作者：刘炯天
出版社：化学工业出版社
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煤炭工业“三废”资源综合利用试读：
前言
煤炭是保障我国能源稳定供应的主体，是支撑中国经济社会发展的基础性能源。煤炭工业是关系我国经济命脉和能源安全的重要基础产业，煤炭工业在我国国民经济中发挥着举足轻重的作用。然而，在煤炭开采、加工、利用过程中会产生大量的废渣、废水和废气，随意堆弃或排放，不仅会造成严重环境污染、破坏生态环境，同时也是各类资源的巨大浪费。面对环境、资源的双重挑战，对煤炭工业产生的“三废”进行洁净化处理、处置和资源化利用，既符合我国环境保护和资源综合利用技术政策，也是煤炭工业实施可持续发展战略的关键。煤炭工业“三废”的洁净化处理、资源化利用问题，已成为政府部门、科研院所和产业界等密切关注的热点。
本书共分五篇：第一篇是低热值煤资源开发与利用，内容涉及低热值煤概况、我国低热值煤发电技术现状、煤矸石等劣质煤发电技术；第二篇是煤系固体废物利用与处置，主要介绍煤系固废的利用及处置常用技术的原理、装置和工艺流程；第三篇是煤矿生产废水处理与利用，系统介绍了常见的煤泥水澄清处理方法、工艺和设备、实用技术热点等，阐述了常见煤泥水循环利用的控制方法和探索方向；第四篇是煤化工废水处理与利用，阐述煤焦化废水、煤气化废水及煤液化废水典型处理技术的工作原理、工艺流程、工艺特征及工程案例，为实现废水的达标处理或分质利用提供理论和技术支撑；第五篇是煤矿瓦斯的开发与利用，介绍了煤矿瓦斯赋存与抽采、瓦斯安全输送与预处理技术、低浓度煤矿瓦斯富集及综合利用以及高浓度煤矿瓦斯的资源化利用。
本书特点如下。（1）体系与结构创新 本书从低热值煤开始，按资源类型进行编写而形成独特的结构，构建了基于工业生态工程和循环经济理念的煤炭工业“三废”处理处置与资源化利用的整体技术体系。粉煤灰、煤矸石以高附加值利用为编著重点，分大规模填充利用、建材、高附加值利用三个层面来阐述煤中矿物资源综合利用技术；废水处理利用强调煤矿生产废水梯级利用，构建矿区大循环水体系功能；煤系固废利用与处置除高附加值利用技术外，还重点介绍了以废治废循环利用的大规模填充利用与复垦技术方法。（2）突出资源利用，内容丰富全面 涵盖了煤炭工业废水、废渣、废气三个领域，对煤炭工业“三废”的来源、污染、危害与处理技术、综合利用技术与工艺、设备和系统设计等内容均有全面阐述，重点突出“三废”利用技术，弥补了全面介绍煤炭工业“三废”处理与利用参考资料的不足。（3）实用性和启发性的统一 以知识性、系统性、可读性为指导原则，深入浅出地介绍相关基础理论知识，选取工程实例典型，突出资源和利用，同时指明相关技术的发展趋势和方向，实用性和启发性强。
本书作者长期致力于煤炭“三废”治理和利用的技术研究与应用，积累了扎实的基础理论知识和丰富的工程实践经验。他们结合各自研究成果，将煤炭工业“三废”综合利用方面的最新技术进行系统总结、编著成书，希望为从事煤炭工业生产、管理及科研等方面人员提供一本较为全面的参考书籍。
本书共分五篇，包括12章内容，由刘炯天统筹编著。具体编著分工如下：第1章由吕俊复、赵斌、苗真勇编著；第2章、第4章由解强、张军、曹俊雅编著；第3章由李旺兴、尹中林编著；第5章由王丽萍、蒋家超编著；第6章由郭中权、肖艳、崔东峰编著；第7章由张明青、王大鹏、刘炯天编著；第8章由何绪文、王春荣编著；第9章、第10章、第11章、第12章由周福宝、李庆钊编著。
限于编著者学识和水平，书中不足和疏漏之处在所难免，敬希读者朋友不吝指正。编著者2015年5月第一篇低热值煤资源开发与利用导读
低热值煤发电是指以煤矸石（收到基低位发热量大于4.8MJ·-1kg）、煤泥和洗中煤为燃料，并可以混合中热值煤（收到基低位发-1热量小于18MJ·kg），形成入炉燃料收到基低位发热量不大于14MJ·-1kg，采用循环流化床（CFB）机组进行发电的低热值煤利用方式。
随着低热值煤发电技术的日益成熟，煤矸石、煤泥和洗中煤等低热值煤已经成为我国重要的发电资源。煤矸石是我国目前排放量最大的工业固体废物之一，年产量达6亿吨左右，国内大小矸石山近万座，占地约1.7万公顷，目前已累计堆放50多亿吨。我国煤矸石产生量占煤炭产量的15％～18％，随着煤炭产量的增加，煤矸石排放量亦随之增加，因此开展资源综合利用，促进煤矸石等低热值煤资源化进程是实施节约资源基本国策的重要途径。目前，我国已从税收、电力调度等方面扶持煤矸石发电行业。“十二五”规划中，2015年，全国煤矸石产生量8亿吨，利用量6.1亿吨，利用率达到75％以上。其中，电厂利用3亿吨，煤矸石制建材利用1亿吨，煤矸石井下充填、复垦和筑路利用2.1亿吨以上。煤泥是煤炭洗选加工的副产品，是由微细粒煤、粉化骨石和水组成的黏稠物，具有粒度细、微粒含量多、水分和灰分含量较高、热值低、黏结性较强、内聚力大的特点。随着我国煤炭开采产量和原煤入洗率的提高，煤泥的产量也在逐年增加。现阶段煤泥的利用途径主要有煤泥燃烧，煤泥制浆燃烧和煤泥制型煤。伴随着流化床燃烧技术的不断发展和成熟，国内外针对煤泥的特性先后开发了各种各样的煤泥循环流化床燃烧技术，为煤泥的利用开辟了有效途径。
煤矸石和煤泥的最好利用途径之一是发电。经过30年的发展，中国的煤矸石综合利用发电技术日臻成熟，产业初具规模。目前全国煤矸石综合利用电厂近400座，投产的总装机容量已达26000MW左右。随着国民经济的发展，煤炭产量的增加，能源需求量的增长，可以预测今后煤矸石发电必将有更大的发展。我国的煤泥电厂兴起于20世纪90年代，到目前有20余年的时间。在此期间，煤泥燃烧技术在国-1-1-1-1内得到了较快发展，锅炉容量由35t·h、75t·h、220t·h、440t·h等逐步增长。现代电力工业在飞速发展，电站建设规模也越来越大，对燃料要求也越来越高，然而煤炭资源却越来越少，煤炭适应能力也越来越低，吃肥丢瘦的问题日渐突出，从世界电力发展的趋势来看，开展资源的综合利用是必由之路。因此，低热值煤发电技术的发展就具有独特的战略意义。第1章低热值煤发电1.1 低热值煤的资源化1.1.1 低热值煤（1）煤炭资源特征
我国是煤炭资源比较丰富的国家，煤炭是我国的基础能源，在一次能源结构中占70％左右。2011年我国煤炭总产量达到32亿吨。我国目前已探明煤炭储量10997亿吨，而预测煤炭总资源量将超过50000亿吨。国家在“十一五”期间重点集中建设和开发了占地面积2共25085km的十三个大型煤炭基地，这些基地的保有煤炭储量近万亿吨。
我国煤炭资源分布极广，在全国26个省（自治区、直辖市）均发现有煤炭资源并进行开采。但煤炭资源分布很不均衡，在秦岭-大别山以北地区，保有煤炭资源储量占全国总储量的90％左右，其中65％的资源集中分布在山西、陕西、内蒙古三省区；而在秦岭-大别山以南地区保有煤炭储量仅占全国总储量的10％，其中的绝大部分则集中分布在云南和贵州两省。若根据煤炭资源、市场等情况，可将全国划分为煤炭调入区、煤炭调出区和煤炭自给区三个功能区。我国经济最发达的东部十个省区的保有煤炭资源储量只占全国的5％，煤炭资源分布与经济发展程度呈逆向分布，这就造成了煤炭运输数量大、距离远的现状，使得煤炭运输成为我国煤炭供给的一大瓶颈。
煤炭通过洗选加工，质量将会提高，这就实现了优化产品结构、改善铁路运力、降低运输成本的目标，在此基础上实现按质分级利用，是煤炭绿色开采和高效利用的有效途径，也是煤炭工业结构调整和产业转型的重要内容。2011年已经建成并投产的在役选煤厂达到1800多处，年处理能力15亿吨，入洗原煤总量14.5亿吨：其中炼焦煤选煤厂1100余处，年处理能力8.5亿吨；动力煤选煤厂700余处，年处理能力6.5亿吨。通过洗选，减少交通运力占用1614亿吨·公里，减少运费支出145亿元。规划到2020年在13个大型煤炭基地中，将会新建选煤厂400座，改扩建74座，届时原煤入洗率将达到70％。在原煤生产、洗选过程中，不可避免地会产生大量的煤矸石、煤泥和洗中煤等低热值煤。（2）低热值煤特征-1
煤矸石（收到基低位发热量大于4.8MJ·kg）、煤泥和洗中煤等，-1可以混合中热值煤（收到基低位发热量小于18MJ·kg），形成收到基-1低位发热量不大于14MJ·kg的入炉燃料，称为低热值煤。
煤矸石是在煤炭形成过程中与煤共生、伴生的岩石，是煤炭生产和洗选加工过程中产生的固体废物，曾被看成是“工业垃圾”。煤矸石包括煤矿在建设期开凿巷道排出的矸石、原煤生产过程中掘进巷道排出的煤矸石、原煤出井后进入选煤厂进行洗选分离排出的洗矸。其中煤矿开凿巷道排出的矸石一般没有热值，只有在穿越煤系地层时才会排出少量含煤矸石。掘进巷道和半煤岩巷道会排放出大量含有煤炭的掘进矸石。选煤厂排出的洗矸是在井下开采中，煤层中间的夹矸、煤层的顶和底板脱落混入的炭质页岩类岩石。我国东部老矿区和其他部分矿区深部煤层本身含灰量大，原煤灰分有的超过50％，一些炼焦煤品种煤层灰分超过60％的也在开采，导致原煤灰分很高，洗选排矸量很大。这些固体废物如果堆存，将形成每座占地1500亩（1亩2=666.7m，下同）的煤矸石山100余座。这些矸石都是炭质页岩类矿物，是煤炭在成煤期地质变化而混入的，形成炭和黏土共存，无法避免，本身也有一定的热值。目前，十三个大型煤炭基地重介质选煤占洗选方式的50％以上，跳汰法选煤占30％左右。目前，重介质选煤-1-1洗矸热值一般都控制在6MJ·kg之内，跳汰选煤洗矸热值在8MJ·kg-1以下，炼焦煤选煤厂浮选尾矿热值可以达到12MJ·kg左右，这些煤矸石均可用作燃料。各地区的具体情况因煤炭资源赋存状况和煤质、［1］煤种不同，差别比较大。
煤泥和洗中煤是煤矿生产的原煤经选煤厂加工后排出的较其原煤发热量低的煤炭。进厂时原煤中的细粉煤和原煤在洗选过程中煤粒间经过摩擦等机械破碎、被水浸泡泥化等作用而形成的一部分很细的煤岩末，统称煤泥。煤泥分原生煤泥和次生煤泥，原生煤泥是指原煤在地下开采和运输过程中被破碎的粉末；次生煤泥是指煤炭在湿法分选过程中，由于洗选工艺造成的机械破碎粉和经水浸泡泥化的煤岩末，通过浮选回收部分细粒精煤后，剩下的固体物质进行压滤脱水得到的-1煤泥。煤泥热值一般在10～14MJ·kg之间。洗中煤是原煤在洗选过程中，由于没有充分破碎解离形成的半煤半岩颗粒产品。洗中煤含灰-1分较高，一般都在35％以上，热值多在10～16MJ·kg，差别很大［2］
。
次杂煤是煤矿对少数有一定热值的垃圾类物质的统称。主要来源于井下巷道遗撒、轨道和其他缝隙散落、清理水沟、井下水仓的淤泥煤岩末，以及地面堆存中铲除的地皮等，各煤矿数量都不大，一般每年在几百吨到上千吨之间。（3）低热值煤产量
目前我国每年排放洗矸2.5亿吨，高灰煤泥6000余万吨。到2020年，13个大型煤炭基地每年将产生5.36亿吨可用于发电的低热值煤，折合标准煤1.62亿吨。低热值煤应该就地消化利用，否则大量灰分通过远距离运输进入消费环节，既浪费交通运力，又会造成消费环节的不必要损失。
山西、蒙西、陕西、宁东、陇东、贵州和新疆（以下简称七地区）煤炭资源储量丰富，除贵州外，均开采条件好，矿区规模大，主要以大型和特大型煤矿为主，未来我国煤炭增长和调出主要依靠这些地区。“十二五”期间七地区低热值煤产量大，外运不经济，就地消纳困难，但可以作为建设电厂的燃料，因此七地区是低热值煤发电发展的规划重点。
七地区所辖的42个矿区均在国家大型煤炭基地内，规划到“十二五”末期，原煤产量均在1000万吨以上，且煤矸石等低热值煤产量大且集中，详见表1-1。表1-1 42个矿区（基地）煤炭资源储量及产量
截至2010年，七地区42个矿区原煤产量15亿吨，原煤入洗量9.45亿吨，产生低热值煤0.83亿吨，其中煤矸石0.40亿吨，煤泥0.25亿吨，洗中煤0.18亿吨。详见表1-2。表1-2 2010年七地区低热值煤产量①1cal=4.1868J，下同。
2015年，预计七地区42个矿区（基地）原煤产量25.33亿吨，原煤洗选量19.07亿吨，产生低热值煤1.59亿吨，其中煤矸石0.79亿吨，煤泥0.48亿吨，洗中煤0.32亿吨。配入约46％的中热值煤后，可-1产生3亿吨发热量为14MJ·kg的发电燃料，详见表1-3。表1-3 2015年七地区低热值煤产量1.1.2 低热值煤的资源化（1）资源化利用途径
低热值煤最好的利用途径之一是发电，发电的主要实现方式是（CFB）锅炉机组。煤矸石除用作发电外还可以用于提取化工品、生产建材、生产农用肥料，以及用于沉陷区回填、筑路等。我国低热值煤发电和煤矸石建材已在工业化道路上不断发展，而在化工利用方面目前尚处于研究和示范阶段。
国外一般原煤产量较小，荒地多，人口少，低热值煤炭利用的问题不是很突出。除中国和俄罗斯外，其他主要产煤国家包括美国、澳大利亚、德国、南非等，都是将煤矸石、洗矸和煤泥等低热值煤直接堆存在地面适当地点，然后压实绿化，很少利用。而我国原煤生产数量巨大，相应的低热值煤炭排放数量大，矿点多，占用空间大，问题十分突出。
我国是发展中大国，人多地少，煤炭资源并不很富裕，而且东部矿区大多位于人口稠密的平原熟土区域，所以自建国以后，我国煤炭生产中排放的煤矸石一直在进行消纳利用，目的是减少矸石排放占用的耕地，降低矸石山的自燃引起的无序排放，缓解对环境生态的破坏，同时尽量回收矸石中的热量。部分矿区的煤矸石还有一些特殊成分，如高岭岩、膨润土、耐火黏土、硅藻土，可因地制宜地进行深加工。个别矿区的个别矿点的煤矸石中，含有诸如锗、钒、镓等稀有贵金属元素，可以进行提纯利用。还有少数矿点的煤矸石中含有较高的铝元素，也可提炼和回收利用。
由于低热值煤炭中煤矸石、煤泥和洗中煤的热值和成分存在着比较大的差异，因此对于低热值煤炭的综合利用宜采取分类利用的原则-1如下。热值在1.2MJ·kg以下的煤矸石，已经没有燃烧价值，主要用于填坑造地和道路建设的路基材料，剩余的部分只能是堆存覆土绿化。因此这部分煤矸石应力争不出井，用于井下局部充填置换煤柱，-1减少煤柱资源损失。对于热值1.2～3.2MJ·kg的煤矸石，燃烧非常困难，经济上也不合理，可添加黏土，用于生产内热式煤矸石烧结砖。目前全国已经发展到年产80多亿块标砖的能力，实际产量60亿块标砖左右，年消耗煤矸石1800万吨左右。但是矸石砖的生产受到运输-1半径的限制，而当地需求不足。热值超过3.2～4.8MJ·kg的煤矸石，由于内含热值过高，不能直接100％用于烧砖，需要掺混黏土，否则-1砖容易过烧变形。对于热值较高（>4.8MJ·kg）的煤矸石，由于煤矸石中碳含量较高，难以直接使用，必须先进行脱碳和活化，所以首先利用煤矸石燃烧发电或供热，脱碳和活化的同时回收热量，这也是大量建设煤矸石综合利用电厂的初衷。煤矸石经过低温煅烧后，其中的铝、硅、钙系化合物被活化，适宜用作水泥熟料的混合材料，充分消纳利用了煤矸石。-1
目前，对热值较高（>4.8MJ·kg）的煤矸石，煤炭调入省区基本都作为燃料利用，而在煤炭调出省区，由于产生量大和煤炭供应充足，少部分就地利用，大部分用于沉陷区回填、筑路等。洗中煤和煤泥的热值相对较高，一般掺入到高热值煤中作为燃料销售或就地利用。（2）低热值煤发电现状
20世纪70年代末80年代初开始，随着鼓泡流化床锅炉的出现，开始采用鼓泡流化床锅炉燃烧煤矸石进行发电，建设了一批单机6MW级煤矸石综合利用电厂，主要为矿区生产和生活提供电能和热能。有力地促进了我国流化床燃烧技术的发展，进而推动了循环流化［3］床（CFB）燃烧技术的发展。目前商业化循环流化床锅炉单机容量已经发展到600MW，而这些循环流化床锅炉主要就是以煤矸石等低热值煤作为燃料的。
经过三十多年的发展，我国的煤矸石综合利用发电技术日臻成熟，产业初具规模。目前全国煤矸石综合利用电厂近400座，投产的总装机容量已达26000MW左右，主要分布在重点产煤区。2010年，七地区CFB电厂总装机容量15000MW，占全国总装机容量的57％，利用低热值煤0.8亿吨左右，而全国煤矸石综合利用电厂共消耗低热值煤约1.3亿吨，相当于节约3500万吨煤炭，相应减少占压土地2［4］300hm。低热值煤发电在节约能源、控制环境污染和生态破坏、缓解土地资源紧缺、减轻生态处置压力，以及减少安全隐患等方面都做出了重要贡献。
对于我国CFB机组，经过近十多年不断地研发和改进，300MW级及以下容量的国产CFB机组已基本成熟，其设计、建设、调试、运行的技术已经不存在大的问题，锅炉及主要辅机产品（高压风机、冷［5］渣器等）运行可靠性也大大提高。作为低热值煤综合利用发电的主要方式，CFB机组能够较好地利用各种热值燃料，在实现低热值煤综合利用方面具有不可替代的作用，是其他类型机组无法比拟的。另外，大型CFB机组在优化我国电源结构、减少发电污染物排放等方面具有一定作用。1.2 流态化基础1.2.1 流态化（1）气固接触
流态化是用来描述固体颗粒与流体接触的一种运动形态，是一种使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体状态的操作［6］
。这里只讨论固体与气体接触的情形。
将固体颗粒盛于具有多孔底板的柱状容器内，如图1-1所示。气体经多孔的底板流入时，若气体流速较低时，流体只是穿过静止颗粒之间的空隙向上流动，这时固体颗粒保持静止不动，床层高度等于静止床高L，床层体积也没有变化。由于此时颗粒保持静止，因此称m为固定床。图1-1 流体流经固体颗粒层出现的流型
若气体流速进一步升高，在某个特定的速度下，全部颗粒都刚好悬浮在气体中，此时，床层高度增加，变为L。此状态下，颗粒与mf流体之间的摩擦力，亦即流体对颗粒的曳力刚好与颗粒的重力相等，相邻颗粒间在垂直方向上的挤压力为零，颗粒的重量完全由气体对它的曳力所支持。通过床层的任一截面的压力大致等于该截面之上颗粒和流体的重量。床层可认为是刚刚流化，称为初始流态化，或者称为处于临界流化状态，对应的气体速度称为临界流化速度。风速略高于临界流化速度但尚未鼓泡的状态，称为移动床。
当气体流速继续升高超过临界流化速度一定程度时，大于临界流化风量的那部分气体将集中以气泡的形式穿越床层。气泡上升过程中，由于周围压力的下降，气泡体积增加，与相邻的气泡相互重叠时发生合并。气泡到达床面时，由于环境压力骤减而发生破裂，产生很大的压力脉动，使床层出现很大的不稳定性。但是此时宏观上有一个十分清晰的上界面，床层进一步膨胀达到L，但L并不比L大很多。这BBmf样的流化状态称为鼓泡流化床，简称鼓泡床。
只要床层有一个十分清晰的上界面，气体流化床都可认为是密相流化床。但是当气体流速高到足以超过固体颗粒的终端速度时，床层上界面就会消失，并可以观察到夹带现象，固体颗粒被流体从床层中带出。若带出的颗粒浓度较低，此时对应的流化状态称为湍流床。
若下部有足够的细颗粒补充，则颗粒夹带的量很高，高到一定程度时，颗粒上升过程中会出现团聚，形成终端速度远远大于单颗粒的颗粒团，浓度进一步显著上升，此时对应的流化状态称为快速床。形成快速床的必要条件是要有细颗粒的循环。
若固体的存量较少、颗粒很细，气体对颗粒的携带能力很强，所有颗粒的终端速度均远小于气流速度，则形成稀相气力输送，对应的［7］气固两相流动称为稀相输送床，有时又称为气流床。
当固体颗粒处于流化状态时，在许多方面表现出一系列类似液体的性质，如图1-2所示。例如，当容器倾斜时床面会自动达到并保持水平，无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也与容器的形状保持一致，就像水一样会充满容器的每一个角落。当两个床体在水平方向连通后，颗粒将从一个床流向另一个床，并且两个床将最终趋于平衡，这就像中学物理课上讲的连通器一样。在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量，床内沿高度方向任意两点的压降等于这两点间的床层静止压头之差，因此流化床两点间压降的测量方法与测液体压差的方法类似。密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。一个大而轻的物体可以很容易地被推入床层，当撤去外力后它就弹起并浮在床面上。铁球会沉在床底，而羽毛球则会浮在床层表面上，这就如同木头会浮在水面上，而铁块会沉在水底一样。床内气固两相流可以像液体一样，从底部或侧面的孔口中排出，可以利用这一特性在床层表面设置一溢流口，以维持稳定的床层高度并自动排出渣料。流化的颗粒可以像液体那样从器壁的孔口流出，也可以像液体一样从一个容器流入另一个容器，敲击器壁，床面还会出现波纹与浪头。如果搅拌床层会发现搅拌所消耗的能量比料柱不被悬浮时所需要的能量要少得多。图1-2 流化床系统的流体性质
流化床的特性，既有有利的一面也有不利的一面。表1-4给出了气固反应系统接触形式的比较。［7］表1-4 气固反应系统接触形式的比较
可见流化床本身具有如下优点：a.由于流化的固体颗粒有类似液体特性，从床层中取出颗粒或向床层中加入新颗粒方便，容易实现操作的连续化和自动化；b.固体颗粒混合迅速均匀，反应器内处于等温状态；c.流化床气固之间的传热和传质速率高，床内换热器小，降低了造价；d.通过两床之间固体颗粒的循环，易于提供或取出大型反应器中需要或产生的热量。
由于颗粒浓度高、容量大，易于维持低温运行，这对劣质煤燃烧、燃烧中脱硫等反应是有利的。但是，流态化装置也有一些缺陷：a.当设计或操作不当时会产生不正常的流化状态，由此导致气固接触效率的显著降低；b.脆性固体颗粒易成粉末并被气流夹带，需要经常补料以维持稳定运行；c.气速较高时床内埋件表面和床四周壁面磨损严重；d.对于易于结团和灰熔点低的颗粒，需要低温运行，从而降低了反应速率；e.与固定床相比，流化床能耗较高。
虽然流化床存在一些比较严重的缺点，但流化床装置总的经济效果是好的。特别是在煤燃烧方面，流化床技术已经被成功地应用到工业规模，并呈现出良好的发展前景。对流化床内气固流动的运动规律有了正确、充分了解之后，就能够最大限度地克服其缺点，发挥其优点，使流态化技术得到更好的发展。（2）颗粒分类
在实践中发现，颗粒的性质对于气固两相流的流态有着至关重要的影响，并不是所有的颗粒都能够被流化。根据流态化研究的结果，可以把固体颗粒大致分成如图1-3所示的A、B、C和D四类。在了解固体颗粒流态化性质上，分类是一种很重要的手段，因为在相近的操作条件下不同类的颗粒流动表现可能完全不同。某种固体颗粒是属于A、B、C还是D类，这主要取决于颗粒的粒径和密度，同时也取决于流化［8］气体的性质，这主要是与气体的温度和压力有关。图1-3 颗粒分类-3
A类颗粒（ρ=2500kg·m）粒径一般在20～90μm范围内，气固p-3密度差小于1400kg·m。这类颗粒能够很好地流化，但在表观速度超过临界流化速度之后及气泡出现之前，床层会有明显的膨胀。很多循环流化床化工反应器系统采用A类颗粒。这类颗粒在停止送气后有缓-3慢排气的趋势，由此可鉴别A类颗粒。B类（ρ=2500kg·m）主要是p砂粒和玻璃球，粒度通常在90～650μm范围内。气固密度差为1400-3～4000kg·m。B类颗粒易于鼓泡，气速一旦超过临界流化速度，床内立即出现两相，即气泡相和乳化相。大部分流化床锅炉的颗粒为B-3类颗粒，能够很好地流化。C类颗粒（ρ=2500kg·m）非常细，粒p径一般小于20μm。C类颗粒具有黏结性，颗粒间作用力与重力相近，特别易于受静电效应和颗粒间作用力的影响，很难达到正常流化状态。如果要流化C类颗粒，需要特殊的技术，否则常会形成沟流。-3常常通过搅拌和振动方式使之正常流化。D类颗粒（ρ=2500kg·m）p是所有颗粒中最粗的（>650μm），粒径通常达到1mm或更大。虽然流化时也会鼓泡，但固体颗粒的混合相对较差，更容易产生喷射流。D类颗粒的流化要求相当高的速度，通常处于喷动床操作状态。表1-5给出了不同类型的颗粒特性比较。［7］表1-5 四类颗粒的特点
粒度分布较宽的煤颗粒及其形成的灰渣颗粒，同时具有A颗粒和B颗粒的属性。气速较低时，它充分表现B颗粒的鼓泡特征；气速较高时，煤颗粒中细粉特征占主导地位，它也可以是下部为鼓泡流化床，而上部为湍流床或快速床。（3）空隙率
如前所述，在气体与固体颗粒的接触过程中，随着流型的变化，单位空间体积内颗粒的质量发生变化。为了描述固体的浓度，引入空隙率ε的概念，定义为：-3
式中 ρ——料层颗粒的视在密度，kg·m；p-3
ρ——料层颗粒的堆积密度，kg·m。b
不论是固定床、流化床还是气流床均存在空隙率。固定床的空隙率是床料颗粒堆积密度的函数，与床料的粒径及其分布、真实密度有关。流化床的空隙率与表观气速有关，随着表观气速的提高，床层膨胀流化，流化床层高度增加，使其空隙率增加。在流化稳定时，床层的压差等于流化起来的固体颗粒的质量：Δp=ρgh（1-ε）=ρgh（1-ε） （1-2）kook-2
式中 g——重力加速度，m·s；-3
ρ——颗粒的真密度，kg·m；k
h——固定床时的床层高度，m；o
h——流化床的床层高度，m；
ε——固定床时床层的空隙率；o
ε——流化床层的空隙率。
由式（1-2），可以得到床层由固定床转化为流化床的膨胀比R：
或者
可见，随着气流速度的不断增加，空隙率ε将不断增加，膨胀比R不断增加。当气流速度增加到使所有的床料都被气流带出炉膛时，就达到了气流床状态，此时膨胀比趋于无穷大，即R→∞，空隙率ε约等于1。1.2.2 基本概念
1.2.2.1 流化速度
在前面已经提到，由于流化速度的不同，固体颗粒会出现不同的流动形式，从而出现不同的流型。尽管很多学者在流态化方面已经做过大量的研究工作，但是还不能完全根据颗粒和流体的物理性质以及操作条件，确切地预测流态化系统的特性。影响两相流动的重要参数［7］是流化速度，为了方便地确定固体颗粒所处的流动状态，必须了解流化速度的相关概念。（1）临界流化速度
如前所述，固定床和流化床之间很少发生突变，流体以低流速通过床层时，颗粒之间相互作用基本不受影响。当流速低于某一速度时，松散堆积着的颗粒只发生局部运动，当流速进一步增加时，床层内可能只产生局部小空穴的流态化，此后，在一个较窄的速度范围内，床层大部分进入流态化。当流体对颗粒的曳力刚好与颗粒的重力相等时，这时颗粒的重量完全由气体对它的曳力所支持。此时的床层可认为是刚刚流化，这一状态被称为处于临界流化状态，对应的表观气速为临界流化速度u。mf
临界流化速度是流化床操作的最低速度，也是描述流化床的基本参数之一。若要使颗粒流化起来，气体速度必须大于临界流化速度。
临界流化速度可以采用固定床的压降和表观气体速度的关系式来进行计算。当颗粒处于临界流化状态时，颗粒的重量完全由气体的曳力和空气浮力来支持，即此时的压降等于该段悬浮颗粒的浮重。用这种方法计算临界流化速度，必须知道这一状态下的床层空隙率ε。mfε与颗粒的球形度фs有关，即与颗粒形状和粒度分布有关。对于近mf似球形的颗粒，在临界流化状态下，其空隙率ε约为0.4。虽然缺乏mf可靠的预测空隙率的理论方法，但是空隙率容易由试验直接测出，因此床层的空隙率ε通常由试验方法求得。
在确定了床层空隙率后，就可以根据空隙率来计算床层的压降。Δp=（ρ-ρ）（1-ε）hg （1-5）pf
式中 Δp——床层压降，Pa；-3
ρ——固体颗粒的密度，kg·m；p-3
ρ——气体的密度，kg·m；f
h——床层高度，m。
在临界流化状态时，将临界流化状态下的参数代入式（1-5）得：Δp=（ρ-ρ）（1-ε）hg （1-6）pfmfmf
根据已有的研究，通过总结可以得到一些计算压降的关联式，这些关联式能够适用于临界流化速度的分析。对于细颗粒床，压降和表观气速的关系为：-1
式中 u——临界流化速度，m·s；mf
ε——临界状态下的床层空隙率；mf
ф——球形度，定义为与实际颗粒体积相等的球形颗粒的表面s积与实际表面积的比值；
μ——动力黏度，Pa·s；
h——临界流化状态时的床层高度，m。mf［8］
对于较大的颗粒，床层压降和表观气速的一般关系为：
其中第一项为黏性项，当流速较低时占主导作用；第二项为惯性项，当流速较高时且流动为湍流时，该项起主要作用。该表达式通过引入球形度ф，使得其也能适用于非球形颗粒情况。在颗粒雷诺数s较低，通常小于20的情况下，黏度损失占主导，这样可以忽略惯性项，将式（1-8）简化为：
在颗粒雷诺数大于1000时，只需考虑动能损失而忽略黏性项，则式（1-8）可以简化为：
根据临界流态化的定义，临界流化速度是当床层压降等于床层颗粒质量时所对应的流体速度，由式（1-6）和式（1-8）得：
写成显函数形式为：
由于影响临界流化速度的因素很多，很难进行条件相同或比较接近的平行试验，因此不同学者对式（1-12）中的常数有不同的结果，因此式（1-12）主要反映了临界流化速度与颗粒和流体物性之间的定量关系，计算结果只是对临界流化速度做的比较粗糙的估算。
流化床中固体颗粒的大小通常不是均匀一致的。因此，在临界流化速度的计算中，颗粒直径d要用平均颗粒直径。按不同的定义可以p得到不同物理意义下的平均粒径。在流化床中，通常采用的平均粒径d为：p
式中 x——颗粒各筛分的质量份；i
d——各筛分平均直径，可按算术平均计算，，也可以pi按几何平均计算，；
d，d——上、下筛孔径。pi1pi2
在理想单粒径系统中，临界流化速度是固定床转变为流化状态时的速度，是唯一的确定值。实际上，临界流化速度则是一个范围。而对粒度分布宽的颗粒，临界流化速度的确定就变得更为困难了。目前公认的临界流化速度确定方法是采用压降-流速关系曲线。
在气固系统中，当通过的气体流率很低时，随着风速的增加，床层压降增加；当风速达到某个特定值时，床层压降达到最大值Δp，max如图1-4所示。该值略高于整个床层的静压，如果再继续提高气速，固定床会突然发生“解锁”，床层空隙率由ε增大至ε，同时导致床mf层压降降为床层的静压。随着气速超过临界流化速度，床层出现膨胀和鼓泡现象，在一段较宽的范围内，进一步增加气速，床层的压降几乎维持不变。上述从低气速上升到高气速的压降-流速特性试验称为“上行”试验法。由于床料初始堆积情况的差异，实测临界流化风速往往采用从高气速区降低到低速固定床的压降-流速特性试验，通常称其为“下行”试验法。用“下行”试验法，将固定床区和流态化床区的各点画线，并略去中间过渡区的数据，这两直线的交点即为临界流化速度。图1-4 床层压降-流速特性曲线
图1-5是某锅炉临界流化速度的实际测试曲线，测定的床存量即静止料层高度基本上与实际运行时的静止料层高度一致。试验中用降低流速法使床层自流化床缓慢地复原至固定床，同时记下相应的气体流速和床层压降，在双对数坐标纸上标绘得到如图1-5所示的曲线。略去中间过渡区数据，分别利用固定床区和流化床区的数据点各自画线，这两条直线的交点即是临界流化点，其对应的横坐标的值即是临界流化速度u。图1-5中的u为开始流化速度，此时床层中有部分颗mfbf粒进入流化状态。u为完全流态化速度，此时床层中所有颗粒全部进tf入流化状态。对于粒度分布较窄的床层，u、u、u三者非常接mfbftf近。图1-5 确定临界流化速度的实测方法
值得注意的是，临界流化速度主要受颗粒粒径、密度及形状的影响，在床存量不是很小的条件下，与床存量无关，这从临界流化速度的式（1-12）表达可以看出。（2）最小鼓泡速度
当表观气速高于临界流化速度时，超过临界流化风量的过余气体以气泡的形式上行，形成了以气体为主的气泡相，而气泡相之外的颗粒相称为乳化相，乳化相中颗粒处于临界流化状态，其中的气体速度近似等于u，且具有特征空隙率ε。气泡相是分散相，乳化相为连mfmf续相。床层内产生气泡的最小速度称为最小鼓泡速度u。对于A类mb颗粒，如果气速低于u，则不会形成气泡，此时床层会一直膨胀，mb直到气速到达u。简单地说，当达到最小流态化时，若气流量不够mb大，那么气体就是分散的，气体穿过固体颗粒与颗粒之间的空隙上升，不会形成气泡。［8］
最小鼓泡速度u与气固两相的性质有关：mb
流化床中有固相和气相两类物质，当固相的性质确定后，若流化床装置不变，则只有气体流速是影响床层流化状态的唯一可控变量。工业中的操作气速一般均远大于临界流化速度，所以调节气速实际上是调节超过临界流化气量的那部分气体量，也就是改变气泡的数目、大小和频率，从而使整个床层的运动发生变化。在鼓泡流化床中，气体从布风板进入床层中时，由于布风板上开孔的限制，气体从孔口中高速喷入床内，除少量气体以临界流化速度在颗粒之间流过外，多余的部分均以气泡的形式通过。这些气泡在生成后，向上运动从而引起了周围乳化相的相应运动。一方面，小气泡随着上升过程中气泡相周边压力的下降，气泡本身膨胀，同时，上升途中气泡流动轨迹的随机性使气泡之间合并长大；另一方面，气泡过大而失稳，发生破裂，夹带一部分颗粒。由于气泡在床层水平截面上的分布是不均匀的，因此就产生了床内乳化相的局部以至整体的循环流动。
当气泡一旦到达床层表面，就会由于离开床层的压力突降而爆破，并把气泡周界的颗粒抛向上部的自由空间中去，形成气体对颗粒的夹带。一般而言，气泡破裂产生的气体瞬间速度远远大于表观气速。但是被气泡抛向空中的颗粒，由于其中的部分颗粒比较大，终端速度大于表观气速，因此在上升途中会有部分沉降下来回入床中。但那些细颗粒将被带走，只有通过炉膛出口的分离器才能将它们捕集下来，经过返料装置返回密相区内。在自由空间中，颗粒的浓度以及能实现沉降所需的高度都与气泡爆破时的大小和气速有关。（3）颗粒终端速度
颗粒在某气体流速下既不上升也不下降，此速度即为颗粒的自由沉降速度，也叫终端速度。当气流的速度稍大于这一沉降速度时，颗粒就会被推向上方，因而流化床中颗粒的带出速度即等于颗粒在静止气体中的沉降速度。在某些条件下，如果希望避免颗粒被大量带出，可以控制表观气速小于或者等于此沉降速度。发生夹带时，这些颗粒必须循环回去，或用新鲜物料来代替，以维持操作状态的稳定。
颗粒在流体中沉降时，共受到重力、浮力和流体对颗粒的曳力三个力的作用。重力和浮力之差是使颗粒发生沉降的动力，摩擦阻力则是流体介质阻碍颗粒运动的力，其方向与颗粒运动方向相反。对于给定的颗粒和流体，颗粒大小和所受的浮力都已确定，阻力则随颗粒的运动速度而变。颗粒在流体中沉降时，一开始为加速运动，但由于颗粒与流体间发生了相对运动，因而流体与颗粒摩擦产生阻力。阻力的方向与颗粒运动方向相反，速度越大，阻力也就越大。在颗粒降落一段时间后，当流体对颗粒的阻力等于颗粒的重力与浮力之差时，颗粒即以等速度降落。由此可以推导出单颗粒终端速度：
根据颗粒终端速度的定义，令F中的颗粒速度等于颗粒的终端速d度，由F=F+F则可得终端速度u：gbdt
式中 C——曳力系数，它是终端速度对应的Re的函数。dt
根据球形颗粒的结果，非球形颗粒的终端速度为：
Re在1～1000范围内，C的值可以查表1-6。d
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]