微波加热喷动流化床冶金反应器设计与分析

利用微波快速加热粉状冶金物料的特性,结合气-固相喷动流化床传热传质的优良特性,设计了一种新型的冶金反应器——微波加热喷动流化床,分析了微波加热喷动流化床的结构特点和操作参数。结果表明,微波加热搅拌喷动流化床是一种较常规喷动流化床更为有效的强化固相脱碳的反应器;采用微波加热搅拌喷动流化床,把微波加热场、微波电磁场与气-固相搅拌喷动流化场有机地结合起来,可以改善传统流态化固相脱碳的动力学条件。该方案是一种具有应用价值的新技术和新工艺。     

选煤流化床内气固流动的数值建模

为了对选煤流化床内低速浓相气固流动进行数值建模,采用Euler-Euler模型对选煤流化床内的气固流动进行了数值模拟。考虑了一系列子模型对流动结构的影响,通过分析各工况下的流动特征并将模拟结果与实验进行对比,最终确定了一套可应用于选煤流化床内浓相低速鼓泡流动行为的数值模型。结果表明,Syamlal气固曳力模型对选煤流化床流动特征的预测更合理,偏微分颗粒温度模型(PDE)能更准确地描述颗粒脉动行为。在浓相气固选煤流化床中,应该选择Dispersed k-ε模型来考虑气相的湍流行为,并采用部分滑移条件分析颗粒-壁面间的相互作用。     

木屑-石英砂喷动流化床内流动特性研究

为了开发喷动流化床生物质裂解反应器,建立了一内径为150mm的有机玻璃冷模实验装置,在室温下进行了生物质(木屑)和石英砂混合物在喷动流化床内的流动特性研究。考察了木屑、木屑与石英砂混合物的喷动流化现象。结果发现在喷动流化床其它条件相同时,床层中相同的木屑量,随石英砂量的增加,木屑的循环量减少;而相同的石英砂量,随木屑量的增加,石英砂的循环量增加。最小流化速度实验值与计算值相比略小但相差不大,可用Ergun公式预测床层的最小流化速度,但不能用Muthur公式来预测最小喷动速度,这是由木屑与石英砂颗粒混合物的性质和床层结构特性决定的。随着喷动气速和流化气速的改变,可观察到床内粒子表现出八种不同的流动状态：固定床区、流化床区、局部喷动床区、流化一局部喷动床区、喷动床区、喷动流化床区、喷动垂直输送区、喷动流化垂直输送区。     

稀相喷动流化床的流动特性

根据玻璃纤维毡增强热塑性树脂基复合材料(GMT)制备新工艺特点,提出了稀相喷动流化床的操作方式。测量了床内颗粒速度分布,考察了操作条件、体系结构等因素对流化床流动特性的影响。结果表明：稀相喷流床中环隙区颗粒的下降速度比传统喷动床高出一个数量级;床内颗粒的喷动和输送的主要影响因素是喷动气,亦受到流化气、导向管、喷嘴内径的影响。另外对中试装置内物料的流动特性进行了研究,为工艺的开发、设计和操作提供理论依据。     

基于颗粒尺度DEM直接数值模拟的喷动流化床颗粒运动特性

采用离散元方法,对喷动流化床内的气固流动进行了三维直接数值模拟.气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型;气固耦合采用双向耦合.模拟中跟踪了每个颗粒的运动,获得了颗粒轴向速度、平均速度、颗粒浓度和颗粒平均碰撞频率随操作参数的变化规律.结果表明喷动气速度、流化气速度、颗粒平均速度、颗粒浓度和颗粒平均碰撞频率存在关联性:喷动气速度增加,颗粒在喷射区和环形密相区的平均速度增加,浓度减小,平均碰撞频率减小;流化气速度增加,颗粒速度、浓度和碰撞频率与喷动气速度增加具有相同的变化规律,但环形密相区的变化更为明显.     

磁流化床气固两相流动的数值模拟及实验验证

建立了床体为圆筒的磁流化床筒化数学模型。采用SIMPLEC算法对此类磁流化床床内的气固两相流动进行数值模拟，并对多种运行条件下床内气固两相流动的数值模拟结果进行分析，获得了磁流化床内气固两相在偏离或接近临界稳定区域的流化特性。通过用相对应的实验装置进行实验验证。结果证明：该简化的双相模型和SIMPLEC算法对磁流化床床内气固两相流场进行数值模拟具较好的适用性和准确性。     

大颗粒气固流化床内两相流动的CFD模拟

采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,数值模拟了大颗粒流化床在不同密度、布风装置及曳力模型情况下的气固两相流动,考察了大颗粒流化床流化和流动特点,颗粒体积分率分布,床层压力瞬时变化,床层碰撞比,以及颗粒速度径向和空隙率轴向分布规律.研究结果表明,与直型布风板流化床比较,凹型布风板流化床内的气泡产生快,颗粒横向运动能力强;随着颗粒密度的增大,其在凹型布风板流化床边壁处的速度比中心位置处减小的快;比较3种曳力模型,发现其模拟的轴向空隙率分布和床层压力存在较大差异,且与床层膨胀比实验关联式相比,3种模型预测的值比实验关联式要大一些.通过研究,3个曳力模型中Gidaspow模型相对适用于大颗粒气固流化床的数值模拟.     

基于CFD-DEM耦合并行算法的锥形喷动床内离散颗粒数值模拟

基于FLUENT软件的MPI平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数文件实现了CFD-DEM耦合并行算法.该并行算法具有随CPU核数增加的较佳扩展性能和良好加速性能.通过构建空隙率标量场、重组基于局部平均并考虑气-固相互作用的气相控制方程,提高了气相控制方程的求解稳定性与收敛性;通过软球模型确定颗粒-颗粒及颗粒-壁面间的相互作用,以曳力模型为基础建立了相间相互作用关系.将该CFD-DEM耦合并行模型应用于锥形喷动床气固两相流动的数值模拟中,结果表明:该CFD-DEM耦合并行模型能较好地模拟锥形喷动床内气固流动行为;锥形喷动床内的颗粒流动经历了鼓泡阶段和稳定流态化阶段;在稳定流态化阶段,物料流动具有明显的周期性.基于锥形喷动床内颗粒相的瞬时速度场,获得了稳定流态化阶段颗粒的时均速度分布规律.     

浓相气固流化床悬浮体黏度的计算模型

利用浓相气固流化床模型进行模拟实验,研究浓相气固流化床悬浮液黏度的影响因素以及变化规律,并在实验的过程中采用NDJ-1旋转黏度计较精确地测定不同实验条件下的流化床悬浮液黏度。同时,根据刚性颗粒悬浮液黏度的假设原理结合浓相气固流化床的特性,从理论上推导适合浓相气固流化床悬浮液的黏度计算模型。最后,通过DPS数据处理软件对数据进行拟合与分析。结果表明:模型的计算值能够很好地吻合测量值,其决定系数R2可达至0.99,这对于浓相气固流化床悬浮体黏度的测定具有重要的指导意义。     

并流下行循环流化床反应器的气固传热模型

提出了并流下行循环流化床反应器气－固传热模型,并采用稳态传热的实验方法,测定了并流下行循环流化床反应器中,不同操作条件下,轴向颗粒温度分布及气,固相进,出反应器的温度,进而利用Matlab工程数据处理软件回归求得模型参数即气－固轴向截面传热系统及表观传热和的值,并由实验结果回归得到模型参数与操作条件的经验关联式。     

基于欧拉多相流模型的流化床煤气化过程三维数值模拟

以欧拉多相流模型为基础,气相采用k-ε湍流模型,固相采用基于颗粒动理学理论封闭模型,引入传热、传质、煤热解、气化过程反应模型,建立了流化床煤气化过程的三维数理模型,该模型同时考虑了稠密气固流动和相内、相间的化学反应.对直径0.22m的流化床煤气化炉不同操作参数下的气化过程进行了三维数值模拟,获得了气化炉内气化产物的组分分布、温度分布及化学反应速率变化规律.模型的计算结果与实验结果进行了比较,结果表明:数值模拟与实验吻合较好,最小相对误差仅为1%左右,最大相对误差为20%左右,平均相对误差小于14%.     

喷动流化床气固流动特性的三维数值模拟

采用离散元方法（DEM）,在用欧拉方法处理气相场的同时用拉格朗日方法处理离散颗粒场,对喷动流化床煤部分气化炉内的气固流动进行了三维数值模拟．直接跟踪床内每一个离散颗粒,考虑了碰撞力、携带力、重力、剪切提升力和Magnus升力,颗粒碰撞采用软球模型．获得了喷动流化床典型操作参数下的流动结构、颗粒的受力、颗粒的速度分布、气体和颗粒的湍流强度等结果．结果表明,颗粒之间碰撞率随着喷动气速的增大而增大,随粒径的增大而减小,然而颗粒与壁面的碰撞率受喷动气速和粒径的影响不明显．颗粒的运动受重力、携带力和碰撞力主导,除喷动区与环形区交界外,Magnus力和Saffman力可以忽略．气体湍流强度是颗粒湍流强度的2～3倍,近壁面区的气体和颗粒的湍流强度均较小．     

流化床烟气脱汞气固两相流动的可视化研究与数值模拟

为了探究流化床烟气脱汞反应器内气固两相的流动过程,通过可视化显形实验对不同主流化风速、床层物料高度、颗粒粒径和活性炭喷口速度下反应器内气固流动的行为和特征进行了研究.通过计算流体动力学方法对气固两相流动过程进行了数值模拟,并与实验进行比较.结果表明,数值模拟具有流动模拟的可靠性.主流化风速增加或颗粒粒径减小,均会加剧气固两相流动的剧烈程度,活性炭喷口气流会造成气固两相的局部湍动,但床层物料高度由于受到壁面与颗粒的摩擦力和内部气泡大小的综合作用,对气固流动行为的影响不显著.     

细颗粒湍动流化床气固流动及混合规律的研究

在内径１９０ｍｍ、高５５００ｍｍ的流化床实验装置上,采用方便可靠的点源示踪技术测定气体的浓度分布,进而探讨气固流动特性及混合规律;依据气泡粉碎机理表征湍动流态化的基本流型结构,以揭示床中总体上的表观均一性,从而建立拟均相扩散模型,线性回归得到气体的轴向、径向扩散系数。结果表明,床中存在着明显的混合,且发现流化气速是影响混合的主要因素;模型计算表明轴向及径向扩散系数皆随气速而增大。     

水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟

以Eulerian多相流方法为基础建立了水煤浆流动的液固两相流体动力学模型,并对水平管入口段内水煤浆流动进行了模拟.模型采用颗粒动理学理论求解固相本构方程,采用RNGk-ε湍流混合模型描述颗粒间具有强烈作用的两相湍流流动.针对水煤浆中煤粉颗粒的双峰分布特性,将煤粉看作2种大小不同的固相,同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换.模型有效性通过Kaushal等试验结果和水煤浆的压降试验验证.通过模拟考察了入口段内速度及浓度分布过程和入口段长度的变化规律.结果表明:重力和颗粒间的相互作用对浓度和速度分布过程具有重要影响;固相体积分数在30%~49.5%范围内,入口段长度随浓度的增加而减小,随平均流速(0.2~5.0m/s)先增加后减小.     

基于ARM功率谱分析的喷动流化床压力波动频率特性

在300 mm×30 mm×2 000 mm的喷动流化床煤部分气化试验装置上,采用现代自回归模型(ARM)功率谱分析的方法,系统地考察了喷动气流速、流化气流率、静止床层高度对喷动流化床床层不同位置压力波动主频的影响.结果表明:床层不同位置压力波动的主频随喷动气流速的增大而增大,随静止床高的增大而减小;V型布风板以上床层压力波动主频随流化气流率的增大先增大(Qf/Qmf≤1.0)后减小(Qf/Qmf>1.0),布风板区域内压力波动主频随流化气流率的增大而增大.结合数码CCD图像对结果进行分析,揭示了压力波动主频与床内流动结构的关系,这对于发展喷动流化床技术提供了新的研究方法.     

气固流化床系统非线性机理研究进展

从近年来气固流化床两相流动的研究成果出发,总结了流化床非线性机理研究的方向.混沌理论研究表明流化床系统是确定型的混沌系统,而耗散结构理论的结果认为流化床系统属于非平衡热力学系统.对流化床系统的随机力分析将随机理论的方法运用到流化床流动机理和气泡分布研究中,有助于揭示流化床内部非线性机理和特性.     

丙烯氨氧化生产丙烯腈工业流化床反应器的模型化

在对已有的流化床的流动参数和反应器模型化研究成果的基础上，提出了一个适用于有内构件的丙烯氨氧化制丙烯腈工业流化床反应器两相流动数学模型，在模型中的晕相采用平推流模型，乳浊相采用全混釜串联模型。经过一系列生产数据的检验，证明该模型能够准确描述不同生产负荷下反应器的行为。     

大颗粒流化床内压力波动现象的仿真研究

应用离散颗粒模型大颗粒气固两相流化床系统进行了仿真研究，在完全流态化条件下对压力波动现象进行数值模拟。结果表明，压力波动的范围和频率与流化床内两相运动状态密切相关，随着床内颗粒相湍动的加剧,压力波动不断加剧，床内压降随表观气流速度的增加略有减少。对大颗粒流化床压力波动的模拟为进一步研究流化床稳定操作提供了有力的依据。     

布风装置对流化床流动特性的影响

以欧拉双流体模型和颗粒动力学方法为基础,采用基于压力的PC-SIMPLE算法,标准k-ε的分散湍流模型,数值模拟了在3种不同气体布风装置下流化床内气固两相流动,获得了其床内颗粒体积分率和速度的分布规律.相对于单层多孔板流化床,管式和凹形多孔板流化床达到稳定流化状态的时间较短.在相同的床高和径向位置处,管式和凹形多孔板流化床内颗粒体积分率随时间的变化较强烈.不同布风装置的流化床总体上在床内形成了中心区域体积分率较小,向上运动;近壁面区域体积分率较大,向下运动的"环核"结构.