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循环流化床双床反应器中气固流动、流型及多尺度特性研究

杨磊  
【摘要】:新型循环流化床双床反应器(Dual Circulating Fluidized Bed,DCFB),其装置组成不同于传统循环流化床反应器,在催化裂化、化学链燃烧、煤/生物质燃烧及气化、气体吸附等领域具有广阔的应用前景。从双床反应器角度出发,提升管中主要流型是快速流态化和气力输送,可以实现气固混合和传质传热;鼓泡床中主要流型是鼓泡流态化和湍动流态化,气泡引起了周围颗粒发生特定运动,导致气固两相间发生相互作用,造成了床层中颗粒快速而充分地混合。而阻隔器可以将提升管和鼓泡床两个反应区域隔开,为两个区域营造不同的反应氛围,实现不同区域的反应条件和过程,所以反应过程实现强化。本文主要围绕循环流化床双床反应器的压力平衡及颗粒循环特性调控、气固两相流态化流型识别、双床反应器间气固两相行为影响及多尺度特性开展如下三方面的研究工作,以期为循环流化床双床反应器安全稳定运行、工业设计和放大以及应用提供理论指导。1.研究了提升管气速、颗粒贮量、鼓泡床气速、阻隔器气速等操作参数对DCFB系统中压力分布、平衡和颗粒循环流率的影响。实验结果和分析表明:一方面,操作参数的改变,导致DCFB系统中压力分布变化和提升管轴向空隙率变化,进而影响床层内颗粒浓度和颗粒循环流率,其中提升管气速、颗粒贮量和鼓泡床气速对调控颗粒浓度和颗粒循环流率有显著作用,而阻隔器气速对颗粒浓度和颗粒循环流率的调控是有限的。另一方面,系统中鼓泡床压降的变化趋势与余下部分压降和△Pr+△Pc+△Pp-t+△Pud1+△Pud2相似,以维持整个系统压力平衡。通过改变相关操作参数来调控DCFB系统各部分的压力分布和颗粒循环流率,进而维持循环流化床双床反应器装置安全稳定运行。2.提出了采用非侵入、实时环保的声波测量方法,辅以压力脉动测量,进行气固两相流态化过程流型识别研究。实验结果和分析表明:一方面,根据标准偏差分析,获得床层内颗粒活跃程度以及颗粒碰撞规律,发现了声信号结果可有效反映出几个重要流型的转变速度uc(鼓泡流态化到湍动流态化转变速度)、uk(湍动流态化到快速流态化转变速度)、uFD(快速流态化到密相气力输送转变速度)。另一方面,结合Hurst和小波等分析方法,获得了声信号的多尺度变化规律,其微尺度反映出颗粒与壁面作用,介尺度反映出颗粒团簇和气相共同作用,宏尺度反映出平均流动行为等,同样可以指示出各流型间转变速度uc,uk和uFD。对比发现,通过声波测量方法获得的流型间转变速度实验值与经验值吻合较好。因此,声信号结合标准偏差和多尺度等分析方法能实时、有效地识别各流型间的转变。3.研究了提升管气速、鼓泡床气速和阻隔器气速等操作参数对DCFB系统中气固两相行为以及多尺度特性的影响。实验结果和分析表明:气相对床层颗粒的扰动引起反应器内颗粒的混合,而且颗粒混合的程度随气相行为增加而加强,因此气相和颗粒作用相互影响。随着操作参数的改变,导致颗粒循环流率发生变化,进而使提升管和鼓泡床内的颗粒和气泡行为产生变化且此两区域内的颗粒和气泡行为相互影响。结合Hurst和分维等分析方法,获得了提升管上部和下部声信号的多尺度变化规律,反映出了在较低气速时提升管上部和下部在介尺度中颗粒团簇和气泡行为存在差异。通过建立介尺度结构模型得到,颗粒团簇尺寸越大,反映出床层内部流动越不均匀,说明介尺度颗粒团簇效应愈加强烈;并指出了颗粒团簇大小与颗粒浓度有关,且随颗粒浓度增大而增大。


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