1、引言
目前運行的燃煤循環流化床
鍋爐中，普遍存在飛灰含碳量偏高、高溫分離器內存在后燃、實際運行熱效率達不到設計效率等現象，所有這些問題可能有一個共同的原因：爐膛內氣體混合擴散不好。許多證據表明，直到爐膛出口處氣體還沒有能夠均勻混合，這引起爐膛徑向氧量分布很不均勻，中心區域的氧濃度比靠近壁面的區域低得多，為了解決這些問題．對循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流中氣體混合擴散的規律進行研究是很有必要的，這些規律將對循環流化床鍋爐的設計提供依據，并有助于指明優化運行的方向。
雖然已經有許多研究者對氣固兩相流中的氣體擴散進行過研究，但該研究領域仍屬薄弱環節．由于氣固兩相流動的復雜性，再加上前人的研究多集中于化工反應器循環流化床，所以至今仍無可以應用于燃煤循環流化床鍋爐工程實際的結論，在已有的研究中，試驗條件各不相同，所得結論差別較大，有的甚至相互矛盾。更普遍意義的結論尚待有足夠多的報告后才能進一步總結。
鑒于還不具備在實爐上進行試驗研究的條件，我們先在實驗室規模的冷態試驗臺上進行試驗研究，以期發現一些具有普遍意義的規律即氣固兩相流中的氣體混合擴散一般性的機理，待條件成熱時再在實爐上進行驗證和修正．
2、試驗原理及試驗設計
2.1試驗原理
在快速流化床中，氣體為連續相，顆粒為分散相，因而從氣固流動結構看，可以將氣體混合過程處理為擬均相的擴散過程。于是，氣體混合程度即可用軸向擴散系數和徑向擴散系數來表征，描述擴散過程的基本方程為：
其中，U為流化風速，m/s;
C為示蹤氣體濃度，‰
D
ax為氣體軸向擴散系數，m
2/S；
D
r為氣體徑向擴散系數，m
2/s。
在實驗條件下，進行如下假設：
(1)定常假設：每一個試驗工況下，試驗條件與參數不隨時間變化；
(2)軸對稱假設：將提升段垂直軸線附近區域視作一個軸對稱區域；
(3)柱塞流假設：氣體速度沿截面均勻分布，顆粒的濃度均勻分布；
(4)忽略沿床邊壁區的邊界層對氣流的影響。
這些假設適用于提升段垂直軸線附近區域的上升氣流中顆粒密度較低的部分及氣體沒有返混情況下。這種數學模型已經在科學研究中被廣泛運用。
以CO2作為示蹤氣體，從距布風板某一高度處單點給入，示蹤氣體從中心線上的點上連續穩定地注入。在其下游的提升段中測定CO2的分布，分析氣體在提升段內的氣固兩相流中的擴散規律，可以建立CFB提升段中主流區擴散的數學模型。
2.2實驗方法及試驗裝置
試驗裝置是一個循環流化床冷態試驗臺，主要由送風管、引風管、旋風分離器、布風板、提升段組成，見圖1。提升段主體段尺寸為床高H=3000m，截面尺寸（外部）為500mmx 250mm。旋風分離器直徑為400mm。
示蹤氣體CO2在距布風板以上850mm處通入。測量區測點沿高度分5層，最下排測點距噴口高度600mm，每兩層測點相距150mm，每層7個測點，測點橫向距離50mm．以提升段軸向中心線對稱分布，由世得到一個豎直平面上的二氧化碳的濃度分布情況。
在實驗中用紅外光譜分析的方法來測量二氧化碳的濃度，設備型號為TEI 40C型CO2氣體分析儀，測量設備安裝示意圖如圖2所示。圖中的氮氣瓶為紅色光譜分析儀提供高純氮，作為濃度測量的標準氣。
3試驗結果及分析
3.1試驗結果
試驗發現，各測量截面的示蹤氣體濃度分布類似鐘形，如圖3所示，提示我們可以使用概率分布函數描述濃度分布。概率分布函數的一般表達式如下：
Y=ae
-k2（x-xo）2
這里y即示蹤氣體濃度，z為測點距中心線距離（半徑），‰為濃度峰值橫坐標。
由于D。對軸向混合的貢獻與對流相比可以忽略，所以我們在數據處理中忽略p，而只考慮D，軸向擴散系數D，的計算結果如圖4。從圖中可以清楚地看出以下規律：
(1)無顆粒時，軸向擴散系數D，最大；
(2)隨著顆粒濃度增大，Dr逐漸減小，但存在一轉折點，顆粒濃度大于此點后，D，有增大趨勢；
(3) Dr的范圍約在20～70 CIF12／s之間；
(4)在同一個顆粒濃度下，D，受流化速度影響不大；而在相同流化風速下，D，受顆粒濃度影響較大。
3.2結果分析與討論
在循環流化床鍋爐中，氣體擴散按尺度可以分為以下三種：分子擴散、氣流湍動與旋渦引起的局部擴散、氣體流動引起的對流擴散，三種擴散形式產生的總效果叫混合。混合沿空間方向可以分解為兩個方向上的混合：軸向混合和徑向混合，一般認為，循環流化床中氣體混合擴散的機理有：
(1)在空間分布上存在氣體濃度梯度，這是氣體擴散的驅動力。由氣體濃度梯度引起的擴散尺度具有分子平均自由程的量級，如在完全靜止的空氣中緩慢注入示蹤氣體，這種擴散速度是很小的；
(2)氣體湍流運動存在橫向（徑向）速度脈動，能促進氣體橫向混合；此種擴散尺度具有普朗特混合長度的量級；
(3)湍流運動中的各種尺度的渦旋結構促進擴散混合；
(4J氣體流動把上游氣體帶到下游引起的混合，如提升段流化風把下部氣體帶到上部引起的混合：影響這種混合的主要因素是風速高低；
(5)流化床提升段中，固體顆粒濃度分布的環．核結構使顆粒從中心區上升、不斷滑向邊壁區、在邊壁區下落、薦被帶入主流區，帶動顆粒附近氣體產生橫向混合：
(6)固體絮狀物的不斷形成而又不斷崩潰的過程中，顆粒團與周圍顆粒不斷進行交換，并帶動其附近氣體的流動而引起混合。
已有的研究表明，在流化床中，相對于氣體的單相流動，由于固體顆粒的存在，使氣體的湍流程度及流動不均勻性增加，因此，當顆粒循環速度增大時，氣體混合加劇，軸向擴散系數增大。同時，軸向擴散系數受到操作氣速、顆粒物性、床層幾何結構等因素的影響。
氣體徑向混合強弱主要取決子氣固兩相流的湍動程度，橫向湍動越強烈，則氣體橫向混合擴散越快。所以影響氣固兩相流橫向湍動的因素也就是影響氣體混合擴散的因素。
對于徑向擴散系數來說，其影響因素比軸向更加復雜。但目前由于數據匱乏，還沒有建立更通用的模型。由于軸向擴散系數的復雜性，關于徑向擴散系數的推論也存在不確定性。
前人對徑向擴散系數的影響因素也提出了不同的見解．例如Wcrtherct a1．和Adams分別得出了徑向擴散系數隨氣速增大而增大和減小的不同結論。這些矛盾現象固然與各自的實驗條件不同有關，也反映了顆粒對氣體湍流強度影響的復雜性。
仔細分析對比前人結論，結合本文的試驗結果，我們對循環流化床中氣體混合機理提出以下觀點：
(1)固體顆粒的存在對氣體的徑向擴散有阻礙作用，在床內無固體顆粒時，氣體的徑向擴散系數大于有固體懸浮時的工況；
(2)固體顆粒濃度對氣體徑向擴散系數的影響不是單向的：當固體顆粒濃度從極低開始增加時，徑向擴散系數D．先下降，但下降到一極小值后又呈上升趨勢。分析出現這種趨勢的原因可能是：
1)相對于氣體的單相流動，由于小粒徑固體顆粒的存在．氣體的湍流程度減弱-因為小顆粒跟隨氣體脈動，吸收氣體脈動的能量，會削弱氣體的湍動程度。因此當加入少量的固體顆粒時，流態處于氣力輸送狀態，擴散系數小于在單相氣體中的數值。
2)此時隨著顆粒濃度的增加，氣體的湍流度進一步下降，因而D，下降。
3)當固體顆粒濃度進一步增加時，流態處于循環流態化狀態，使氣體的湍流程度不均勻性增加．隨著顆粒濃度的增加，氣體混合加劇。
4)大顆粒與氣流相對速度大，氣體對其繞流運動時，其尾跡效應可以增強氣體的湍動。顆粒團的作用可以等效為大直徑顆粒，所以顆粒濃度高到某一點，相當子等效顆粒直徑達到臨界轉折點直徑，可以促進氣體湍動．從而提高徑向氣體擴散系數。
5)顆粒濃度越大，貼壁回流的物料就越多，這些貼壁回流的物料又不斷被帶入主流中，促進了橫向顆粒交換，也同時促進了橫向氣體混合。
可見顆粒對氣體混合的影響是雙向的：一方面顆粒的存在會吸收湍動能量，減弱湍動：另一方面顆粒的存在導致氣體繞流、顆粒混合和返混等又能促進氣體混合。在不同條件下兩方面的影響互相消漲+引起氣體混合的不同趨勢。
4、結束語
本文在實驗室規模的冷態試驗臺上對流化床中氣體擴散規律進行試驗研究，發現了一些有意義的規律，對氣固兩相流中的氣體混合擴散機理做出了解釋。本研究結果將對循環流化床鍋爐的設計提供依據，并有助于指明優化運行的方向。
