六回路循环流化床颗粒浓度及循环流率实验研究

在六回路循环流化床冷态实验台上,采用差压法和积料法分别测定床内的颗粒浓度分布和物料循环流率,实验研究运行参数对颗粒浓度分布和循环流率的影响规律。结果表明,六回路CFB颗粒浓度分布与单回路CFB相似,沿炉膛高度呈下浓上稀的分布,炉膛出口区的颗粒浓度和速度决定了物料循环流率。当空截面气速增加时,炉膛出口区的颗粒浓度和速度均增大,六回路的循环流率大幅度增加。当二次风率小于30%时,对颗粒浓度和循环流率影响不大。颗粒浓度和循环流率随静止床高增加而增加。颗粒粒径增大时,密相区颗粒浓度增加,稀相区颗粒浓度减小,循环流率减小。基于炉膛出口区颗粒浓度和颗粒速度计算的循环流率理论值与实验数据比较吻合。     

六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床实验研究

针对新型超临界循环流化床锅炉炉型——六分离器并联布置的双水冷柱炉膛循环流化床进行冷态实验研究,考察其炉膛内颗粒浓度分布和各循环回路间气固流动不均匀特性。实验结果表明,炉膛内颗粒浓度轴向分布规律与矩形单炉膛循环流化床一致,呈下浓上稀的分布。在所示的分离器布置结构下,6个循环回路间存在明显的气固流动不均匀现象,且不均匀性主要存在于炉膛同一侧的3个回路间,循环流率、炉膛底部颗粒浓度和炉膛出口附近颗粒浓度都呈现"中间低两端高"的分布特点。循环流率分布不均匀性随表观气速的增大而增强,受静止床高的影响很小。炉膛中布置双水冷柱对六分离器并联布置循环流化床系统的气固流动不均匀性影响很小。     

基于风帽压力波动的一次风表观气速对循环流化床气固流态化特征影响的研究

提出利用采集、分析风帽压力波动信号的方法,实现对循环流化床内气固两相流状态的监测。借助冷态循环流化床实验台,在不同一次风表观气速条件下,测量了床内中心位置风帽的入口压力波动信号、床内沿高度方向相临测压点的差压信号以及系统的颗粒循环流率。采用小波分析、均匀指数和能量加权平均频率等方法对风帽压力波动信号进行分析,得到信号的特征参数。利用床内沿高度方向相临测压点的差压信号计算床内不同位置的截面平均颗粒浓度。然后基于压力信号特征参数、截面平均颗粒浓度和系统的颗粒循环流率等,研究了一次风表观气速对循环流化床内气固流态化特征的影响。结果发现,风帽压力信号特征参数能够反映循环流化床一次风表观气速变化引起的气固流动状态变化,表明所提方法具有可行性。     

循环流化床内稠密气固两相流动的数值模拟

颗粒团聚是稠密气固两相流动中的一个重要现象，该文定义了颗粒团聚合力的概念来表征稠密气固两相流动中颗粒所受到的团聚效应，对单个颗粒进行了全受力分析，得到了聚合力的线形模型表达式。采用聚合力的线形模型，将两相流场分为稀相区和浓相颗粒团，将颗粒团视为整体离散相，文中数值模拟了循环流化床内的稠密气固两相流动，得到了床内颗粒团分布、颗粒团大小、床内空隙率、气相速度、颗粒相速度的详细分布，揭示了循环流化床内稠密气固两相流场的规律，以及循环流化床内两相流场的核心—环形流动结构。计算结果与前人实验结果相符并表明，采用该模型及其算法模拟循环流化床内稠密气固两相流动是可行的。     

宽粒径分布流化床的微观尺度模拟与分析

采用计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合方法对三维宽粒径分布流化床进行数值模拟研究，对比了两种不同表观气速下流化床内颗粒的分离和混合情况，并对计算结果进行了详细分析。在宽粒径分布流化床内，存在不同程度的颗粒分层现象。当表观气速较低，处于最小颗粒的最小流化速度与最大颗粒的最小流化速度之间时，会出现明显的分层，整体上为大颗粒在下、小颗粒在上的分层结构，而当表观气速较高，大于最大颗粒的最小流化速度时，床内不再出现明显的分层现象。最后对两种不同表观气速下床内颗粒的分层和混合的详细运动行为进行了分析和讨论。     

600MW循环流化床锅炉水冷壁和中隔墙传热特性

采用结合颗粒动力学的双流体模型,利用FLUENT软件计算600MW循环流化床锅炉炉膛内气固三维流场,将水冷壁、中隔墙表面气固三维流场结果与循环流化床颗粒团更新传热模型相结合,得到水冷壁、中隔墙传热系数三维分布和热流密度。结果表明,炉膛的气固流动呈双环核结构分布,在水冷壁及中隔墙表面均存在贴壁下降颗粒团;炉内受热面传热系数受其表面的气固流场参数影响大,尤其是颗粒浓度;水冷壁、中隔墙传热系数轴向分布相似,沿床高增加,颗粒团壁面覆盖率减小,对流传热系数减小,辐射传热系数增大,总传热系数和热流密度逐渐减小;炉膛四角以及水冷壁和中隔墙的夹角处存在相对较高的传热系数和热流密度。     

六回路环形炉膛循环流化床结构布置实验研究

针对新型超(超)临界循环流化床锅炉炉型——环形炉膛六回路循环流化床进行冷态实验研究,考察结构布置对炉膛内颗粒浓度轴向分布和六循环回路间气固流动不均匀特性的影响。实验结果表明,悬吊屏布置、六分离器对称布置方式和环形炉膛内环结构均对环形炉膛颗粒浓度轴向分布影响很小;布置悬吊屏、将六分离器布置方式由轴对称改为中心对称以及将环形炉膛内环结构由双水冷柱改为单水冷柱均对六回路循环流率的不均匀分布有改善作用,但改善作用有限且不改变六回路循环流率的分布规律;通过与已有的研究对比,推断出影响六回路循环流率分布均匀性的关键结构因素可能在于两端分离器的布置方式和炉膛外环切角结构。     

高密度循环流化床不同截面结构提升管内流动特性研究

先后在高10m,提升管截面分别为边长0．27m方形和内径0．187m圆形的冷态循环流化床实验台上开展针对B类石英砂颗粒的实验,研究提升管结构及操作条件对床内流动特性的影响,并分析实现高密度循环流动的条件。圆床中固体循环流量G超过300kg／（m^2s）,实现了高密度循环;方床中由于装置结构因素,影响了G的提高。与A类颗粒不同,对于实验采用的B类颗粒,固体循环流率超过饱和循环流率时,轴向固体颗粒浓度依然呈现指数型分布,未出现S型分布。实验操作条件下,圆床和方床中提升管总压降均与固气比成线性关系,但线性斜率差别明显。通过无量纲提升管高径比关联固气比和提升管总压降,正确反映了提升管结构对流动的影响,通过实验值的比较,采用高径比关联后,固气比与不同结构下提升管总压降的线性关系较一致。     

双级料腿循环流化床循环流率及脱氯床阻力的试验研究

主要研究了试验工况对循环流率的影响以及系统的压力平衡变化。结果表明:在双级料腿循环流化床中,与常规的循环流化床相比,循环流率的规律没有发生变化。系统中存在着两路的压力平衡。对气固两相的稳定、定向流动起关键作用的是通过脱氯床层的阻力。通过理论推导得到了二级料腿内脱氯床阻力的计算公式,为双级料腿循环流化床垃圾焚烧炉提供了重要的设计参数和运行依据。     

流化床内球形大颗粒停留时间分布的正交实验研究

利用电容层析成像示踪大颗粒在床内运动轨迹,通过正交实验法研究非均匀布风流化床内球形重质大颗粒粒径、密度、流化风速对其在床内停留时间分布(residence time distribution,RTD)的影响规律。实验及显著性分析结果表明大颗粒停留时间随密度、粒径增大而增大,随流化风速增大而减小;大颗粒密度是影响其停留时间的主要因素,流化风速次之。由回归分析建立了大颗粒平均停留时间(mean residence time,MRT)和实验变量的无量纲经验关系式,将其用于预测一定工况下大颗粒MRT时误差不超过20%。最后采用Shapiro-Wilk正态性检验方法对RTD曲线进行检验,结果表明大颗粒在床内的停留时间很接近正态分布。     

基于蒙特卡罗法的脱硫塔内气固流动数值模拟

用欧拉法处理气相场的同时用基于拉格朗日法的直接数值模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)法处理离散颗粒场,对循环流化床烟气脱硫塔内气固两相流动特性及其优化进行了数值模拟。基于非结构网格进行数值求解,采用四向耦合方法严格地考虑颗粒-流体、颗粒-颗粒、颗粒-器壁间相互作用,并应用高效的非结构网格搜索法,实现气固相间一一映射的耦合作用与反馈。获得了加装导流板组前后,脱硫塔内气固流动特征、轴向速度分布以及固相颗粒浓度分布,同时对影响颗粒停留时间及颗粒碰撞率的关键因素进行了分析。结果证实了调节脱硫塔内多相流动的必要性与有效性;调节后,塔内两相流动及其分布呈理想对称状态,塔内空间得到了充分利用,各粒径档颗粒停留时间比较一致;颗粒停留时间与气相场分布及颗粒物性密切相关;调节后,床内颗粒碰撞率明显低于调节前。     

矩形截面流化床内颗粒运动可视化试验研究

将高速摄影和颗粒图像测速(PIV)技术结合，以空气作为流化介质，0.1~0.65mm透明玻璃珠为床料，对不同截面风速下矩形截面流化床内过渡区和稀相区的颗粒速度分布进行了分析。试验表明：过渡区截面突变造成颗粒的运动流场发生偏转，颗粒横向运动明显增强；稀相区的出口效应和矩形截面的角落效应对截面上的颗粒速度分布有重要影响。越靠近出口颗粒的横向运动越剧烈。出口效应对颗粒横向速度分量的影响要大于对轴向速度分量的影响，横向速度分量是影响稀相区颗粒宏观运动规律的主要因素。截面风速增大，使得测试区域的颗粒速度分布的不均匀性加剧。为减小锅炉磨损，对截面突变区域要使用圆滑过渡，减少不规则区域的存在；选择合理的出口结构和截面风速，同时要考虑角落防磨。     

内旋流流化床床内颗粒运动特性的试验研究

流化床床内颗粒的大规模循环不仅可以加剧了颗粒横向扩散,提高燃烬速率,实现燃烧的均匀性和稳定性,还将有利于促使不燃物质的定向移动排出炉外。文中采用冷态硫化床装置,应用分层取样技术对微倾斜布风板实现流化床内不均匀布风,床内物料混合与分层特性进行了系统的试验,研究床内颗粒扩散的动态特性和流化风速,颗粒密度以及颗粒粒度等因素对流化床内分层的影响,并通过求解扩散方程来分析布风不均匀性和布风倾角对风板附近物料扩散的影响。研究表明：增大流化风速和布风板倾角能够强化颗粒的横向扩散和流化床的内旋流程度,对大而重的颗粒存在一个最佳速度比,既能实现床内旋流又有防止颗粒的严重分层,并针对低风速区的分层现象,提出了一个关联式,该式的计算值与实验值吻合较好。     

Study of Conditions of Binary Particle Mixture Motion Applied to Chemical Looping Combustion of Fuel with Carbon Dioxide Capture

Chemical looping combustion and gasification of fuels with using metal oxides as oxygen carriers is a rapidly developing technology for capturing carbon dioxide. This technology is based on the use of interconnected reactors with a fluidized bed and circulating fluidized bed. Crucial in the technology is the reliable security of a high solid circulation rate between the reactors to maintain the desired temperature. When burning solid fuels, ash particles inevitably enter the metal oxide stream. This can lead to a change in the hydrodynamic parameters of an interconnected reactor system. In this paper, we present the results of an experimental study of fluidization conditions and hydrodynamics of a reactor with a circulating fluidized bed under motion conditions of binary mixtures of particles with different density. We also justified the conditions for simulating the particle sizes of heavy and light fractions as well as their mass in the reactor and a portion of a light fraction. We showed that, at a small addition of a light fraction, the minimum fluidization rate decreases markedly. Particle segregation was observed for large metal oxide particles, while light particles were found to be near the layer surface. The addition of a light fraction with a mass fraction of 3–12% does not significantly affect the mass flow profile of particles in a circulating fluidized bed reactor. The fractional composition of the particles in both the upward flow in the center and the downward stream near the walls of reactor is approximately the same. In the central part of the riser, the concentration of the light fraction was found to be slightly higher than its average value. The obtained results support the possibility of using the previously developed dependences for the calculation of hydrodynamics under motion conditions of binary mixtures of particles of different densities in the presence of a light fraction of 3–12%.     

大块物在内循环流化床中停留时间的试验研究

非均匀布风的内循环流化床常用于城市固体废弃物的焚烧制能。由于城市固体废弃物组分复杂,常含有大块不燃物,为了确保正常运行,必须采取措施及时有效地排出这些不燃的大块物,因此要研究大块物在内循环流化床中的运动特性及停留时间。在建立冷态试验台的基础上,研究了大块物的形状、尺寸、密度及流化风速对大块物在内循环流化床中停留时间的影响。     

分区流化床内床料的横向迁移和传热特性

在自建的水平循环分区流化床冷态实验台上,采用示踪剂法和传热探针法,分别研究了分区流化床内床料的迁移特性和探针的传热特性;分析了流化风速、颗粒粒径、隔板高度、引射风量、探针位置和取向等因素对传热、传质特性的影响。研究表明：随着流化风速、初始床高和引射风量的增加,颗粒迁移量增加;在相同流化风速条件下,低床区的抛撒量明显高于高床区。当流化风速超过最小流化风速,传热系数随流化风速的提高迅速增加,且达到最大值,然后稍有下降;传热探针背风面的传热系数总体上比迎风面的大;传热系数随床高的增加呈现下降的趋势。总体上,颗粒横向迁移对传热效果的提高有利,在颗粒稳定迁移条件下传热系数的提高值约为30%。