CFD-DEM方法研究下降管结构对颗粒流动的影响

为了明确不同下降管结构内陶瓷球和生物质颗粒的流动规律,对比研究了方形和圆形下降管对颗粒轴向速度、颗粒碰撞率和生物质停留时间的影响,同时考察了管径对颗粒轴向速度和生物质停留时间的影响。搭建了CFD-DEM耦合框架,并利用粒子图像测速技术对模拟进行了速度验证。试验结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好;混合颗粒在圆管中的时均轴向速度高于方管,圆管中陶瓷球的最大轴向速度比方管高10%左右;不同管径大小下降管中的颗粒轴向速度差异主要体现在下降管的转弯处,管径60、70和80 mm下降管转弯处的陶瓷球速度依次损失了37%、40%、45%左右,生物质的速度依次损失了49%、52%、54%左右;方管中生物质与壁面的接触碰撞频率更高,圆管中生物质与陶瓷球的接触碰撞频率更高,两种管中分别约为23%和39%的生物质颗粒与陶瓷球接触;陶瓷球的加入后方管和圆管中的生物质停留时间分布离散程度分别增加了10%和17%。研究结果为下降管热解装置中的颗粒流动状态分析及结构设计和优化提供了依据。

下降管式生物质快速热解实验装置设计与实验

为了确定在固体热载体加热方式下反应温度和停留时间对生物质热解挥发特性的影响,设计了陶瓷球热载体加热下降管式生物质热解实验装置,并进行了生物质热解挥发特性实验。该实验装置能够对反应温度进行精确控制,实现生物质粉和陶瓷球热载体按比例连续均匀喂料及热解残炭样品的采集。实验物料为玉米秸秆粉,反应温度分别为450、500、550℃。停留时间通过反应物在反应管内下降距离间接测量,下降距离分别为150、550、850、1 150 mm。利用灰分示踪法计算得到了不同条件下生物质的热解挥发率。实验结果表明:玉米秸秆粉的热解挥发率随着热解温度的升高、下降距离的加长而非线性增大。

下降管生物质热裂解液化反应器设计

以固体热载体加热工艺原理设计开发了一种新型下降管生物质快速热裂解液化反应器。详细阐述了反应器中的陶瓷球热载体换热器、颗粒喂料器、反应管、颗粒分离及热裂解气冷却系统等主要组成部件的结构,并对各部件的性能进行了试验测试。试验结果表明,热载体的温度与喂料速率控制精确,热载体与炭粉颗粒分离完全;空心锥喷嘴非常适合生物质热裂解气体产物的喷淋冷却,当喷嘴孔径为4.0 mm、液体压力为0.2 MPa时雾化效果最佳,利用该喷淋冷却方式时秸秆类生物质热裂解生物油的收集率达到43%。

竖直下降管换热实验台改进设计与实验

下降管式热解液化装置能够实现生物质热解液化。为了研究下降管中生物质半焦和陶瓷球两种散体混合下落的换热规律,在前期研究的基础上,对实验设备进行了改进设计,并将原实验物料——生物质粉更换为生物质半焦,使实验结果对实际装置的设计与改进更具指导意义。根据不同温度陶瓷球(50、60、70℃)与室温空气的换热实验,通过热平衡分析,得到了陶瓷球热载体与空气的对流传热系数h=600 W/(m2.K);陶瓷球与生物质半焦颗粒换热实验表明,不考虑边界效应时竖直管内温度呈线性分布;对流换热为竖直下降管系统热量传递的主要方式。

下降管冷态热解液化实验台设计与应用

为了探索下降管式热解液化装置中生物质半焦和陶瓷球两种颗粒混合下落的运动规律,设计了下降管冷态模拟装置。通过冷态模拟,测试了陶瓷球和生物质半焦喂料器的稳定性和连续性,该装置能够实现两种颗粒的均匀、精确、连续喂料,能够满足实验所需要的两种颗粒的不同混合质量比的要求;PIV实验测试表明,该装置能够满足实验需要;陶瓷球和生物质半焦的混合,消除了PIV用圆管测试时由于光的反射和折射问题在管道轴线两侧所形成的许多亮白条纹,提高了数据的准确性。

新型下降管生物质热裂解液化装置的试验研究

采用新型下降管热裂解液化反应器,利用玉米秸秆粉进行(快速)热裂解试验,对物料及热载体的理化性质进行了分析。考察反应装置的整体运行情况,在固体热载体与生物质颗粒的质量比为20:1的情况下,固体热载体预热温度达到575℃时,截取了连续150min内V型下降管内的温度变化,对喷淋装置内生物油的温度进行了实时采集。实验结果得到了475、525、575℃不同温度下的生物油收集率,并对热裂解产物包括生物油的理化特性、炭粉粒径分布和不可冷凝气体的成分进行分析。

直接空冷岛顺流基管管内冷凝的传热传质分析

顺流基管是火电厂直接空冷岛关键部件,分析基管管内传热传质机理,对优化基管传热和空冷岛安全运行有重要意义。考虑基管几何特征和安装倾角,建立模拟蒸汽在基管内壁上冷凝的三维坐标数学模型。求解模型数值解时,假设基管壁温未知,设计迭代算法估算壁温。通过对比蒸汽凝结率数值解与设计值,管内换热系数数值解与Nusselt经验公式值,验证了模型的有效性。对模型数值解进一步分析发现,膜厚偏微分方程能正确描述基管几何特征和倾角影响下的液膜特性,汽液两相分离位置的预测值与直接空冷岛运行实际相符,凝结水过冷度数值解不能完全匹配实际测量值。本文的研究成果,为设计高效换热基管和空冷岛冬季防冻,提供了理论依据。

内嵌逆流柱形风帽的冷态模化试验和三维流场的数值模拟

对内嵌逆流柱形风帽进行了冷态模化实验,根据相似理论由冷态试验参数推导出热态运行参数,为循环流化床锅炉设计提供依据。采用RNGk-ε湍流模型对风帽内部流场进行数值模拟,揭示了风帽内部阻力分布情况,为风帽优化设计提供依据。

生物质在下降管内的热裂解动力学研究

为研究陶瓷球热载体加热工艺下生物质在下降管内的快速热解的挥发特性,在热解温度分别为723,773,823K,下降距离分别为150,550,850,1 150mm工况下,对40～46目的玉米秸秆粉末进行了热解实验,利用一级动力学反应模型研究了生物质的热解动力学过程。实验数据与模型计算表明,生物质热解挥发程度随温度的升高和下降距离的增大而增大,实验数据和理论模型吻合性较好。

直流式低速风洞流动特性研究

针对新建的东北电力大学直流式低速风洞,介绍了其流场品质的测试方法和测试数据分析。包括:实验段风速、气流稳定性、流场均匀性、气流偏角、紊流度等五项,给出了测量的数值结果和相关参数的分布曲线,并确定了风机工作频率与气体流速之间的关系。

内嵌逆流式柱型风帽的实验与数值模拟研究

对200 MWe等级的循环流化床锅炉炉膛布风板上的内嵌逆流式柱型风帽,分别通过实验和数值模拟,研究了单个风帽的阻力特性及风帽内部流场的特性。通过相似理论,将常温条件下获得的风帽阻力系数转换到实际锅炉的热态运行条件下的阻力系数,为循环流化床锅炉的风帽设计提供了依据;风帽内部流场的数值模拟表明,风帽的阻力大部分集中在芯管小孔处。这些研究结果为进一步研究多风帽布风板的阻力特性和防漏渣性能打下了基础。

热载体与生物质半焦散体颗粒的分离特性研究

在以固体热载体加热实现生物质快速升温热解液化工艺中,热载体与热解半焦颗粒的分离极为重要。为了研究陶瓷球热载体与生物质半焦颗粒的分离过程,设计制作了V型下降管冷态实验装置,并利用粒子图像测速仪对不同质量比(30:1,40:1,50:1,60:1)、圆形出口和方形出口条件下的颗粒分离规律进行了实验研究。研究表明,该装置能够保证热载体和生物质半焦颗粒喂料流畅、稳定且均匀,能够满足实验所需要的两种颗粒的不同混合质量比的要求;陶瓷球对生物质半焦颗粒的携带作用明显,受生物质半焦颗粒影响水平流动速度、轨迹的高度和射程减少50%左右;管口下底面与筛网的竖直高度应大于20mm,水平距离应大于32mm,筛网的水平投影长度应大于120mm,分离效果较好。

生物质热解反应器中热载体传热实验——基于V形下降管式热解反应器

热载体与生物质粉在下降管式反应器中的传热过程十分复杂,为了简化研究,设计制作了V形下降管实验装置,在未加入生物质粉的条件下,进行了热载体与V形下降管式热解反应器的换热实验。在热载体喂入反应器的初温分别为50,60,70℃时,测量了反应器系统的温度及热载体离开反应器时的最终温度,测定了热载体与空气的对流换热系数。结果表明:热载体离开反应器时的终温、管壁温度和管内空气温度均呈指数函数变化,管壁和空气的温度变化滞后于热载体终温的变化;热载体初温升高时,管壁热流量和空气热流量增幅相同;热载体与空气的对流换热系数随空气温度的升高而增大。

高炉粗煤气系统结构分析及有限元应用软件

针对粗煤气系统的结构特点及受力状况,运用现代力学理论和计算机有限元技术,分析粗煤气系统在各种工况下的应力变形,在此基础上基于ANSYS平台开发了粗煤气系统结构分析软件,实现对粗煤气系统的精确模拟及优化设计,提高了结构设计的效率与精度。

大尺度内嵌柱型风帽阻力特性数值模拟分析

基于超临界循环流化床锅炉原型风帽,结合冷态试验与数值模拟分析,综合考察了风帽局部阻力分配特性、风帽小孔布置方式、风帽小孔旋转角度和下倾角度对风帽阻力的影响规律。计算结果表明,在风帽局部(芯管、风帽头小孔、缝隙综合区、芯管小孔)阻力分配中,芯管小孔阻力占据了整个风帽阻力的70%以上;芯管小孔的布置方式对风帽阻力的影响不大;风帽阻力随小孔旋转角度的增大而增加,随小孔下倾角度的增加呈先增大后减小的趋势,对比分析可知将小孔旋转30°同时下倾15°是一个较佳的设计。

中山市南头一水厂传统工艺升级改造工程实例

以中山市南头一水厂改造工程为例,将现有合建的"絮凝池+斜管沉淀池+无阀滤池"升级改造成"新网格絮凝池+上向与下向流斜板浮沉池+单阀滤池",创新地设计了斜板浮沉池的进水口,采用可移动闸板阀灵活切换进水口,形成"上向流斜板沉淀池"或"下向流斜板气浮池",以达到一池两用的目的,从而解决了由于现有工艺不能适应当前源水水质所导致的出水水质不达标的问题。