（热能工程专业论文）喷动流化床内气体混合的实验研究和气固两相流动的数值模拟.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 喷动流化床在工业上有着广泛的应用，然而迄今为止人们对床内的流体动力学特 性还缺乏较为系统的研究，影响了设备的结构选型和参数优化。本文通过采用实验和数 值模拟的方法，研究了喷动流化床内气体混合特性以及床内气固两相的流动特性。 实验部分，在3 0 0 m i n x 3 0 m m 2 0 0 0 m m 的喷动流化床冷态试验台上，在喷动区和 环形区分别采用c o 和s 0 2 作为示踪气体的方法，获得了不同喷动气流速和流化气流率 这两个重要的操作参数下，不同床层高度上示踪气体的径向分布，考察了床内喷动区与 环形区之间气体的混合特性。结果表明，示踪气体在不同床层高度的径向分布呈现较大 的差异，并沿床层高度依次降低。在稳定的流动状态下，喷动气速度的增大，使喷动气 向环形区的传质加强，也促进了流化气在环形区的混合；流化气流率的增大，气体由环 形区向喷动区的传质大于由喷动区向环形区的传质，且流化气在环形区的混合加强。在 不稳定的流动状态下，气体的径向浓度分布曲线两边出现不对称。 数值模拟部分，本文采用f l u e n t 软件对喷动流化床内气固两相流进行了冷态数值 模拟，完整地揭示了喷动流化床内气泡的形成、发展、破碎和射流的形成、发展、消失 直到床内气固流动过渡到稳态的过程。并将数值模拟的结果和实验进行了全面的对照， 验证了数值模拟结果和试验基本能够吻合。 本文通过改变喷动气量和流化气量，对不同的模拟工况进行了数值模拟。并对这些 模拟工况下的数值模拟结果作了相互比较和分析，归纳总结出了喷动气量和流化气量这 两个重要参数的改变对喷动流化床内气固两相流动的影响。 关键词：流态化；喷动流化床；气体混合；气体示踪技术；数值模拟 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a s p o u t e d f l u i d i z a t i o nb e dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o no nt h ei n d u s t r y h o w e v e r ，s of a r p e o p l es t i l ll a c ks y s t e m a t i c s t u d yf o rt h eh y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c si nt h eb e d s oi t a f f e c t st h ec h o o s e m e n to fs t r u c t u r ep a t t e ma n dp a r a m e t e r sf o r s p o u t e d f l u i d i z a t i o nb e d e q u i p m e n t s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a sm i x i n ga n dt h eg a s s o l i dt w o p h a s e sf l o wi ns p o u t e d - f l u i d i z a t i o nb e dw i t he 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 nm e t h o d s i n e x p e r i m e n t ，g a sm i x i n g i n s p o u t e d f l u i d i z a t i o n b e dw a s i n v e s t i g a t e db y s i m u l t a n e o u s l yi n j e c t i n gd i f f e r e n tt r a c e rg a si n t ot h es p o u tr e g i o na n dt h ea n n u l a rr e g i o n ， r e s p e c t i v e l y t h ec o n c e n t r a t i o n so ft r a c e rg a sa tv a r i o u sb e dl o c a t i o n sw e r eo b t a i n e d a h i g h r e s o l u t i o nd i g i t a lc a m e r aw a su s e dt or e c o r dt h ef l o wp a t t e m s e f f e c t so ft w om o s t i m p o r t a n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( s p o u t i n gg a sv e l o c i t ya n df l u i d i z i n gg a sf l o wr a t e ) o ng a s m i x i n gw e r ee x a m i n e dw i t l lf l o wp a t t e r n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft r a c e rg a s c o n c e n t r a t i o na tv a r i o u sb e dl o c a t i o n sd i f f e r sg r e a t l ya n dd e c r e a s e sw i t hb e dh e i g h t i nt h e s t a b l ef l o wg a st r a n s f e rf r o mt h es p o u tr e g i o nt ot h ea n n u l a rr e g i o ni sp r o m o t e db yi n c r e a s i n g s p o u t i n gg a sv e l o c i t y g a st r a n s f e rf r o mt h ea n n u l a rr e g i o nt ot h es p o u tr e g i o na n dg a sm i x i n g i nt h ea n n u l a rr e g i o na r ep r o m o t e db yi n c r e a s i n gf l u i d i z i n gg a sf l o wr a t e i nt h eu n s t a b l ef l o w t h er a d i a ld i s t r i b u t i o no f t r a c e rg a sc o n c e n t r a t i o ni sa s y m m e t r y i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nh e l dac o l d s t a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h e g a s s o l i dt w op h a s e sf l o wi ns p o u t e d f l u i d i z a t i o nb e dw i t hf l u e n tc f ds o f t w a r e t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nd i s p l a y e dc 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 e b u 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 ，d i s a p p e a r m e n to ft h ee j e c t i o nu n t i lt h e g a s s o l i ds t e a d yf l o wi nt h es p o u t e d - f l u l d i z a t i o nb 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 e b 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 t h ed i s s e r t a t i o nc a r r i e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sb a s e do nd i f f e r e n ts p o u t i n gg a sf l o w r a t ea n df l u i d i z i n gg a sf l o wr a t e ，a n dm a d et h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n st os i m u l a t i o n r e s u l t s ，g e n e r a l i z e di n f u e n c e st h a ts p o u t i n gg a sf l o wr a t ea n df l u i d i z i n gg a sf l o wr a t ee x e r to n t h eg a s s o l i dt w op h a s e sf l o wi ns p o u t e d - f l u i d i z a t i o nb e d k e yw o r d s ：f l u i d i z a t i o n ；s p o u t e d - f l u i d i z a t i o nb e d ；g a sm i x i n g ；g a st r a c et e c h n o l o g y ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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：盟金基日期：2 q q 鱼生3 旦 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。 研究生签名：位金盘导师签名：日期：2 q q 鱼生三旦 东南大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 我国2 0 0 2 年全国一次能源的消费量为1 4 8 亿吨标准煤，其中煤炭占6 6 1 。2 0 0 3 年我国煤炭 产量达1 6 6 7 亿吨，2 0 0 4 年达到1 9 5 6 亿吨，同比增长1 7 3 ，2 0 0 5 年以来，我国煤炭产量在2 0 0 4 年较高基数的基础上继续保持较快增长，根据预测到2 0 1 0 年我国对煤炭的需求量将达1 8 亿吨。我 国以煤炭为主的能源格局在可以预期的将米仍然不会改变。大量的煤炭直接利崩带来了严重的环境 污染，尤其以煤烟型大气污染为重，产生如s o ；、n o ；、c 0 2 和粉尘等环境污染物，造成酸雨、温室效 应、粉尘污染，对人类的生存造成严重的影响，因此必须大力发展燃煤洁净发电技术。从二十世纪 七十年代开始，国际上就兴起了对洁净煤技术的研究和开发，其中以煤气化为核心的联合发电技术 止成为国际上研究的热门领域。比较典型和具代表性的有增压流化床联合循环发电技术( p f b c c c ) ， 整体煤气化联合循环发电技术( i g c c ) 和燃料电池循环发电( f c c c ) 。可见煤气化技术是诸多新一代 洁净煤技术的基础。 东南大学热能工程研究所曾经承担国家9 7 3 “煤加压部分气化和加压半焦燃烧系统的构成和验 证”( g 1 9 9 9 0 2 2 1 0 5 3 ) 课题，其中主要的研究内容之一为增压喷动流化床煤的部分气化过程。喷动 流化床不仅是煤气化的主要炉型之一，该技术也能广泛应用于物料干燥、造粒以及一些其它的化学 反应过程的处理设备，它在工业上有许多成功的应用。例如在带引导管的喷动流化床内进行药片涂 层”。、烟草及其它纤维物料的干燥与混合“。 然而，至今为止人们对喷动流化床内的流体动力学特性还缺乏系统的研究，影响了设备的结构 选型和参数优化，工程实践中也面临着气化炉的结构和设计参数的优化，以及放大设计的问题，要 求在喷动流化床内，对气闻两相流动过程的特性和放大规律进行深入的研究。本文的研究工作就是 通过实验和数值模拟，希望能充分了解喷动流化床内的气固两相流体动力学特性，为该技术的实验 室研究和工业应用选取台适设计和运行参数提供参考。 1 2 国内外的研究现状及趋势 t 2 1 喷动流化床的发展综述 喷动流化床是由喷动床发展起来的一种床型。喷动床是2 0 世纪5 0 年代中期由加拿大的两位学 者g i s h l e r 和i a t h u r ”设计发展起米的一种处理粗大宽筛分颗粒的流态化技术。半个世纪以来，国 内外的研究者对其流体动力学特性进行了广泛的研究，主要研究内容包括流动结构、最大喷动床高、 最小喷动速度、喷动区的直径及流动特性、环形区的两相流动、喷泉行为和颗粒的混合和分层等。 这些方面有的研究已经达到很透彻的水平，并且提出了一些有广泛适用性的经验关联式。 喷动床在干燥、造粒、涂层、煤和生物质的燃烧和气化方面有着广泛的应用，近年来在脱硫方 面也有研究报道。然而它的工业应用设备的尺寸还停留在1 m 以内，其主要原因是喷动床的底部单射 流无法对大直径的床体形成有效的喷动，环形区造成大面积的死区。为此，国外的研究者提山了一 1 东南大学硕士学位论文 些改进的措施，喷动流化床就是其中之一。也就是在常规喷动床的倒锥体壁面处增设布风板向环形 区引入附加气体，就会构成喷动流化床。与喷动床相比，它不仅可以促进流体和颗粒的传热、传质， 还能有效的防止环形区底部出现死区和某些易粘结颗粒在环形区的团聚。从改善流化床的特性观点 看，在流化床布风板上加一个中心射流可以促进颗粒的循环和混合。这点对放热反应( 如燃烧过 程) 和吸热反应( 如气化反应) 尤其重要，因为中心射流的加入使得温度分布均匀的同时，也强化了 床层与界面的传热“1 。 下图是一个典型的柱锥型普通喷动流化床流动原理图。 自由窄自j 一i 一、i 獬i 制 彳洲 驯 图1 1 喷动流化床基奉流动原理示意图 由于喷动流化床兼有喷动床和流化床的优点，这使得喷动流化床在过去几十年间受到了喷动床 研究者和流化床研究者的共同重视，从而得到了艮足的发展。 在国外，喷动流化床的研究主要集中在加拿大的u b c ( t h eu n i v e r s i t yo fb r i t i s h c o l u m b l a ) 的流化床研究中心，其研究的内容主要是基础理论方面的，以干燥、造粒、涂层、以 及煤气化和生物质的燃烧等领域的应用为背景。u b c 在1 9 7 4 年建立了第一个直径为o 1 5 2 m 柱锥体 喷动流化床冷态试验装置，采用皮托管，研究了最小喷动流化条件f 的压力和气体的分布特性。u b c 在二十世纪八十年代对该试验装置进行了全面改造，同时建立了床层截面为0 0 5 6 m o 0 5 6 m 、0 1 m o 1 m 和0 2 m o 2 m 的方形有机玻璃试验装置，对床内的流动结构、环形区气体的流动、床层压 降、喷动区的形状及直径、喷泉特性进行了研究。随后义将直径为o ，9 1 m 的柱锥体和、f 柱锥体喷动 床改造成喷动流化床，采用皮托管和光纤导管技术，对前面的研究内容进行了研究外，还对床内颗 粒的速度及孔隙率进行了研究，并与同尺寸的喷动床的流体动力学特性进行了比较。研究结果发现， 2 东南大学硕士学位论文 0 9 1 m 直径喷动流化床的流体动力学特性与小尺寸的喷动流化床有很大的差别。在1 9 9 5 年前后，u b c 采用皮托管和光纤导管技术对所建立的各种尺寸的喷动流化床的流体动力学特性进行研究，他们发 现从小尺寸的喷动流化床到大尺寸的喷动流化床之问难以建立起结构和参数之间直接或间接的数学 关系( 放火规律) ，也就是不满足相似定律，该问题直到目前仍没有突破。u b c 对喷动流化床的研 究几乎都是在常压条件下，加压条件下仅在直径为o ，1 5 2 m 的试验装置上进行了压力为o 2 m p a 的初 步研究。u b c 多年来对喷动流化床的基本流体动力学规律进行了较为系统的研究1 5 - 8 1 , 然而对喷动 流化床的一些其他重要流体动力学特性，如气泡特性、射流特性、两区之间的气体扩散、颗粒的混 合、流动结构及其转变无论在实验还是在理论方面的研究都有待于深入。 喷动流化床国内的研究主要是面向喷动流化床煤部分气化和生物质气化及燃烧方面的应用基础 研究。华东理t 大学建立了直径为0 0 5 m 的常压导向管喷动流化床煤部分气化装置，对其冷态基本 流动规律进行了研究。沈阳化工学院建立了直径为0 0 9 2 m 的导向管喷动流化床，研究了l 临界流化速 度、颗粒的循环以及导向管的位置、【丈度等结构参数对流动特性的影响等。中科院广州能源所建立 了直径为0 1 9 5 m 的喷动流化床试验装置，采用光导纤维，研究了床内孔隙率的分布等内容。东南大 学热能工程研究所在这方面也作了大量的研究工作”1 。热能所9 0 年代先后建立了直径0 4 5 m 常压 喷动流化床和直径0 2 m 的加压喷动流化床( 带导向管和不带导向管) 冷态实验装置。采用了著压信 号和气体示踪研究了最小喷动速度、晟小喷动流化速度、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。冷态试验研究的结果为我所热态“2 m w t h 加压喷动流化床煤 部分气化试验装置”和“空气蒸汽高度预热0 1 m w t h 加压喷动流化床煤部分气化原理性试验装置” 的成功设计和试验提供了一定的依据。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算流体力学c f d 的飞速发展，人们逐步采用数值计算的方法来研 究流动和传热问题。特别是国外陆续推出了一些大型商业用c f d 计算机软件后，极大的促进了数值 模拟方法在流动和传热问题上的应用。现在数值模拟方法已和实验研究方法、理论分析方法成为研 究流动和传热问题的三大基本方法。 数值模拟在一般的单相流动和传热问题中应用得相当广泛，近年来在气蚓两相流领域中也逐渐 得到应用。例如国内中科院山西煤炭化学研究所近年来进行过射流流化床的数值模拟，取得了一些 满意的结果，积累了一定的经验。国外有一些研究者对循环流化床进行过数值模拟。但在喷动流化 床气固两相流动中，数值模拟工作开展得还是比较少。 用数值模拟软件对喷动流化床内气固两相流进行数值模拟，只要确立了符合实际的模型，就可 以对床内气同两相流动进行比较合理的模拟，以揭示喷动流化床内气固两相的流体动力学特性及其 影响因素。 1 2 2 喷动流化床气体混合特性的研究现状 国内外很多学者已经对流化床内气体的混合作了一些有价值的研究，气体示踪作为一种研究气 固流动系统中气体混合特性的有效方法，被国内外研究者广泛采用。国内外研究者对各种对象的研 究成果为我们提供了有益的结论。 魏飞等研究了气固并流下复合双分布器气一吲流流化床中气体混合的过程，实验时采用氢气 作为示踪气体，重点考察床中气体径向扩散规律。 3 东南大学硕士学位论文 s t u b i n 垂o n 和c l o u g h m 对流化床内气体的混合进行研究后发现，在横向扩散中，扩散系数可以 根据流动和波动的不同划分为不同的范围。小范围或者微小范围内的波动，主要是接触和混合，发 生在气相时气体和微粒( 分子扩散) 间的反应。大范围或超大范围的波动，应该被看作是从一个点 到另一个点的对流扩散。 姜晓花等1 1 ”采用氢气作为示踪气体，采用稳态有源示踪技术，测定了不同操作气速下床层内部 不同截面上示踪气体的浓度分布实验数据，获得了不同操作气速下的轴向、径向扩散系数。结果表 明，表观操作系数是影响轴向、径向扩散系数的主要闳素。 尽管喷动流化床具备射流床的一些特性，然而喷动流化床以及喷动流化床中的气一固交换和射 流床是不同的，但对射流流化床的研究结论也为本文的研究提供了参考。 y a n g 等【1 w 在供给射流的气体中持续加入稳态的氦气作为示踪气体，其浓度大概占气体射流的 1 0 。他们发现当射流外的气流较小时，示踪浓度剖面更深入混合气体。他们认为这种循环气体中 的气体渗透是由高出相较低部分造成的。这种循环被认为主要是由对流引起，气体扩散的影响是可 以忽略的。通过向流化气体中注入氨气作示踪气体( 射流中没有示踪气体) ，实验结果是氦气在射流 中被测量到，证实了气体由密相区向射流区流动。 k i m u r a 等口在0 0 5 m 内径的射流流化床上，在射流气中加入氦气，定性地研究了气体的混合 规律，发现v 型布风板射流流化床比水平布风板射流流化床具有更好的气体混合特性，两种床体在 近壁面区示踪气体的浓度都较高 f r e y c h e t 等口“用臭氧( 0 3 ) 作为示踪剂，针对0 9 1 m o 0 2 5 4 m 的喷动流化床，提出了一个非稳态 的分区平衡模型，预测了气体浓度的分布，验证了气体的卷吸、密相区与射流区之间气体的循环， 该研究工作主要侧重于发展了一种新的模型，对不同操作参数下床内的质交换仅进行了少量的定量 分析。 东南人学金保升等【1 0 l 采用示踪剂，在直径为o ，2 m 的半圆柱型加压喷动流化床内，考察了喷动 气流辜、流化气流率、操作压力对床内气体扩散的影响。通过借鉴m a t h u r 和e p s t e i n ( 1 9 7 4 ) 从理论上 推导的喷动床气体从中心喷动区向周边环形区的扩散率方程以及v e l z e n 等( 】9 7 4 ) 提出的喷动床气体 扩散率的试验关联式，并采用相关因素组合而成的无因次数来关联气体扩散率，得到关联式，并对 结果进行回归分析求得系数，整理后为： u , = 9 0 2 5 i 嵩爿dg 。阿“时” u 。 i 【1 一s 扣。，i1 日，il 晶i 肖睿等”1 对于同样尺寸带导向管加压喷动流化床，采用c 0 2 作为示踪荆，考察了操作喷动气 流率、流化气流率、操作压力、颗粒粒径和物性参数对床内气体扩散的影响，并归纳了喷动气旁路 份额和流化气旁路份额随操作参数影响的试验关联式： 。m 心, , _ l , 1 6 x l o _ 1 sk ” 制m m1 ”踟玎p m ； l ，+rll d pji ，j 等m o ，s 瓦m mr 斟”w ” r ，+ ，ll 砟jin 4 东南大学硕士学位论文 以上分析表明，国内外对流化床利射流床内气体混合的规律研究得较多，然而对喷动流化床和 射流流化床内气体混合的规律研究得较少，需要作进一步的研究。 1 2 3 喷动流化床气固两相流数值模拟的方法 计算流体力学的进展为深入了解气固两相流动提供了基础。目前有两种数值计算的方法处理气 固两相流：欧拉一拉格朗日方法和欧拉一欧拉方法。 1 2 3 1 欧拉一拉格朗日方法 用欧拉一拉格朗日方法对气固两相流建模，气体相被处理为连续相，直接求解时均纳维一斯托克 斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子运动得到的。离散相和气体相之间可以有动量、质 量和能量的交换。在f l u e n t 中拉格朗日离散相模型就是遵循欧拉一拉格朗日方法的。但是应用该模 型的一个基本假设是，作为离散的颗粒相的体积比率应很低。即便如此，较大的质量加载率仍能满 足。流场中粒子的运行轨迹的计算是独立的，它们被安排在流相计算的指定的间隙完成。这样处理 能较好的符合粒子负载流动，对于体积率小于1 0 的气泡、液滴和粒子负载流动，采用离散相模型 是比较合适的。但是不适用于流化床和其他第二相体积率不容忽略的情形，因为流化床内粒子的体 积率明显要大于1 0 。 1 2 3 2 欧拉一欧拉方法 在欧拉一欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的体积无法再 被其他相占有，所以需要引入相体积率的概念。体积率是时间和空间的连续函数，各相的体积率之 和等于1 。从各相的守恒方程可以推导山一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从 实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭，另外，对于小颗粒流( g r a n u l a r f l o w s ) ，则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。在f l u e n t 中，共有三种欧拉欧拉多相流 模型，分别为：流体体积模型( v o f ) ，混合物模型，以及欧拉模型。 流体体积模型( v o f ) 所谓v o f 模型，就是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相 融流体间的交界面时，可以采用这种模型。在v o f 模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程， 计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积率。v o f 模型的应用例子包 括分层流，自由面流动，灌注，晃动，液体中大气泡的流动，水坝决堤时的水流，对喷射衰竭( 表面 张力) 的预测，以及求得任意液一气分界面的稳态或瞬时分界面。v o f 模型依靠的是两种或多种流 体( 或相) 没有互相穿插这一事实，所以对于存在气固两相相互贯穿流动的喷动流化床模拟而言， 不选用这种模型。 东南大学硕士学位论文 混合物模型 混和物模型可用于两相流或多相流( 流体或颗粒) ，它是一种简化的多相流模型，它用于模拟各 相有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。它 也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。在欧拉模型中，各相被 处理为互相贯通的连续体，但在混合模型求解的则是混合相的连续性方程，混合的动量方程，混合 的能量方程，第二相的体积分数方程，还有相对速度的代数表达，即通过相对速度来描述离散相。 混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流气泡流，沉降，以及旋风分离器。混合物模型也可用 于没有离散相相对速度的均匀多相流。 欧拉模型 欧拉模型是f l u e n t 中最复杂的气固多相流模型。它建立了一套包含有n 个的动量方程和连续方 程来求解每一相，并且每相独自地满足质量和动量守恒定律。作为互相贯穿连续的多相流动的描述 需要引入相位体积分数的概念，体积分数代表了每相所占据的空间。压力项和各界面交换系数是耦 合在一起的。耦台的方式则依赖于所含相的情况，颗粒流( 流一固) 的处理与非颗粒流( 流一流) 是 不同的。对于颗粒流，可应用分子运动理论来求得流动特性。不同相之间的动量交换也依赖于混合 物的类别。欧拉模型的应用包括气泡柱，上浮，颗粒悬浮，以及流化床。采用欧拉模型，第二相的 数量仅仅因为内存要求和收敛行为而受到限制。只耍有足够的内存，任何数量的第二相都是可以模 拟的。 综上所述，纵观国内外对喷动流化床的研究进展和研究趋势，可以得出一个结论，就是国内外 的研究者对圆锥形的喷动流化床研究得较多，对方形的喷动流化床研究得不够充分。对冷态研究得 较多，对热态涉及的不多。对喷动流化床进行数值模拟的研究进行的极少。尽管喷动流化床是在喷 动床基础上发展起来的一种床型，但由于附加流化气的引入，使得床内的气固两相流动特性和常规 喷动床相比，产生了较人的差别。虽然到目前为止国内外研究者对喷动流化床内的气固两相流动特 性进行了大量的研究，但对喷动流化床内的气固两相流动特性仍然研究得不够充分，需要对其进行 进一步深入的研究。 1 3 本课题的研究目的及论文研究内容 本文的研究工作主要包括以下两个方面的内容： ( 1 ) 气体在喷动流化床内喷动区和环形区的混合特性。 ( 2 ) 削f l u e n t 软件对喷动流化床内气吲两相流进行数值模拟。 喷动区和环形区气体混合特性是本论文的重要研究内容，研究的手段是采h lc o 、s 0 2 两种气 体示踪。在做实验的过程中，对喷动气流量和流化气流量加以控制，同时调整好c o 和s 0 2 的流量。 对应某一固定的喷动气流量，调整流化气流量到几个不同的值，这样就可以通过不同位置放置的气 东南大学硕士学位论文 体取样枪取样米测到床内一系列不同位置的c o 、s 0 2 浓度。反之固定流化风气流量，调整喷动气 流量到几个不同的值，也可以测到一系列的c o 、s 0 2 浓度值。对这一系列的浓度值进行数据处理 就可以研究喷动区和环形区气体相互混合的特性。 用f l u e n t 软件对喷动流化床内气i 刮两相流进行数值模拟是我的硕士论文的核心内容。气固两相 流的数值模拟已经成为认识喷动流化床流体动力学特性及探讨气固相互作用规律的重要研究手段。 东南大学动力系购买了一套用于计算流体流动和传热问题的大型f l u e n t 软件，可以用其进行床内 气固流动的数值模拟。数值模拟的关键是要确立合理的气同流化床模型，这样才能实现床内气同流 动比较准确的模拟，以揭示床内流体力学特性及其影响因素，并结合实验数据进行分析。 参考文献： 1 w u r s t e rde a i r - s u s p e n s i o nt e c h n i q u eo f c o a t i n gd r u gp a r t i c l e s a m e r p h a r m a c a s s o c 4 8 ：4 51 - 4 5 4 2 l e g r o sr ，m i l l i n g t o nca ，c l i f fr am o b i l eb e dp r o c e s sf o rf i b r o u sm a t e r i a l s i n ：f l u d i z a t i o nv e d s k o s t e r g a a r d ，a n dks o r e n s e n ，e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n ，p p ：2 2 5 - 2 3 2 3 m a t h u rkb ，g i s h l e rpe at e c h n i q u ef o rc o n t a c t i n gg a s e sw i t hc o a r s es o l i dp a r t i c l e s a i c h e 1 9 5 5 ，1 1 ：5 7 - 1 6 4 4 l i mcj ，w a t k i n s o n a p , k h o egk ，e ta 1 s p o u t e d ，f l u d i z e da n ds p o u t f l u i db e dc o m b u s t i o no f b i t u m i n o u sc o a l s ，f u e l ，6 7 ：1 2 11 - 1 2 1 7 5 a n a b t a w i f l o wc h a r a c t e r i s t i c s i nar e c t a n g u l a rs p o u t - f l u i db e d p o w d e rt e c h n o l o g y , 1 9 9 2 ，1 6 9 ( 2 ) ：2 0 5 2 1 1 6 w a l d i eb s e p a r a t i o na n dr e s i d e n c et i m e so f l a r g ep a r t i c l ei nas p o u t - f l u i db e d c a n a d i a nj o u m a l o f c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 2 ，7 0 ( 6 ) ：8 3 8 - 8 7 9 7 h ey s p o u t e db e da n ds p o u t - f l u i db e dh y d r o d y n a m i c si na0 9 1 md i a m e t e rv e s s e l m a s c y h e s i s u b c 1 9 9 0 8 d e n i sl ，p i a n a r o s a , l u i sar v e l o c i t yp r o f i l e si nas p o u t - f l u i db e d t h ec a n a d i a lj o u r n a lo f c h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，v 0 1 7 8 ，2 0 0 0 9 】肖睿，章名耀，刘向东增压导向式喷动流化床颗粒循环量和气体旁路特性研究燃料化学学报， 1 9 9 9 ( 2 7 ) ：3 7 0 - 3 7 6 1 0 】金保升，周山明，肖睿加压喷动流化床流动和扩散规律冷态实验研究燃烧科学与技 术2 0 0 0 ( 6 ) ：2 8 9 - 2 9 5 1 1 金保升，董长青，朱传宝喷动流化床形态变化的试验研究煤炭转化，v 0 1 2 3 ，2 0 0 4 ( 4 ) ：6 9 7 3 1 2 】刘向东，章名耀增压导向管式喷动流化床固体颗粒循环速率的关联过程工程学报，2 0 0 1 ( 1 ) ：1 6 - 1 9 1 3 肖睿，章名耀，金保升增压导向管式喷动流化床流动特性的数值模拟燃烧科学与技 术。2 0 0 0 ( 7 ) ：2 6 2 2 6 6 1 4 肖睿，章名耀，金保升加压导向管式喷动流化床部分气化炉颗粒循环倍率的研究动力工 程2 0 0 2 ( 2 3 ) ：2 3 8 2 2 3 8 7 1 5 】肖睿，章名耀，金保升加压导向管式喷动流化床气化炉气体扩散规律的研究热能动力工 程2 0 0 2 ( 1 7 ) ：2 7 。3 0 7 东南大学硕士学位论文 1 6 】魏飞，陆坊斌，金涌复合域分布器气一固流流化床中气体混台行为的研究石油化t ，1 9 9 4 ， n o 2 3 1 7 s t u b i n g t o njf ，c l o u g hsj t h ec o m b u s t i o nr a t eo f v o l a t i l e si naf l u i d i z e db e dc o m b u s t o r i nfd s ， p e t r e ，p r o c e e d i n g so f t h e1 4 ”i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n 1 9 9 7 ：8 8 7 8 9 7 1 8 】姜晓花，卢春喜轴向移动床内气体扩散规律的研究炼油设计，2 0 0 1 ，第3 1 卷第3 期 1 9 】y a n ggh u a n gz ，z h a ol ，i ndk u n i ia n drt o e i ，f l u i d i z z t i o n l v e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n 1 9 8 4 ：1 4 5 f 2 0 】k i m u mt ，h o r i u c h ik ，w a t a n a b et e ta 1 e x p e f m a e n t a ls t u d yo fg a sa n dp a r t i c l eb e h a v i o ri nt h eg r i d z o n eo f a j e u i n gf l u i d i z e db e dc o l dm o d e l p o w e rt e c h n o l o g y , 1 9 9 5 8 2 ( 1 ) ：1 3 5 1 4 2 2 1 】f r e y c h e tnp ，p h d t h e s i s u n i v e r s i t ed ec o m p i e g n e1 9 8 7 8 东南大学硕士学位论文 第二章喷动流化床内气体混合的实验研究 为了深入系统研究喷动流化床内喷动区与环形区之间气体的混合特性和观察床内气固两相的流 动特征，建立了一整套喷动流化床冷态试验台，并采用气体示踪的方法来研究喷动流化床【勺气体的 混合特性。气体示踪是一种研究气固流动系统中气体混合特性的有效方法，被国内外研究者广泛采 用“1 ，然而，迄今为止很少有针对喷动流化床的研究报道。此外，目前大部分的研究。“都是采用 一种示踪气体。但采用一种示踪气体无法准确了解喷动区与环形区内部以及两区之间的气体混合特 性。为此，本文在喷动流化床冷态试验台上，在喷动区和环形区同时采用不同示踪气体的方法，研 究不同喷动气流速和流化气流率这两个重要的操作参数下喷动区与环形区之间气体的混合特性。 2 1 实验系统 本实验系统是一个有机整体，它包括送风系统、实验台本体、加料系统、示踪气体系统、数码摄 像系统以及数据测量系统。 卜罗茨风机2 ，3 流量计4c c d5 - 混合器5s 0 2 示踪气俸钢瓶 7c o 示踪气体钢瓶8 ，9 减压阀l o _ 便携式气体分析仪 1 卜加料斗1 2 ，1 3 ，1 4 抽取气体紫铜管1 5 强光源 图2 1 喷动流化床实验系统图 东南大学硕士学位论文 图2 2 喷动流化床实验系统实物图 本实验台本体是个截面3 0 0 r a m ) ( 3 0 r a m ，高2 0 0 0 r a m 的方形唼动流化床。该庆采用有机玻璃制 作而成，这样可以比较清晰的观察和用c c d 拍摄到床内气固两相流动的结构。床的喷动口为3 0 m m 3 0 m m 的方口，采用v 形布风板，夹角为6 0 0 ，布风板上开的小孔直径为l m m ，开孔率为1 1 ，均 匀分布、直孔。 在实验过程中，采用空气作为流化介质。米白罗茨风机的气流分成两路，一路为喷动气，另一路 为流化气。实验采用两种气体作为示踪气体来追踪研究床内喷动区和环形区之间气体的混合。c o 示踪气体经减压阀节流减压后注入喷动气管路中，二者混合均匀后，经由喷动口送入床内，一起构 成喷动风。s 0 2 示踪气体经减压斤注入流化气管中，在二者混合均匀后，先经过流量分配器分成流 量相同的两股气流，进入床底部的风室后，由布风板上的小孔进入床内，构成流化风。 在开始做实验时，观察到床中有颗粒的团聚和贴壁现象。颗粒的团聚和贴壁现象对实验的准确 性影响很大。一方面，由于颗粒的团聚，小颗粒相互聚结成大颗粒，从而改变了其物理特性，冈而 它与气流的相互作用力也随着改变，导致床内的流场也发生改变：另一方面。由于颗粒的贴壁现象 使得颗粒循环量减少了。因此解决此问题对实验的准确性意义重大。许多研究者认为，颗粒的团聚 和贴壁现象是由于颗粒与颗粒及颗粒与壁面相互摩擦引起的静电作用造成的。在实验过程，采用了 一根细铁丝，把铁丝的一端挂在有机玻璃床壁面上，男一端放到地面上，这样就有效地消除了静电， 改善了实验条件，提高了实验的准确性。 在方形有机玻璃床左右两侧壁面对分中心线距离喷动风口2 0 0 m m 、3 0 0 r a m 、5 0 0 m m 高度处开 有6 个示踪气体的取样孔，纵向各排列着3 只水平气体取样枪。其中的两只r 弯9 0 。以便于测量锥 形区的气体浓度。水平气体取样枪可以沿径向移动以测量不同径向位置处气体浓度。在取样过程中 为了不使床内的气固流动受到大的干扰，每次只插入一根取样枪，取样枪为外径3 m m 的紫铜管， 可以沿径向水平移动。由便携式气体分析仪内置的气泵抽取到不同径向位置处的示踪气体，然后进 东南大学硕士学位论文 行分析。在t 况变化时，首先测定喷动气出 2 1 的c o 浓度和流化气风室中s 0 2 的浓度，作为初始浓 度。实验过程中，在两组4 k w 强光源的辅助照明f ，由c c d 记录床内的流动状况，进行分析。 2 2 实验物料及工况 在本实验中，选用了绿豆作为物料，绿豆的球形系数大，不易磨损和破碎，实验的数据重复性 较好。另外绿豆是一种惰性颗粒，颗粒表面对c o 和s 0 2 两种示踪气体几乎没有吸附作用，因而不 会增加两种示踪气体的额外扩散。为了避免颗粒过多的被气体带走而导致实验。p 床料变化，以及考 虑减小颗粒对取样枪入口的堵塞，实验中选用了粒径较大的颗粒。 表2 - 1 实验工况 2 3 实验方法和过程 2 3 1 实验启动和终止 启动时先向床内导入适量的空气，再向加料斗里加料，床料便逐步落入床内，等床高约为5 0 0 m m 高度时停止加料，这样做可以大大减小床的启动压力。然后再开启两个示踪气体钢瓶出口的阀门， 并调整钢瓶的减压阀开度以控制其压力，这样就可以向喷动气和流化气管中注入示踪气体了。再根 据实验需要调整喷动风和流化风量到所需的上况即可进行测试。 实验完成后，先切断示踪气体。然后调小喷动风和流化风量，并打开床底部的放料阀门放料。 等床料放完后，继续通入少量的喷动风和流化风，以便对床内进行吹扫，最后完全切断喷动风和流 化风。 2 3 2