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《浙江大学》 2017年
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循环流化床颗粒循环稳定性及放大过程研究

訾灿  
【摘要】:循环流化床具有传质传热特性好、处理量大、连续操作的优势,在化工能源领域得到广泛应用。稳定的颗粒循环和放大设计是循环流化床工业化应用的重要因素。在建立颗粒循环过程中,循环流化床锅炉、聚丙烯多区循环反应器等大型循环流化床存在着气固流型转变、压降波动、颗粒跑损等非稳定现象。但是,由于缺少对该过程非稳定现象形成机理的认识,不能对其有效调控,进而无法保证装置的长周期运行。对于放大过程而言,以往的研究者基于单颗粒动量方程的无因次处理提出了标准流体力学相似准则(Gs/ρptUg,Ug2/gD,ρpρgdp3g/μ2,ρp/ρg,dp/D)及简化流体力学相似准则(Gs/ρpUg,Ug2/gD,Ug/Umf,ρp/ρg)在依据标准流体力学相似准则设计提升段时,颗粒粒径随反应器直径的增加而增加,造成颗粒团聚效应的变化,但现有研究均未揭示这一因素对放大过程的影响,并且未提出放大过程对反应效果的影响机制。因此,为了提高循环流化床颗粒循环的稳定性以及放大过程的精确性,亟待揭示建立颗粒循环过程中非稳定现象的形成机理以及放大过程中颗粒团聚效应对流体力学相似准则适用性和反应效果的影响机制。本论文以循环流化床为研究对象,首先基于实验研究依次揭示了建立颗粒循环过程的气固流动转变规律以及该过程非稳定现象的调控策略,进一步采用模拟的方法揭示了非稳定现象的形成机理。对于提升段放大过程而言,基于计算流体力学模拟究了放大过程中颗粒团聚效应对流体力学相似准则适用性的影响机制。在此基础上,通过耦合臭氧分解反应揭示了放大过程对反应效果的作用规律。具体内容如下:1.在循环流化床冷模装置和工业装置中,综合利用摄像、压降、声波、床层密度等检测手段,发现建立颗粒循环过程依次均存在双流化、非稳定过渡以及稳定循环三个阶段。其中,在双流化阶段,提升段、下降段内颗粒均呈稳定流化状态;在非稳定过渡阶段,下降段颗粒在移动床和流化床之间交替,并导致下降段压降波动以及严重的颗粒跑损;在稳定循环阶段,颗粒相在提升段和下降段中分别呈稳定的快速流化和移动床状态。在此基础上,探究了操作参数对建立颗粒循环过程的影响。研究结果表明,循环气流量过大时,下降段窜气量大,颗粒循环无法建立;减小阀门开度有助于降低颗粒跑损,但使得建立颗粒循环时间加长。2.发现了在循环流化床建立颗粒循环过程中,当固定颗粒藏量小于临界颗粒藏量且循环气流量或颗粒循环段阀门开度大于某一临界值时,存在颗粒振荡现象,即下降段的颗粒流动结构在流化床和移动床之间交替变化,提升段的颗粒流动结构在低速流态化、快速流态化之间交替变化;循环流化床提升段、下降压、颗粒循环段及旋风分离段压降均呈现周期性的波动。与此同时,借助下降段物料的受力分析,发现提升段和下降段之间的压力差、颗粒浓度差是控制颗粒振荡的主要因素,并建立了振荡周期的理论计算公式。最后,通过对颗粒振荡过程中压力脉动信号的时域分析和频域分析,揭示了操作参数及装置颗粒藏量对颗粒振荡的调控机制。研究结果表明,颗粒藏量对颗粒振荡影响最为明显,随着颗粒藏量的增加,颗粒振荡由正弦模式逐步转变为矩形模式,而且提升段与下降段气固流动结构由鼓泡流化逐渐向节涌状态转变。3.基于计算流体力学模拟,通过分析颗粒振荡的瞬态气固流动结构揭示了颗粒振荡的形成机理,即下降段形成节涌流化是颗粒振荡的根源。通过探究循环段阀结构和颗粒类型对颗粒振荡的影响,发现无论是L阀还是流动密封阀均存在颗粒振荡现象,对于Geldart A类颗粒体系循环流化床由于无法在下降段形成节涌而不存在颗粒振荡现象。最后针对Geldart D类颗粒机械阀循环流化床,提出一种削弱颗粒振荡的半锥形非对称下降段结构,通过在下降段形成颗粒内循环以减弱颗粒振荡强度。4.依据流体力学相似准则对提升段进行放大,通过EMMS曳力模型准确描述放大过程中颗粒团聚效应的变化,考察了放大过程中流体力学相似性的变化规律,揭示了颗粒团聚效应对流体力学相似准则适用性的影响机制,提出了考虑颗粒团聚效应的提升段放大设计方法。研究结果表明,由于放大前后各位置处颗粒团聚特物征参数差异明显,简化流体力学相似准则无法确保提升段流体力学相似;对于标准流体力学相似准则而言,放大前后提升段中上部颗粒团聚物的时间分率及平均颗粒浓度均保持一致,能保证提升段中上部流体力学的相似。相较于低通量而言,高通量下提升段放大前后颗粒团聚效应的差异更明显,并导致提升段壁面处流体力学相似性变差。5.在气固流动稳定模拟的基础上,通过耦合臭氧分解过程,考察了提升段放大前后臭氧浓度径向非均匀性及局部达姆科勒数的变化规律,揭示了提升段放大过程对反应效果的影响机制以及气固接触效率的放大效应。研究发现,随着反应器的放大,臭氧浓度的径向分布非均匀性变差。由于放大前后提升段核心区颗粒团聚物含量差异较小,该区域气固接触效率不存在放大效应;对于壁面区而言,标准流体力学相似准则指导下的放大设计使得壁面区颗粒团聚程度减弱,能够改善该区域气固接触效率。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ051.13

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