鼓泡塔流體力學(xué)

在氣液鼓泡塔中，由于傳遞性能的優(yōu)劣決定于氣泡運(yùn)動的狀況，因此，由要了解氣泡的大小、氣泡生長及運(yùn)動的規(guī)律，以了解液相內(nèi)的氣含量及氣液相界面狀況，從而掌握氣液相間的傳質(zhì)、傳熱和因氣泡運(yùn)動引起的液相縱向返混問題。氣體在液體中的溶解速率和其分散程度有關(guān)，分散程度愈高，溶解速度愈大。分散程度可用氣泡的平均直徑、氣體的滯留量或比表面表示。

鼓泡塔的流動狀態(tài)可分為三個區(qū)域：

安靜鼓泡區(qū)

在該區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)氣速低于0.05m/s ，氣泡呈分散狀態(tài)，大小均勻，進(jìn)行有秩序的鼓泡，液體攪動微弱，可稱為視均相流動區(qū)域。

湍流鼓泡

該區(qū)域表觀氣速較高，塔內(nèi)氣液劇烈無定向攪動，呈現(xiàn)極大的液相返混。部分氣泡凝聚成大氣泡，氣體以大氣泡和小氣泡兩種形態(tài)與液體接觸，大氣泡上升速度較快，停留時間較短，小氣泡上升速度較慢，停留時間較長，因此，形成不均勻接觸的流動狀態(tài)，稱為劇烈擾動的湍流鼓泡區(qū)，或稱為不均勻湍流鼓泡區(qū)。

栓塞氣泡流動區(qū)

在d <0.15m 的小在徑氣泡塔中，在較高表現(xiàn)氣速下，由于大氣泡在徑被器壁所限制，而出現(xiàn)了栓塞氣泡流動狀態(tài)。工業(yè)鼓泡塔的操作常處于安靜區(qū)和揣流區(qū)兩種流動狀態(tài)中， 一般應(yīng)保持在均勻流動的安靜區(qū)才為合理。但當(dāng)氣通撾增加時，原有小氣泡的一部分發(fā)生凝聚，形成大氣泡，獲得較大的浮升速度，而掏成了不均勻流動的揣流區(qū)，致使流動條件由安靜區(qū)向揣流區(qū)轉(zhuǎn)化。此時液體產(chǎn)生較大的循環(huán)速度，在塔的中部，液體隨氣泡夾帶上升，而在近塔壁處，液體則回流向下。

鼓泡塔的優(yōu)點(diǎn)是氣相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相際接觸表面，使傳質(zhì)和傳熱的效率較高，它適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)和強(qiáng)放熱情況。同時反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、投資和維修費(fèi)用低、液體滯留量大，因而反應(yīng)時間長。但液相有較大返混，當(dāng)高徑比大時，氣泡合并速度增加，使相際接觸面積減小。

按結(jié)構(gòu)特征，鼓泡塔可分為空心式、多段式、汽提式三種，其中空心式鼓泡塔最適用于反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行的緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，或伴有大量熱效應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)熱效應(yīng)較大時，可在塔內(nèi)或塔外裝置熱交換單元，使之變?yōu)榫哂袩峤粨Q單元的鼓泡塔。為避免塔中的破相返混，當(dāng)高徑比較大時，常采用多段式塔借以保證反應(yīng)效果。為適應(yīng)氣液通量大的要求或減小氣泡凝聚以適用于高薪性液體，使氣體提升式鼓泡反應(yīng)器得到應(yīng)用，它具有均勻的徑向氣液流動速度、軸向分散系數(shù)較低、傳熱系數(shù)較大、液體循環(huán)速度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

鼓泡塔是一種常用的氣液接觸反應(yīng)設(shè)備，各種有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)，如乙烯氧化生成醛、乙醛氧化生成乙酸或乙酸酐、環(huán)己醇氧化生成己二酸、環(huán)己烷氧化生成環(huán)己醇和環(huán)己酮、石蠟和芳烴的氯化反應(yīng)等等反應(yīng)都采用鼓泡塔。鼓泡塔的優(yōu)點(diǎn)是氣相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相際接觸表面，使傳質(zhì)和傳熱的效率較高，它適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)和強(qiáng)放熱情況。按結(jié)構(gòu)特征，鼓泡塔可分為空心式、多段式、汽提式三種。

鼓泡塔原理就是煙氣通過多個管道分散后直接導(dǎo)入吸收塔的漿液池中，一定壓力的煙氣沖擊漿液，產(chǎn)生大量氣泡，氣液混合接觸，在混合和翻騰的過程中煙氣中的二氧化硫被漿液吸收，經(jīng)吸收后的氣泡匯聚排出吸收塔，該塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塔的高度相對較低，但吸收塔本體占地大，阻力大。

氣體以鼓泡的形式連續(xù)通過液相，具有較大的液體持有量、較高的傳質(zhì)效率、大長徑比的氣液反應(yīng)設(shè)備。

眾所周知，流化床鍋爐分為兩大類：鼓泡流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐。鼓泡流化床鍋爐密相區(qū)的燃燒份額大，需布置埋管受熱面以吸收燃燒釋放的熱量。埋管的傳熱系數(shù)高達(dá)220-270kW/(m²·℃)，比循環(huán)流化床鍋爐爐膛稀相區(qū)膜式壁受熱面的200kW/(m²·℃)高。盡管鼓泡流化床鍋爐稀相區(qū)膜式壁受熱面的傳熱系數(shù)非常低，但因稀相區(qū)的吸熱量所占份額較小，總的來說，對于容量較小的鍋爐，鼓泡流化床鍋爐結(jié)構(gòu)受熱面的鋼耗量要小一些。鼓泡流化床鍋爐中，燃燒主要發(fā)生在密相區(qū)，給煤的平均粒徑大，煤破碎設(shè)備較為簡單，電耗低。流化速度低，細(xì)煤粒在稀相區(qū)停留時間長，爐膛也可以設(shè)計(jì)得較低。雖然埋管有一定的磨損，但如防磨損處理得好，一般可用3~5年。采用飛灰再循環(huán)，鼓泡流化床鍋爐的燃燒效率在燃燒高反應(yīng)活性煤種時也能達(dá)到較高的水平，如在爐膛出口安裝分離器實(shí)現(xiàn)熱態(tài)飛灰再循環(huán)，有時可達(dá)98~99%，但此時分離器的目的主要是為了提高燃燒效率，而不是像循環(huán)流化床鍋爐主要為了改變爐內(nèi)的氣固流動狀態(tài)進(jìn)而改變?nèi)紵?、傳熱機(jī)理。

循環(huán)流化床鍋爐的截面熱負(fù)荷是鼓泡流化床鍋爐的2倍左右，利于大型化。由爐膛、分離器和返料閥構(gòu)成的主循環(huán)回路中各處溫度均勻。由于其燃燒氣氛處于還原性，NOx原始生成濃度低，一般不超過200mg/m³。主循環(huán)回路中溫度均勻控制在脫硫最佳溫度區(qū)間，快速床狀態(tài)下存在顆粒團(tuán)聚及返混，使得石灰石停留時間增長，與SO₂充分接觸，石灰石脫硫效率高，在Ca/S為2左右時，脫硫效率可達(dá)90%以上，甚至99%，氣體污染物排放低。同時沒有經(jīng)歷熔融的灰顆粒具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，對重金屬、SO₃等有很強(qiáng)的吸附作用，對其他污染物的控制效果也較好。較長的停留時間，實(shí)現(xiàn)了更高的燃燒效率（可達(dá)99%以上）。但由于氣固兩相流動達(dá)到快速床狀態(tài)要求的爐膛最低高度不能低于15m，導(dǎo)致低于35t/h容量的鍋爐采用循環(huán)流化床并無明顯優(yōu)勢，因而35t/h及以下容量采用鼓泡流化床燃燒更加合理。

我國在過去許多年中，建造了近3000臺鼓泡流化床鍋爐（俗稱沸騰爐），雖然在燃燒劣質(zhì)煤方面發(fā)揮了極大的作用，但普遍性能不佳。循環(huán)流化床鍋爐出現(xiàn)之后，借鑒循環(huán)流化床的經(jīng)驗(yàn)，對鼓泡流化床鍋爐進(jìn)行了改進(jìn)，取得了顯著進(jìn)步。經(jīng)過二十多年的自助研發(fā)，我國在循環(huán)流化床燃燒技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步，突破了國際上對我國的技術(shù)封鎖，通過系統(tǒng)深入的研究和廣泛的實(shí)踐，成功建立了我國自己的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)體系，開發(fā)了系列的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備，燃燒的燃料涵蓋無煙煤、貧煤、煙煤、褐煤、石油焦、煤矸石、煤泥、生物質(zhì)、工業(yè)廢棄物、城市垃圾等，蒸汽參數(shù)從次中溫次中壓、中溫中壓、次高溫次高壓、高溫高壓、超高壓一次再熱、亞臨界甚至超臨界，容量涵蓋6MW到660MW。近年來，中國在循環(huán)流化床的節(jié)能、原始超低排放方面，又取得了國際關(guān)注的進(jìn)步。通過流態(tài)重構(gòu)，顯著的降低了循環(huán)流化床鍋爐的廠用電率、提高了可靠性，達(dá)到了相同容量煤粉爐的水平，并深度挖掘了循環(huán)流化床燃燒的低排放潛力，超越了對循環(huán)流化床燃燒的傳統(tǒng)認(rèn)識，進(jìn)一步促進(jìn)了循環(huán)流化床鍋爐的健康發(fā)展。