A model for collisional exchange in gas/liquid/solid fluidized beds

A new model is presented for numerical simulations of collisional transfer of mass, momentum and energy in gas/liquid/solid fluidized beds. The mathematical formulation uses a collision model similar to that of Bhatnagar, Gross, and Krook (BGK), in a particle distribution function transport equation, in order to approximate the rates at which collisions bring about local equilibration of particle velocities and the masses, compositions, and temperatures of liquid films on bed particles. The model is implemented in the framework of the computational-particle fluid dynamics (CPFD) numerical methodology, in which the particle phase is represented with computational parcels and the continuous phase is calculated on Eulerian finite-difference grid. Computational examples using the Barracuda^® code, a commercial CFD code owned by CPFD Software, LLC, show the ability of the model to calculate spray injection and subsequent liquid spreading in gas/solid flows.     

Investigation of gas-solid flow characteristics in a novel internal fluidized bed combustor by experiment and CPFD simulation

Based on the coal self-preheating combustion technology, this research proposed a novel internal fluidized bed combustor (IFBC) with an internal separator for stable preheating of fuel. In order to verify feasibility and operation stability of IFBC, cold experiment, electrical capacitance tomography (ECT) and computational particle fluid dynamic (CPFD) simulation were performed in a laboratory-scale IFBC. The effects of superficial air velocity (U_g) and return valve structure on the operation and gas-solid flow characteristics were investigated. The results revealed that the CPFD prediction agreed well with the experiment values. The pressure balance curve presented an “8″ shape distribution, and the particle volume fraction (PVF) showed ‘core-annular’ distribution features. With the increase of U_g, the PVF in the standpipe increased, and the discharge pattern of the return valve changed from continuous discharge to intermittent discharge, and the solid circulation flux showed a trend of increasing first and then decreasing. With the decrease of the outlet opening of return valve (Φ), the gas–solid flow behavior in standpipe experienced a transition from gas leakage, stabilizing material seal, and blocking state. For U_g = 2 m/s, Φ = 50 %, an effective solid seal in the return valve was established and IFBC has a stable circulation and operation.     

基于CPFD方法的生物质燃气旋风分离陶瓷膜一体化除尘器仿真

为缩短高温燃气除尘工艺,提高除尘效率,提出了一种耦合复合陶瓷膜组的一体化旋风除尘器。在温度为573 K的条件下对陶瓷膜的流动阻力进行了实验研究,考察了流量和压力对单个陶瓷膜过膜压降的影响,得到过膜压降与流速之间的关系式,基于计算颗粒流体力学（CPFD）方法模拟了除尘器内部的气固两相流动特性,探讨了生物质燃气除尘过程中内部颗粒的分布规律、速度和停留时间,探究了复合陶瓷膜组对除尘器压降和效率的影响。结果表明：在入口温度为573 K、压力为111 325 Pa、进口气体积流量为7 909 m³/h的条件下,较之无陶瓷膜组的除尘器,一体化除尘器内部粉尘颗粒的停留时间更长,其对粉尘颗粒捕集效率更高,颗粒聚集性能更好,除尘效率从91.2%提升至99.7%,然而总体压降增大了78 Pa。     

基于CPFD方法的660MW超临界CFB锅炉循环回路均匀性研究

采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对某660 MW超临界循环流化床锅炉的炉膛、分离器和下部料腿进行了模拟,分析了锅炉负荷、分离器出口压力、一二次风配风和非均匀二次风对各回路固体流率的影响。结果表明：在稳定性分析中,压力模拟值与锅炉运行数据的平均偏差为9.6%,循环回路固体流率平均值与设计物料流量的平均相对偏差为9.49%;中间循环回路固体流率较高,回料口与中间分离器的非对应布置对左、右半炉的总固体流率影响不大;较高的分离器出口压力对不同回路固体流率的分布影响较大,当出口压力较低时,其影响减少;均匀性最好的配风比为50∶50,在此条件下,分离器固体流率的相对极差为5.97%;当炉膛中部的二次风量减少至24%时,相对极差减小到8.45%。     

基于CPFD方法的燃煤电厂烟气脱氯模拟研究

为了降低锅炉尾部烟道内HCl质量浓度,减少废水的产生,将Ca（OH）₂雾化浆液喷入尾部烟道,针对Ca（OH）₂浆液脱除烟气中HCl的脱氯过程,以某330 MW锅炉尾部烟道为研究对象,基于计算颗粒流体力学（CPFD）方法建立脱氯过程中烟气与Ca（OH）₂浆液间的传热传质模型及化学反应模型,分析了钙氯化学计量比、烟气速度、烟气温度、液滴温度、液滴粒径、浆液质量分数及HCl和SO₂质量浓度对脱氯效率的影响。结果表明：随着化学计量比的增加,脱氯效率逐渐升高,但升高幅度逐渐减小;相同化学计量比时,烟气速度、液滴温度和烟气中SO₂质量浓度对脱氯效率几乎没有影响,脱氯效率的变化在3.65%以内;烟气温度升高、浆液质量分数增大和HCl质量浓度减小都会降低脱氯效率;脱氯效率随着液滴平均粒径的增大先升高后降低,当液滴平均粒径为80μm时,脱氯效率最高;在实际应用中,必须选择合理的化学计量比及液滴粒径和浆液质量分数,在提高脱氯效率的同时以防对尾部烟道及后续设备产生不利影响。     

催化裂化管式待生剂分配器颗粒分配特性及内部流动特性的CPFD模拟

基于CPFD(Computational particle fluid dynamics)方法,对实验室前期研究的催化裂化管式分配器内的颗粒分配特性及内部流动特性进行了数值模拟,系统研究了输送风、松动风及分配器倾斜角度对颗粒分配不均匀指数的影响,并进一步考察了输送风和松动风对分配器各出口气体流量分布及内部气 固流动特性的影响。结果表明,增大输送风量、松动风量以及分配器的倾斜角度均可以降低颗粒分配不均匀指数,但改变松动风量的效果不如改变输送风量和倾斜角度显著。分配器倾斜角存在一个最优值时,颗粒分配均匀性最佳。输送风的增大会使得颗粒出料量最高的排料口的位置逐渐向分配器的末端移动,中间排料口所流出的气体流量占比增大,末端排料口排风量占比减小。引入松动风后,各出口的颗粒排料量更加接近,同时靠近末端排料口的气体流量占比明显增大。     

基于CPFD多密度矿粒流化与分选特性研究

本文基于一种流态化干法选矿装置,实现在约束环境下对多密度矿粒进行分离。通过矿物分选机理研究、利用Barracuda计算平台探索适用于干法选矿装置内气固流动模拟的计算颗粒流体力学（CPFD）仿真计算,并与实验研究相结合,对多密度矿粒分选特性进行研究。结果表明：当风速4.2m/s,矿粒W在分布距离170mm处分选品位较好,在开口为4mm时品位可达10.655%,回收率达88.6%;矿粒Mn在分布距离270mm处矿粒富集程度最佳,开口为3mm时品位达到最大值48.3%,回收率达80.9%。本文研究成果对风力干法选矿技术具有参考意义。     

CPFD在细颗粒料仓下料中的应用

借助计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,研究了细颗粒玻璃微珠在不同结构料仓内的下料特性,获得了料仓出口直径和半锥角对颗粒下料流动的影响。在实验室可视化下料平台开展了验证实验,模拟结果与实验结果吻合较好。模拟结果表明:下料流率与料仓出口直径2.5次方呈正比;料仓半锥角增大,下料流型从质量流过渡至漏斗流。CPFD模拟给出了料仓下料过程的细节信息,并获得了料仓结构对颗粒流动形态转变的临界面相对高度的影响。     

惯性聚焦对多密度电子垃圾颗粒的分离影响研究

基于电子垃圾中稀贵金属环保、高效、低能耗的回收需求,采用CPFD（计算颗粒流体动力学法）,Barracuda气固耦合数值分析软件建立电子垃圾颗粒气固分离模型,为避免颗粒受重力作用导致颗粒动能逐渐增大从而与空气作用后形成密度波以及颗粒在受到气流作用后混乱发散,在竖直方向上增加多个颗粒惯性聚焦板,模拟电子垃圾颗粒在多次横向气流及惯性聚焦作用下的分选特性,探究在不同质量流率、不同气流速度以及不同聚焦宽度下电子垃圾中稀贵金属颗粒的分离效率。研究表明：电子垃圾进口质量流率与聚焦宽度对电子垃圾中稀贵金属颗粒的分离有显著影响,当一次气流速度为4.2m/s、二次气流速度为4.8m/s、三次气流速度为3m/s、四次气流速度为3.2m/s、气流开口宽度为50mm、入料开口宽度为4mm、颗粒惯性聚焦板的聚焦宽度为9mm、一次气流口距离入料口150mm、进口质量流率为10g/s时,铜的品位可达84%,回收率为88.5%;金的品位和回收率为78.1%和90.2%。说明在多次横向气流和惯性聚焦作用下,可有效实现对电子垃圾中稀贵金属颗粒多梯度、高精度的有效分选。改变电子垃圾进口质量流率和聚焦宽度可以有效提高电子垃圾中稀贵金属的分离效率,同时对多密度颗粒的干法分选提供借鉴和参考。