生物质流化床流化特性试验研究与数值模拟

为了研究生物质气化过程中流化床物料的流化状态,搭建了生物质流化床试验系统。以空气为流化介质,对石英砂进行流化试验,并在考虑物料颗粒间碰撞的基础上,基于DEM(discrete element method)模型对流化床床层区域空间内颗粒流动特性进行数值模拟。结果表明:当床层物料堆积密度、温度一定时,对应颗粒直径分别为0.56,0.35,0.18 mm的石英砂临界流化风速分别为0.017,0.065,0.170 m/s,物料粒径越小,达到流化状态所需要的流化风速也越小;数值模拟结果与试验结果相比,平均误差为23.1%,临界风速的预测与试验结果基本一致,这表明计算模型对于鼓泡状的两相流动状态有较好的预测效果。     

微小液固流化床的流化特性

在高405mm、直径15mm的微小液固流化床中,以水为流化介质,3组不同颗粒为床料,考察了填料高度、颗粒粒径及密度对床层膨胀、液速-压降曲线、最小流化速度和流化质量的影响。实验结果表明:随流速的增大,微小流化床依次出现了固定床、均匀膨胀及流体输送3种流型。各流型操作流速范围不受填料高度影响,但随着颗粒粒径及密度的减小,均匀膨胀区的流速范围减小,最小流化速度降低。随填料高度的增加,床层膨胀率降低,且流化质量提高;颗粒粒径和密度越小,床层膨胀率受液体流速的影响越明显,获得的流化质量越高。     

非等密度颗粒气固流化床的微观尺度模拟与分析

采用计算流体力学与离散单元法相耦合的CFD-DEM方法对两种表观气速下三维非等密度颗粒流化床内的气固运动进行了数值模拟研究,对比了两种气速下流化床内颗粒的分层和混合现象,发现在非等密度颗粒流化床内,有不同程度的颗粒分层现象存在。当表观气速较低,处于最小密度颗粒的临界流化速度和最大密度颗粒的临界流化速度之间时,颗粒体系出现了较为明显的分层现象,整体上为重颗粒在下、轻颗粒在上的分层结构;当表观气速较高,大于最大密度颗粒的临界流化速度时,分层现象不再明显。采用Lacey混合指数分析了流化床内颗粒之间的混合状况,发现颗粒密度差越小,混合指数越大,越难分离;颗粒密度差越大,则混合指数越小,分离越完全.     

双峰聚乙烯颗粒临界流化速度的研究任

针对环管和流化床串联的组合工艺中双峰聚乙烯黏性颗粒流化状况不佳的现状,利用压差法系统考察了温度和粒径对临界流化速度的影响,以及温度对粒径分布的影响.结果表明,压降-气速关系不符合经典轨迹,压降曲线波动较普通树脂显著,流化过程依次表现为颗粒流化和聚团流化两个过程.由于双峰聚乙烯中低相对分子质量部分的存在,聚合物颗粒间表现出较强的黏性,引起团聚现象,粒径分布变宽.表观最小流化速度与经典公式计算数据偏离较大,其数值随温度的升高呈增大趋势,且粒径越小,温度对最小流化速度的影响就越大.通过添加黏性力项,重新建立颗粒的力平衡,获得了具有较高精度的临界流化速度模型.     

压力脉动法预测声场流化床最小流化速度

在内径140 mm,高1 600 mm的鼓泡流化床中,采用压力探针研究了声场流化床FCC和石英砂颗粒的流化特性,考察了声压级和频率对颗粒最小流化速度的影响。结果表明:无声场条件下,压力脉动标准方差随表观气速的增大而线性增大,声场的引入可以显著降低颗粒最小流化速度,声压级越大颗粒的最小流化速度越小;固定声压级改变声波频率,发现频率在300 Hz时颗粒最小流化速度最小。对不同声场条件下最小流化速度进行拟合,得到了声场流化床最小流化速度预测关联式。     

小型流化床干燥器气固流动和干燥的CPFD数值模拟

为掌握炼焦煤工业流化床的颗粒干燥和分级过程,基于计算颗粒流体力学(CPFD)理论方法,以0.3mm为分级粒径对实验室规模的炼焦煤流化床干燥分级过程进行模拟研究.颗粒干燥模型由颗粒汽液平衡推导得出.曳力模型采用不考虑颗粒球形度的Wen-Yu/Ergun模型和考虑颗粒球形度的Ganser模型结合.研究结果发现:两种曳力模型结合得到的模型可更准确地预判流化床中不同粒径段颗粒的分布位置;此外,颗粒干燥模型结果与实验结果吻合,流化风风速越大或风温越高,颗粒干燥时间越短.同时在气固流动方面揭示了流化床干燥器中颗粒的流动特性:粗颗粒集中在流化床底部,而细颗粒分布在流化床上部;颗粒直径越大,颗粒速度越小.研究验证了CPFD手段预测流化床干燥器中气固流动和干燥过程的潜力和可行性,为后续的工业化放大和结构优化打下了基础.     

气-固环隙流化床纳米TiO_2聚团的流化特性

在高640 mm,内外径分别为140 mm和180 mm的环隙流化床反应器内,选用平均粒径为20～30 nm的TiO2催化剂P25进行冷态流化实验。运用预测颗粒粒径模型,应用计算流体力学软件FLUENT 6.2对流化床内床层局部固含率和压降进行了模拟计算。模拟结果显示:气体进入分布板之后呈螺旋状上升;环隙流化床内径向局部固含率分布呈现W形状,而且局部固含率随着床层高度的增高而增大。模拟结果与实验数据基本一致,说明纳米TiO2催化剂颗粒在环隙流化床中以微米级的聚团形式流化。     

声场流化床颗粒浓度时间序列分析

在内径140 mm,高1 600 mm的声场流化床中,以FCC颗粒为流化介质,采用光导纤维探针测定不同轴/径向位置的颗粒浓度时间序列,通过统计分析、功率谱分析和小波分析揭示外加声场对颗粒浓度的影响。结果表明:声场的引入降低了颗粒最小流化速度,声压越大最小流化速度越小,声波频率在150 Hz时最小流化速度最小。颗粒浓度功率谱呈现宽频且有明显主频的低频信号,声压越大主频的峰值越小,颗粒浓度信号的主频峰值随频率先下降后上升。对颗粒浓度信号进行5尺度离散小波变换,声场流化床中颗粒浓度信号高频部分增加,低频部分减小。     

弹性恢复系数对超细颗粒气固流场影响的研究

流化床内颗粒非弹性碰撞将影响超细颗粒的流动特性。基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒非弹性碰撞对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,并采用XuZhu颗粒团能量平衡计算模型预测颗粒聚团当量直径,数值模拟流化床内超细颗粒两相流动特性。计算结果表明随着颗粒弹性恢复系数的增加,颗粒间的碰撞脉动变得更加剧烈,流化床内颗粒浓度分布更均匀。     

有机硅单体合成流化床的流化特性模拟研究

利用双流体模型对有机硅单体合成流化床进行模拟，研究在一定开孔率下不同气速与不同粒级硅粉对流化特性的影响.在此基础上，进一步探讨硅粉的粒径与分布板开孔率之间的关系，为工艺参数与分布板开孔率的选择提供理论指导.结果表明：入口气速为1.1 U_mf、硅粉粒径为4.67×10^-5 m时颗粒流态更加稳定，有助于气固混合；分布板开孔率与硅粉粒径负相关，用低开孔率的分布板流化较大粒径的硅粉，高开孔率的分布板流化较小粒径的硅粉，有助气固混合均匀，提高流化质量.     

分布器结构对气固鼓泡流化床内气相分布影响的数值模拟

根据双流体模型,利用计算流体力学软件Fluent 6.3,在布风板开孔率Φ=3.86%时,对6种布孔方式不同的流化床中气相的分布特性进行了数值模拟,得到了各布孔条件下气相分布规律。结果显示,均匀布孔流化床内产生大量的气泡,气泡分布不均且存在大片流化率很低的区域。在各不均匀布孔流化床中,大小孔间隔排布布风板流化床(E型布风板流化床)内产生的气泡相对较小且分散性较好,气相速度矢量分布较分散均一,流化效果最好。与均匀布孔流化床相比,E型布风板的流化床轴向气相压力脉动更小,径向等压线分布更平缓,表现出轴向和径向气相分布更均匀,对鼓泡流化床的优化设计最有参考价值。     

埋管流化床内传热行为的微观尺度模拟研究

为了模拟埋管流化床内的流动和传热行为,将有限元方法(FEM)、基于非结构化网格的计算流体力学方法(CFD)与离散单元法(DEM)结合,建立了CFD-DEM-FEM耦合方法,并在此基础上采用k-ε湍流模型及考虑颗粒间和气固间作用的多向耦合传热模型.通过计算结果从微观尺度探讨了埋管流化床内的传热机制,分析影响床内传热的关键因素,得到换热管壁周围固含率和传热系数的分布规律,考察了流化气速对埋管周围传热系数的影响.数值模拟结果与实验结果基本一致,证实了CFD-DEM-FEM耦合方法模拟复杂气固流动和传热的可行性和准确性,为进一步了解流化床内热传递行为的机理、准确预测各种流化床内的传热以及开展流化床内多尺度流动-传热-反应流的模拟奠定基础.     

双组分颗粒混合下气液固鼓泡床流动特性研究

对气液固鼓泡床中两种颗粒的气相、液相和固相各相流动进行数学建模,对相同密度不同颗粒尺寸的两组分颗粒混合,以及相同尺寸不同颗粒密度的两组分颗粒混合进行了数值模拟研究. 结果表明,不同颗粒尺寸双组分颗粒混合,加入的颗粒尺寸越大,靠近床层底部的颗粒更易被流化,同时颗粒尺寸较小的颗粒更易被流化. 不同颗粒密度双组分颗粒混合,更轻的颗粒的加入能够促进原颗粒的流化. 密度较大颗粒的加入对床内中下部气含率值的影响较大,颗粒密度越大,气含率值越低.     

空气分级与空气重介流化床分选联合工艺研究

分析了固体颗粒在气-固流化床中的受力情况和运动方程，通过理论分析和实验得出了空气重介流化床分选入料的适宜粒级。讨论了空气重介流化床分选对入料粒度上下限的控制方法和存在问题，介绍了潮湿原煤空气分级新方法。试验表明，空气分级对潮湿原煤颗粒表面的煤粉有“清洗”作用，脱粉效果好，粗粒产物中含粉率仅为0.2%。这对控制入料粉量，稳定流化床密度和减少介质净化非常有利；空气分级还有分选作用，就试验煤种而言，其细粒级产物灰分比原煤中同粒级灰分降低1.7个百分点，比原煤灰分降低7.5个百分点，空气分级和空气重价流化床分选结合，可优化干法选煤工艺，降低工程投资和分选成本50%以上。     

大颗粒填充床堆积和阻力特性研究

试验研究了市售烧结矿颗粒的形貌特征及其构成的密堆积填充床特征.研究显示颗粒形貌对填充床堆积特性、流体穿过填充床的流动特性的影响确实存在.研究发现：烧结矿颗粒相对规则,颗粒越小球形度越高;相同烧结矿颗粒不同密堆积的空间空隙分布不同;操作阻力或压降测量显示了奇怪的数据,即阻力系数先升后降;试验范围内,最高操作速度下压降与床高成线性关系,速度降低后这种线性关系不复存在.     

流化床布风板结构对流场影响的数值模拟研究

应用CFD软件Fluent对流化床炉内布风板入口0.5 m段进行冷态流场模拟。研究在一定的开孔率下不同的布风板板孔布置（正方形、圆形和三角形）与不同开孔直径（0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm）下对流化床冷态流场与布风板压降的影响。最终实验表明：孔径为0.5 mm、板孔三角形结构的布风板更容易使气流稳定,有益于物料的正常流化。     

气固流化床中不同颗粒的流动模式及其转变

利用声发射（AE）测量技术,针对不同的Geldart分类颗粒体系,结合声能量分析,得到不同颗粒流化时的流动模式.对于高密度聚乙烯（B类颗粒）,声信号能量沿床高呈现不同的变化规律,流化床呈现双循环的流动模式,床内存在大小两个循环,大小两个循环的分界线即为颗粒流化滞留区域;对于油菜籽（D类颗粒）,流化时为单循环流动模式,流化均匀的区域较小;对于双峰聚乙烯（A/C类颗粒）,颗粒流化时呈现单循环流动模式,流化均匀区域较D类颗粒大.对双峰聚乙烯颗粒,在内径为150 mm的流化床中加入不同量的结块,考察正常流化以及故障情况下的流动模式.实验发现,当体系内的结块直径到达8 cm时,流型将发生突变,由单循环流动模式转变为双循环流动模式,利用声信号能量的变化规律可以判定双峰聚乙烯颗粒的流化状况以及产生结块的位置.     

起旋器对水平液固循环流化床颗粒分布的影响

建立了一套水平液固循环流化床颗粒分布测试系统,在循环流化床内加入局部起旋器,并利用CCD图像测量与数据处理系统对循环流化床内固相颗粒分布特性进行了研究.探讨了起旋器导叶包角、安装位置、液体流速以及轴向距离对水平循环流化床内固相颗粒分布的影响.实验结果表明:在水平液固循环流化床内安装导流叶片式局部起旋器,可以有效提高管路上部的颗粒浓度,改善固相浓度分布的不均匀程度.     

循环流化床锅炉风室内流动特性及优化研究

一次风室是循环流化床锅炉的关键部件之一,其内部一次风流动分布的均匀性对循环流化床锅炉的高效运行至关重要。一次风气流分布不均匀会对锅炉燃烧产生不利影响,导致锅炉热效率降低。为了提高循环流化床锅炉的运行效率,采用数值模拟的方法研究设计合适的导流板。模拟结果表明,在一次风室内安装导流板后,一次风室内横截面处的气流速度不均匀性由81%降低到24%。为了验证数值模拟结果,采用了220 t/h循环流化床锅炉的缩小比例几何模型,在5种不同的实验条件下进行了可视化和速度分布均匀性实验。实验结果证实了数值模拟的正确性。此外,在一台220 t/h循环流化床锅炉上进行了热态实验。热态实验结果表明,在一次风室中加装导流板后,锅炉热效率由85.71%提高到88.34%,相当于每年节约5000 t标准煤,经济效益显著,证明了导流板的有效性。     

自我造粒型流化床中颗粒流态的试验测定

介绍了用高岭土染色制成颗粒示踪剂考察自我造粒型流化床颗粒流动规律的试验方法．用这种方法能比较直观地了解固体颗粒在流化床内部的混合和运动情况,并能通过流化床出口处示踪剂浓度变化掌握颗粒在流化床中的停留时间分布规律．文章根据试验数据的分析整理,提出了平推流——完全混合流串并联模型,该模型能较好地概括床中颗粒流动的一般规律