加压高密度循环流化床气固流动特性的试验及数值模拟研究

摘要

高密度循环流化床（High-Density Circulating Fluidized Bed，HDCFB）是通过高气速和高固体通量，在反应器内获得高颗粒浓度，从而实现高效的气固混合、热质交换和化学反应速率的一种新型气固循环流态化技术，在煤加压燃烧、气化和化学链燃烧等工业应用中显示出良好的应用前景。然而，目前对其复杂气固流体动力学特性的认识尚有不足，尤其是关于HDCFB在加压条件下的气固流动特性，至今少有文献报道，这在一定程度上限制了其设备设计、优化和大型化发展。本文通过试验和数值模拟等方式，对加压HDCFB复杂的气固流动特性和放大规律进行研究。主要内容及结论如下:
　　构建了由一级提升管和两级立管组成的加压HDCFB试验装置，在加压的条件下实现了Gledart B类颗粒的高密度循环流态化。试验在较宽的操作范围(Pabs=0.1～0.5MPa,Gs=25～1015kg/m2·s，ug,sta=6～38m/s）内揭示了HDCFB提升管的压降、颗粒浓度、气固滑移和气固输送等重要的流动特性随操作压力、表观气速和固体通量等操作参数的变化规律，并建立了这些特征参数与操作参数之间的内在联系。此外，通过引入无量纲表观气速ug*对不同操作压力下具有相似流动结构的操作气速进行表征，揭示了常压和加压HDCFB提升管的气固流动结构及其转变规律，并绘制了流动结构相图。采用功率谱和Shannon信息熵增率等压力信号分析方法对加压HDCFB复杂气固流动特性进行分析，并建立了信号特征参数与气固流动结构之间的联系。
　　基于单元内源项-颗粒群(MP-PIC)方法，建立了适用于多组分/宽筛分颗粒的加压稠密气固流动三维欧拉-拉格朗日数理模型、模型边界条件和数值求解方法，并在此基础上建立了加压稠密气固多相流动的数值试验基础平台。对MP-PIC方法中的网格尺寸、计算粒子包含颗粒数np以及两者之间的配合关系进行了系统地分析。同时，通过对核心模型（曳力模型）和模型参数(颗粒-颗粒碰撞恢复系数ep、颗粒-壁面法向碰撞恢复系数ewn和颗粒-壁面切向碰撞恢复系数ewτ)的敏感性分析，通过试验结果反推的方法得到了适用于加压HDCFB最优的计算模型和模型参数群。基于所建立的数值试验平台，成功实现了宽筛分颗粒在加压HDCFB的提升管、气固分离器、立管、返料器和返料管之间连续高通量循环的三维多相流数值模拟。
　　在本文所建立的加压稠密气固多相流三维全循环数值试验平台上，基于所获得的计算模型和模型参数群，进行了加压HDCFB的操作压力、流化风速、返料阀充气量和储料量等操作参数放大或外延的数值试验，通过对气固流动结构、压力分布、颗粒浓度、颗粒速度等重要气固流动特性的多方位比较，从气固流动的角度揭示了加压HDCFB操作参数的放大规律。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 高密度循环流化床工业应用背景

1．2．1 煤气化

1．2．2 化学链燃烧

1．3 国内外研究现状

1．3．1 高密度循环流化床气固流动试验研究进展

1．3．2 高密度循环流化床气固流动数值模拟研究进展

1．3．3 高密度循环流化床研究现状的综合评述

1．4 课题研究思路以及主要研究内容

1．4．1 研究思路

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

参考文献

第二章 加压高密度循环流化床流体动力学特性的试验研究

2．1 引言

2．2 加压高密度循环流化床试验系统

2．2．1 试验装置和试验系统流程

2．2．4 试验物料特性

2．2．5 操作条件

2．3 试验参数测量

2．3．1 系统操作压力

2．3．2 状态表观气速和标态表观气速

2．3．3 固体通量

2．3．4 表观颗粒浓度

2．4 试验结果与分析

2．4．1 提升管压降分布

2．4．2 表观颗粒浓度

2．4．3 气固滑移特性

2．4．4 气固输运特性

2．5 本章小结

参考文献

第三章 加压高密度循环流化床气固流动结构转变及压力信号分析

3．1 引言

3．2 加压高密度循环流化床压力平衡模型

3．2．1 模型描述

3．2．2 各部件压降的分析和计算

3．2．3 系统压力平衡模型预测

3．3 加压高密度循环流化床气固流动结构转变

3．4 加压高密度循环流化床差压脉动信号分析

3．4．1 差压脉动信号的时间序列及功率谱分析

3．4．2 差压脉动信号的Shannon信息熵分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 加压高密度循环流化床气固流动的三维数值建模

4．1 引言

4．2 基于单元内源项-颗粒群(MP-PIC)的欧拉-拉格朗日多相流模型

4．2．1 控制方程

4．2．2 相间作用力模型

4．2．3 颗粒间作用力模型

4．2．4 湍流模型

4．3 模型的边界条件

4．4 模型的数值求解方法

4．4．1 插值算子

4．4．2 数值计算方法

4．6 本章小结

参考文献

第五章 加压高密度循环流化床三维全循环数值模拟及关键模型和参数的敏感性分析

5．1 引言

5．2 数值计算对象和条件

5．3 计算方法

5．4 网格划分

5．5 加压高密度循环流化床数值模拟结果

5．5．1 网格及计算粒子的无关性

5．5．2 模型及模型参数的敏感性分析

5．5．3 粒径分布的影响

5．6 模型验证

5．7 本章小结

参考文献

第六章 加压高密度循环流化床操作参数扩展的数值试验研究

6．1 引言

6．2 放大研究对象和条件

6．3 操作参数放大规律的数值试验结果

6．3．1 操作压力

6．3．2 返料阀充气量

6．3．3 流化风的影响

6．3．4 储料量的影响

6．4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 主要研究成果及创新

7．2 进一步研究展望

7．2．1 试验方面

7．2．2 数值模拟方面

学术论文及专利

资助项目／基金

致谢