证据表明，直到炉膛出口处气体还没有能够均匀混合，这引起炉膛径向氧量分布很不均匀，中心区域的氧浓度比靠近壁面的区域低得多，为了解决这些问题．对循环流化床锅炉炉膛内气固两相流中气体混合扩散的规律进行研究是很有必要的，这些规律将对循环流化床锅炉的设计提供依据，并有助于指明优化运行的方向。

    虽然已经有许多研究者对气固两相流中的气体扩散进行过研究，但该研究领域仍属薄弱环节．由于气固两相流动的复杂性，再加上前人的研究多集中于化工反应器循环流化床，所以至今仍无可以应用于燃煤循环流化床锅炉工程实际的结论，在已有的研究中，试验条件各不相同，所得结论差别较大，有的甚至相互矛盾。更普遍意义的结论尚待有足够多的报告后才能进一步总结。

    鉴于还不具备在实炉上进行试验研究的条件，我们先在实验室规模的冷态试验台上进行试验研究，以期发现一些具有普遍意义的规律即气固两相流中的气体混合扩散一般性的机理，待条件成热时再在实炉上进行验证和修正．

2、试验原理及试验设计

2.1试验原理

    在快速流化床中，气体为连续相，颗粒为分散相，因而从气固流动结构看，可以将气体混合过程处理为拟均相的扩散过程。于是，气体混合程度即可用轴向扩散系数和径向扩散系数来表征，描述扩散过程的基本方程为：

生物质锅炉

  其中，U为流化风速，m/s;

        C为示踪气体浓度，‰

        Dax为气体轴向扩散系数，m2/S；

        Dr为气体径向扩散系数，m2/s。

  在实验条件下，进行如下假设：

  (1)定常假设：每一个试验工况下，试验条件与参数不随时间变化；

  (2)轴对称假设：将提升段垂直轴线附近区域视作一个轴对称区域；

  (3)柱塞流假设：气体速度沿截面均匀分布，颗粒的浓度均匀分布；

  (4)忽略沿床边壁区的边界层对气流的影响。

    这些假设适用于提升段垂直轴线附近区域的上升气流中颗粒密度较低的部分及气体没有返混情况下。这种数学模型已经在科学研究中被广泛运用。

    以CO2作为示踪气体，从距布风板某一高度处单点给入，示踪气体从中心线上的点上连续稳定地注入。在其下游的提升段中测定CO2的分布，分析气体在提升段内的气固两相流中的扩散规律，可以建立CFB提升段中主流区扩散的数学模型。

2.2实验方法及试验装置

    试验装置是一个循环流化床冷态试验台，主要由送风管、引风管、旋风分离器、布风板、提升段组成，见图1。提升段主体段尺寸为床高H=3000m，截面尺寸（外部）为500mmx 250mm。旋风分离器直径为400mm。

 生物质锅炉

    示踪气体CO2在距布风板以上850mm处通入。测量区测点沿高度分5层，最下排测点距喷口高度600mm，每两层测点相距150mm，每层7个测点，测点横向距离50mm．以提升段轴向中心线对称分布，由世得到一个竖直平面上的二氧化碳的浓度分布情况。

    在实验中用红外光谱分析的方法来测量二氧化碳的浓度，设备型号为TEI 40C型CO2气体分析仪，测量设备安装示意图如图2所示。图中的氮气瓶为红色光谱分析仪提供高纯氮，作为浓度测量的标准气。

3试验结果及分析

3.1试验结果

   试验发现，各测量截面的示踪气体浓度分布类似钟形，如图3所示，提示我们可以使用概率分布函数描述浓度分布。概率分布函数的一般表达式如下：

Y=ae-k2（x-xo）2

    这里y即示踪气体浓度，z为测点距中心线距离（半径），‰为浓度峰值横坐标。

    由于D。对轴向混合的贡献与对流相比可以忽略，所以我们在数据处理中忽略p。，而只考虑D，。轴向扩散系数D，的计算结果如图4。从图中可以清楚地看出以下规律：

(1)无颗粒时，轴向扩散系数D，**；

(2)随着颗粒浓度增大，Dr逐渐减小，但存在一转折点，颗粒浓度大于此点后，D，有增大趋势；

(3) Dr的范围约在20～70 CIF12／s之间；

(4)在同一个颗粒浓度下，D，受流化速度影响不大；而在相同流化风速下，D，受颗粒浓度影响较大。

生物质锅炉

3.2结果分析与讨论

    在循环流化床锅炉中，气体扩散按尺度可以分为以下三种：分子扩散、气流湍动与旋涡引起的局部扩散、气体流动引起的对流扩散，三种扩散形式产生的总效果叫混合。混合沿空间方向可以分解为两个方向上的混合：轴向混合和径向混合，一般认为，循环流化床中气体混合扩散的机理有：

(1)在空间分布上存在气体浓度梯度，这是气体扩散的驱动力。由气体浓度梯度引起的扩散尺度具有分子平均自由程的量级，如在完全静止的空气中缓慢注入示踪气体，这种扩散速度是很小的；

(2)气体湍流运动存在横向（径向）速度脉动，能促进气体横向混合；此种扩散尺度具有普朗特混合长度的量级；

(3)湍流运动中的各种尺度的涡旋结构促进扩散混合；

(4J气体流动把上游气体带到下游引起的混合，如提升段流化风把下部气体带到上部引起的混合：影响这种混合的主要因素是风速高低；

(5)流化床提升段中，固体颗粒浓度分布的环．核结构使颗粒从中心区上升、不断滑向边壁区、在边壁区下落、荐被带入主流区，带动颗粒附近气体产生横向混合：

(6)固体絮状物的不断形成而又不断崩溃的过程中，颗粒团与周围颗粒不断进行交换，并带动其附近气体的流动而引起混合。

    已有的研究表明，在流化床中，相对于气体的单相流动，由于固体颗粒的存在，使气体的湍流程度及流动不均匀性增加，因此，当颗粒循环速度增大时，气体混合加剧，轴向扩散系数增大。同时，轴向扩散系数受到操作气速、颗粒物性、床层几何结构等因素的影响。

    气体径向混合强弱主要取决子气固两相流的湍动程度，横向湍动越强烈，则气体横向混合扩散越快。所以影响气固两相流横向湍动的因素也就是影响气体混合扩散的因素。

    对于径向扩散系数来说，其影响因素比轴向更加复杂。但目前由于数据匮乏，还没有建立更通用的模型。由于轴向扩散系数的复杂性，关于径向扩散系数的推论也存在不确定性。

    前人对径向扩散系数的影响因素也提出了不同的见解．例如Wcrtherct a1．和Adams分别得出了径向扩散系数随气速增大而增大和减小的不同结论。这些矛盾现象固然与各自的实验条件不同有关，也反映了颗粒对气体湍流强度影响的复杂性。

    仔细分析对比前人结论，结合本文的试验结果，我们对循环流化床中气体混合机理提出以下观点：

(1)固体颗粒的存在对气体的径向扩散有阻碍作用，在床内无固体颗粒时，气体的径向扩散系数大于有固体悬浮时的工况；

(2)固体颗粒浓度对气体径向扩散系数的影响不是单向的：当固体颗粒浓度从极低开始增加时，径向扩散系数D．先下降，但下降到一极小值后又呈上升趋势。分析出现这种趋势的原因可能是：

1)相对于气体的单相流动，由于小粒径固体颗粒的存在．气体的湍流程度减弱-因为小颗粒跟随气体脉动，吸收气体脉动的能量，会削弱气体的湍动程度。因此当加入少量的固体颗粒时，流态处于气力输送状态，扩散系数小于在单相气体中的数值。  ‘

2)此时随着颗粒浓度的增加，气体的湍流度进一步下降，因而D，下降。

3)当固体颗粒浓度进一步增加时，流态处于循环流态化状态，使气体的湍流程度不均匀性增加．随着颗粒浓度的增加，气体混合加剧。

4)大颗粒与气流相对速度大，气体对其绕流运动时，其尾迹效应可以增强气体的湍动。颗粒团的作用可以等效为大直径颗粒，所以颗粒浓度高到某一点，相当子等效颗粒直径达到临界转折点直径，可以促进气体湍动．从而提高径向气体扩散系数。

5)颗粒浓度越大，贴壁回流的物料就越多，这些贴壁回流的物料又不断被带入主流中，促进了横向颗粒交换，也同时促进了横向气体混合。

    可见颗粒对气体混合的影响是双向的：一方面颗粒的存在会吸收湍动能量，减弱湍动：另一方面颗粒的存在导致气体绕流、颗粒混合和返混等又能促进气体混合。在不同条件下两方面的影响互相消涨+引起气体混合的不同趋势。

4、结束语

    本文在实验室规模的冷态试验台上对流化床中气体扩散规律进行试验研究，发现了一些有意义的规律，对气固两相流中的气体混合扩散机理做出了解释。本研究结果将对循环流化床锅炉的设计提供依据，并有助于指明优化运行的方向。

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