多喷嘴喷动流化床内气固两相流动与传热过程CFD-DEM模拟

为研究喷动床内颗粒的流体力学与传热特性,采用计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合方法对多喷嘴喷动流化床(IMJSFB)内的颗粒进行数值模拟,将模拟结果与常规喷动床(CSB)对比。结果表明:IMJSFB内颗粒混合与流动特性明显优于CSB,表明侧开孔的存在改善了颗粒流动死区现象。IMJSFB内的颗粒总势能和颗粒总平移动能均低于CSB,侧开孔对主喷嘴气体实现了分流,削弱了喷射区的颗粒运动。当颗粒的传热系数低、热容小、进气温度较低时IMJSFB的优势更显著。

喷动流化床内颗粒团聚结构与分布规律研究

为揭示湍动流化过程中颗粒团聚的基本结构,课题组基于矩形喷动流化床对B类颗粒进行试验研究。该实验平台利用控制变量法分析了操作条件、颗粒性质和沿层高度对团聚现象的影响,并提出以颗粒团聚分率来量化颗粒团聚程度。结果表明:床内分别出现了倒U形、U形、环核型、带状和网状5种典型的颗粒团聚结构;颗粒团聚分率随静止床高、颗粒直径的增加而增大;固定总表观气速,增大喷动气速,团聚分率呈现先减小后增大趋势;增大喷口宽度,团聚分率呈现出“S”型变化趋势;其沿床高则表现出先减小后增大的趋势。该研究对应用湍动流化气固流动结构的工业生产过程提供了实验依据。

喷动流化床在四氯化硅氯氢化工艺的应用研究

文章四氯化硅氯氢化制备三氯氢硅的工艺方法进行比较分析,对喷动流化床为核心设备的原理、结构、特点进行全面分析介绍,提出使用喷动流化床为核心设备的氯氢化工艺,归纳出最小喷动流化气速关联式,为喷动流化床的氯氢化技术工程化奠定了重要基础,喷动流化床作为一种重要的反应器类型,在四氯化硅氯氢化工艺中广泛应用,喷动流化床具有良好的传质和传热性能,能够实现高效的反应转化。通过合理地调控反应温度和压力,可以实现反应速率和产物选择性的控制,从而实现工艺的优化和规模化。

高温气化剂加压喷动流化床煤气化试验研究

在热输入0.1MW的小型加压喷动流化床试验装置上进行了高温气化剂煤气化特性的试验研究,考察了气化温度、压力、空气系数和汽煤质量比等工艺参数对高温空气/蒸汽作为气化介质的煤气化行为的影响。试验结果表明,在所研究的工艺参数中,气化温度对高温空气煤气化特性影响最为显著。压力对气化性能的影响主要体现在改善流化床气化炉床内流化质量。空气系数及汽煤比的影响从本质上看是通过改变气化反应温度来实现的,对于一个特定的流化床气化工艺,空气系数及汽煤比均存在一个适宜的操作区域。

喷动流化床颗粒混合特性的三维直接数值模拟

采用离散元方法,对喷动流化床内的颗粒混合特性进行了三维直接数值模拟。气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型。模拟喷动流化床上下两层颗粒的运动和混合过程,揭示颗粒的混合机制,同时提出表征颗粒混合质量的重要特征参数,并考察了喷动气速和流化气速对颗粒混合的影响。结果表明:由喷动气射流带动而形成的颗粒内循环是颗粒混合的机制;增加喷动气速度和流化气速度均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少且混合更均匀。

气化剂预热温度对加压喷动流化床煤部分气化的影响

在0.1MW加压喷动流化床气化试验装置上成功验证了高温气化介质煤气化新概念,并对气化介质预热温度对煤部分气化特性的影响进行了研究。结果表明,气化介质温度从300℃提高到700℃后,煤气中N2浓度降低导致煤气热值增加幅度达23%,煤气中可燃组分H2和CO浓度分别从10.6%和10.5%上升到15.2%和12.2%,不可燃组分N2和CO2浓度从60.3%和15.3%降低到55.7%和13.5%,而甲烷含量基本不变;相应的冷煤气效率由48.7%增加到59.6%。气化介质预热温度的变化对碳转化率和干煤气产率影响不大。

喷动流化床气固流动特性试验研究

在一喷动流化床冷态试验装置上,采用压力信号与快速摄像图像分析相结合的方法,研究喷动流化床气固流动特性;基于床内压力分布特征,提出将喷动流化床沿床高方向划分为3个流型区域:喷动段、鼓泡段和悬浮段,得出床内气固流动机理;研究并考察了喷动风、流化风速度对床层压降、空隙率、以及床内气、固内循环的影响,认为喷动风速度Us应低于最小喷动速度Ums,适当地增加流化风速度Uf,延长气体在床内的停留时间;增加流化风率有利于加强床内中心射流区和环形区气体的扩散和颗粒混合,提高气、固反应速率;喷动风速度对床内气、固内循环起着关键作用。

导向喷动流化床生物质快速裂解制液体燃料

在冷模试验得到的优化的结构参数基础上,建立了一套生物质最大处理量为5kg/h的导向管喷动流化床生物质裂解反应器。反应在常压和440～520°C进行,以木屑为生物质原料,二氧化碳和氮气为喷动气或流化气,沙子为流化介质。结果表明该喷动流化床反应器可用于生物质的快速裂解。在400～480°C,液体产率随温度增加而上升,高于480°C时,二次反应的加剧又导致液体产品产率下降。固体和气体的产率则随温度的升高而减少。喷动气和流化气流量的增加均强化了反应器内的传热,并使生物质初始裂解产物的停留时间减少,二次反应进行程度减弱。在适当的裂解条件下液体产率可达73.2%,此时气体和焦的产率分别为12.8%和14.0%。所得液体产品为单一相液体,含水约30%,可用于燃烧。与流化床相比,喷动流化床作为生物质快速裂解反应器可明显提高液体产率。

加压喷动流化床煤气化数值模拟

建立了基于CFD的三维非稳态喷动流化床煤气化动力学模型.此模型包含气固流动模型,煤的挥发分析出模型,焦炭气化反应模型和气相间的均相反应模型等子模型.焦炭的非均相反应速率由气体扩散和化学反应动力学共同控制.气体均相反应可以作为二级反应来处理.将试验结果和模拟的计算结果进行了对比,结果表明,入口中心喷动区的温度最高,温度场沿床高方向逐渐降低.煤气质量在加压后有了明显提高.验证的结果表明此CFD模型可以用来预测煤气化的反应过程.

带导流管的喷动流化床的研究进展

综述了带导流管的喷动流化床的研究和发展现状, 在湍流气固两相流理论的基础上讨论其流体力学特性;

喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟

采用离散元方法(DEM), 在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,对喷动流化床煤部分气化炉内的气固流动进行了三维数值模拟.直接跟踪床内每一个离散颗粒,考虑了碰撞力、携带力、重力、剪切提升力和Magnus 升力,颗粒碰撞采用软球模型.获得了喷动流化床典型操作参数下的流动结构、颗粒的受力、颗粒的速度分布、气体和颗粒的湍流强度等结果.结果表明,颗粒之间碰撞率随着喷动气速的增大而增大,随粒径的增大而减小,然而颗粒与壁面的碰撞率受喷动气速和粒径的影响不明显.颗粒的运动受重力、携带力和碰撞力主导,除喷动区与环形区交界外,Magnus力和Saffman力可以忽略.气体湍流强度是颗粒湍流强度的2～3倍,近壁面区的气体和颗粒的湍流强度均较小.

喷动流化床流动形态变化的试验研究

在一个可视化的半圆柱喷动流化床试验台上研究了喷动流化床的流形变化规律．研究表明：随着喷动气量和流化气量的改变，床内会呈现不同的流动形态：固定床、带射流的流化床、喷动床、充气喷动床和喷动流化床．同时研究了最小喷动速度和最小喷动流化速度随喷动管内径、颗粒粒径、静止床高的变化规律，归纳了预测最小喷动速度和最小喷动流化速度的试验关联式，绘制了喷动流化床的流形划分相图．

加压喷动流化床煤部分气化试验

在热输入0.1MW的喷动流化床煤部分气化炉上以空气和水蒸气的混合物为气化剂,进行了徐州烟煤的加压部分气化试验.考察了气化温度、压力等工艺参数对煤气热值、煤气成分、脱硫效率等指标的影响.试验结果表明:气化温度对煤气化过程影响显著;而增大压力,床内气体速度降低,延长了气化剂在床内的停留时间;另外压力增加改善了床内的流化质量,从而提高了气化效率,改善了煤气质量.提高温度和增大压力均能提高脱硫效率,但温度对脱硫效率的影响更为明显.

导向管喷动流化床内颗粒停留时间模型

通过对导向管喷动流化床的喷动区和流化区分别进行质量平衡和动量平衡，得出了描述连续流动条件下其床层内粒子停留时间的数学模型。本模型所得计算结果与以前报道的实验结果一致。

喷动流化床煤气化试验研究

以空气和水蒸汽为气化剂 ,在一内径为 6 0 0 mm的 V型布风板喷动流化床工业煤气炉内对动力烟煤的气化进行了系统的试验研究。考察了 V型布风板床料的流化特性 ,研究了操作参数对气化过程的影响 ,测量了煤气成分沿床高和径向的变化 ,分析了影响煤气成分和热值的有关因素 ,提出了合理的运行条件和参数。研究结果对工业装置的放大设计。

钙基脱硫剂增压喷动流化床煤气化炉的炉内脱硫

用石灰石作为脱硫剂在热输入0.1 MW的加压喷动流化床试验台上进行了煤部分气化过程中的炉内脱硫试验研究。系统地考察了温度、压力、钙基脱硫剂粒径、钙硫摩尔比等参数对脱硫效率的影响。试验结果如下:随着温度的升高、压力的增加,脱硫效率均提高,但增长幅度减缓。随钙硫摩尔比的增加,脱硫效率提高,但当Ca/S(摩尔比)=2后,继续增大Ca/S,脱硫效率提高有限。脱硫剂粒径减小,脱硫效率提高。

增压导向式喷动流化床流动特性的试验研究

在内径２００ｍｍ，高３．５ｍ，６０°“Ｖ”形布风板的钢制试验装置上，采用密度为２４５０ｋｇ／ｍ３，粒径分别为（１．５～２．５）ｍｍ和（０．１～１．０）ｍｍ窄筛分玻璃珠，以及密度为２２００ｋｇ／ｍ３，粒径为（０．４５～６．０）ｍｍ的宽筛分溢流渣为物料，对各种压力下的导向式喷动流化床最小喷动流化速度、导向与环形区压降、中心喷泉高度以及颗粒循环量和气体旁路特性进行了试验研究。试验结果表明：最小喷动流化速度、导向与环形区压降以及中心喷泉高度与系统几何参数和操作参数密切相关，卷吸段气体射流的性质直接决定了颗粒循环量及其趋势，气体旁路的程度取决于卷吸段两股气流的相互作用。文章中用修正的弗劳德数归纳了中心喷泉高度试验关联式。

喷动流化床内的木屑流动特性——II.导向管长度的影响

为了开发喷动流化床生物质裂解反应器,建立了一内径为150mm的有机玻璃冷模实验装置,在室温下考察了不同喷动气和流化气流速下,导向管长度对床层流动特性的影响。结果表明,在其他条件相同时,颗粒循环量、中心喷泉高度及床层压降随导向管长度增长先增加后减少,本装置中导向管的最佳长度为450mm。另外导向管的长度对床层的稳定性也有一定影响。

温度对中试规模的喷动流化床煤部分气化行为的影响

在构建的热输入2MW的中试规模加压喷动流化床部分气化试验装置上,对徐州烟煤的加压部分气化行为进行了研究.重点考察了气化温度对煤气成分、煤气热值、碳转化率和煤气产率等气化指标的影响.研究结果表明,煤气各组分的浓度,特别是甲烷浓度对气化温度非常敏感,碳转化率和煤气产率随温度的升高而增加,在试验的温度区间内,温度对煤气热值影响不大.部分气化炉所产生的煤气和半焦的热值均满足第二代增压流化床联合循环发电系统的要求.

喷动流化床流动结构的SHANNON信息熵模糊聚类分析

在300mm×30mm×2000mm的矩形喷动流化床煤部分气化冷态试验装置上,采用Shannon信息熵和模糊聚类的方法,考察了床内气固流动结构及其转变。多通道信号采集系统用于采集床内不同区域的压力时间序列,通过对时间序列的Shannon信息熵模糊聚类分析,得到了不同操作参数下的Shannon信息熵聚类中心,揭示了流动结构与聚类中心的关系,并对流动结构的转变进行了分析。结果表明,不同流动结构的Shannon信息熵区分度较好,为喷动流化床流动结构及其转变和床内气固两相流动的混沌动力学特性的研究提供了一种新的研究方法。