三维旋流喷动流化床气固两相流动特性模拟

为了从理论基础上研究带风帽的旋流喷动流化床干燥器内气固两相流流动特性,采用欧拉多相流模型对一台旋流喷动流化床试验台进行三维数值模拟,分析了各种不同底部进风速度V底与切向进风速度V切比例对旋流喷动流化床干燥器内的气体速度分布和颗粒速度分布特性的影响,以及当V底/V切为30 m·s-1/30 m·s-1时,探讨了气固流动状态随时间的变化规律。研究结果表明:增大V切,有利于增加近壁面区域的气体流动速度和促进气固相的充分混合,增加气体和颗粒相的接触面积,有利于减少气相流动死区,降低黏性物料对筒体壁面的粘附程度。但由于切向风的卷吸作用所形成的负压会导致轴向气流减弱,不利于筒体中心区域气流的轴向发展,降低了轴向风对颗粒层的穿透效果。     

不同进气方式的流化床内颗粒混合特性的数值模拟

为了从微观角度分析不同进气方式的流化床内颗粒的运动机制,利用计算流体力学与离散单元法相结合的方法,采用Gidaspow曳力模型实现气固两相间的耦合,对不同进气方式的流化床进行数值模拟,采用Lacey混合指数等对颗粒的混合状态进行定性和定量分析,并探讨了气体速度参量对混合特性的影响。结果表明:喷动流化床内颗粒混合特性受喷口气速和流化气速的综合作用;存在喷动气的工况,其最终混合状态比均匀进气的工况好;在存在喷动气的前提下,引入流化气会导致床体的死区变小,且流化气速越高,死区越小;在特定的模拟工况下,存在一个最佳流化气速,使得颗粒混合质量最好。     

加压喷动流化床流动和扩散规律冷态实验研究

在一个加压喷动流化床装置上进行了冷态实验,研究加压条件下床中的气固流动状态和气体在各部分的扩散特性。结果表明：加压喷动流化床与常压喷动流化床中气固流动状态差异较大,其喷动流化速度与Ｐ＾－０．５成正比。实验还发现,气体由中心喷动区向周边环形区扩散速度与Ｐ＾－０．５３９成正比。在试验的基础上提出了适合常压和加压喷动流化床最小喷动流化速度的实验关联式、气体扩散速度关联式和喷动区发展段直径的实验关联式。     

增压导向式喷动流化床流动特性的数值模拟

采用双流体模型对增压导向式喷动流化床内喷动区和环形区气固运动速度和空隙率进行数值模拟。计算结果表明,喷动区颗粒速率在初始阶段急剧上升而气体速度则急剧下降,进入导向管后趋于平缓,而且颗粒加速程度不写系统压力有关,还形区气体速度在卷吸段增大,进入隔离流区后保持不变,而颗粒下降速度一直保持不变,喷动区的空隙率在卷吸段下降,进入导向管后又开始上升。     

压力对喷动流化床流动特性影响的数值模拟

建立了1台热输入0.1 MW的加压喷动流化床煤部分气化炉和相同尺寸的冷态模型试验装置,通过试验和数值模拟方法分析了压力对喷动流化床流动特性的影响.数值模拟采用了非稳态欧拉多相流模型,研究结果表明:随着工作压力增大,床内的中心喷动区和环形区的空隙率均相应减小;颗粒在较高工作压力下的轴向速度大于较低压力工况下的速度值;在压力为0.1～0.3 MPa时,模拟工况的流动状态与试验结果相符.     

贴体坐标系下喷动床内气固两相流体动力特性的数值模拟

采用稠密固相动力-摩擦应力模型,建立喷动床内气固两相双流体模型．应用贴体坐标系使得计算网格与喷动床的倒锥体边界相一致．通过数值模拟获得喷动床内喷射区、环隙区和喷泉区内颗粒速度及浓度分布．计算结果表明,喷泉区具有强烈的气固两相质量和动量交换．当倒锥体倾斜角度达到60°,在射流入口处形成一瓶颈．研究表明颗粒间滑动-滚动摩擦应力对环隙区颗粒流动具有明显的影响．     

喷动流化床气体混合特性实验研究

在300 mm×30 mm×2 000 mm的喷动流化床煤部分气化炉冷态试验装置上,在喷动区和环形区同时采用了不同示踪气体的方法,获得了在不同喷动气流速和流化气流率这2个重要的操作参数下,不同床层高度上示踪气体的径向分布,考察了喷动区与环形区之间的气体交换特性和环形区的气体混合特性.结果表明,喷动气速度的增大,使喷动气向环形区的传质加强,也促进了流化气在环形区的混合;流化气流率的增大,气体由环形区向喷动区的传质大于由喷动区向环形区的传质,且流化气在环形区的混合加强.喷动气和流化气的浓度沿床层高度依次降低.此外,结合CCD拍摄的流动结构图像,从气相质量交换的角度对床内的气固流动特性进行了讨论.     

稠密气固两相流动过程模拟的改进模型与应用

提出了模拟稠密气固两相流动的改进模型。湍流流场采用改进的k-ε-εe模型，颗粒的聚合效应采用聚合力的当量直径折算模型计算。将颗粒团作为离散相，研究颗粒团的运动、碰撞、破碎与合并。应用上述模型数值模拟了循环流化床内的稠密气固两相流动。得到了床内气相速度、颗粒团分布、颗粒浓度分布及颗粒团大小分布等详细两相流场信息。计算结果合理，与前人实验结果相符。模拟结果详细揭示了循环流化床内稠密气固两相流动的基本特征。图8表2参8     

流化床内非等密度双组分颗粒流动特性的研究

基于颗粒动力学和气固两相流体动力学,建立流化床稠密气一固两相非等密度双组分颗粒运动碰撞解耦模型,采用硬球模拟方法研究颗粒间碰撞,大涡模拟方法研究气相湍流流动。基于牛顿第二定律建立单颗粒运动方程,应用牛顿第三定律确定颗粒相和气相相间相互作用的双向耦合。数值模拟二维鼓泡流化床内非等密度双组分颗粒气一固两相流动,计算结果表明颗粒弹性恢复系数影响分层流动特性。     

气固流化床的离散颗粒运动-碰撞解耦模型与模拟

基于分子动力学和气固两相流体动力学，建立流化床稠密气-固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型，采用硬球模拟方法处理颗粒与颗粒之间的碰撞，及大涡模拟方法处理气相湍流流动．单颗粒运动满足牛顿第二定律，颗粒相和气相相间相互作用的双向耦合由牛顿第三定律确定，数值模拟二维鼓泡流化床内稠密气-固两相流动，得到了气泡的形成、发展及颗粒的流化过程，计算结果表明颗粒弹性恢复系数影响气-固两相流动特性。     

Gas-solid flow characteristics in high-density CFB

The gas-solid flow characteristics in the riser of a high density CFB of square (0.27 m×0.27 m×10.4 m) or circu-lar (? 0.187m×10.4 m) cross section, using Geldart B particles (quartz sand), was investigated experimentally. The influence of riser structure on the hydrodynamic behaviors of a high-density circulating fluidized bed was investigated. The solid circulation rate was up to 321 kg/(m2s) with the circular cross-section under the operating conditions of the main bed air velocity 12.1 m/s and loosen wind and back-feed wind flow 25.1 m3/h. Different operating conditions on realizing high density circulation was analyzed, while both solids circulation rate and particle holdup depended highly on operating conditions. The circulating gas-solid flow was accompanied by an evidently-dense character in the riser’s bottom zone and became fully developed in the middle and upper zones.     

循环流化床脱硫塔内流场及气固分离特性数值模拟

1前言循环流化床烟气脱硫技术(CFB-FGD)已经成为我国燃用中、低硫煤(含硫量<2%)的中小电厂锅炉(<200 MW)优先推荐使用的技术。各代表技术都是参照经验参数和估算值进行设计,已有的理论研究成果也多是基于实验室或者小规模中试得出的,对于实际工程的适应性和放大性有待验证,因此     

加压喷动流化床煤气化数值模拟

建立了基于CFD的三维非稳态喷动流化床煤气化动力学模型.此模型包含气固流动模型,煤的挥发分析出模型,焦炭气化反应模型和气相间的均相反应模型等子模型.焦炭的非均相反应速率由气体扩散和化学反应动力学共同控制.气体均相反应可以作为二级反应来处理.将试验结果和模拟的计算结果进行了对比,结果表明,入口中心喷动区的温度最高,温度场沿床高方向逐渐降低.煤气质量在加压后有了明显提高.验证的结果表明此CFD模型可以用来预测煤气化的反应过程.     

底饲进料循环喷动床内压力脉动信号的SHANNON信息熵分析

为了研究底饲进料循环喷动床内气固两相流的流动特性,通过冷态实验测量反应塔内轴向不同高度上的压力脉动信号.应用SHANNON信息熵分析压力信号,并比较不同操作条件对塔内气固流动的影响.结果表明:压力脉动及其功率谱在不同床层高度上表现出不同的特性;SHANNON信息熵能够很好地反映特征信号的复杂程度和稳定程度;提高流化速度和循环倍率能够导致塔内轴向上的颗粒浓度上升,从而使压力脉动的幅度增加;提高喷射速度和喷嘴位置,能使反应塔底部气固湍动更加强烈,SHANNON信息熵随之上升.     

温度对喷动流化床煤气化影响的数值模拟

建立了基于CFD的三维非稳态的喷动流化床煤气化动力学模型,考察了温度对喷动流化床煤气化影响。此模型包含了以下子模型：气固流动模型,煤的挥发分析出模型,焦炭气化反应模型,气相间的均相反应模型。焦炭的非均相反应的速率由气体的扩散和化学反应动力学共同控制,气体的均相反应可以作为二级反应来处理。试验结果和模拟的计算结果进行了对比,验证的结果表明了此CFD模型可以用来预测煤气化的反应过程。     

Spouted and spout-fluid bed combustors 1: Devolatilization and combustion of coal volatiles

The devolatilization and volatile combustion of a single coal particle in spouted and spout-fluid beds have been studied. The results showed that the flame extinction time increases with the particle diameter, and decreases with the bed temperature. When the bed temperature and the air flow rate were fixed, the operation modes (spouted or spout-fluid bed) showed less effect on the mean flame extinction time. A mathematical model of the spouted bed mode for preignition and postignition periods has also been developed assuming the devolatilization rate to be controlled by heat transfer and multireaction pyrolysis kinetics based on volatile products. Ignition, heat transfer back from the volatile flame to the particle surface, variation in flame temperature, and the hydrodynamics of SB are taken into account. The model predictions, with some adjusting parameters, were in good agreement with experimental results.     

可调浓度煤粉浓淡燃烧器的数值模拟

采用包括脉动频谱随机轨道模型等气固多相流模型,对新型撞击可调浓度煤粉浓淡燃烧器内部的气相固多相流动进行了数值模拟。研究来流速度,撞击块高度,隔板位置等因素对气相速度场,隔板两侧配风均匀性、颗粒浓度、浓淡分离比的影响,并和仪器模化实验进行对比,计算结果和实验吻合较好,通过分析浓淡分离过程中若干问题的机理,得到了具有工程应用价值的结论。     

Research of the gas-solid flow character based on the DEM method

Numerical simulation of gas-solid flow behaviors in a rectangular fluidized bed is carried out three dimensionally by the discrete element method (DEM). Euler method and Lagrange method are employed to deal with the gas phase and solid phase respectively. The collided force among particles, striking force between particle and wall, drag force, gravity, Magnus lift force and Saffman lift force are considered when establishing the mathematic models. Soft-sphere model is used to describe the collision of particles. In addition, the Euler method is also used for modeling the solid phase to compare with the results of DEM. The flow patterns, particle mean velocities, particles’ diffusion and pressure drop of the bed under typical operating conditions are obtained. The results show that the DEM method can describe the detailed information among particles, while the Euler-Euler method cannot capture the micro-scale character. No matter which method is used, the diffusion of particles increases with the increase of gas velocity. But the gathering and crushing of particles cannot be simulated, so the energy loss of particles’ collision cannot be calculated and the diffusion by using the Euler-Euler method is larger. In addition, it is shown by DEM method, with strengthening of the carrying capacity, more and more particles can be schlepped upward and the dense suspension upflow pattern can be formed. However, the results given by the Euler-Euler method are not consistent with the real situation.     

2MW加压喷动流化床煤部分气化特性的研究

在热输入2MW的中试规模加压喷动流化床部分气化试验装置上，采用徐州煤烟进行了连续12h的加压部分气化试验研究，研究了在深床条件下煤部分气化特性，以及汽煤比的变化对部分气化的影响。研究结果表明：在合适的喷动风和流化风配比下，可实现深床气化，使气化反应基本达到化学平衡；在其它条件不变的前提下，汽煤比增加，气化炉温度下降，煤气中H2含量有较大幅度的提高，煤气热值也有所增加。文章的最后将试验的主要指标与国内外类似规模装置上获得的数据进行了比较。图6表5参10