內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 摘 要 布風系統是流化床中的核心系統之一，布風的均勻性是保證整個系統正常運轉 的支柱，不合理的布風會影響流化床整體的運行，甚至根本不能實現流化床穩定運 行。因此，合理、均勻的布風是保證流化床正常流化、穩定安全運行的關鍵。 本設計主要是進行一個小型流化床反應器布風板的設計，并對流化床原理及其 工業應用做了初步的介紹。流化床布風板是流化床中的重要部件之一，主要是由風 室、布風板和風帽構成的流化床單元。本文選擇普通的平板型風帽布風板和蘑菇型 風帽進行設計。通過一些公式完成設計的必要步驟。 本設計的目的是通過小型流化床反應器布風板的設計，領會流態化和流化床的 基本知識，掌握試驗裝置的設計方法。 關鍵詞：流化床；布風板；風帽 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 Abstract Air distribution system is a mainly part of a fluidized bed, and the uniformity of air distribution is necessary to ensure the normal operation of fluidized bed. it will affect overall operation of fluidization bed whether air distribution is unreasonable, even fluidized bed stability can not be sustained. Therefore, reasonable and uniform air distribution is important to guarantee the normal flow and stable and secure operation of fluidized bed. This design is mainly for air distribution of a small fluidized bed reactor, and were introduced a preliminary presentation for fluidized bed principle and industrial applications. Air distributor belongs to important component in fluidized bed. This unit is consists of wind room, air distributor and air caps. This design choices ordinary flat air distributor and mushroom-type air caps. Calculating is necessary for the design. The purpose of this design catches the basic knowledge of fluidization and fluidized bed, and masters the method of the test equipment design through the fluidized bed reactor design of air distributor. Key words: fluidized bed; air distributor; air caps 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 目 錄 引 言.I 第一章 流化床.2 1.1 流化床原理 .2 1.1.1 流化床的特征 .2 1.1.2 流化床的工業應用.3 1.1.3 流化床燃燒的特點.5 1.2 流化床的主要部件 .6 1.2.1 概述.6 1.2.2 床體 .6 1.2.3 布風裝置.7 第二章 布風系統.8 2.1 布風板基本組成 .8 2.2 布風板 .9 2.2.1 布風板的類型.9 2.2.2 布風板的作用.9 2.3 風帽 .10 第三章 小型流化床布風系統的設計.12 3.1 流化床布風系統 .12 3.1.1 布風板設計要點.12 3.1.2 布風板的選擇 .12 3.1.3 風帽類型的選擇.13 3.2 風帽小孔流速的選取 .14 3.3 臨界流化速度和終端流化速度 .16 3.4 布風方式的確定 .17 3.5 風室和風道 .18 3.6 排渣管 .19 總 結.20 參考文獻.21 謝 辭.22 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 1 引 言 近幾年來，流化床在工業領域得到了廣泛的應用，這是由于流化床本身特有的 一些優點所決定的。本課題在分析流化床的原理、流化床布風板的作用、流化床燃 燒技術的優點以及流化床工業應用的基礎上，設計了一個小型流化床流化床布風板。 本課題主要設計流化床布風板，主要設計內容是流化床布風板上風帽的類型、 風貌的開孔率和小孔流速的選擇。介紹了風帽常用的類型和風帽形式對流化床性能 的影響。風帽的常用類型有很多種，例如蘑菇型風帽、P 型定向風帽、箭型風帽、S 型豬尾巴風帽、鐘罩型風帽、內嵌逆流柱型風帽等。 布風裝置是流化床的主要部件，布風板工作性能直接影響流化床的設計、顆粒 混合、流動和化學反應過程，以及設備的安全運行。隨著流化床容量的增加，床體 面積增大，每個給料點給料量的增加，床內顆粒混合情況對燃燒和傳熱等過程的影 響更加突出。因此合理的設計布風板裝置應該是保證床內床料濃度的均勻分布、顆 粒的排放以及防止漏渣問題的關鍵。 布風板的類型一般分成兩類，一類是水平布置的布風板,它具有結構簡單的特點， 被廣泛應用于燃煤循環流化床鍋爐中。但當流化床技術應用于固體廢棄物混燒技術 時，對床內大顆粒等雜物的排放較為困難。還有一種傾斜布風板它可以實現床內顆 粒的合理排放。但是目前對傾斜布風板工作特性的研究相對較少，其傾斜角度對床 內顆粒流態特性的影響還不是十分清楚。本文主要是設計一個小型的實驗裝置上安 裝的布風板，因此選擇結構簡單的水平布置的布風板就可以滿足需求。 風帽也是本文主要設計的部件之一，它的作用是增加氣流速度以及均勻布風， 最主要的作用就是風帽產生的阻力能夠使流化床穩定運行。風帽的氣流速度需要滿 足床層內固體能夠完全流化，即使得床料達到最小流化速度。根據已給出的流化流 速 0.52.0m/s 以及床料的粒徑分布來選擇風帽的小孔數，從而了解有關流化床穩定 運行的一系列的影響因素，能夠更好的掌握流化床的動態特性和流化床在應用中需 要注意的一些問題。雖然迄今為止還沒有關于風帽結構設計一個較為完整的準則或 建議，但是通過人們大量的實驗，得出的結論是值得我們去借鑒的。 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 2 第一章 流化床 固體流態化技術作為一門基礎技術已經滲透到國門經濟的許多部門，在化工、 冶金、石油加工、能源、輕工、生化、機械、環保等領域中得到了非常廣泛的應用。 利用流化態技術實現的流化床，其獨特的傳熱過程，熾熱的顆粒在流化介質的 作用下不停的運動，從而不斷地與被加熱工件進行碰撞，由于顆粒的熱容量比氣體 高的多，使得顆粒與工件之間的傳熱又快又均勻，正是流化床具有的這種加熱均勻、 傳熱系數大、加熱速度等特點使得其有了突飛猛進的發展。 1.1 流化床原理 1.1.1 流化床的特征 流化床的定義：使顆粒通過與氣體或液體的接觸而轉變成類似流體的一種運行 狀態，當顆粒處于流態化狀態時，作用在固體顆粒上的重力與氣體的曳力相互平衡， 此時顆粒處于一種擬懸浮狀態，從而使流化床具有類似于流體的性質，因此流化床 主要有以下幾點特性1： （1）能使固體顆粒在裝置內像液體般自由流動。這就使得對固體進行連續加工 成為可能。目前每個小時運輸量在百噸以上的裝置亦非罕見。 （2）由于顆粒與流體間的相對動作頻繁而劇烈，因而傳熱和傳質的效率很高。 （3）在氣泡的作用下流化床中的顆粒亦四而八方運動，類似于攪拌狀態，這就 使得床層內溫度除了近床壁處外，基本均勻。 （4）顆粒的熱容量大，故可以利用它作為熱載體，對于高溫的情況，尤為適應。 （5）由于顆粒運動的情況近于完全混合，因此在有顆粒連續進出的裝置中，顆 粒的停留時間有較寬的分布。 （6）顆粒運動影響到氣體發生返混，使氣體沿路的濃度梯度減少，從而使傳質 和化學反應的推動力有所減小，氣體的停留時間分布變寬。 （7）由于顆粒的高熱容量及其返混，故能防止局部過熱或過冷，因此在爆炸范 圍內的氣體組成下操作或燃燒低熱值的物料就成為可能，且操作較穩定。 （8）因使用的顆粒尺寸小而且具有大的比表面積，有利于液-固兩相的傳遞。 如為多孔性顆粒則因顆粒小，微孔短，孔內擴散較易，因而內表面的利用率很高。 （9）由于固體顆粒間相互撞擊摩擦而生成細粉并被氣流帶走，故需要高效的捕 集設施，以減少經濟損失和對環境的污染。 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 3 （10）由于機械運動部件，故能勝任苛刻的反應條件。 上述有的是優點有的是缺點，對于具體的應用要具體分析。工業上流態化技術 的應用比較廣泛，不論是物理的或是化學的過程，不論是催化的或是非催化的過程， 也不論是常壓的或是非常壓放熱過程都有應用。 流化床的運行主要是一個流態化的過程，流化床主要部件是布風板和其上分布 的風帽以及布風板下面的風室所構成。流化氣體通過布風板的風帽進入爐床，與所 給床料混合。床料以布風板為支撐，流化氣體通過布風板對床料、燃料產生向上的 推動力，形成流化狀態。床料在床層上強烈混合，從而進行劇烈的擾動和傳熱過程。 流化床有幾種典型的狀態固定床、鼓泡流化床、湍流床、快速流化床，這些都 屬于流化床的正常狀態，但是流化床也有幾種不正常的狀態例如溝流、氣泡與節涌 以及分層現象。流態化根據流化介質和它們各自的性質又可以分為散式流態化和聚 式流態化2。 當流體向上流過顆粒床層時，其運動狀態是變化的。流速較低時，顆粒靜止不 動，流體只在顆粒之間的縫隙中通過。當流速增加到某一速度之后，顆粒不再由布 風板支撐，而全部由流體的摩擦力所承托。此時，對于單個顆粒來講，它不再依靠 與其他鄰近顆粒的接觸而維持它的空間位置，相反地，在失去了以前的機械支撐后， 每個顆粒可在床層中自由運動；就整個床層而言，具有了許多類似流體的性質。顆 粒床層靜止狀態轉變為流態化時最低速度，稱為臨界流化速度。固體顆粒原本沒有 流動性，但若采取某種措施，使作用在固體顆粒上的重力和氣流的曳力相互平衡， 從而使顆粒也能像流體一樣呈現流動狀態。 形成流態化的基本條件： 1有一個固定的容器和底部有一個流體的分布器 2有適中的足夠量的顆粒形成床層； 3有連續的供應流體作為流化介質； 4流體的流速大于初始流化速度但是不超過流體的終端速度。 1.1.2 流化床的工業應用 下面是流化床在工業上的一些應用3： 1.應用于物理操作 流化狀態下的固體顆粒具有液體的特性，可應用于顆粒的管道運輸，并已在水 泥、糧食、純堿、樹脂等的輸送過程中被廣泛的采用。流態化技術也成功地應用于 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 4 多種固體物料的干燥，有機氣體的吸附分離等傳質過程；應用于細粉的混合，礦物 和煤矸石的分選，抄襲粉體的粉碎、研磨、顆粒表面涂敷包裹以制備緩釋農藥、緩 釋肥料和核燃料小球等機械過程；應用于廢熱回收的熱交換技術，金屬零件熱處理 的高溫粒子爐技術等熱過程的一些物理過程。 2.應用于礦物資源的綜合利用 流態化技術還應用于鐵礦石的直接還原、貧鐵礦的磁化焙燒、有色金屬的氯化、 氟化焙燒、礦物及焙燒的流態化浸取和浸取液從礦物表面及空隙中的洗滌等都是流 態化工業過程。 3.煤的燃燒與轉化 煤的流化燃燒技術發展十分迅速，因為工業實踐已證明它的高效率和低污染特 性。目前技術進一步處于鼓泡流化床鍋爐向新型、高效、清潔的循環流化床鍋爐過 渡的過程中，加壓流化燃煤技術也處在工業化過程。其他如煤的流化、干餾、氣化， 煤的氣-液-固三相反應器直接加氫液化，粉狀頁巖的干餾等，都是重要的流態化能 源轉化技術。 4.石油加工工業 催化裂化流化床反應器是工業最早的流態化反應-再生系統，近年來技術不斷完 善，20世紀60年代開發成功的提升管反應器把流態化技術的應用推到一個新的技術 高度。用下行管超短接觸進行催化裂化、同時用提升管進行再生的新一代催化裂化 流化床反應器的開發也已取得決定性的進展。此外，如石腦油氣相臨氫重整，處理 重油的流化焦化，砂子爐裂解和以多產烯烴為目的的催化裂化技術都是流態化過程 的典型應用。 5.有機合成工業 在高分子三大合成材料塑料、纖維、橡膠的生產中，許多重要單體的合成，如 丙烯丁二烯、三聚氰胺等都是采用了流化床催化反應器；其他許多重要基本有機化 合物如苯二甲酸酐等制甲醛。以及百菌清等多種農藥的生產也是用到流化床催化反 應器。除此之外，近年來流化床氣相聚合技術得到了大規模發展。 6.生物工程中的應用 隨著生化技術向工業應用的發展，流態化反應裝置在這一領域也得到了越來越 廣泛的應用，如植物細胞和動物細胞培養、單細胞蛋白的生產、發酵技術、生化法 有機廢水的處理、都是很有發展前景的工業過程。 7.環境工程中的應用 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 5 流態化技術已開始被引入環境工程領域，如采用流態化電極處理含重金屬廢水 以回收中金屬，多層流化吸附裝置回收環境中的濃度有機物質，流化焚燒爐處理工 業廢氣、廢液、廢渣和城市垃圾等。都是在技術上有競爭能力的工業過程。 1.1.3 流化床燃燒的特點 流化床燃燒具有清潔燃燒、高效、燃料適應性好等優點，它在很多方面都有很 廣泛的用途，流化床燃燒在工業鍋爐、窯爐、廢物焚燒、水泥工業等領域得到了一 定的發展，出現出了很大的生命力。英國是流化床在工業上應用的前列的國家，相 繼美國也開始注重流化床在工業上的應用，現在我國流化床的工業應用也邁進了一 大步。 特別是流化床在廢棄物的焚燒上的應用，大量的氣體、固體、液體的廢棄物堆 放會占用大量可用土地面積，并且用其他方式的燃燒分解時放出的有害氣體污染環 境。例如城市固體垃圾的焚燒、熱解細煤泥等。流化床燃燒它是屬于低溫燃燒，燃 燒釋放的氣體也容易控制，在世界上這個技術得到很好的評價，近幾年來得到了世 界各國的重視。 鍋爐是火力發電的三大主要設備之一，流化床鍋爐相比較其它方式的鍋爐而言， 流化床鍋爐有著自身的特點和優勢。尤其是作為先進的清潔燃燒方式，其大型化以 后，具有很好的市場競爭優勢。但其大型化以后也隨即帶來了不少急待解決的難題。 因此，對大型流化床鍋爐關鍵問題的研究具有重要的理論和實踐意義。 流化床燃燒的優點我們總結如下幾點4。 一、節約能源 近20年來的統計表明：我國一次能源結構中煤約占75%。煤產量的70%用于電 站鍋爐、工業鍋爐以及窯爐。這些窯爐的燃燒效率一般比世界上先進水平低510個 百分點。發展先進的流化床燃燒鍋爐對于節約煤炭資源有重要作用。 二、利用劣質燃料 中國煤炭資源的分布和質量差異隨地區變化大。南方劣質煤居多。北方累積的 煤矸石達1020t，并以年增1億t的數量增加。原煤入選率將不斷提高，細煤泥越來 越多。除煤以外的其他低熱值燃料也很豐富。發展流化床燃燒技術，因地制宜利用 這些劣質燃料無疑有十分重要的意義。 三、綠色能源 我國煤炭能源產量的大約25%是含硫超過2%的高硫煤，年排放量500萬噸來自 于煤的燃燒。高效脫硫和低NOx排放。典型的循環流化床鍋爐達到90%脫硫效率時， 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 6 所需的脫硫劑化學當量比僅為1.52.5，NOx排放為50150ppm（Hiltunen等， 1988）或者20150mg/MJ5。總排放量的85%，年排放量僅次于美國，占居世 2 CO 界第二位。流化床在燃燒具有燃燒中脫硫，脫碳的優點，是一種低污染、低成本的 燃燒技術。發展我們稱之為綠色能源的流化床燃燒技術，對于生態保護無疑有著重 要的作用。 四、灰渣綜合利用 大量的灰渣要占用大量的土地，且會帶來二次污染。我國人均耕地和世界上平 均值相比落后很多。隨著電力工業的發展，灰場占地面積也隨之增加，流化床燃燒 的灰活性好，對于節省土地起到一定的作用。 綜上所述：流化床技術是一種清潔燃燒技術、綠色燃燒技術；流化床燃燒設備 是一種綠色節能的設備；這個世紀將是流化床鍋爐燃燒技術在電廠鍋爐、工業鍋爐、 窯爐等領域加速發展的世紀。 1.2 流化床的主要部件 1.2.1 概述 流化床鍋爐以其燃料適應性廣，燃燒效率高，氮氧化物排放低，負荷調節比大 和負荷調節快等突出優點越來越被發電行業所接受。非機械閥、布風板和氣固分離 器是流化床的三大主要部件，是流化床必備的部件，高溫顆粒連續地在這些部分中 流動，因此對這三大部件的研究設計應該引起足夠的重視。在這里我們主要設計風 帽和布風板的開孔率等，優化一系列的結構布置。研究了布風板上風帽小孔流速的 選取對流化床的工況的影響，怎樣取風帽的風速才能使得流化床運行在最佳的狀態。 流化床的應用有物理操作、化學操作和燃燒等，不論哪個領域的應用都不開流 化床的基本構造。通常的流化床的基本裝置有以下幾部分組成3： 氣體分布裝置（一般是氣-固流化床） ； 床內構件，例如擋板、換熱器、攪動機械等； 氣-固分離裝置，可以設置在床內或者是床出口以外，使固體物料重新回到床 內。 進料及排料裝置 如果要維持流態化操作的正常進行，還需要動力設備、完整的床層空間器或容 器、床內加入一定量及一定顆粒范圍、粒度形狀的固體顆粒物以及測控儀表等。如 果僅從形成正常的流態化狀態考慮，那么最簡單的流化床由以下兩部分構成。 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 7 1.2.2 床體 床體即盛放固體物料的空間，也就是所謂的“床”。容器內盛有合適顆粒度、密 度的固體顆粒，在經分布裝置通入氣體介質，這就可以實現氣體介質與固體的彼此 擾動、混合、上下左右的劇烈運動，成為流態化床。在燃燒技術中，床就是指鍋爐 燃燒室，也即爐子。 1.2.3 布風裝置 布風裝置是流化床的重要組成部分。在上面我了解到布風板的基本作用是將流 化空氣均勻地分布到床層的整個截面。其設計得是否合理，直接影響到床體的性能 與出力。設計不佳的布風裝置可能導致流化床的流化質量差、結渣、磨損嚴重等。 傳統的流化床爐的布風方式是采用直孔型或風帽式布風板，這種布風流化床是在水 平的布風板直接開孔或在其上設風帽，風帽開有小孔，一次風從小孔中吹出，在布 風板上開有排渣孔，下接排渣管。在運行過程中爐渣定期的從排渣管排出。 布風板也又名為氣體分布器，它的主要作用是將流化氣體均勻地分布在整個截 面上。它一般位于床層的底部。在許多情況下，氣體布風板還起到支撐流化顆粒的 作用。布風板的型式有多種多樣，比如多孔板式、微孔板式、多管式、泡罩式、浮 閥式、多層板式等等。許多文獻中都有關于具體形式的詳細介紹，在這我們只是稍 稍的了解一下。一般來說，布風板需要有足夠的壓降才能夠保證氣體床在層截面上 的均勻分布。布風裝置壓降大于整個床層壓降的 10%30%是對布風板壓降狀況常 見的要求。但在實際工業應用中，因為床層較高，為了減少壓頭損失，布風板的壓 降有時設計在全床壓降的 5%左右3。 目前的常規水平布置布風板式的流化床爐，如果只考慮在布風板上開大口徑的 排渣孔，將會導致局部流化質量惡化直接導致出現結焦，甚至擴大到整個床面的危 險，同時對灰渣的冷卻、床料的分選回送系統造成很大的壓力。即使在設計流化床 時，采用均勻布風，但有時候用于垃圾的焚燒，由于垃圾物性的不均勻性，也很難 保證均勻和穩定的流化，因此，為了促進垃圾在床內的均勻分布，穩定爐內的流場， 合理的設計布風方式就顯得非常重要。傾斜式布風板流化床便是針對以上困難提出 的，它是由爐體、排渣、除塵、煙氣處理系統組成。爐體底部是“V”字型布風板6， 在布風板上設有風帽，風帽頂部四周開設小孔，運行時，一次風從小孔中流出。由 于采用“V”字型布風板，大塊、不易燃燒的物料，由于重力作用，很快沉積在布風板 上，實現大塊物料的快速排除，穩定爐內工況。 但是本設計針對的是一個小型的實驗室布風板的，所以 V 字型的布風板在這里 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 8 有點兒復雜，在此選擇一個結構易于加工而且滿足要求的布風板是本設計的宗旨， 選擇水平布置的風帽式布風板，選此布風板的原因在此不再贅述，第三章節會詳細 介紹。 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 9 第二章 布風系統 2.1 布風板基本組成 布風板是位于流化床底部的一次風布風裝置，對于流化床的安全、穩定、經濟 運行具有重要的意義。目前在我國流化床使用最廣泛的是風帽式布風裝置。風帽式 布風裝置是由風室、花板、風帽和隔熱層組成的，通常把花板和風帽合稱為布風板。 圖 2-1 示出了典型的風帽式布風裝置結構。 一般情況下，對布風裝置的設計要求是7： 1.能均勻密集地分配氣流，避免在布風板上面形成停滯區。 2.能使布風板上的床料與空氣產生強烈的擾動和混合，要求風帽小孔出口流具 有較大的動能。 圖 2-1 典型的風帽式布風裝置 3.空氣通過布風板的阻力損失不能太大，但又需要一定的阻力。 4.具有足夠的強度和剛度，能支承本身和床料的重量，壓火時防止風板受熱變 形，風帽不燒損，并考慮到檢修清理方便。 然而，隨著流化床的大型化，許多問題也同時產生，漏渣就是中之一。漏渣指 的是爐膛內部布風板上的床料通過布風板漏進風室，造成風室內部堆積床料。漏渣 現象不僅與布風板上的風帽結構有關，同時也與整個布板上風帽的布置方式有關。 隨流化床的爐膛布風板面積的不斷增大，保證床料均勻流化的難度越來越大，漏渣 的可能性也越來越大。漏渣不僅造成流化床鍋爐內床料的損失，而容易造成風室壁 面的磨損，嚴重時，風室被漏渣填滿迫使流化床停運。為了避免布風不均勻和漏渣 現象，通常采用阻力較高的風帽，而在流化床實際運行中，又不能一味采用高阻力 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 10 的風帽，如果風帽阻力過大，將增加煙風系統的阻力，進而增加流化床鍋爐運行的 風機電耗，影響機組經濟性。 因此，在流化床大型化發展、床體面積相應增大的情況下，如何經濟地實現均 勻布風、保證床料的均勻流化并避免漏渣等現象，是布風裝置設計中需解決的首要 問題。風帽及布風板是布風裝置中最為關鍵的部分，優化風帽及布風板設計對于流 化床鍋爐的正常安全經濟運行有很重要的意義。關于當前風帽及布風板的實際應用 和研究進展，國內外己有大量文獻報導。 2.2 布風板 布風板是流化床的一個重要的部件，床料在其上進行流化，流化氣體需要通過 布風裝置才能使得流化床的運行得以進行，所以它決定著流化床運行質量的好壞。 2.2.1 布風板的類型 布風從廣義上講可以被分成三類： 多孔板和直孔形：這種類型的布風板一般在柵格板上開直孔或用燒結板。 風帽形或噴嘴型：空氣首先進入噴嘴，然后通過水平或垂直向下的小孔，使 其分散進入床層。 布風管式：布有小孔的布風管直接插入床層，這樣就不需要布風板和風箱。 除了以上的幾種類型外，有幾家公司成功地采用了其他形式噴嘴的布風裝置。 例如帕埃爾迫伐公司采用的彎管型的噴嘴，該類型的布風裝置具有防止固體顆粒落 入風室和易于清理的優點。 2.2.2 布風板的作用 布風板的主要作用是：依靠布風板自身阻力，使布風板上下兩側氣流分布均勻， 使流化空氣均勻地流入爐內并在爐內產生均勻的流化狀態。具體地講，當布風板下 面的氣流靜壓分布不均勻時，具有一定阻力的布風板產生一個均壓作用，使流過布 風板的氣流速度處處相等，從而在爐內產生均勻的流化狀態；當爐內流化著的床料 隨機性地出現氣固流動不穩時，布風板能依靠自身的阻力，及時消除爐內不穩定流 化狀態。即當爐內某處出現溝流時，由于溝流處的流動阻力很小，大量的氣流會從 溝流處短路穿過床層，若布風板具有一定的阻力，則會隨氣流增大，溝流處布風板 阻力急劇上升，從而阻止更多氣流從溝流處短路并最終導致溝流現象消失。布風板 同時起到支承床料的作用。尤其是當正常運行的流化床送風機突然跳閘時，這時布 風板的床料可達近百噸之重，因此布風板必須要有一定的強度。 布風板的阻力特性是布風板性能的核心。布風板阻力特性的與風帽阻力特性的 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 11 研究方法類似，都是首先進行布風板阻力特性冷態實驗，之后通過相似理論由冷態 實驗結果推導熱態工況下布風板的阻力特性。研究布風板阻力特性時，需要在風帽 的阻力特性的基礎上，考慮布風板上的風帽布置，包括風帽數量、風帽的布置方式 等因素。由于我們的條件有限在此就不對布風板的阻力特性進行詳細的討論。 2.3 風帽 如前所述，目前在我國流化床中廣泛使用風帽式布風板。而風帽作為布風板上 最重要的部分，其結構、尺寸以及在布風板上的布置方式等，直接影響到流化床的 運行情況。風帽的作用是使得進風產生第二次分流并使氣流改向，同時產生旋轉運 動以及產生阻力，從而維持床層流化穩定。 要考察一種類型的風帽是否能夠更好的應用于流化床，就應該從阻力特性、防 漏渣性能等幾方面考慮。風帽是流化床的重要部件，是爐內高溫高磨損下的易損部 件，風帽的質量直接影響的流化工況和燃燒的穩定性，是流化床安全運行的保證。 風帽類型如圖 2-2 所示8。 圖 2-2 常見風帽的示意圖8 如下為幾種典型的風帽以及它們各自的優缺點9： (1)蘑菇形風帽。蘑菇形風帽在我國大量使用。該風帽結構簡單、易于制造、阻 力設計簡單，但是布置數量比較多，主要用于 200 t/h 及以下容量的流化床鍋爐，如 上圖 a 所示。 (2)S 形風帽。S 形風帽是對密孔板形布風裝置的改進，S 形風帽的小彎管代替了 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 12 小直孔或錐形孔，增大了布風板阻力，提高了布風均勻性；同時，也避免了細顆粒 漏入風室，如上圖 d 所示。 (3)大直徑鐘罩式風帽。鐘罩式風帽是蘑菇形風帽的變形，該風帽由內管和外罩 兩部分組成，如圖 e 所示。通過合理設計外罩開孔尺寸及數量，控制好風帽出口速 度，可降低風帽的磨損情況。另外，罩體水平方向開孔且孔徑較大，不易被顆粒堵 塞。風帽采用耐熱鋼精鑄而成，使用壽命長；同時，風帽數量少，相對來說易于檢 修。鐘罩式風帽特有的結構布置還可有效防止物料漏入風室。鐘罩式風帽已經出現 了很多變形，如逆流式、內嵌式（上圖 f 所示）等。 (4)定向風帽。定向風帽在爐底形成的氣流流向可以將粗顆粒床料吹向排渣口， 有利于渣的定向流動，能盡快將帶有石塊或其他雜質的床料排出；定向風帽的口徑 較大，出口向下傾斜，不易堵渣。 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 13 第三章 小型流化床布風系統的設計 3.1 流化床布風系統 3.1.1 布風板設計要點 在流化床的設計過程中，對布風板主要要求有以下幾點10： (1).采取布風均勻等措施，在整個運行范圍內保證均勻和穩定的流化以及使得布 風板上的死區最小。 (2).空氣通過布風板的阻力損失不能太大，但又需要一定的阻力；給布風板打耐 磨材料以使床料磨損最小。 (3).保證各方面的密封良好，以使固體顆粒落入風箱的量最少。 (4).能使布風板上的床料與空氣產生強烈的擾動和混合，要求風帽小孔出口氣流 具有較大的動能。 (5).具有足夠的強度和剛度，能支撐本身和床料的重量，壓火時防止風板受熱變 形，風帽不燒損，并考慮到檢修清理方便。 這里設計的流化床裝置一般都是在高溫條件下運行的，所以布風板的特性需要 有抗高溫的要求，那么本設計的布風板是采用法蘭悶板布風板，要充分考慮到制作 過程中的誤差會使事先留出的間隙完全消失。否則布風板的自由膨脹就會受到一定 程度的限制，甚至完全不膨脹。這樣就會造成布風板低的變形不能夠很好的正常工 作，所我們在加工法蘭的時候需要考慮受熱變形的情況。 流化床布風裝置主要由布風板、風室和冷渣管組成。 布風裝置的主要作用有： (1).支承床料； (2).空氣均勻的分布在各個爐膛的橫截面上，并提供足夠的動壓頭，使床料和物 料均勻的流化，避免勾流、沸騰、氣泡尺寸過大、流化死區等不良現象的出現； (3).把那些已經基本燒透、流化性能差、有在布風板上沉積傾向的大顆粒及時排 除，避免流化分層，保證正常流化狀態不被破壞。 3.1.2 布風板的選擇 這里設計的是小型的實驗室流化床布風板，所以只需采用平板型的布風板就可 以滿足實驗要求，在其上開孔安裝風帽或者噴嘴的布風裝置即可，如圖3-1。其優點 是：固體床料不會在風帽的頂部產生小的死床，風帽之間相互的配合，這個為正 常的流化打下了基礎；側噴氣流從多孔板的表面噴出，便于消除板面上的“死區”， 也不容易出現多空板面燒蝕問題，磨損也減少；因風室與爐膛不直接相同的，當 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 14 中斷操作時，不會出現側噴孔的堵塞現象，重新啟動也比較容易；其結構簡單， 易于設計及制造，成本低。但氣流方向正對床層，易使床層形成溝流，小孔易于堵 塞，停車時又易漏料。選擇的材料是 11,是奧氏體不銹鋼中應用中最廣 1189CrNi Ti 泛的鋼號。該鋼不用熱處理項，冷加工是唯一的強化手段，它的焊接性良好，可以 采用各種焊接手段進行焊接。在800以上的高溫下它的各種力學強度還是相當高 0 C 的，并且耐腐蝕，選擇GB9119.6-88PN0.25MPa的凸面悶板法蘭12。 圖3-1 布風板類型 3.1.3 風帽類型的選擇 風帽式布風裝置由風箱、多孔板(也稱花板)、風帽和隔熱層組成，一般來說， 風帽上小孔的面積之和遠小于布風板的面積，通過風帽上的小孔的氣流速度很大， 高速氣流進入床層的底部，對床層顆粒產生強烈的擾動，并在風帽周圍形成氣流墊 層，氣固質量交換強烈，這對于均勻床層和提高流化質量都是非常重要的。 風帽結構設計要求： (1)保障流化均勻； (2)阻力大小適中； (3)磨損輕微。 流化不均將加劇局部漏渣、增加床層局部 結焦的危險、升高局部上升流速加大床料量， 加重分離器分離壓力與回料器負擔。風帽阻力 過大燃燒系統的阻力消耗過大，影響到鍋爐運 圖 3-2 箭型風帽示意圖 行的風機電耗，進而影響到機組經濟性。作為對于現有流化床的改造，其阻力如超 過風機的壓頭余量，將導致鍋爐帶不上負荷。但阻力過小，又將導致布風板上方的 密相區流化不均，造成嚴重的漏床料并影響密相區的擾動過程。風帽的磨損不完全 是風帽材質決定，風帽附近的氣固流動狀態也起著決定性作用。因此，對于結構良 好、設計合理的風帽，應該同時具備上述三方面的性。 在上一章節的介紹中，了解到蘑菇形風帽在我國大量使用。蘑菇型風帽外形有 風帽頭，風帽小孔采用四周側向開孔，每個風帽開孔 6-12 個。可以一排或雙排均勻 布置，小孔中心線成水平，也可向下傾斜 15 度，以利于風帽間粗顆粒床料的擾動。 風帽小孔既可開在風帽頭上，也可開在風帽頭下。這種風帽阻力較小，氣流的分布 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 15 均勻性較好，流化性能較好，但存在著排渣不暢的問題3。此外，由于風帽內部結 構簡單，而且阻力特性受小孔風速影響較大，低風速下阻力較低，容易發生漏渣現 象，所以這種風帽在大型流化床鍋爐上的使用也越來越少。瑞典 Gotaverken Energy System 公司于 1988 年申請了蘑菇型風帽專利13，國內也有相關的蘑菇型風帽專利 14-16，本設計的小風帽結構如上圖 3-2，由于風帽一般都直接浸埋在高溫的床料里， 因此風帽采用需要耐熱的鑄鐵。本設計選用高硅耐熱的球墨鑄鐵 RQTSi5.5。 3.2 風帽小孔流速的選取 已知石英砂粒徑分布見表3-1。 表3-1 石英砂粒徑分布 顆粒直徑范圍（mm） 0.150.20.20.30.30.45石英砂質量 分布（%） 22.9942.5334.48 根據公式 （2-1） 0 1 i p i i p d x d 把上表3-1中的數值代入上式可以得出這組石英砂的粒徑， p d 1 0.150.2 0.175 2 p dmm 2 0.30.2 0.25 2 p dmm 3 0.30.45 0.375 2 p dmm 那么 0 11 1000.25 22.9942.5334.48 0.1750.250.375 i p i i p dmm x d 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 16 小孔流速是布風該裝置設計需要的一個重要參數，小孔風速越大，氣流對床層 底部顆粒的沖擊力越大，擾動就越強，越有利于大顆粒的流化。但是風帽小孔的風 速太大的話，風帽阻力就會增加，所需的風機壓頭增大，將要增加電能的消耗。反 之，小孔風速過低，容易造成粗顆粒沉積，底部流化不良，尤其是負荷降低的時候， 往往不能維持穩定的運行，造成結渣滅火。在之前人們大量的實驗表明，對顆粒度 為010mm的燃料，一般取小孔風速為3540m/s；而對于顆粒度為08mm的燃料， 一般取小孔風速3035m/s是可行的。并且選擇小孔速度時候和密度也有關系，密度 低的取下限，密度高的取上限。 這里根據已知的條件來確定通過風帽小孔的流體速度，也就是通常所說的速度 。是根據以上所已知的床料粒度來選擇的。在這里已經知道床料石英砂的平均vv 粒徑為，從以上的顆粒可知是在 08mm 的燃料，一般取小孔風速為 p d0.25mm 30 35m/s。根據流化床放熱運行實踐，顆粒的大小及顆粒的密度也是一個影響小孔氣速 的因素。當小孔氣速高時，氣流對底部顆粒的沖擊強烈，這對于增加顆粒在床內的 擾動有好處，使床層底部的大顆粒容易吹起來，實現穩定擾動。當負荷降低時，仍 可維持床層的正常運行。相反，如果小孔風速過于低的話，可能造成低負荷時無法 穩定運行而結渣甚至是滅火，這里選擇 =32，因此考慮風帽阻力不會太大，v/m s 而使得床內的流化特性比較穩定。 已知流化速度 =0.52.0，爐膛采用直徑標準為 17的鋼管。 u/m s484mm ， vb quA 2 4 b d A 由已知 =0.52.0，=40，=1256u/m s 1 dmm 2 4 b d A 2 3.1440 4 2 mm 得 =（0。52。0） vb quAu 2 4 d 2 63 3.1440 10/ 4 ms =(0.6282.512) 33 10/ms 已知 =32，(0.6282.512) v/m s v q 33 10/ms 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 17 由 ，那么 =19.62578.5 v q AfvAf 2 mm 本設計取風帽的直徑為，這是由于直徑為 1易于加工決定的，由1 f dmmmm 此可以計算出每個小風帽的面積： =0.785Af 2 4 f d 2 6 3.14 1 10 4 2 m 2 mm 在這里風帽的數量設為，根據求出的總的風帽面積和每個風帽的面積，從而n 求得風帽的個數，那么： n=/=19.62578.5/0.785=25100 個AfAf 在這里取風帽上的小孔總數為 48 個，通過計算可知此時的操作速度為 0.96m/s。 3.3 臨界流化速度和終端流化速度 本設計已知床料石英砂的密度，那么在常溫下冷態實驗時的 3 2400/ d kg m 最小流化速度可以求出。而設計的布風裝置運行溫度是在8001300，本設計的流 化介質為空氣，由于床料石英砂的動力粘度隨著溫度的升高而減少所以只要在常溫 下能夠流化的最小速度，在高溫下也可以流化。最小流化速度又名臨界流化速度。 流體流動帶給顆粒的曳力平衡了顆粒的重力，導致顆粒被懸浮，并且顆粒開始進入 流化狀態，這個速度就是我們這里所要求的最小流化速度。 可以查到在常溫下空氣的動力粘度，以及在常溫下的空 6 18.08 10 Pas 氣密度 18。 3 1.205/ f kg m 已知設計的操作速度是，從而可以求出雷諾數。從已知的條0.96/vm sRe 件下可以求出本設計在常溫下的最小流化速度根據以下的公式19,，3： 3 6 0.25 101.205 0.96 Re16 18.08 10 p vd 20 （2- 2 1650 pdf mf dg u Re 2） 代入已知的數據可以得出在常溫下床料的最小流化速度： mf u 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 18 0.05/ mf um s 流化床中的氣流量，一方面受到臨界流化速度的限制，另一方面也受到固 mf u 體顆粒被氣體夾帶的限制。當流化床中上升的氣體速度等于顆粒的自由沉降速度u 時，顆粒就會懸浮于氣體流中而不會沉降。當氣流的速度稍微大于這一沉降速度時， 顆粒就會被推向上方，因而流化床中顆粒的帶出速度即等于顆粒在靜止氣體中的沉 降速度。流態化操作時應該使得氣體流化速度小于或者等于此沉降速度，以防止被 帶出，那么這個速度為終端速度，亦即自由沉降速度20。它可以利用以下的公式計 算出常溫下的終端速度，對于1500的流動公式為21：Re （2-3） 1 2 3 2 4 225 df tp f g ud 把已知各數代入上式可以得出 1.92/ t um s 3.4 布風方式的確定 此設計選擇在布風板上布置 6 個小風帽，取 48 個小孔，因此需在每個風帽上 開 8 個小孔，可以集中分布在對著排渣孔的方向也可以均勻分布。若芯管側壁開有 一排小孔，那么芯管小孔的開孔率相對較為有限，從而影響風帽阻力系數的變化范 圍；若芯管側壁開有三排小孔，則風帽結構相對較為復雜，因此選擇在芯管側壁開 有兩排小孔。在一個以 25mm 為半徑的圓上均勻的分布，8 個小孔在風帽上的分布 為兩層，每層有 4 個小孔，這 4 個小孔處于同一水平高度，均勻的分布在風帽的圓 周上，這是蘑菇型風帽的特征之一。 通過以上所取的風帽個數可以求得實際布風板的氣體流量為： vf qnvA 633 48 320.785 101.21 10/ms 此時的操作實際的速度是=0.96。從以上的（2-2）和（2-3）兩個公式可u/m s 以知道我們已知的最小流化速度和最終流化速度分別是0.05m/s和1.92m/s，在這兩個 速度之間選擇的操作速度為0.96m/s是合理的，因此小孔數也是合理的。 開孔率是風帽設計的一個重要參數，開孔率是指各個風帽上小孔面積的總面積 和爐膛截面積之比，它是一個百分率表示的參數，即 內蒙古工業大學本科畢業設計說明書 19 = b f A A 100% 48 0.785 100% 1256 3% 對于鼓泡流化床鍋爐，開孔率常為 2%3%，而對于循環流化床，由于采用高速 流化風速，對布風條件要求比較寬松，開孔率可以適當提高，一般為 4%8%。由 上式得出的開孔率為 3%，這里設計一個實驗室小型流化床所以開孔率符合設計的要 求。 在本設計中在我們已經確定小風帽的個數為 6 個，那么在布風板上的布置情況 如圖 3-3 所示，這里要求分布均勻， 并且每一個小孔的直徑是 d=6mm， 每個小孔的圓心分布在直徑為 25mm 的圓上。 圖 3-3 布風形式 3.5 風室和風道 風室是進風管和布風板之間的空氣均衡容器。對風室的設計應滿足：有一定的 強度和氣密性，在工作條件下不變形不漏風；具有一定的容積并具有一定的穩壓作 用，消除進口風速對氣流速度分布不均勻性的影響