（热能工程专业论文）增压喷动流化床流动特性试验、数值模拟及煤部分气化试验研究.pdf

摘要 摘要 基于煤部分气化一半焦燃烧技术路线的2 g p f b c 作为洁净煤发电技术之一，有着 广泛的发展前途，增压煤部分气化是其中的关键技术。本文通过冷态试验和数值模拟 手段对增压下喷动流化床中的流动行为进行了较为系统的研究，旨在掌握影响流化质 量的关键因素，为增压热态试验及工业应用提供参考依据。 在小型圆柱体加压喷动流化床试验台上对喷动流化床的最小喷动速度、流动型态 及喷泉高度等流动特性进行了试验研究。本文研究了最小喷动速度随布风板结构、颗 粒粒径、静止床高、流化风速度和系统压力的变化规律，归纳了预测最小喷动速度的 试验关联式。研究表明，随着喷动气速率和流化气速率的改变，床内会呈现不同的流 动型态：固定床、充气喷动床、喷动流化床、射流流化床( 腾涌或鼓泡) 。通过差压 信号分析和图像采集研究了流动型态变化的规律，并绘制了流型转变相图。 在试验研究的基础上，应用f l u e n t 计算流体动力学软件进行了增压下喷动流化床 的数值模拟。数值模拟完整地揭示了气泡的形成、发展、破碎和射流的形成、发展、 消失直到床内气固过渡到稳态的过程。数值模拟结果和试验结果基本一致，并得到了 增压下气化效果较好的工况范围。 以空气和水蒸汽为气化剂，在内径为1 0 0 m m 的v 型布风板喷动流化床煤部分气 化炉内进行了徐州烟煤的气化试验研究。研究了不同操作参数( 温度、压力) 对气化 过程及脱硫效率的影响，认为提高温度和压力有利于改善煤气质量和提高脱硫效率。 煤气化发展越来越向高压、大容量发展，考察压力对气化工艺过程的影响，对气化炉 的放大设计与运行、降低对环境的污染均有实际意义。 关键祠：增压喷动流化床流动型态数值模拟煤部分气化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nc o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o na n dr e s i d u a lc h a rc o m b u s t i o n ，2 gp f b c c c ，i n c l u 。 d i n gc o a lg a s i f i c a t i o n ，a r ec o n s i d e r e dt ob et h ep o t e n t i a lt e c h n o l o g i e st h a tw o u l d m e e tt h e e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a ld e m a n d so ft h ef u t u r e c o a lp a r t i a lg a s i f i c a t i o ni np r e s s u r i z e d f l u i d i z e db e di sak e yt e c h n o l o g y t h i st h e s i si sf o c u s e do nh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s b yt h eb e n c h s c a l ec o o le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 n h ea i mo ft h es t u d y i st o u n d e r s t a n dt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa te l e v a t e dp r e s s u r ef o rd e v e l o p i n ga l li n d u s t - r y - s c a l ec o a lp a r t i a lg a s i f i e r e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nac o h i me x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h eh y d r o d y n a m i c so fas p o u t f l u i d i z e db e d h a sb e e ni n v e s t i g a t e d , i n c l u d i n gt h em i n i m u m s p o u t i n g v e l o c i t y , f l o wr e g i m ea n df o u n t a i nc h a r a c t e r i s t i c s i tw a si n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r es e v e r a l d i f f e r e n tf l o wr e g i m e s ，s u c ha sf i x e db e d 、s p o u tb e dw i t ha e r a t i o n 、s p o u t - f l u i d i z e db e d a n d f l u i d i z e db e dw i t hj e t ( b u b b l eo rs l u g g i n g ) e f f e c t so ft h ed i s t r i b u t o rs t r u c t u r e 、p a r t i c l e p r o p e r t y 、s t a t i cb e dh e i g h t 、f l u i d i z i n gg a sv e l o c i t ya n ds y s t e mp r e s s u r eo nm i n i m u m s p o u t i n gv e l o c i t yh a v e b e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yp r e s s u r es i g n a la n a l y s i sa n dd i g i t a l i m a g ep r o c e s s t h ee x p e r i m e n tc o r r e l a t i o nf o rp r e d i c t i n gt h em i n i m u ms p o u t i n gv e l o c i t y w a sc o n c l u d e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，ah y d r o d y n a m i cm o d e lo ft h es p o u t f l u i d i z e db e d h a sb e e nc o n s t r u c t e dw i t hf l u e n tc f ds o f t w a r e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd i s p l a y e d c o m p l e t e l yt h ef o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n t ，b r o k e nu po ft h eb a b b l ea sw e l la st h ef o r m a t i o n ， d e v e l o p m e n t ，b r o k e nu po ft h ee j e c t i o nu n t i lt h eg a s s o l i ds t e a d yf l o wi nt h es p o u t f l u i d i z 。 e db e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r cb a s i c a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a n dg o tt h ee f f i c i e n tg a s i f i c a t i o ni np r e s s u r i z e dc o n d i t i o n x u z h o ub i t u m i n o u sc o a lw a s g a s i f i e dw i t ho x y g e na n ds t e a mi na0 1 md i a m e t e r s p o u t - f l u i d i z e db e dr e a c t o rw i t hav - t y p ed i s t r i b u t o ra th i g hp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e e f f e c t so ft h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep a r a m e t e r so nt h eg a s i f i c a t i o no fc o a la n d e f f i c i e n c yo fd e s u l p h u r i z a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ew e r e s u g g e s t e dt oi m p r o v et h eg a sq u a l i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo fd e s u l p h u r i z a t i o n a st h e d e v e l o p m e n to fh i g hp r e s s u r eo fg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi n c r e a s i n g ，t h o s er e s u l t sh a v e p r o v i d e d n e c e s s a r y i n f o r m a t i o n f o r e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，t h e r e a lr u n s o f t h e g a s i f i e r a n d i t se n l a r g e m e n td e s i g n k e y w o r d s ：p r e s s u r i z e d ；s p o u t e d f l u i d i z e db e d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o a lg a s i f i c a t i o n e x p e r i m e n t 东南大学硕士学位论文 a c 床层截面积，m 2 a r 阿基米德数 d t 床层直径，m d i 喷动口直径，m d e 颗粒平均直径，n l m g 重力加速度，m s 日。静止床层高度，t o n i h 床层高度，m m 日，喷泉高度，m p 系统压力，m p a q f 流化气流量，n m 3 h q 喷动气流量，n m 3 p a q 总流量( q + q j ) ，n m 3 h q 最小流化气流量，n m 3 t h q 0 最小喷动气流量，n m 3 r n r e 颗粒雷诺数 r 径向距离，m t 温度k ， 采样时间s t 时间步长，s 分散相体积浓度 符号说明 m h f - 最小流化速度，m s “。最小喷动速度，m s “耐最小喷动流化速度，m s u t 总气速( q + q ，) ，a c ，m s 1 1 x 方向速度分量，m s vy 方向速度分量，m s wz 方向速度分量，m s f 出口界面速度修正系数 k 湍动能，n i m 湍动能耗散率，空隙率 气体的动力粘度，k g ，( t n $ ) 从湍流粘性系数 6 球形度， p p 颗粒密度k g m 3 岛气体密度k g m 3 只差压波动瞬时值，k p a 尸差压平均值。k p a l 差压波动标准偏差，k p a 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究蚴：趟翩签名掣垫期：逝，鲴 第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 能源是人类赖以生存和推动社会发展进步的重要物质基础，我国是世界上能源生产和消费大 国，而且我国化石能源的储藏特点决定了我国是世界上少数以煤炭为主要一次能源的国家，煤炭 一直占我国一次能源生产和消费总量的7 0 左右。据专家预测，在未来的3 0 , * 5 0 年内煤炭在我国 的能源构成中仍然将超过5 0 t 1 。随着我国经济建设的飞速发展，电力需求在不断增加，电力工 业快速发展，一次能源的需求量和随之而来的环境污染之间的矛盾也日益突出。 当前形势下，提高煤的利用效率，同时减少环境污染意义重大。追求高效的发电技术，使能 源获得充分利用和解决发电造成的环境污染问题，成为当今世界电力行业的重要课题和努力方向。 洁净煤发电技术必将在促进传统电力产业技术的升级换代更新中发挥更大的作用。煤气化技术就 是洁净、高效利用煤炭的最主要途径之一。当今两大最具发展前途的洁净煤发电技术( 第二代增 压流化床联合循环发电技术p f b c c c 和整体煤气化联合循环发电技术i g c c ) 均设置了部分气化 炉或气化炉“j ，气化炉性能直接影响到p f b c c c 和i g c c 的效率。另外，当前形势下的部分气化 炉或气化炉均在压力下运行，并且有向操作压力更高方向发展的趋势。 东南大学热能工程研究所、国家教育部洁净煤发电与燃烧技术重点实验室承接了国家重点基 础研究发展规划子课题“煤加压气化单元气化特性研究”，采用了喷动流化床气化技术研究开发 加压煤部分气化炉。本研究工作是我所在1 9 9 9 - 2 0 0 4 年问承担的国家9 7 3 项目“煤加压部分气化和 加压半焦燃烧系统的构成和验证”( 项目编号g 1 9 9 9 0 2 2 1 0 5 3 5 ) 的后续部分，拟在小型加压煤部分 气化炉上进行更深入一步的气化和脱硫试验，以及相应的冷态流动特性模拟试验。本文的研究工 作重点是建立一个与热态试验相同几何参数的增压喷动流化床试验台，较深入地研究增压下喷动 流化床内气固两相流的流动特性，同时，对该小型加压煤部分气化炉进行初步的气化和脱硫试验。 1 2 国内外研究概述 喷动床是2 0 世纪5 0 年代中期发展起来的一种处理粗大窄筛分颗粒( 粒径d 。 i n a n ) 的流态 化技术，喷动床中颗粒的搅动由一个稳定的轴向射流所致( 如图1 1 ) ，与大部分流化床中随机复 杂的颗粒流动型态相比，显得更有规则”j 。喷动床的特性形成过程如下：当表观气速从零开始增 加时，首先在入口处形成一个射流区，由于此时射流速度较低，射流尚不能穿透床层形成显性喷 泉，此时流型为固定床。持续增加气速，射流区随之向上扩展直至穿透固定床层表面，在这一过 程中，床层压降相应从零增至最大，这个从固定床向喷动床转变时所具有的最大压降称为最大喷 动压降。此后，继续增加气速。压降随之降低，射流区逐渐形成一个稳定的喷动区，而床内最终 建立起一个具有稳定喷动状态。一旦形成稳定的喷动状态，继续增加气速，相应的压降将不再增 加，因此，该压降即是喷动床的操作压降。 1 东南大学硕士学位论文 加压条件下喷动床流动与常压下的流动有显著的不同。y a h - l o n gh e 等“1 在压力为3 4 5 k p a 的 增压喷动床上进行了试验，认为喷动能力随系统压力增大而增强，最小喷动速度随着压力的增大而 减小；最大喷动床高随压力增大而升高。s u e 等“1 在增压喷动床上进行了5 种不同煤种的煤气化 试验，研究表明增压下，利用亚烟煤和高挥发份的烟煤能够得到较好的煤气质量，适用于联合循 环发电技术。 在喷动床技术基础上发展起来的喷动流化床，是在底部倒锥区加入流化风，喷动风和流化风 共同作用。喷动流化床( 如图l 一2 ) ，与常规喷动床相比，可在床内形成固体颗粒的内循环，不仅 可以促进流体与颗粒间的传热、传质，还能有效的防止环隙区底部死区和某些易粘结颗粒在环隙 区的团聚，特别适用于干燥、造粒、气化、燃烧等颗粒物理化学性质有较大变化的过程“3 。 悬眍 f -黪 乏止j 】 ii i叫“i 环形区 + 阡i i i - if i i - f ff i ；n 、汐炎 ，、 喷嘴 矧 螋 f 喷功风 图卜1 典型的喷动床图1 2 典型的喷动流化床 喷动流化床兼有固定床、流化床、气流床的特点，且煤种的适应性宽、不易结渣、气固接触 特性好，不会出现平底喷动床底部存在的局部死区。由于喷动流化床的这些显著特点，在过去的 几十年间受到了很多研究者的共同重视，从而得到了长足的发展。 加拿大n a t u r a l r e s e a r c h c o u n c i l 、u n i v e r s i t y o f b r i t i s h c o l u m b h ( u b c ) 、m e g i l l u n i v e r s i t y 、 美国r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t 、南斯拉夫u n i v e r s i t yo fb e l g r a d e 、日本s e i k du n i v e r s i t y 、土耳 其g a z iu n i v e 璐i t y 、约旦j o r d a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 、德国马格德堡大学等“1 卿 均对喷动流化床进行了较为深入的研究，并取得了很多研究成果。m a d o n n a 12 l 比较了喷动床、流 化床和喷动流化床作为燃烧的操作条件，研究了喷动流化床内的磨损、混合特性、温度和流化速 度等，认为流化床和喷动流化床能更好在满足燃烧要求，并且对喷动流化床燃烧的可行性应用进 行了分析。 u b c 的s u t u n t o 等人n 3 1 于1 9 8 5 年对喷动流化床的流动特性作了系统性的研究，认为随着中 2 第1 章绪论 心气体流量和流化气流量的变化，喷动流化床呈传统的流化床，传统的喷动床或者是介于两者之 间的喷动流化床的特点。j i m “”等比较了喷动床、流化床和喷动流化床的燃烧情况，认为喷动流 化床在较低的温度下能获得更高的燃烧效率，传热效果更好。常压条件下的喷动流化现象已经有 了普遍地研究”。”，研究得到的很多方程和模型都可以用于预测常温常压条件下的动力学参数。 近年来，通过高温条件下得到的试验数据，又对这些方程进行了修正。温度上升使气体的粘度增 大，密度减小。改变操作温度就是通过改变操作气体的密度和粘度来影响气固两相流化行为。研 究还发现，不同颗粒的流化质量的差别在高温下显著缩小。然而高压条件下的研究却很少，u b c 对加压条件下喷动流化床的研究也仅限于在0 1 5 2 m 的试验装置上进行了压力为0 2 m p a 的初步研 究。 以上介绍的是国外开展关于喷动床及喷动流化床的研究工作和最新进展。在国内，也有学者 开始关注这方面的研究呻一1 。东南大学、华东理工大学、天律大学、山西煤炭化学研究所和中南 工业大学等单位对喷动流化床技术也进行了一定的研究与开发工作。天津大学刘玲等”1 应用喷动 流化床进行了造粒试验研究，与其它几种造粒方法相比，具有设备投资省、能耗低、设备结构简 单等优点。张怀清”1 等对喷动一流化床的最小喷动速度、环隙区压降、喷泉高度进行了实验研究后 认为，喷动一流化床具有比常规喷动床更好的可调性与适应性。 但是以上研究大多基于常压试验，对喷动流化床在增压情况下的流动特性研究还很少。有研 究表明，在不同的流化气量或喷动气量下，增加压力，都能使颗粒在床内停留时间增加，床内流化质 量显著改善。 东南大学在这方面也做了大量的研究工作“3 。先后建立了直径为0 4 5 m 常压喷动流化床和 0 2 m 的加压喷动流化床冷态试验装置。采用差压信号和气体示踪研究了最小喷动速度、最小喷动 流化速度、流型转变、喷动区和环形区之间气体的扩散、气体旁路和颗粒的循环量等内容。金保 升等”“研究表明，气体通过区间界面的扩散与p 15 ”成正比，且随喷动气量的增加而减小。在冷态 试验的基础上又进行了热态2 w t h 加压喷动流化床煤部分气化试验和0 1 枷t h 加压喷动流化床煤 部分气化试验，得到了较好的操作参数，并为放大设计和运行提供了参考依据。 增压情况下喷动流化床的流动特性与常压情况下的流动特性有显著不同，而常压试验得到的 结论和经验公式不能外延到增压情况下，因而研究喷动流化床在增压情况的流动特性具有十分重 要的指导意义。 1 2 1 喷动流化床流动型态 最早的关于喷动流化床流动型态的图谱是由n a g a r k a t t i 和c h a t t e r j e e 于1 9 7 4 年制作的。他们的 流动型态图形是基于图像捕捉，包括以后发表的文献资料也一样( h e 等1 9 9 2 ；s u t a n t o 1 ；v u k o v i c 等“1 ) 。目前很多学者对喷动流化床流动型态有着不同的定义，但是有些是针对不同的布风结构， 而有些是基于不同的专用术语表达方式。图1 2 为喷动流化床3 种典型流动结构的示意图，分别为鼓 泡射流流化j f ( b ) 、腾涌射流流化j f ( s ) 和喷动流化s f , s u t a n t o 和v a k o v i c 等最早定义并描述了这3 种 3 东南大学硕士学位论文 流动结构。这3 种流动结构也是喷动流化床煤部分气化炉操作运行常见的流动结构】。 i i j f ( i 】i 咖 j f ( s ) c i f 图1 - 2 喷动流化床3 种典型流动结构的示意图 h e i l 和t e l s 【l 町在1 9 8 3 年研究了喷动流化床的不同流动形式，认为存在着四种不同的流动形 式：填充床、鼓泡床，脉动型喷动流化床和稳定型喷动流化床。并且通过气体流过多孔介质的基 本关系式得到了一个描述喷动流化床流动形式的理论模型。i j b c 的z h a o ! ”1 等人研究了高温下喷动 流化床的流型，改变喷动风和流化风的配比，可得到四种流型，分别为稳定的喷动床、脉动喷动 床、射流流化床的节涌。并且，在高温下不加流化风时，稳定的喷动床会转变为脉动喷动床。东 南大学热能工程研究所金保升等脚1 在一个可视化的半圆柱喷动流化床试验台上研究了喷动流化 床的流型变化规律，认为随着喷动气量和流化气量的改变，床内会呈现不同的流动形态：固定床、 带射流的流化床、喷动床、充气的喷动床和喷动流化床。j m l i n k “等在2 0 0 5 年研究发表了喷 动流化床的不同流动型式。通过对压力降波动的光谱分析及快速照像，获得了喷动流化床的不同 流动型式，有固定床、内部喷动床和喷动床。 综上所述，流动型态主要受操作条件的影响，如喷动风和流化风的配比、操作压力、床内温 度、颗粒的属性和床层高度等因素。 l j 沈最小喷动速度、最小喷动流化速度 对于正常操作的喷动床，如果降低操作表观气速，其压降开始保持不变。但当气速减至低于 临界表观速度时，即最小喷动速度u 。时，床层压降会突然提高，喷动床也随之塌落而形成内部 喷动射流区，颗粒开始在射流区内循环。前人对最小喷动速度进行了广泛的研究，其中1 9 5 5 年 m a t h u r 和g i s h l e r 提出的经验关联式是最简单且应用范围最广的： 铲( 每 ( 玎 式中粒径d d 对窄筛分球形或近似球形粒子取为几何平均粒径，对混合粒径物料则取其等比表 面积平均粒径，对非球形颗粒取其体积当量粒径，对长椭圆球形粒子则取其椭圆短轴为粒径。日o 4 第1 章绪论 为静止床高，p ，为固体颗粒密度，以为流体密度。 y a h - l o n gh e 等”1 在压力高达3 4 5 k p a 的增压喷动床上进行了试验，认为喷动能力随绝压增大 而增强，最小喷动速度随着压力的增大而减小。l i t t m a n 和m o r g a n 基于环形区床层顶部压降， 提出了一个最小喷动速度关联式。 以上是前人关于喷动床最小喷动速度所取得的研究成果，前人对于喷动流化床也有深入的研 究，主要的经验关联式见表卜l 。如1 9 7 4 年n a g a r k a t t i 【3 1 | 在一内径为9 0 m m 的圆柱形玻璃体v 型 喷动流化床上进行了试验，并且采用3 种不同的喷动风入口直径，认为最小喷动流化速度可作为 喷动流化床的特性参数。最小喷动风速度随着喷动风入口直径增加有微小的增加。金保升等矧 研究表明最小喷动速度和最小喷动流化速度随喷管内径、颗粒粒径、静止床高的增加而增加。经 过进一步的研究，又认为最小喷动流化速度和最小喷动速度随压力的增加先迅速降低，然后趋于平 缓。最小喷动流化速度与p 成正比，且随着颗粒平均粒径与床层高度的增加而增大。 中国科学院山西煤炭化学研究所的唐风翔等”1 采用对分布板夹角、开孔方向和均匀布气结 构、床径及混合物性的多种修正函数方法，回归共5 9 0 组实验数据所得的最小喷动流化速度经验关 联式能适用多种结构特征与单、双组分的赜动流化床体系，具有可信的普遍应用价值。 表1 一l 喷动流化床最小喷动速度经验关联式 器俐玎( 警掣 ( 1 0 2 4 a 7 ”o o ”日“。) 器忐半一o z 百h o 胎m 丌警芋呵5 芦 釜蚴”o - 仰硝( 警九百d p ) “1 ( 等 鬻州l 蚴“一：o - 钉( ：g h 严【! 专? j ( 百) l 每) 【等 金保升等 ( 2 0 0 0 ) t 2 3 l 王志奇等 ( 2 0 0 1 ) 1 3 1 4 唐凤翔和张 济字 ( 2 0 0 4 ) t 3 2 “。列- 肿皤厂“3 i 鳖垒譬等型 0 5 曙 “ 击警- o - z s 时( 钔矾警矛丝o 7 5 r e y 。 e e 焉e1 d u - p , = c o s ( 0 6 ) s i n ( 0 2 ) 州艄，( d f ，) 时( 圹盯( 型气竽厂( 0 0 5 , - 0 0 0 0 4 6 r e ； 1 5 丑叩翌螂 =pj 东南大学硕士学位论文 钟文琪 2 0 0 6 1 3 铲z 4 文z 州圹时”( ”旧几警厂5 1 2 3 喷泉高度 喷动床的喷泉高度也是一个重要的特性。前期的研究对喷射区和环隙区作了大量研究，对喷 泉区的研究很少。而喷泉区涉及到喷动床表面的颗粒最小分离高度，人们的研究也有所增长。 g r a c e t 和m a t h u r 在1 9 7 8 年基于颗粒阻力分析提出 h f _ 烘2 9 ( p p p p p 一、9 其中“。为喷射区顶部中心处颗粒向上速度，氏为喷射区顶部中心处空隙率。该式与实验结 果相比总体吻合较好，但是与实际所测仍有5 0 的偏差。 h e 等1 4 1 用光纤技术对喷泉区颗粒速度和空隙率分布作了较为系统的研究。发现喷泉核心区 在喷动床表面突然扩展开来，然后再随床高的增加逐渐收缩。在喷泉核心区，当喷动气流率较低 时，空隙率随高度的增加而减小，这与g r a c e 和m a t h u r 的模型相符。 尽管如此，关于喷动流化床的喷泉高度所做的研究还不多见，相关的研究也只做了喷泉高度 的定性研究。s u t a n t o 等研究表明，当固定总流量时，喷泉高度随着流化风流量的增加而降低；当 中心喷动气流量固定时，喷泉高度随着流化风流量的增加而增加 t 3 3 。a v c i c1 3 ”等人研究了带导向 管液相喷动流化床的流型和固体循环倍率，认为带导向管的喷动流化床喷泉高度要大于相同工况 下的喷动床。m a r t i no l a z a r 于2 0 0 1 年1 3 7 1 研究了喷动床中操作条件对喷动区、环形区和喷泉区内 颗粒的速度和轨迹的影响。鲁林平2 1 研究认为当其他条件相同时，中心喷泉高度随压力的增加而 增加。 1 2 a 数值模拟 伴随着试验研究工作的深入，数学模型的研究也获得了较大的发展。对于均相二元混合物运 动，通过混合物平均运动和组元扩散运动来描述二元混合物运动以及各种参数变化的物理模型称 为扩散模型。与扩散模型平行的另一种描写二元混合物运动的物理模型是双流体模型。在双流体 模型中，对每一种组元建立一组守恒方程。两种组元之间有动量交换和能量交换，有时还有质量 交换。通过组元之间相互作用将两组方程耦合在起。当两种组元之间的动量交换的弛豫时间较 大时，扩散速度也必定较大，采用扩散模型就不太适当了。在气固二相流中，气相和固相之间的 动量交换弛豫时间往往较大，这时以采用双流体模型为宜。 l u o 根据气流速度和颗粒浓度将炉栅区细分为中心射流区和周边环形区；鼓泡区由射流顶端 至密相区上端；最上面的为自由分离区。l u o 模型认为床层物科均为球形，且粒径单一；炉栅区与 鼓泡区处于活塞流状态，而自由分离区为充分混合状态。i _ f r o y d a v i d s o n 模型基于从试验中发现 的喷动床压力沿轴向分布规律，因此经验性成分更多一些【4 ”。 6 第1 章绪论 上述两种模型的共同特点是一维轴对称、两区域双流体数学模型。然而试验研究表明：在环 形区内，无论是气体还是颗粒都存在较强的横向运动，因此只考虑轴向运动的一维模型与实际存 在较大的误差。在此基础上k r z y w a n s k i 提出了喷动流化床二维模型。该模型也是两区域的双流体 模型，但是该模型考虑了两区域之间的相互作用，把床内气体流动视为层流流动，不考虑颗粒相 互碰撞的影响。以后，k r z y w a n s k i h 4 等人又开发了一个多维流动模型。该模型采用双流体模型来 计算稀相喷射区中的气、固两相流动，用矢量e r g u n 方程和土壤力学方程求解密相环形区中的气、 固两相流动。应用数值有限差分方法预测了主要的流动特性参数，结果与文献中记录的试验数据 很吻合。 1 9 8 9 年f r e y c h e t n 5 瞎建立的模型考虑了气流射入流化床的波动性，将喷动流化床分成无射流 区和射流扰动区，预测了二维v 型喷动流化床内炉栅区和中心射流区之间的气流输送速率和气流再 循环速率。东京大学的t s u k a d a 和h o r i 0 1 4 3 1 研究认为，炉栅区存在两种不同的区域：底部的射流区 和上部的鼓泡区。 周山明i 删对加压喷动流化床部分煤气化进行了数值模拟，采用对流动分区法和化学反应速率 法进行计算模型考察了设计参数、运行工况、煤种特性对煤的气化影响，研究了在喷动流化床中 压力对煤气化影响。模型计算结果表明，系统压力、反应温度是影响煤部分气化的最关键因素。张 斌等建立的两种气化炉模型均能够很好地预测和模拟喷流床气化炉的性能 杨太阳等【柏1 针对均匀布风的鼓泡流化床建立了双流体力学模型，利用计算流体力学软件 ( f l u e n t ) 并通过软件接口插入自编程序计算气泡频率、气泡速度、气泡长度程序模块，模拟出鼓 泡流化床内的颗粒循环及气泡的特殊流动特性。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 利用小型喷动流化床冷态装置研究加压条件下的喷动流化床气固两相流动特性及规律，改 变工作压力、静止床高、颗粒特性、喷动风和流化风的配比以及不同布风结构，考察其流动形态、 床层压降、最小喷动速度及喷泉高度等流动特性。 ( 2 ) 采用双流体法，应用f l u e n t 软件数值模拟手段进行喷动流化床气固两相流动的数值模 拟，并与试验结果进行比较和验证。重点考察不同压力下，喷动流化床气固两相流动的特性，优 化工况，得出流化质量较好的工况，为热态试验提供参考依据。 ( 3 ) 在冷态试验和数值模拟基础上，探讨增压喷动流化床煤部分气化过程中各个操作参数对煤 气成份、煤气热值的影响，得出其影响的规律，提出合理的布风结构和参数，并在0 i m w t h 部分 气化炉上进行气化和还原脱硫的验证试验。 7 东南大学硕士学位论文 第2 章增压喷动流化床流动特性试验研究 研究表明，喷动流化床的流动受很多因素影响，如床体的尺寸因素、喷口尺寸、布风板的结 构、喷动风和流化风的流率，颗粒特性、工作压力等，这些因素导致了床内流动的高度复杂性、 非线性和随机性。为了系统地深入研究喷动流化床的流动特性，得出规律性结论，建立了一整套 喷动流化床冷态试验台。目前国内外研究者对喷动流化床的研究大都是基于常温常压下展开的， 对增压条件下的研究较少。为此，本文着重对增压条件下，喷动流化床的流动特性进行研究。 2 1 试验装置 试验装置如图2 1 所示。试验主要由喷动流化床本体、加料系统、差压测试系统、图像采集系 统及排放系统几部分组成。试验系统流程为：除去油水的压缩空气分两路进入炉膛：一路为喷动风， 由炉膛底部中心喷嘴进入：另一路为流化风，先由喷动流化床底部的风室，经过布风板上的小孔进 入床内。两股气流由阀门调节流量，流量由各自的流量计读取。通过改变不同的布风板结构，喷动 风与流化风比例、工作压力来得到不同流动状态。 2 1 1 喷动流化床本体 系统本体主要由壳体、风室、布风板和喷嘴等组成。本体材料主要由有机玻璃制成，筒体尺 寸为巾l o o m m ，高度为1 5 0 0 m ，。v ”型布风板锥角为6 0 。，喷动风喷口直径为由l o m m ，垂直向 上的喷动风经射流喷嘴进入炉内，喷嘴嵌在v 形布风板底部的正中心，并与底部平齐：流化风经 过布风板后进入炉膛。本次试验采用了两种不同布风板结构进行比较试验：1 号布风板采用与热 态试验相同的风帽结构，风帽的开孔率为1 1 ，共1 6 个风帽，分两层均匀布置；2 号布风板采 用直孔结构，共7 2 个小孔，直径中1 8 m ，开孔率1 3 ，分四层均匀布置。 2 1 2 加料系统 物料由床体顶部通过漏斗加入，进入炉内。 2 1 3 压力测试系统 在喷动流化床的背面，距床体底部大法兰1 4 0 m m ，2 0 0 m m ，3 0 0 m m ，4 5 0 m m ，6 0 0 m m ，7 0 0 m m ， 1 0 0 0 l f l i m 处的环形区壁面分别开有7 个测压孔，测压孔接到差压传感器的一端。风室上小孔与气 体联箱相连，再接到差压传感器的另一端。差压信号送入量程为o - l o k p a 的多通道差压传感器， 传感器设计的工作压力为0 , - 0 8 m p a 。输出信号经数据采集卡由计算机采集。这样计算机采集的差 压信号反映的是床体上不同高度与风室的差压，由下到上分别记为 , p i 一p 7 ，信号采集的频率为 1 0 0 h z 。 3 第2 章增压喷动流化床流动特性试验研究 ( a 1 空气压缩机2 玻璃转子流量计3 差压传感器4 喷动流化床主体5 联箱6 数据采集计 算机7 数码c c d8 强光源 ( b ) 实物照片 图2 - 1o 1 m w t h 增压喷动流化床流动特性试验系统流程图( a ) 和实物照片( b ) 9 东南大学硕士学位论文 2 1 4 图像采集系统 试验系统配有高像素的n i k o n 5 0 0 0 数码相机一台，三脚架以及辅助强光源。 2 1 5 尾部系统 尾部系统主要由节流孔板和调压阀组成，通过调节出口管路阀门的开度来调节系统压力的大 小。 2 2 试验研究工况 本文试验研究的条件为：采用小米作为试验工作物料。变化条件列于表2 一l 和表2 2 。前期试 验采用两种不同的布风板结构，在得出结论后，其余试验都只针对2 号布风板结构作为固定试验 研究对象。 表2 - 1 试验物料特性 2 3 试验方法及过程 试验过程以空气作为流化介质。从压缩机出来的空气经油水分离后分两路，一路作为中心喷 动风，穿过风室的中心喷动管喷入床内；另一路作为流化风，经风室中的布风板小孔进入床内。 试验过程中。分别调节喷动气和流化气的流量，固定流化风流量，调节喷动风流量；调节出口管道 的阀门开度来调节系统压力，以获得不同的工况。 2 3 。1 床内差压信号 将各个测点得到的差压信号( 床层各测点与风室的差压) 送入多通道差压传感器进行a d 转 换后，输出信号由计算机采集，采用差压信号研究床内的压力波动。布风板的阻力降是在空床中通 过不断改变流化风速度来测量的。 2 3 2 最小喷动速度 最小喷动速度u m s 的测量是通过直接观察得到。开始时气体流率逐渐增大直到远超过最小喷 1 0 第2 章增压喷动流化床流动特性试验研究 动条件( 即出现喷泉现象) ，然后慢慢地减少气流量直到喷动现象停止，喷泉刚好塌落时为最小喷动 状态。取喷管出口处的速度为最小喷动速度。 2 3 3 流型圈 物料流动状态的改变可以通过直接观察得到，也可利用检测压降变化来得出，本实验主要采 用直接观察法并辅助压降变化加以校验。在不同的试验工况下，打开强光源，由数码c c d 记录床 内流动状态对一定的静止床高，固定流化风气速( 或中心喷动气速) ，改变中心喷动气速( 或流化风气 速) ，记录下流态的转变临界值，然后以中心喷动气速、流化风气速为轴作图，就可得到给定物料 的某一静床高下的操作相图。 2 3 4 喷泉高度 喷泉高度测得是充气喷动床中床层表面到喷泉项部的距离，当喷泉在脉动时取平均值。 2 4 试验数据的整理 空气和蒸汽表示流量要进行温度、压力修正，修正按下式进行： 鳊= q - 赝悟层 ( 2 - 1 ) 式中q 表示流量，p 表示绝对压力，t 表示开尔文温度，p 表示气体密度，下标1 表示工作 状态，下标0 表示标准状态。 2 5 试验结果与讨论 主要针对喷动流化床的最小喷动速度、流动 型态及喷泉高度等流动特性进行探讨。推出最小 喷动速度的经验公式，提出稳定的操作工况，为 喷动流化床热态试验提供依据。 2 5 1 最小喷动速度 对于正常操作的喷动床，如果降低操作表观 气速，其压降开始保持不变。但当气速减至低于 临界表观速度时，即最小喷动速度u 。时，床层 压降会突然提高，喷动床也随之塌落而形成内部 喷动射流区，颗粒开始在射流区内循环。 试验首先针对两种不同的布风板结构进行了 比较，如图2 - 2 所示。试验表明两种不同的布风 p 慨 图2 - 2 布风板结构对最小喷动速度的影响 i o 习伽“产1 6 m m , p d = 1 3 3 0 k g m 3 东南大学硕士学位论文 板结构对最小喷动速度偏差5 ，由图2 2 可知，i 号、2 号布风板结构对最小喷动速度影响不 大，另外，考虑到数值模拟的模型采用主要是垂直小孔结构的布风扳，故本试验主要针对2 号布 风板( 垂直小孔) 进行。 图2 - 3 表示的是不同粒径对最小喷动速 度的影响。可知，最小喷动速度随着压力增 大而减小，并且减小的幅度慢慢减小。这是 因为压力增大后，气体的密度增大，在同样 的速度之下，流体的动量增大，因此在其它 条件相同时，形成喷动所需要的体积流量减 小，所以最小喷动速度“。减小。m a t h u r 和 g i s h l e r 提出的公式也反应了这一现象，大多 数的文献资料( h e 等州、金保升等2 ”) 也有 相应的结论。两种不同粒径在常压下最小喷 动速度差别较大，随着压力逐渐增大两者越 来越接近，特别是0 i m p a 到0 2 m p a 时变化 图2 3 粒径对最小喷动速度的影响 h f f l 5 0 m l l l p , f 1 3 3 0 k f j m 3 ，o f = o 明显，后又趋于缓慢。总体上来看，增大压力的情况下，粒径对最小喷动速度的影响会越来越小。 本文的研究主要是针对d 产1 6 m m 粒径大小的小米进行的，在未标明情况下，均指a ：1 6 m m 的小 米。 静止床高对最小喷动速度的影响 如图2 4 ，p = 0 1 0 4 m p a , , ，- - o i n s 。 最小喷动速度随着静止床高的增加而 增加，压力越大变化越明显。因为随 着静止床高的增加，射流穿透床层需 要克服更大的床层阻力，必须提高射 流速度以克服这一部分的阻力。同时， 射流向上运动过程中向环形区扩散的 量也增加，使得中心喷动区的气流减 小，不易形成喷泉。这与很多研究的 结论相一致。 鼍 i 三 1 2 w i l l 图2 _ 4 最小喷动速度随静止床高的变化 p 观l 棚4 m p a , 口，m o t i i $ 第2 章增压喷动流化床流动特性试验研究 图2 - 5 最小喷动速度与压力关系图2 - 6 最小喷动速度与压力关系 a o = l s o m m 舻2 3 m m , p p = 1 3 3 0 k g m 。h o = 2 0 0 m m , d v = 2 3 m