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生物质热解液化流化床内流动特性的研究

蒋琳  
【摘要】: 生物质流化床热解液化工艺现已被公认为一种清洁高效的生物油制取技术,为有效地解决日益严重的能源短缺和环境污染问题带来了希望,所以倍受世界各国能源工作者和政府决策者的重视,因而也得到了迅猛的发展。目前,在基础研究方面对流化床内流动和传热情况还没有准确的认识,对固体颗粒浓度的确定十分困难,物料的定量分析还缺乏有效的手段。概括起来讲,就是对流化床内的动力特性的描述和认识还不够深入,这严重地阻碍了流化床的设计和优化。 本文以课题组自主开发的生物质热解液化流化床装置为研究对象,首先进行了流化床冷态的可视化实验,通过试验得到了模拟所必需的条件参数以及对流化床内流动状态的初步观察结果,再在湍流气-固两相流动的基础上,参考前人对气固两相流动的研究成果,根据N-S(纳维埃-斯脱克斯)方程组分别对床内气固两相流动进行描述,采用Eulerian双流体湍模型对方程组进行封闭,再通过有限区域法将微分方程组离散为差分方程,利用多相流动的数值解法—SIMPLE算法,对流化床中气固两相流的流动特性进行数值模拟。 通过对计算结果的分析得出:在流化床内,颗粒浓度在中心区域低、近壁面处高,形成了明显的环—核结构,模拟观察到在床内存在的颗粒相絮状物的存在,并且有聚集、解体、上行及下行等运动方式;颗粒在床内的运动方式有两种,在中心区域随气流向上运动和在近壁面处以絮状物下降的纵向运动;沿床高的压降主要和两个因数有关:固体物料量和流化风速。在相同的流化风速下,物料量增大,沿床高压差变大;物料量减小,沿床高压差相应变小;当流化速度减小时,沿床高压降增大。但相比而言,物料量的改变对沿床高压降的影响更大一些。 为验证本文对流化床的模拟计算结果的正确性,作者通过可视化实验中对有机玻璃管内物料的流化状态的观察结果,发现模拟得到的气—固两相流动过程与实验现象十分吻合。这说明使用大型计算程序FLUENT来模拟流化床中的气—固两相流动是比较方便和直观的。通过模拟计算,很好地完成了预期目标,较为准确地描述流化床内气—固两相流体的动力特性,为提高生物质的液化率提供了理论指导。


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