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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。穩(wěn)定的顆粒循環(huán)和放大設(shè)計(jì)是循環(huán)流化床工業(yè)化應(yīng)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(yīng)器等大型循環(huán)流化床存在著氣固流型轉(zhuǎn)變、壓降波動(dòng)、顆粒跑損等非穩(wěn)定現(xiàn)象。但是，由于缺少對(duì)該過程非穩(wěn)定現(xiàn)象形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，不能對(duì)其有效調(diào)控，進(jìn)而無法保證裝置的長周期運(yùn)行。對(duì)于放大過程而言，以往的研究者基于單顆粒動(dòng)量方程的無因次處理提出了標(biāo)準(zhǔn)流體力

2、學(xué)相似準(zhǔn)則（Gs/ρpUg，Ug2/gD，ρpρgdp3g/μ2，ρp/ρg，dp/D）及簡化流體力學(xué)相似準(zhǔn)則（Gs/ρpUg，Ug2/gD，Ug/Umf,ρp/ρg）。在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)提升段時(shí)，顆粒粒徑隨反應(yīng)器直徑的增加而增加，造成顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的變化，但現(xiàn)有研究均未揭示這一因素對(duì)放大過程的影響，并且未提出放大過程對(duì)反應(yīng)效果的影響機(jī)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(jī)理以及放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性和反應(yīng)效果的影響機(jī)制。
　　本論文以循環(huán)流化床為研究對(duì)象，首先基于實(shí)驗(yàn)研究依次揭示了建立顆粒循環(huán)過程的氣固流動(dòng)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(jìn)一步采用模擬的方法揭示了非穩(wěn)定現(xiàn)象的形成機(jī)理。對(duì)于提升段放大過程而言，基于計(jì)算流體力學(xué)模擬究了放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性的影響機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，通過耦合臭氧分解反應(yīng)揭示了放大過程對(duì)反應(yīng)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(gè)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(dòng)床和流化床之間交替，并導(dǎo)致下降段壓降波動(dòng)以及嚴(yán)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(dòng)床狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，探究了操作參數(shù)

5、對(duì)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(shí)，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(shí)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(dāng)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(shí)，存在顆粒振蕩現(xiàn)象，即下降段的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)在流化床和移動(dòng)床之間交替變化，提升段的顆粒流動(dòng)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(fēng)分離段壓降均呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)。與此同時(shí)，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(jì)算公式。最后，通過對(duì)顆粒振蕩過程中壓力脈動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析，揭示了操作參數(shù)及裝置顆粒藏量對(duì)顆粒振蕩的調(diào)控機(jī)制。研究結(jié)果表明，顆粒藏量對(duì)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(dòng)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(jì)算流體力學(xué)模擬，通過分析顆粒振蕩的瞬態(tài)氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)揭示了顆粒振蕩的形成機(jī)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(duì)顆粒振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)無論是L閥還是流動(dòng)密封閥均存在顆粒振蕩現(xiàn)象，對(duì)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(duì)Geldart D類顆粒機(jī)械閥循環(huán)流化床，提出一種削弱顆粒振蕩的半錐形非對(duì)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(qiáng)度。
　　4.依據(jù)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則對(duì)提升段進(jìn)行放大，通過EMMS曳力模型準(zhǔn)確描述放大過程中顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的變化，考察了放大過程中流體力學(xué)相似性的變化規(guī)律，揭示了顆粒團(tuán)聚效應(yīng)對(duì)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則適用性的影響機(jī)制，提出了考慮顆粒團(tuán)聚效應(yīng)的提升段放大設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明，由于放大前后各位置處顆粒團(tuán)聚特物征參數(shù)差異明顯，簡化流體力學(xué)相似準(zhǔn)則無法確保提升段流體力學(xué)相似;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)相似準(zhǔn)則而言，放大前后提

9、升段中上部顆粒團(tuán)聚物的時(shí)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(xué)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(tuán)聚效應(yīng)的差異更明顯，并導(dǎo)致提升段壁面處流體力學(xué)相似性變差。
　　5.在氣固流動(dòng)穩(wěn)定模擬的基礎(chǔ)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(dá)姆科勒數(shù)的變化規(guī)律，揭示了提升段放大過程對(duì)反應(yīng)效果的影響機(jī)制以及氣固接觸效率的放大效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)器的放大，臭氧濃度的徑向分