沸騰爐的燃燒特性分析及其工藝結(jié)構(gòu)改進(jìn)
1 沸騰燃燒的特性及影響因素
1.1 沸騰床燃燒的形成
沸騰床燃燒形式是介于層燃與懸浮燃燒之間的一種動(dòng)態(tài)燃燒方式。當(dāng)鼓入空氣的流速超過固體燃料顆粒能夠停留在爐篦上的最低限度時(shí),一些燃料粒子就會(huì)失去穩(wěn)定性,并在氣流中開始局部的起伏翻騰,形成沸騰燃燒狀態(tài)。此時(shí)穿過爐篦上固體燃料層的空氣流速是決定沸騰燃燒效果的基本要素,流速過小,燃料顆粒的沸騰狀態(tài)不能形成,或參與沸騰狀態(tài)的顆粒量較少,持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),顆粒自重使其很快返回到爐篦上;流速過大,沸騰床的燃燒環(huán)境被破壞,沸騰燃燒不能穩(wěn)定甚至喪失。只有當(dāng)空氣流速與燃料的沸騰運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)平衡時(shí),燃料顆粒在空氣壓力的作用下,才能大部分或全部持續(xù)保持上升、下落運(yùn)動(dòng)狀態(tài),燃料在這種翻騰運(yùn)動(dòng)過程中與空氣充分混合燃燒,即可最大限度地釋放熱量,從而形成高效的沸騰燃燒。
由于許多因素的影響,沸騰床會(huì)產(chǎn)生不均衡沸騰或者懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。在選擇空氣流速和達(dá)到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點(diǎn)時(shí),若將鼓風(fēng)的壓力損失看作是沸騰的特征參數(shù),那么,燃料層沸騰條件可用下式表示:
△P=hg(rc-rf)(1-m)
式中:ΔP—從固定床過渡到沸騰床的極限條件,Pa;
h—沸騰床的高度,m;
rc—固體燃料的比重,kg/m3;
rf—流體的比重,kg/m3;
m—沸騰床單位容積的空隙率,%;
g—換算系數(shù),取9.8N/kg 。
除式中給定的幾個(gè)因素外,實(shí)際還應(yīng)考慮更多影響因素,如:不同形狀沸騰床的結(jié)構(gòu)、高度、流動(dòng)阻力系數(shù)、流體流動(dòng)的雷洛數(shù)、燃料空隙率以及顆粒直徑等,才能更真實(shí)地表達(dá)沸騰狀態(tài),其中沸騰床的高度和流動(dòng)阻力影響最大。
沸騰床的高度(顆粒縱向之間距離的總和)比爐篦上初始固體顆粒層的高度要大,當(dāng)隨著在高度方向的熱空氣膨脹度的增加,沸騰床的瞬時(shí)高度所對(duì)應(yīng)的壓力也發(fā)生變化,造成沸騰床單位容積的空隙率m增加,沸騰床單位容積的顆粒數(shù)量相對(duì)減少,反應(yīng)表面積比爐篦上初始固體顆粒床的對(duì)應(yīng)比表面積小,所以其他因素的影響有所降低。
沸騰床的流阻比爐篦上初始固體顆粒床的流阻小,這個(gè)阻力隨著鼓風(fēng)速度的增加而成比例增加,當(dāng)達(dá)到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時(shí),就達(dá)到了極限值,高于該極限值時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯的顆粒離析,嚴(yán)重影響燃燒效果。因此,壓力不足會(huì)造成不均衡沸騰,而壓力過大又易產(chǎn)生懸浮化狀態(tài)。沸騰床的形成恰是處于爐篦上的固定床和懸浮狀態(tài)之間的過渡形式。
1.2 沸騰燃燒中的傳熱和傳質(zhì)
沸騰燃燒的特點(diǎn),是氣體和固體燃料之間,沸騰床床內(nèi)與周邊之間的傳熱和傳質(zhì)速度極快,溫度梯度相對(duì)較小。這種特性是由于在空氣流中固體燃料顆粒快速地被攪拌和混合,導(dǎo)致固體顆粒與氣體間相互的傳熱系數(shù)小,接觸面積大而引起的。所以能夠使得氣體一進(jìn)入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達(dá)成熱平衡,燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨脹擴(kuò)大而釋放出來,見圖1。
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