二维移动床冷态固-固颗粒混合流动特性研究

摘要

本文以解决循环流化床燃烧/移动床煤热解耦合工艺中循环灰热载体煤热解反应器内高温灰与煤颗粒混合、流动技术瓶颈为研究背景，主要研究移动床煤热解部分混合装置的混合特性及工业可行性和热解装置的流动特性，旨在为热态混合器、热解器的放大设计提供可靠的理论依据。本文的研究内容主要包括两大部分：首先，冷态模拟考察了高温灰与煤颗粒在挡板重力混合装置中的混合特性及挡板重力混合的工业可行性。设计并制造了冷态挡板重力混合装置，借助冷态模拟物料石英砂、硅胶，模拟考察了挡板角度、设置层数、放置方式及物料混合比对热态混合装置中高温灰与煤混合特性的影响，并明确了挡板重力混合机理。并与相关机械混合实验进行对比，验证了自制挡板混合方式在热解器中的适用性、可行性。其次，冷态模拟考察了移动床热解器中高温灰与煤颗粒在热解器内的流动特性。建立了模拟热解器的二维移动床冷态流动实验装置（内设改流体），借助石英砂模拟高温灰，冷态模拟考察了热载体种类、改流体角度、物料混合比等变量对热解原料在热解器中流动特性（流动轨迹、速度分布、混合度）的影响，并预测了煤颗粒在移动床热解器内停留时间分布，明确了流动机理。本研究得到的主要结论如下：
　　（1）挡板重力混合装置内混合挡板30°放置时，混合效果优于40°、50°挡板，旋转放置优于对向放置，且随挡板层数、模拟高温灰的石英砂含量增加的过程，物料混合均匀度逐渐增加。在挡板混合装置出料口物料初始相遇时主要表现为对流混合。流经挡板时对流、剪切混合共同作用，挡板对向放置时，混合机理主要以对流混合为主，当挡板旋转方式时，此时剪切混合占主导机理。接收段内的混合机理主要以扩散混合为主。两相颗粒某一瞬间的混合状态通常是对流、剪切、扩散共同作用的结果。挡板重力混合效果相比机械混合效果略差，但其结构简单、成本低，且在一定操作范围内能够满足工艺对高温灰与煤混合标准的要求。因此，挡板重力混合方式用于热解器混合段的设计过程是可行的。
　　（2）通过改流体角度对比研究发现，改流体角度为θ2=20°时，流动特性优于θ2=40°、60°，且随着石英砂含量增加，混合物料流动特性逐渐变好。优化改流体设计参数，可以改善热解炉内热解原料的流动行为，提高速度均匀性，减弱高温灰与煤之间的二次分离，提高传热效率、及热解效率，有助于热解器的稳定工作。利用示踪方法，考察了移动床不同区域的煤颗粒停留时间分布，预测了热解器内相邻区域煤热解的实际状态。

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1 绪论

1.1 煤热解分级转化多联产技术

1.1.1 新法干馏DG工艺

1.1.2 热电煤气三联产BJY工艺

1.1.3 循环流态化固体燃料四联产BT工艺

1.1.4 双流化床热解燃烧分级转化ZDL工艺

1.1.5 CFB燃烧/煤热解多联产工艺

1.2 循环流化床燃烧/移动床煤热解耦合工艺研究进展

1.2.1 循环流化床燃烧技术研究（脱硫、脱硝）

1.2.2 煤热解动力学及机理研究

1.2.3 固体热载体煤热解研究

1.3 粉体混合特性研究

1.3.1 粉体混合过程机理

1.3.2 影响粉体混合效果的因素

1.3.3 粉体混合装置

1.3.4 混合特性表征方法

1.4 移动床混合颗粒流动特性研究

1.4.1 连续介质数值模型

1.4.2 离散元数值模型

1.5 选题依据及研究内容

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容

2 实验部分

2.1 实验物料

2.1.1 混合段实验模拟物料

2.1.2 移动段实验模拟物料

2.2 实验装置及流程

2.2.1 混合段实验装置及流程

2.2.2移动段实验装置及流程

2.2.3 取样盒使用方法

2.2.4 改流体设计

2.3 数据处理方法

2.3.1 混合特性数据处理

2.3.2 流动特性数据处理

3 移动床固-固冷态挡板重力混合实验

3.1 固-固挡板重力混合变量实验

3.1.1 挡板角度对混合效果的影响

3.1.2 挡板放置方式对混合效果的影响

3.1.3 挡板层数对混合效果的影响

3.1.4 硅胶/石英砂比例对混合效果的影响

3.2 与机械混合对比进行可行性分析

3.3 本章小结

4 移动床固-固混合颗粒冷态流动实验

4.1 冷态流动特性变量考察实验

4.1.2 改流体角度对流动特性影响

4.1.3 石英砂/煤粒质量混合比对流动特性的影响

4.2 停留时间、速度分布

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 问题与展望

参考文献

硕士期间参加科研活动和发表论文成果

致谢

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