内置螺旋挡板流化床颗粒停留时间分布

采用脉冲示踪法在内置螺旋挡板冷态鼓泡流化床上研究了螺旋挡板、加料速率、流化风速、颗粒粒径和床料高度对颗粒在流化床内停留时间分布的影响. 结果表明,颗粒停留时间的无量纲方差从无螺旋挡板时的0.558减小到有螺旋挡板时的0.085,螺旋挡板可有效抑制颗粒返混,增大颗粒运动的平推流趋势;加料速率增大为约2倍时,停留时间减小为约50%,流动更趋向于平推流;床料高度增加,颗粒返混加剧,颗粒平均停留时间及无量纲方差均增大,颗粒运动向全混流靠近;随流化风速增大,颗粒平均停留时间变长;实验范围内,颗粒粒径对颗粒停留时间分布影响不大.     

流态化合成氮化硅的鼓泡床冷模试验与CFD模拟

对流态化合成氮化硅的鼓泡床进行了冷态试验研究,结果表明:优选出的流态化分布板,在表观气速为0 11~0 13m/s时,可以形成稳定的鼓泡床。并运用CFD技术,模拟研究了床内的空气相、颗粒相的组分浓度分布规律,对床内的死流区、不同粒径颗粒的上下分层现象与不同床层高度的压力降的模拟预测结果与实验结果相吻合。     

双流化床反应器间气体泄漏规律的数值模拟

建立了描述双流化床化学链燃烧反应器内气固两相流动的数学模型,采用计算流体动力学方法,模拟考察了提升管和鼓泡床相耦合的双流化床内不同单元之间气体泄漏产生原因和影响因素。化学链燃烧系统压力平衡的分析结果表明,反应器间的气体泄漏主要发生在溢流装置和鼓泡床之间;增大溢流装置表观气速,气体泄漏增大,而增大提升管或鼓泡床表观气速时,气体泄漏会随之减小;化学链燃烧系统内颗粒总藏量增加时,气体泄漏会减小;颗粒粒径减小后反应器之间气体泄漏降低。其研究结果对其他循环流化床反应器的设计与工程放大也有一定的借鉴作用。     

反应器结构对多段气化炉内颗粒分布的影响

针对多段气化炉(上部快速床、下部鼓泡床),采用MP-PIC(Multi-Phase Particle In Cell)方法模拟了多粒径煤粉颗粒的三维全循环流化过程,考察了鼓泡床与快速床床径比及鼓泡床和快速床之间的过渡段高度对气化炉内流动特性的影响。结果表明,基本工况下,大颗粒主要存在于下部鼓泡床中,细颗粒主要存在于上部快速床内,但细颗粒会通过旋风分离器和回料管再次进入鼓泡床参与循环。进入旋风分离器的大部分为半径622 ?m以下的小颗粒,无1216 ?m以上的大颗粒。旋风分离器对小颗粒的分离效率为99.75%,分离效率良好。增大床径比(即减小快速床直径),快速床中气速增大,整个气化床更快达到稳定状态,被夹带到快速床中的颗粒增多,所夹带的颗粒粒径增大。过渡段高度存在一个适当值(炉高0.6~1.0 m),升高或降低过渡段高度,快速床中颗粒浓度均增大,颗粒通量均升高,旋风分离效率降低。     

方形截面循环悬浮床内边角效应的分析

边角效应是方形或矩形截面的循环悬浮床内气固流动结构的重要特点之一。对于烟气脱硫循环悬浮床,减小边壁颗粒层厚度,使床内颗粒径向分布趋向均匀,会有利于气固接触反应,提高脱硫效率。在方形截面循环悬浮床冷态试验台架上,以空气为流化介质,平均粒径40μm的玻璃珠为循环物料,采用双光路光纤浓度测量系统测定了不同轴向高度截面上的径向颗粒浓度分布,分析了床内构件、表观气速和循环流率对边角效应的影响。研究结果对选择操作条件,尤其是合适的循环流率,以及进一步探索改善床内气固流动结构的方向有参考价值。     

矩形导流管喷动床下行区的床层压降

带导流管的矩形喷动床是传统喷动床的改进型式,矩形床内设置的与床同厚的垂直导流管,可以控制固体颗粒的内循环速率,同时使下行区中的气固移动床维持平推流.本文实验测定了不同表观气速、床层重量、不同固体颗粒与气体入口形式与尺寸时,矩形导流管喷动床下行区的床层压降,以考察其流动特征.实验结果表明,下行区存在床层压降的轴向分布,气固流动处于负压差下移上流区,且气固滑移速度自下而上是逐渐下降的.下行区颗粒床层的压降以及颗粒的移动下输,受到喷动床表观气速、床高、喷嘴尺寸、物料种类和颗粒直径的不同影响.     

内构件流化床内颗粒停留时间分布及压降的研究

在一内径100 mm设有数块水平挡板、底部连续加料与上部溢流排料的流化床内,采用粒径为0.04～1.0 mm的精钛矿颗粒,进行了加料速率、流化气速以及内构件间距等不同因素对物料在床内停留时间及压降影响的实验研究,发现在气固并流向上的流化床内增设水平挡板且d/H=1时,可形成稳定流化状态.研究结果表明流化床中的持料量主要取决于流化气速,平均停留时间随流化气速和进料速率增加而降低.平衡时床内颗粒平均粒径大于进料颗粒的平均粒径,使得床内小颗粒停留时间减少,大颗粒停留时间延长,可满足各种粒度颗粒所需的反应时间.通过简化经验公式计算表明,大而重的颗粒趋于沉积床底,小而轻的颗粒趋于漂浮床顶.实验数据可为此类床型用于气固相加工提供有益参考.     

大颗粒流化床停留时间分布的研究

通过对流化床尿素造粒的冷模研究，对4种与尿素有类似流化特性的大颗粒物料在两级矩形流化床内的停留时间分布进行了系统的实验研究，分别考察了气速、床高（高径比）、粒径、物料流量等操作变量对停留时间分布的影响。气速是影响停留时间分布的主要因素，随着气速的增加，物料在床内的混合加剧，并同时伴有循环流。大颗粒床层混合程度较差时，更易出现腾涌现象。停留时间分布的测定为流化床造粒器的工业设计提供了基础数据。     

二维导流管喷动床的流动特征

带导流管的二维喷动床(2-DSBDP)是传统喷动床的改进型式,矩形床内设置的与床同厚的垂直导流管可以控制固体颗粒的循环速率, 同时使下行区中的气固移动床维持平推流. 本文实验测定了不同表观气速、床层高度、固体颗粒与气体入口尺寸时, 二维导流管喷动床的床压降及相应的空隙率,藉以阐述2-DSBDP的流动特征.     

循环流化床二次风射流及床料粒径对流化特性的影响

NOx的生成控制与流化床流化特性及气固流动有关,而冷态试验能更直观地反映气固流动状态和流化效果,因此冷态试验的研究结果可为流化床脱硝反应热态试验的参数选取提供参考。前人研究大多使用窄筛分床料颗粒,且较多针对传统的墙式布置二次风,鲜有学者综合研究中心布置二次风的穿透性能及其对炉膛流化特性的影响。因此,在循环流化床冷态试验台上,研究了中心布置二次风和宽、窄筛分的床料对流化特性的影响,采用无量纲剩余温度、物料循环流率和表观颗粒体积分数来定量描述二次风穿透性能、物料循环效率和颗粒浓度的分布。结果表明:喷射高度附近的颗粒浓度会随二次风射流增大而增大。二次风喷射高度为15 cm时,在35 cm以下的密相区,二次风占比越大,颗粒浓度的增长越明显。增大二次风占比、提高二次风射流的速度、提高二次风射流的喷射位置等可以有效提高二次风射流的穿透性能。其中,当二次风喷射高度距炉膛底部5 cm处,射流穿透率为0.4;喷射高度为15 cm时,射流穿透率为0.84;当喷射高度继续上升10 cm后,射流穿透率达到1.0。造成这个现象的原因是越靠近炉膛底部,床料颗粒的浓度越大,二次风所受的阻力急剧增加。随着窄筛分床料的平均粒径减小,炉膛整体的压降上升,且压降会在炉膛更高位置趋于平稳,物料循环流率也随之提高。这说明更多的颗粒能够随流化风的扬析被带到炉膛外,进入分离器参与炉外循环。与窄筛分床料不同的是,床料组分中,细颗粒占比也决定了宽筛分床料的炉膛压降、颗粒浓度分布和物料循环流率等参数。细颗粒占比越高,炉膛压降和物料的循环流率越大。宽筛分中,平均粒径大的床料颗粒浓度分布和物料循环流率不一定小,这是由于试验风速下,300μm颗粒更易随流化风的扬折作用,被携带至炉膛出口。这部分细颗粒占比越高,造成颗粒浓度分布和物料循环流率越大,而粗颗粒更倾向于聚集在炉膛底部。     

自热转化炉停留时间分布

以氢气作为示踪剂,运用脉冲法测定自热转化炉内停留时间的分布。实验结果表明:随着催化剂床层的增高,停留时间分布密度函数变窄,平均停留时间和量纲一方差均减小;当进口气量增大时,平均停留时间减小,量纲一方差增大。应用N个全混流反应器(CSTR)、轴向混合模型和平推流模型串联建立自热转化炉停留时间分布模型,由Laplace变换法和阻尼最小二乘法对模型参数进行估算,模型估计停留时间曲线与实验测量曲线吻合良好。     

Detailed analysis of the particle residence time distribution in a pressurized drop-tube reactor

Solid fuel conversion in a pressurized drop-tube reactor is studied in detail using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. The main focus is on analyzing individual particle trajectories and residence times, as these data are crucial for the precise experimental estimation of heterogeneous reaction kinetics. The numerical results were substantiated by radioactive tracer measurements carried out in different operating conditions. The numerical results reveal a complex gas flow that is affected by buoyancy due to a non-homogeneous temperature distribution, which has a strong affect on the trajectories of particular particle size fractions. In this case, empirical residence time correlations for particles, as commonly used for the evaluation of heterogeneous kinetic measurements, lose their validity since the assumption of a plug flow is no longer valid. It can be shown that if CFD-assisted data evaluation is used, a significant improvement in the measured heterogeneous reaction kinetics is feasible.     

管式固定床反应器柱状颗粒床层流体流动模拟与实验研究

针对管式固定床反应器内管束数量多、规模大等特点,选取单个管束作为特征结构。对装填不同直径柱状颗粒的管束,采用程序坐标定位的方法,建立柱状颗粒床层的物理模型。采用DEM与CFD联合数值仿真方法,探究反应管内径与柱状颗粒的等比表面积球当量直径之比(管径比Di/dp)对柱状颗粒床层流体流动的影响,并建立单管固定床反应器试验台,采用差压测试方法进行实验研究。结果表明,当Di/dp由5.37增至12.75时,床层空隙率和流体分布均匀性均得到改善,壁面效应的影响由床层中心减弱到管壁。基于数值模拟及实验结果对Di/dp=12.75的柱状颗粒床层进行床层压降Ergun公式常系数修正,CFD模拟计算的结果与拟合公式吻合较好。研究结果能为固定床反应器压降预测提供参考。     

Influence of ring-type internals on the solids residence time distribution in the fuel reactor of a dual circulating fluidized bed system for chemical looping combustion

The intensification of gas-solids contact in the fuel reactor of a chemical looping combustion system is enhanced with the installation of ring-type internals. This can be a key issue for achieving the necessary fuel conversion rates. Wedged rings, previously designed and tested, were found to increase the particle concentration in the counter current section of the fuel reactor and hence, to achieve a more homogeneous particles concentration along this zone. The present work investigates the effect of the mentioned internals on the residence time distribution of particles in the fuel reactor of a dual circulating fluidized bed system for chemical looping. The study was carried out in a cold flow model especially designed for the fluid-dynamic analysis of the system equipped with a recently developed residence time measurement device based on the detection of ferromagnetic tracer particles through inductance measurement. Ring internals proved the positive effect on the particles residence time, the residence time distribution is more symmetric and shows lower dispersion, the flow pattern is more plug-flow-like, these effects are intensified with the reduction of the aperture ratio of the rings. On the other hand, the upward particle transport in the counter-current zone of the fuel reactor also increases with the installation of the rings, increasing the bypass flow of solids through the fuel reactor's return loop (internal circulation). For high internal circulation rates the solids residence time distribution of the fuel reactor is dominated by the bypass effect. The findings may be used for focused design improvement of the investigated fluidized bed system.     

微型流化床内气体返混

微型流化床基础和应用在近几年受到越来越多的关注。针对微型流化床对气固反应分析的应用要求,利用脉冲示踪法研究了内径10 mm和21 mm两种尺寸微型流化床中的气体返混特性,具体考察了管内径、颗粒静床高度、床料颗粒粒径和气体表观流速对气体返混程度的影响。结果表明:随着床内径、颗粒静床高度和表观气速的减小和床料颗粒粒径的增大,气体在床内的返混程度减小。使用粒径约270 μm粗颗粒时,两种床径的浅层微型流化床中的气体返混程度都较小,对应的Peclet数在27以上,证明了床内气体流动接近平推流,从而为利用微型流化床最小化气体返混对反应测试的影响,获得近本征反应动力学参数提供了流动特性的保障。     

返混对气-固反应特性测试和活化能表征的影响

采用冷态研究和高温反应相结合的方法,探究了气-固反应过程中返混对反应特性和动力学的影响。首先利用脉冲示踪法考察微型流化床内的气体停留时间分布规律和气体返混特性,揭示床内径D、表观气速U_g、介质颗粒粒径d_p对床内气体返混程度的影响,并分析气体流动偏离平推流的程度,得到其最大程度接近平推流的操作范围。进而,选取活性焦燃烧这一典型气-固反应,分析微型流化床反应分析仪中不同程度的返混状态下等温燃烧的反应行为和活化能演变,再现了D、U_g、d_p对反应测试结果的影响,即：随着床径减小及表观气速和介质颗粒粒径的增大,反应器内产物气体经历的返混程度减小,使得产物气体近平推流的输出并被即时检测,获得更好揭示反应本质特性的反应活化能。活化能数值随返混程度的减少而增大,且更易达到稳定反应状态。     

旋转填料床与盘管组合反应器中的流动特性

以饱和的NaCl水溶液为示踪剂,采用脉冲法考察了液体流量、转子转速对旋转填料床与盘管组合反应器停留时间分布(RTD)曲线的影响。用轴向扩散模型对流动状况和返混程度进行了表征。结果表明,组合反应器内的流体流动型态与盘管相同,接近活塞流,且流量越大,平均停留时间越短。旋转填料床转子转速对组合反应器停留时间分布影响很小。     

卧式双轴搅拌床反应器混合特性研究

本文对卧式双轴气相聚合搅拌床反应器的混合特性进行了实验研究。以三氧化二铝粉体和氯化钾粉体分别为主体物料和示踪物料,用电导法考察了搅拌转速、器内物料的装料高度及通气速率对该搅拌床反应器的混合特性的影响并获得了相应的关联式。结果表明,弗鲁德数、无因次装料高度及通气速率对混合特性有明显的影响。     

高密度液固循环流化床流动特性研究及数值模拟

在φ80 mm×8000 mm的液固循环流化床提升管中,利用实心玻璃珠和常温水,采用实验和数值模拟相结合的方法对高密度液固循环流化床的流动特性进行了考察。实验发现,高密度液固提升管中,颗粒固含率和颗粒速度径向分布均为抛物线分布,轴向平均固含率分布总体上为下浓上稀的波动形式分布,颗粒在提升管中的流动表现出加速-减速-再加速直至充分发展的过程。这种分布特征与较高颗粒浓度、较高表观液速和颗粒循环速率及喷管式液体分布器的影响有关。液固提升管中固体颗粒的停留时间分布曲线均为尖而窄、较对称且没有明显拖尾的单峰分布,这表明颗粒基本是以弥散颗粒形式存在,颗粒停留时间分布较为均匀。通过将数值模拟结果与实验结果进行比较发现,模拟值与实验值吻合较好,说明所建立的数学模型较为合理,进一步通过数值模拟实验对颗粒密度和颗粒粒径对流动特性的影响规律进行了考察。