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脉动流化床机理研究

刘云芳  
【摘要】: 脉动燃烧具有燃烧强度高、燃烧效率高、传热效果好、污染物排放低等优点,被广泛应用于工业生产及民用采暖领域。而流化床燃烧技术则具有传热传质高、操作弹性系数范围宽、单位设备生产能力大、设备结构简单、造价和维护成本低以及污染物排放量低等优点。 本课题将脉动燃烧技术和流态化燃烧技术结合,发展一种新型的燃烧方式,即脉动流化床燃烧技术。希望能够利用脉动强化传热、传质、降低环境污染的优点,以及脉动状态下高强振动的流场改变流化床中床料颗粒运动的特性,进一步优化流化床内的气固两相流动。 本文内容包括国内外研究工作综述总结,脉动流化床流化与声学压力特性实验研究,脉动流化床传热特性实验研究,脉动流化床脱硫特性实验研究及Pijke型脉动燃烧器数值模拟与脉动流化床流场模拟六大部分。 国内外研究工作综述总结总结了脉动燃烧技术的兴起、发展及脉动燃烧传热、脱硫研究概况。并对课题涉及的Rijke管及Rijke型脉动燃烧器在燃用固体燃料方面的实验研究情况及模型分析方法进行总结。在分析了脉动燃烧及流化床燃烧技术的优缺点后,提出课题研究内容。 脉动流化床流化与声学压力特性实验研究在实验验证了Rijke型自激脉动流化燃烧概念后,在不同运行条件(空截面风速、静止床层高度)下,实验研究了Rijke型自激式脉动流化床的声压振动特性,研究结果表明:脉动流化床内建立起的声波特性和Rijke型脉动燃烧器内的一样,各点压力呈正弦规律上下振动,且压力是基波幅值最大的多次谐波的叠加。同时脉动流化床内各点的压力是流化状态下的压力和Rijke型脉动燃烧状态压力的和:p′_l=p_(l,0)+∑P_nsin(nπl_e)/L sin(ω_nt)。 脉动流化床传热特性实验研究在不同空截面风速、静止床层高度条件下,研究了脉动与非脉动情况下流化床内床层与壁面及燃气与水平受热管之间的传热规律,对比结果表明脉动状态下床层与壁面间的传热系数提高14%,而燃气与水平受热管间的传热系数提高22%,脉动促进传热。 脉动流化床脱硫特性实验研究对不同初始SO_2浓度、不同初始脱硫剂颗粒平均直径、不同燃烧区温度条件下脉动与非脉动状态下流化床内的脱硫实验研究表明,Rijke型自激式脉动流化床具有类似于常规流化床燃烧器的脱硫特性:固硫剂的CaO利用率随初始SO_2浓度的增加而增加,脱硫燃烧温度存在最佳值,以及CaO利用率随脱硫剂颗粒平均直径的增加而减小。同时脉动状态下的CaO利用率明显高于非脉动状态。 Rijke型脉动燃烧器数值模拟应用计算流体力学(CFD)技术对二维Rijke型脉动燃烧器进行数值模拟,得到预混燃烧Rijke型脉动燃烧器内燃烧反应物、生成物、管内温度分布,以及脉动燃烧状态下的压力幅值线性增长特性和有限循环幅值特性。 脉动流化床流场模拟在特定的入口条件下,应用计算流体力学(CFD)技术对三维流化床在不同振动强度、不同频率扰动作用下的流场进行模拟,得到声波扰动对流化床流场分布的影响,结果表明声波振动可以使流化床内的流场分布更加均匀,促进热质传递。 通过实验研究和模拟计算,本文得到的一些结果为脉动流化床这种新型燃烧方式的进一步研究和应用奠定了一定的基础。


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