新型内循环石油焦燃烧器烧焦管内颗粒流动特性

针对石油焦及其气化余焦的燃烧和流化特性,自建了冷态实验装置。以石英砂颗粒作为固体物料,常温空气为流化介质,在烧焦管内表观气速为3.07~6.63 m/s,颗粒循环强度为24.7~154.2 kg/(m2.s)的条件下,采用DDY型差压变送器和脉冲磷光颗粒示踪法分别测量了烧焦管内的床层轴向平均固含率分布和颗粒停留时间分布规律。结果表明,当表观气速为3.96 m/s时,随着颗粒循环强度的提高,烧焦管相同高度处平均固含率分布增大;当颗粒循环强度为106.5 kg/(m2.s)时,随着烧焦管内表观气速的提高,烧焦管整个高度上的平均固含率分布减小。烧焦管内颗粒的扩散由弥散颗粒扩散和颗粒团扩散组成。建立了烧焦管内床层轴向平均固含率关联式及颗粒的轴向扩散模型,模型的计算值与实验值能较好地吻合。     

提升管加床层反应器床层零料位操作下提升管出口固含率分布

针对提升管加床层反应器工业应用中的床层零料位操作模式,在1套提升管加床层冷模实验装置上研究了床层零料位操作下提升管出口区域的固含率分布,并与提升管加床层耦合操作进行对比。结果表明,在气固两相沿提升管轴向靠近出口的过程中,受出口分布器约束的影响,局部固含率先降低后升高,边壁附近的局部固含率变化不具有相似性,其它径向位置处局部固含率变化具有相似性,固含率径向不均匀指数表现为先增加后降低的趋势;与提升管加床层耦合操作相比,床层零料位操作下,在距离提升管出口较近的轴向截面,中心区域的局部固含率较小,边壁区域的固含率较大,当距提升管出口的距离增大到一定值后,则整个径向上床层零料位操作下的固含率均较小。     

新型组合烧焦装置烧焦管内固体颗粒混合特性的研究

采用脉冲磷光颗粒示踪法对一套新型组合烧焦装置的烧焦管(内径186mm,高10m)内固体颗粒的停留时间分布进行了测试,研究了烧焦管内固体颗粒的混合特性。结果表明,在烧焦管表观气速为6.39m/s、烧焦管内颗粒循环强度为101.7kg/(m2.s)的条件下,在检测探头距示踪剂注入位置1.0m处,颗粒停留时间分布呈较对称的单峰分布,从烧焦管轴心向边壁靠近,其峰高差别较大;而在检测探头距示踪剂注入位置4.0m及9.4m处,颗粒的停留时间分布曲线由一个尖而高的前峰和长拖尾所组成,曲线的峰高基本一致,表明颗粒沿轴向以弥散颗粒和颗粒团的形式扩散,颗粒沿径向的混合较均匀。对1.0m检测距离内的颗粒扩散行为建立了二维轴、径向扩散模型,对4.0m以上检测距离的颗粒扩散行为建立一维轴向两组分扩散叠加模型,模型预测值与试验值吻合较好。     

磁-流场耦合气-固流化床气含率的模拟

在内径0.16 m、高2.0 m的磁-流场耦合气-固流化床内,以空气为气相、掺杂铁粉的纳米SiO_2(平均粒径16 nm和48nm)为固相,应用Fluent软件将磁场模型与Fluent软件中的传统模型结合,模拟研究磁-流场耦合气-固流化床内磁场强度对局部气含率、平均气含率和轴向压力波动均方根的影响规律。模拟结果表明,随磁场强度的增加,局部气含率和平均气含率均增大,局部气含率径向分布的非均匀性增大;在一定磁场强度下,随颗粒粒径的增大,局部气含率及其径向分布的非均匀性均增大;在低磁场强度作用下,床内的局部气含率变化明显,多处出现大气泡;在高磁场强度作用下,床中局部气含率变得较均匀;随磁场强度和床层轴向高度的增加,床层内局部压力波动均方根增大。     

曳力模型及镜面系数对鼓泡床气固流场的影响

为获悉曳力模型和镜面系数(ψ)对鼓泡床内流动特性的影响规律,利用颗粒动力学理论和欧拉双流体模型对鼓泡床内气固流场进行了数值模拟,考察了床层膨胀率、压降以及颗粒速度特性。实验结果表明,De Felice模型对于床层压降预测效果最好,Wen-Yu模型的固含率径向分布和颗粒速度矢量预测与实验值误差较大,Gidaspow与De Felice模型床层膨胀量接近,而De Felice模型的径向速率分布与实验值最接近;随着鼓泡床内表观气速的增加,De Felice模型对床层膨胀率的预测愈加接近实验值;随着ψ增大,壁面附近固含率较高,曲线波动梯度增大;当ψ=0.1时,固含率分布与实验值最接近,表明颗粒与壁面动量互换效果最好。     

湍动流化床颗粒流动特性的数值模拟

采用欧拉-拉格朗日研究方法,通过数值模拟对湍动流化床流化特性开展研究,得出了床层内压力、固含率、颗粒速度及粒度分布规律。结果表明:床层中心处的压力沿轴向高度逐渐减小;固含率沿轴向高度逐渐减小,呈“ε”型分布,分为底部密相区、中间过渡段及上部稀相区,在稀相区呈现出中间低、边壁高的“环核”结构,且该结构沿轴向逐渐减小,直至消失;颗粒轴向速度沿轴向起伏变大,中心区域的颗粒速度普遍大于边壁处的颗粒速度,且颗粒下落位置由边壁向中心存在移动;颗粒粒径分布沿轴向逐渐降低,稀相区分布相对比较均匀。     

多流型新型提升管冷模实验研究

在高8.1 m、扩径段直径120 mm和等径段直径50 mm的提升管冷模实验装置上对一种底部变径结构和设置有内部导流筒的新型提升管进行了研究,考察了操作条件对其轴向和径向固含率与颗粒速度的影响,以及导流筒及环隙内的固含率和颗粒速度的分布。结果表明,与传统提升管相比,该新型提升管内可同时存在多种流型,提升管底部扩径段内为径向较为均匀的密相床,上部等径段为稀相床;导流筒的存在对从斜管下来的固体颗粒产生重新分配的作用;导流筒和环隙内存在较大的固含率和颗粒速度差;由于导流筒的抽吸作用,在提升管底部扩径段内,管中心处催化剂颗粒向上运动,边壁处催化剂颗粒向下运动。     

变径提升管反应器扩径段内固含率分布研究

以催化裂化平衡催化剂为固体介质，空气为流化介质，在变径提升管流态化实验装置上，考察了扩径段内固含率的轴径向分布情况及操作条件的影响，并对瞬时固含率信号进行了概率密度分析。结果表明，变径提升管内截面平均固含率沿轴向大致呈S形分布，扩径段固含率高于等径提升管底部；扩径段径向固含率呈中心稀、边壁浓的不均匀分布，相对于等径提升管底部，径向不均匀程度得到有效改善；截面平均固含率及各径向位置固含率均随颗粒循环速率的提高和表观气速的降低而增大。扩径段各径向位置瞬时固含率信号波动强度大，频率高，概率密度分布均匀，有利于强化气固混合并改善两相间接触情况。     

动能探头测定循环流化床中颗粒流动特性

采用动能探头测定了循环流化床中（内径１８６ｍｍ，高８ｍ）颗粒动能的径向分布及其随操作条件和轴向位置的变化规律，并结合空隙率的径向分布，同时研究了颗粒速度、颗粒通量的径向分布规律。实验结果充分表明，在循环流化床中，颗粒流动在床层径向具有很大的不均匀性，并呈明显的内循环流动结构。实验结果对于探索循环流态化不均匀流动机理、建立气固流动模型以及寻求强化和改善反应器操作的途径，均具有重要的意义。     

16m高提升管中FCC颗粒固含率的研究

研究了 16m高循环床提升管中FCC颗粒固含率及其轴向分布 ,并与相同条件下 6m高提升管中固含率及其轴向分布进行了对比分析。结果表明 ,提升管高度对固含率及其轴向分布具有显著影响。提升管高度增加 ,提升管各高度截面上的平均固含率减小 ,其轴向分布也更加均匀。提升管下部浓相段和上部稀相段的固含率随操作条件的变化规律明显不同。在提升管稀相段截面上 ,固含率随颗粒循环量的提高呈线性增加 ,随表观气速的增加平缓下降 ;但在提升管浓相段 ,由于颗粒间相互作用较强 ,固含率随操作条件的变化更为显著。     

新型变径提升管冷模实验研究

以催化裂化平衡剂和常温空气为介质,在新型变径提升管冷模实验装置上考察了不同的操作条件对固体循环量及颗粒浓度轴径向分布的影响,并描述了扩径段内的流动结构。结果表明：固体循环量随着表观气速的增大而增大,随着伴床料位高度的增加而增大,且在改变进气比例时,循环量随着预提升气占比的增加而增大;与传统提升管相比,该新型结构提升管内部存在多种流型且扩径段内固含率有明显增加,底部扩径段内为密相湍流形态,固含率为0.3~0.4,上部等径段为稀相气力输送形态,固含率无明显变化,为0.05~0.1。新型变径提升管对斜管下来的催化剂起到了重新分配的作用,抑制了传统的“环-核”流动,使颗粒浓度径向分布更加均匀。     

两种循环流化床预提升结构的对比分析

在循环流化床上考察了两种不同预提升结构对系统循环量的影响,并且从宏观和微观两方面对提升管内气固流动行为进行了比较分析。结果表明:立管结构提升管和莲蓬头结构提升管颗粒循环量存在明显的差别,立管结构提升管中颗粒流通截面积增加,进口阻力减少,系统循环量整体上高于莲蓬头结构,而且这种循环量差异在伴床高供料强度下更加明显;由于莲蓬头进口结构的强约束作用,相同操作条件下其底部颗粒浓度高于立管结构;在提升管底部区域,莲蓬头结构提升管中径向不均匀指数以及间歇性指数均高于立管结构,说明采用莲蓬头式分布器导致局部颗粒湍动剧烈的同时,气体与颗粒以及颗粒之间的作用力分布也更不均匀;瞬时颗粒浓度信号分析及概率密度分布结果表明,虽然底部采用莲蓬头式分布器可在一定程度上缓解过渡区气固分离现象,但整体不均匀流动结构并未发生根本的变化。     

内构件对高密度提升管颗粒浓度分布的影响

为改善工业高密度提升管反应器内颗粒浓度径向的不均匀分布 ,对加设钝体式内构件的提升管内颗粒浓度分布规律进行研究。试验结果表明 :由于钝体对回流颗粒的阻截 ,使床层底部颗粒浓相区的平均颗粒浓度有所下降 ,但对颗粒循环量没有影响。与传统提升管相比 ,颗粒浓度的径向分布变得均匀 ,在一些轴向位置甚至出现中心颗粒浓度高而边壁低的分布 ;钝体的约束使颗粒的湍动程度增加     

进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

在高10.6m、内径100mm的循环流化床冷态模拟实验装置上研究了底部预提升气以及喷嘴进气量对循环流化床反应器循环量的影响,对比了3种不同喷嘴位置结构下系统循环量的变化情况以及提升管底部和喷嘴附近气固流动行为的差异,描述了预提升段内气体分布及流动结构。结果表明:预提升气和喷嘴进气是颗粒向上输送的重要推动力,随着喷嘴进气口高度的提高,预提升气对颗粒循环速率的作用效果愈加明显;对于喷嘴进气口位置最低的结构,其系统循环量、喷嘴附近颗粒浓度以及气固接触状况均优于其它结构;在提升管底部,气体多次形成逆流接触,内循环流动和局部涡流作用有效促进了颗粒沿径向混合,有利于颗粒循环量的提高。     

变径组合提升管内压力脉动及其流型转变特性

采用变径组合提升管冷模实验装置，在固/气比(Gs/(ρg·Ug))为0~37.60，通过实验对变径组合提升管内的压力脉动信号及其流型转变特性进行了研究。结果表明，随着固/气比(Gs/(ρg·Ug)的增加，变径组合提升管内依次出现气力输送(Gs/(ρg·Ug)为0~15.00)、快速流态化(Gs/(ρg·Ug)为15.00~27.00)、高密度循环流态化(Gs/(ρg·Ug)为2700~3760)3种流型。变径组合提升管内压力脉动主要由两部分组成：一部分是由于进料波动产生的全局性压力脉动，主频在0.30 Hz左右；另一部分是由于局部气流扰动，气-固相互作用以及颗粒(团)和颗粒(团)之间的相互作用引起的局部压力脉动。气力输送流型下，局部压力脉动的频率主要集中在D5频段(1.56~3.13 Hz)，主要由局部气流扰动引起；快速流态化流型下，局部压力脉动的频率主要集中在D4频段(3.13~6.25 Hz)，主要由局部气体与颗粒(团)间的作用引起；高密度循环流态化流型下，局部压力脉动的频率主要集中在D5频段，主要由局部颗粒(团)与颗粒(团)间的作用引起。     

催化裂化提升管反应器喷嘴进料混合段新结构及其流场研究

针对催化裂化提升管反应器喷嘴进料混合段催化剂颗粒不均匀分布的现象，提出了一种新型结构的进料混合段，并在内径为186mm，高14m的大型提升管冷模装置上测量了在这种结构中的颗粒速度及空隙率径向分布的特征，并同传统进料混合结构进行了对比。实验结果表明，采用这种结构时颗粒速度径向分布较平缓；固体颗粒浓度分布虽仍呈现中心稀、边壁浓的环核结构，但环核之间的浓度梯度减小，浓环的范围也减小很多，颗粒相的流场得到了较大改善。