Основная информация о псевдоожиженном слое

Понятие псевдоожиженного слоя

 

Псевдоожижение – это процесс, при котором твёрдая статическая (сыпучая) масса переводится в состояние подобного жидкой массе.

Как правило этот процесс происходит, когда жидкость (капельная жидкость или газ) движется вверх через зернистый материал. Данный процесс псевдоожижения основан на действии (противодействии) сил: аэродинамического лобового сопротивления и гравитационных сил.

Так же создание псевдоожиженного слоя возможно в результате действия (противодействия) сил: аэродинамического лобового сопротивления и центробежных сил.

Когда поток газа вводится через дно смеси зернистого материала с жидкостью или газом, этот поток будет двигаться вверх через пустоты между зёрнами материала. При низких скоростях газа, силы аэродинамического лобового сопротивления каждого из зёрен, действующие со стороны потока газа, также невелики, и поэтому слой остаётся в связанном состоянии. При увеличении скорости потока газа силы аэродинамического лобового сопротивления, действующие на зёрна, возрастают и начинают противодействовать силам гравитации, что принуждает слой к увеличению его объёма. Дальнейшее увеличение скорости потока приводит к тому, что объём достигает некоторого критического значения, при котором поднимающие зёрна вверх силы аэродинамического лобового сопротивления становятся равными гравитационным силам – зерна зависают в потоке газа или жидкости. При критическом объёме слой обладает свойствами жидкости. При дальнейшем увеличении скорости потока газа, «единая плотность» («средняя плотность») слоя будет продолжать уменьшаться, и процесс псевдоожижения будет становиться более интенсивным до тех пор, пока зёрна не перестанут образовывать единый слой и частицы не начнут подниматься вверх, увлекаемые потоком газа [1].

 

Контроль параметров псевдоожиженного слоя

Контроль параметров слоя можно осуществлять тремя методами или сочетаний этих методов.

Регулирование количества топлива и воздуха, подаваемых в топку, обеспечивают поддержание постоянной температуры циркулирующей воды. Поддерживается постоянное отношение количество топлива/количество воздуха с тем, чтобы получить требуемое содержание О₂ в отходящих газах.

Псевдоожиженный слой разделён на зоны с тем, чтобы перекрыть поток воздуха в отдельные части слоя. Этот метод нельзя использовать при сжигании топлива с низкой зольностью.

При уменьшении количества материала слоя отключаются охлаждающие трубы слоя. Одновременно следует уменьшить количество топлива и воздуха.

Топливо может подаваться в топку либо снизу вверх над дном топки, либо над поверхностью слоя топлива. Подача топлива может производиться пневматическим или винтовым питателями. Для того, чтобы обеспечить равномерное распределение топлива в объёме топки, необходимо предусмотреть несколько точек подачи [2].

При активации псевдоожиженного слоя материал слоя должен быть нагрет до температуры приблизительно 600 °С с помощью стартовой горелки. Это сокращает период инициирования устройством процесса сжижения.

Типы псевдоожиженного слоя

Стационарный или барботажный псевдоожиженный слой подразделяется на две категории: кипящий слой и турбулентный слой. Когда над слоем больше не увеличивается падение давления, "избыточный воздух" начинает проходить через слой в форме пузырьков воздуха, создавая кипящий слой.

С повышением скорости воздушного потока увеличивается образование пузырьков, появляющихся и исчезающих в различных частях слоя. Такой слой называется турбулентным. При использовании в качестве топлива коры и щепы, имеющих низкую теплоту сгорания, охлаждать слой обычно не требуется. Зола удаляется вместе с отходящими газами и задерживается пылеуловителем.

Циркулирующий псевдоожиженный слой (CFB) – в данном слое газы имеют скорость достаточную для приостановки слоя частиц, из-за большей кинетической энергии жидкости. Таким образом, поверхность слоя менее гладкая, и из него могут уноситься крупные частицы, у неподвижных слоёв. Унесённые частицы рециркулируют через внешний контур обратно в слой реактора. В зависимости от процесса частицы могут быть классифицированы с помощью циклонного сепаратора и отделены от слоя или возвращены в него в зависимости от размера фракции [2].

В циркулирующем псевдоожиженном слое скорость воздушного потока возрастает до уровня, при котором топливные частицы выносятся за пределы слоя. Части угольной массы, которые не успевают полностью сгореть, отделяются и переносятся в нижнюю часть топки.

Таким образом, условия сжигания топлива в такой топке несколько отличаются от условий сжигания в кипящем слое – в основном по времени действия воздушного потока и степени перемешивания частиц, которое в этой топке происходит более эффективно.

Концентрация частиц в слое может изменяться в зависимости от параметров рециркулирующего потока. Это позволяет использовать различные виды топлива, так как управляемость этого слоя значительно выше, чем управляемость кипящего слоя.

Вибрационные псевдоожиженные слои аналогичны стационарным слоям, но добавляют механическую вибрацию к дополнительно возбуждают частицы для увеличения уноса.

Транспортный или мгновенный реактор (FR). При скоростях выше, чем в центробежном псевдоожиженном слое, частицы приближаются к скорости газа. Скорость скольжения между газом и твёрдым телом значительно снижается за счёт менее однородного распределения тепла.

Кольцевой псевдоожиженный слой (AFB). Большое сопло в центре пузырькового слоя вводит газ с высокой скоростью, достигая зоны быстрого перемешивания над окружающим слоем, сравнимой с той, которая обнаруживается во внешнем контуре центробежного.

Механически псевдоожиженный реактор (MFR). Механическая мешалка используется для мобилизации частиц и достижения свойств, аналогичных свойствам хорошо перемешанного псевдоожиженного слоя. Не требует псевдоожижающего газа.

Узкие псевдоожиженные слои (NFB). В этом случае соотношение между диаметрами трубы и зёрен равно или меньше. Динамика слоя тогда отличается от других типов псевдоожиженных слоёв из-за сильных эффектов удержания и наличия зернистых пробок.

При сжигании в нескольких псевдоожиженных слоях частицы топлива разных размеров  располагаются последовательно над участком подачи воздуха. В первом слое сжигание топлива осуществляется при температуре 900-950 °С. Так называемое вторичное сжигание происходит при температуре около 850 °С во втором (верхнем) слое.

Первичный воздух, подаваемый для поддержания процесса горения, равномерно распределяется над слоем топлива с помощью охлаждающей плиты, расположенной на дне топки. После образования псевдоожиженного слоя в него подаётся топливо. Под воздействием газов, образующихся при сжигании топлива в первом слое, и потока вторичного воздуха, нагнетаемого через распределительное устройство подачи воздуха второго слоя, происходит флюидизация второго слоя. Несгоревшие частицы, увлекаемые отходящими газами первого слоя, захватываются вторым слоем для вторичного сжигания [2].