对于流化床燃烧反应器的冷模研究

摘要：流化床的燃烧技术流化床燃烧技术是一种采用流化床反应器的煤炭洁净燃烧技术。研究流化床燃烧反应器的设计能够从反应器结构的层面理解反应器在反应过程中表现出的优点与缺点，从而从本质上探讨可能的改进方案，为以后流化床燃烧反应器方面更为深入的研究提供一定的指导意义。

关键词：流化床；设计；冷模

中图分类号：TQ05 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2012）06-0-02

一、引言

流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：(1)可以实现固体物料的连续输入和输出；(2)流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；(3)便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行。然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在一定的局限性：(1)由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，降低了目的产物的收率；(2)反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；(3)由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂或助剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂或助剂的流失； 本文使用流化床燃烧反应器的经验计算方法，设计了流化床燃烧冷模反应器，并根据初步设计计算的结果，制作出了流化床燃烧反应器的冷态模型。

二、基本设计参数

煤粉的成分分析：本流化床燃烧反应器的基本设计要求是能够满足后续实验中可能采用的煤粉在反应器内的正常燃烧，设计时有关于煤粉特性的参数来自从上海焦化厂取得的广安动力煤和淮南动力煤，因此有必要对这两种煤的组成成分进行分析。其工业分析和弹筒发热量、高位发热量的数据(见表2.1)。

三、操作速度的确定

1.临界流化速度

当气体通过固体颗粒床层时，随着气体流速的增加，会有三个不同的阶段出现，即固定床阶段、流化床阶段和流体输送阶段。而临界流化速度则是区分固定床阶段与流化床阶段的临界点，小于流体的临界流化速度则为固定床阶段，大于临界流化速度则进入流化床阶段，故在临界流化速度时，固定床的压力降必等于流化床的压力降。根据这一基本原则并结合工程实践，可得到适用于较粗颗粒的临界流化速度计算公式[4]：

(1)

其中，w临为临界流化速度，dp为颗粒直径，γs与γf分别对应颗粒密度和空气密度。

颗粒直径对流化床临界流化速度的影响最大，临界流化速度随着颗粒直径的增大而增大，颗粒的密度在一定程度上也会影响临界流化速度的大小。通过代入计算，可以得到，在设定的基本设计参数下，流化床燃烧反应器的临界流化速度为0.011m/s.

2.颗粒带出速度

在流化床燃烧反应器中，当气体向上流动的速度大于流化床中颗粒的自由沉降速度，则颗粒就会被气流所带出反应器。因此，在气体速度等于颗粒的自由沉降速度时的气体流速被称为颗粒带出速度。颗粒带出速度是相对临界流化速度的另一临界流速，它决定着流化床中颗粒的停留时间，因此确定颗粒带出速度也具有重要的意义。

根据经验公式[4]：

(2)

其中wt为颗粒带出速度，dp为颗粒直径，γs与γf分别对应颗粒密度和空气密度。

可以得到，在设定的基本设计参数下，流化床燃烧反应器的颗粒带出速度为0.091m/s。

3.操作速度的选择

为了确定流化床的操作速度，引入了流化数的概念，流化数即操作速度与临界流化速度的比值。流化数的确定，要考虑生产工艺上许多相关的因素，综合的加以分析与比较。在这里，根据中试规模所需尺寸大小的预估，选择操作速度w为0.46m/s，流化数为43.7。

四、空气流量的确定

1.氧耗量的估算

根据表2.1广安动力煤和淮南动力煤的元素分析的结果，以及表2.3中的基本设计参数，分别估算两种煤充分燃烧所需要的氧耗量。根据简单的反应计量关系，有公式：

(3)

其中M氧为单位时间内的氧耗量，v为煤样的进料速度，wC、ws、wH、wN、wO分别对应C、S、H、N、O在煤样中的质量百分含量，MC、MS、MH、MN、MO则分别对应它们的摩尔质量。

通过计算可得，广安动力煤燃烧时的氧耗量为28.08kg/h，淮南动力煤燃烧时的氧耗量为28.72kg/h. 取设计值为28.72kg/h。

2.空气流量的计算

空气中氧气的质量百分数为23.2%，根据表2.3中的基本设计参数，将得到的单位时间内的氧的质量耗量转换为单位时间内所需要的空气流量，有公式：

(4)

其中，V是单位时间内的空气流量，M氧为单位时间内的氧耗量，γf对应空气的密度，系数1.1是所选取的空气过剩系数。通过计算可以确定空气流量为113m3/h。

五、主体尺寸的确定

1.流化床直径

在得到通过流化床燃烧反应器床层的总气量和操作速度的基础上，根据简单的流量方程式即可计算出流化床的直径。有公式：

(5)

其中D是流化床燃烧反应器的直径，V是单位时间内的空气流量，w是操作速度。

经过计算，得到流化床燃烧反应器的直径为0.309m，圆整后得到其直径为300mm。

2.扩大段直径

在流化床的上部空间设置扩大段的主要目的在于降低空床气速，使其小于较粗颗粒的沉降速度，这样，这些颗粒就沉降下来返回到床层中去，从而减轻了粉尘回收设备的负荷。扩大段的直径可以通过经验公式[4]来确定：

(6)