循環(huán)流化床顆粒循環(huán)穩(wěn)定性及放大過程研究.pdf

1、循環(huán)流化床具有傳質(zhì)傳熱特性好、處理量大、連續(xù)操作的優(yōu)勢，在化工能源領域得到廣泛應用。穩(wěn)定的顆粒循環(huán)和放大設計是循環(huán)流化床工業(yè)化應用的重要因素。在建立顆粒循環(huán)過程中，循環(huán)流化床鍋爐、聚丙烯多區(qū)循環(huán)反應器等大型循環(huán)流化床存在著氣固流型轉(zhuǎn)變、壓降波動、顆粒跑損等非穩(wěn)定現(xiàn)象。但是，由于缺少對該過程非穩(wěn)定現(xiàn)象形成機理的認識，不能對其有效調(diào)控，進而無法保證裝置的長周期運行。對于放大過程而言，以往的研究者基于單顆粒動量方程的無因次處理提出了標準流體力

2、學相似準則（Gs/ρpUg，Ug2/gD，ρpρgdp3g/μ2，ρp/ρg，dp/D）及簡化流體力學相似準則（Gs/ρpUg，Ug2/gD，Ug/Umf,ρp/ρg）。在依據(jù)標準流體力學相似準則設計提升段時，顆粒粒徑隨反應器直徑的增加而增加，造成顆粒團聚效應的變化，但現(xiàn)有研究均未揭示這一因素對放大過程的影響，并且未提出放大過程對反應效果的影響機制。因此，為了提高循環(huán)流化床顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性以及放大過程的精確性，亟待揭示建立顆粒循環(huán)過程中

3、非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機理以及放大過程中顆粒團聚效應對流體力學相似準則適用性和反應效果的影響機制。
　　本論文以循環(huán)流化床為研究對象，首先基于實驗研究依次揭示了建立顆粒循環(huán)過程的氣固流動轉(zhuǎn)變規(guī)律以及該過程非穩(wěn)定現(xiàn)象的調(diào)控策略，進一步采用模擬的方法揭示了非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機理。對于提升段放大過程而言，基于計算流體力學模擬究了放大過程中顆粒團聚效應對流體力學相似準則適用性的影響機制。在此基礎上，通過耦合臭氧分解反應揭示了放大過程對反應效果的作

4、用規(guī)律。具體內(nèi)容如下:
　　1.在循環(huán)流化床冷模裝置和工業(yè)裝置中，綜合利用攝像、壓降、聲波、床層密度等檢測手段，發(fā)現(xiàn)建立顆粒循環(huán)過程依次均存在雙流化、非穩(wěn)定過渡以及穩(wěn)定循環(huán)三個階段。其中，在雙流化階段，提升段、下降段內(nèi)顆粒均呈穩(wěn)定流化狀態(tài);在非穩(wěn)定過渡階段，下降段顆粒在移動床和流化床之間交替，并導致下降段壓降波動以及嚴重的顆粒跑損;在穩(wěn)定循環(huán)階段，顆粒相在提升段和下降段中分別呈穩(wěn)定的快速流化和移動床狀態(tài)。在此基礎上，探究了操作參數(shù)

5、對建立顆粒循環(huán)過程的影響。研究結(jié)果表明，循環(huán)氣流量過大時，下降段竄氣量大，顆粒循環(huán)無法建立;減小閥門開度有助于降低顆粒跑損，但使得建立顆粒循環(huán)時間加長。
　　2.發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)流化床建立顆粒循環(huán)過程中，當固定顆粒藏量小于臨界顆粒藏量且循環(huán)氣流量或顆粒循環(huán)段閥門開度大于某一臨界值時，存在顆粒振蕩現(xiàn)象，即下降段的顆粒流動結(jié)構(gòu)在流化床和移動床之間交替變化，提升段的顆粒流動結(jié)構(gòu)在低速流態(tài)化、快速流態(tài)化之間交替變化;循環(huán)流化床提升段、下降壓、

6、顆粒循環(huán)段及旋風分離段壓降均呈現(xiàn)周期性的波動。與此同時，借助下降段物料的受力分析，發(fā)現(xiàn)提升段和下降段之間的壓力差、顆粒濃度差是控制顆粒振蕩的主要因素，并建立了振蕩周期的理論計算公式。最后，通過對顆粒振蕩過程中壓力脈動信號的時域分析和頻域分析，揭示了操作參數(shù)及裝置顆粒藏量對顆粒振蕩的調(diào)控機制。研究結(jié)果表明，顆粒藏量對顆粒振蕩影響最為明顯，隨著顆粒藏量的增加，顆粒振蕩由正弦模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦文Ｊ?，而且提升段與下降段氣固流動結(jié)構(gòu)由鼓泡流化逐漸

7、向節(jié)涌狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
　　3.基于計算流體力學模擬，通過分析顆粒振蕩的瞬態(tài)氣固流動結(jié)構(gòu)揭示了顆粒振蕩的形成機理，即下降段形成節(jié)涌流化是顆粒振蕩的根源。通過探究循環(huán)段閥結(jié)構(gòu)和顆粒類型對顆粒振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)無論是L閥還是流動密封閥均存在顆粒振蕩現(xiàn)象，對于Geldart A類顆粒體系循環(huán)流化床由于無法在下降段形成節(jié)涌而不存在顆粒振蕩現(xiàn)象。最后針對Geldart D類顆粒機械閥循環(huán)流化床，提出一種削弱顆粒振蕩的半錐形非對稱下降段結(jié)構(gòu)，通過在下

8、降段形成顆粒內(nèi)循環(huán)以減弱顆粒振蕩強度。
　　4.依據(jù)流體力學相似準則對提升段進行放大，通過EMMS曳力模型準確描述放大過程中顆粒團聚效應的變化，考察了放大過程中流體力學相似性的變化規(guī)律，揭示了顆粒團聚效應對流體力學相似準則適用性的影響機制，提出了考慮顆粒團聚效應的提升段放大設計方法。研究結(jié)果表明，由于放大前后各位置處顆粒團聚特物征參數(shù)差異明顯，簡化流體力學相似準則無法確保提升段流體力學相似;對于標準流體力學相似準則而言，放大前后提

9、升段中上部顆粒團聚物的時間分率及平均顆粒濃度均保持一致，能保證提升段中上部流體力學的相似。相較于低通量而言，高通量下提升段放大前后顆粒團聚效應的差異更明顯，并導致提升段壁面處流體力學相似性變差。
　　5.在氣固流動穩(wěn)定模擬的基礎上，通過耦合臭氧分解過程，考察了提升段放大前后臭氧濃度徑向非均勻性及局部達姆科勒數(shù)的變化規(guī)律，揭示了提升段放大過程對反應效果的影響機制以及氣固接觸效率的放大效應。研究發(fā)現(xiàn)，隨著反應器的放大，臭氧濃度的徑向分