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流化床内稠密气固两相反应流的欧拉-拉格朗日数值模拟研究

王帅  
【摘要】:稠密气固两相反应系统广泛存在于能源、化工和冶金等工业领域之中,其内涉及多尺度、多场和多物理过程的强烈耦合。随着计算机硬件和算法的快速发展,计算流体力学作为理论分析和实验测量的重要补充方法得到越来越广泛的应用,其充分而全面地再现了稠密气固两相反应系统内的流动和传热传质特性。本文基于欧拉-拉格朗日理论框架,发展了适用于稠密气固两相反应流的大规模并行CFD-DEM和MP-PIC计算平台,并耦合了适用于多分散性颗粒系统的传热模型(颗粒-颗粒导热、颗粒-流体-颗粒导热、颗粒-流体对流传热和颗粒辐射传热)、热解模型、焦炭转化模型、均相/异相反应模型、缩核模型和污染物生成模型等子模型。采用该方法对工业实际中常见的几种流态化设备内的气固流动、传热传质、化学反应以及污染物生成等进行了研究。研究内容主要包含以下三个部分。第一部分采用CFD-DEM方法开展了循环流化床的全三维数值模拟,研究了流化风速和环状构件对循环流化床内宏观气固特性以及颗粒输运特性(颗粒混合和耗散、颗粒停留时间、颗粒循环流率、颗粒受力和速度、颗粒拟温度等)的影响。改变流化风速可以使循环流化床处于两种流态:快速流态化和稀相输运状态。环状构件采用了四种布置方式,除了固相浓度和压强分布外,重点考察了构件数量和间距对系统性能的影响。第二部分开展了循环流化床结构优化和放大设计的研究。对于双侧返料循环流化床而言,首先基于瞬时压降和流量变化确定系统达到动态稳定的时间。随后,研究了宏观气固流动特性以及压强信号特征,并探究了不同操作工况对颗粒停留时间的影响。此外,分析了快速流态化和稀相输运状态下提升管内的固相返混特性。最后,研究了双侧返料结构对提升管内气固流动非均匀性的改善。对于六个旋风分离器并联布置的循环流化床而言,首先研究了旋风分离器不同的布置方式对气固流动的影响,获得了压强的整床分布,分析了分离器内物料分配的不均匀性。其次,研究了提升管内的颗粒聚团行为。最后,获得了丰富的颗粒尺度信息,如返混强度、耗散强度、颗粒受力、颗粒旋转等。第三部分开展了循环流化床内传热传质、化学反应和污染物生成的研究。首先将CFDDEM方法和传热模型耦合,在单颗粒的基础上对颗粒-颗粒导热、颗粒-流体-颗粒导热以及颗粒-流体对流传热模型进行了检验。在准二维鼓泡床上对传热模型进行了验证,并研究了三种传热机制的占比。随后将模型应用于全三维的循环流化床内气固传热的模拟,研究了颗粒温度的演变规律以及旋风分离器壁面的磨损。其次,在传热模型的基础上将CFDDEM方法进一步和化学反应模型相耦合,全面考虑了颗粒-颗粒/壁面碰撞、湍流、传热传质、辐射、颗粒缩核、热解、均相和异相反应等,并对流化床反应器内的生物质气化过程进行了数值模拟。最后,通过实验室尺度的串行流化床燃料反应器部分的全三维数值模拟对MP-PIC方法进行了验证,并研究了床温、水蒸气/生物质比和燃料种类对气化性能的影响。随之,在此基础上耦合了污染物生成模型,对浙江大学能源工程学院热能所的0.5 MW中试尺度的循环流化床煤和垃圾衍生燃料(Refuse derived fuel,RDF)混烧过程进行了全三维数值模拟,全面揭示了床内整场气固流动、燃烧和污染物生成特性。


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