（热能工程专业论文）喷动流化床流体动力学特性及放大规律研究.pdf

中文摘要 中文摘要 喷动流化床是煤气化的重要技术，也可应用于造粒涂层、物料干燥、煤燃污染物协同脱除、生 物质燃烧热解等资源化利用和c o z 零排放等。国内外对喷动流化床的基本理论和基础流体动力学特 性进行了较深入的研究，但对喷动流化床较复杂流体动力学特性还知之甚少，特别是在工业应用中， 由于对许多较复杂的流体动力学规律掌握不够，以至于在设备放大设计、结构参数优化等方面都遇到 一定的困难。本文基于试验和数值模拟手段，对喷动流化床复杂的流动特性和放大规律进行了系统深 入的研究。 构建了小尺寸和放大尺寸的喷动流化床多功能试验系统，揭示了喷动流化床复杂的气固流动特 性，建立了它们与结构参数和操作参数之间的联系。对气固流动结构进行了定义，描述了这些流动结 构的主要特征并给出了高分辨率的数码图片以供区分；绘制出流动结构相图，总结了流动结构转变的 共性规律；捕捉到了气固流动结构从稳定流动到不稳定流动的瞬态转变过程，并基于赫姆霍尔兹的“最 小能量损耗原理”，提出了不稳定流动形成的机制；揭示了压降、最小喷动最小喷动流化速度、最大 町喷动床高和射流穿透深度等重要流体动力学特性参数与结构参数、操作参数之间的变化规律，发展 了新的关联式。将现代a r m 功率谱分析和s h a n n o n 信息熵分析引入到喷动流化床稠密气固系统流 动特性的研究，建立了s h a n n o n 信息熵增与气固流动特性特别是流动结构之间的联系。 采用两种气体示踪的方法，研究了喷动区和环形区气体的混合特性，分析了气体混合的机理，借 鉴传热和传质的相关理论，建立了分区域气体混合数理模型，从质量交换的角度揭示了气体混合特性 与流动结构之间的联系；采用颗粒示踪的方法，研究了床内颗粒的混合特性，将欧拉多相流模型和离 散颗粒模型结合起来。从数值模拟的角度进一步研究了喷动流化床复杂的颗粒混合特性。 较大程度改进了软球d e m 数值模拟平台，解决了长期以来软球d e m 模拟柱锥体结构且带射流 特性稠密气固系统存在的、难以真实再现颗粒循环和卷吸的问题；基于软球d e m 模拟，还考察了介 观尺度的颗粒碰撞、受力等特性以及宏观尺度的气固湍流特性。 在试验和d e m 数值模拟的基础上，改进了基于颗粒动力学理论的欧拉多相流数值模拟平台，特 别是提出并实践了从试验数据反推的方法，来确定颗粒动理学模型的碰撞恢复系数，并引入能量方程 考虑气固之间的传热。 采用经改进的颗粒动理学欧拉多相流数值模拟手段，研究了喷动流化床复杂的放大规律。提出了 喷动流化床放大参数的确定原则、放大规律的研究方法，获得了不同结构参数和操作参数喷动流化床 的气固流动特性，通过气固流动结构以及压降、射流穿透深度、气体速度、颗粒速度和改进f r o e d e 准数等参数的多方位比较，从操作参数放大和结构参数放大两个方面揭示了喷动流化床的放大规律； 此外，还提出了一种新的喷动流化床煤加压气化的大型化方法与装置。 关键词：稠密气固两相流；喷动流化床；流动特性；d e m ；颗粒动理学理论；放大规律 a b s a c t a b s t r a c t s p o u t - f l u i db e di sa ne s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o rc o a lg a s 币c a t i o n ，w h i c hc a na l s ob ea p p l i e dt og r a n u l a t i o n c o a t m g d w i n g s y n c h r o n o u sr e m o v i n g o f c o a l b u m e d c o n t a m i n a t i o n r e s o u r c a du t i l i z a t i o n o f b i o r c a s sb y c o m b u s g o na n dg e s i f i c a l f o n c 0 2 c a p t u r e a n de t cs t u d i e s o n t h eb a s l e t h e o r y a n d t h e b e s f c g a s - s o l i d f l o wb e h a v i o r a o f s p o u t - f l u i db e d sh a v e b e e np e r f o r mh o w e v e r t h e r e h a sb e e nl i t t t em f o r m a b o nc o n c e r n i n gt h er a t h e rc o m p l e xf l o wc h a r a c t e n e t i c s 们f a rd u et ot h ei a c k i n go ff u l ll c f 竹w i e d g e t h e c o m p l e xf l o wc h a r a c t e n s b c s ，t h e r eh a sb e e ns o m ed i f f i c u l t yi ns c a l i n gd e s i g na n dc o n f i g u r a t i o no p b n g z a t t a nt h ep r e s e n tw o r ki s d e v o t e dt or e v e a l i n gc o m p l e xg a s - s o l i df l o wc h a r a e t e n s l i c aa n ds c a l i n gr e l a t i o n s h i p sb ye x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e da p p r o a c h e s s m a l la n ds c a l i n gs i z e so fm u l t i f u n e t i o ns p o u t - f l u i db e de x p e r i m e n t a ls y s t e m sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h e c o m p l e xg a s s o l i df l o wc h a r a c t e e s t l c sa n dt h er e l a t i o n s h i p so fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e ra n do p s m t i n gp a r a m e t e rh a v e b e e n r e v e a l e dd i s t i n c t f l o w p a t t e m s w e r e i d e n u f i e d a n dc r i t e r i aa s w e l l 勰t y p i c a l f l o w p a t t e r nj m a g a s w e r e p r e s e n t e d f o r d a s s l i n g t h e f l o w p a t t e r n s t y p i c a l f l o w p a t t a m m a p s w e r ep l o t t e d f o r d e s c r i b i n g t h e ”a n s l t i o n sb e t w e e n f l o wp a t t e m s w i t ho p e r a t i n gc c r l d i t i o n s t w ol u n d so f f l o wi n s t a b l l i t i a sa n di n s t a n t a n e o u s 打a n s r u o no ff l o wp a t t e m sf 舢s t a b l ef l o wt ot n s t a b l ef l o ww e r eo b s e r v e db a s e d o n t h eh e l m h o l t z l a wo f m i n i m u me n e r g ye x h a u s t i o n t h e m e c h a n i s m o f f l o w i n s t a b i l i t i e sh a sb e e nb r o u g h t f o r w a r dt h er e l a t i o n s o fi m p o r t a n th y d r o k i n e t t a sp a r a m e t e r ss u c ha sp r e s s u r ed r o p m 删m u ms p o u t i n g s p o u t o f l u i d i z i n gg a sv e l o c i t y m a x i m u ms p o u t a b l e b e dh e i g h ta n dj e tp e n e t r a t i o nd e p t ht ot h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r ep r e s e n t e dn e wc o w e l a g o n s w e r ea l s od e v e l o p e db e s i d e s m o d e ma r mp o w e rs p e c t r u ma n ds h a n n o ne n t r o p yw e r eu s e dt os t u d yt h eg a s - s o l i df l o w c h a r a c t e r i s t i c s t h er e l a t i o n s h i p w i t hg a s - s o l i d f l o w b e h a v i o r se s p e c = a l l y f l o wp a t t e m sh a s b e e ne s t a b l i s h e d s t e a d y - s t a t e t r a c a r g a s m e a s u r e m e n t w a s c a m e do u t t o e t u d y t h e g a s m i ，【i n g i n t h es p o u ta n da e n u l a rr e g i o nb ys i m u l t a n e o u s l y i n j e c t i n gt w od i f f e r e n tt r a c e rg a s e st h em e c h a n i s mo fg a sm i x i n gw a sd i s c u s s e d a n dan e ws u b a r e ag a sm i m n gm o d e lw a s d e v e l o p e db y u s i n g t h e l a w so f h e a t v a n s f e ra n d m a s s 妇n s f e r f o rr e f e r e n c et h er e t a t i o n s h l p o f g a s m j x m g w i t h f l o w p a t t e m s h a s b e e nr e v e a l e di nt h ea s p e c to fm a s se x c h a n g eb e s i d e s ，p a r l i d em i x i n gb e h a v i o r sw e r ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d i e d p a m d et r a c e rt e c h n o l o g yw a sp e d o r m e df o re x p e n m e n t sa n dt h ee u l e r i a nm u l b p h a s em o d e lc o m b i n e dw md i s c r e t ep a r t i c l e m o d e lw a su s e df o rs i m u l a t i o n s o f t - s p h e r ed e mm o d e a n dc a l c u l a t e dp r o g r a mh a v eb e e ns i g m f l c a n t l yi m p r o v e d w h = c hs o l v e st h ed i f f i c u n yi ns i m u l a t i o no f p a r b c l ec l r c o l a t i o n sa n de n v a l n m e n t si nt h ec o l u m nw i 虮c a n eb a s ea n dl e tf l o w b a s e do nt h ed e ms i m u l a t i o n ，t h ei n f o r m a t i o no f p a r t i c l ec o l l i s i o n s f o r c e sa c h n go np a r t i c l e s g a sa n dp a r b c l et u r b u l e n ti n t e n s i t i e sw e r eo b t a i n e d a d d i t i o n a l l y e u l e r i a nm u m p h a s um o d e lw l mc l o s u r el a wa c c o r d i n gt ot h ek i n e b ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o wh a v eb e e ni m p r o v e d t h e m e t h o d f o r t h e d e t e r m i n a b o n o f t h e c o e 仟i c l e n t o fr e s t i t a b o nd e r i v e d f r o m e x p e n m e n t a l d a t e w a sp m p o e a da n d c a r d e d o u ta d d t h ee n e r g y e q u a b o n s w e r e a d d e d t o t a k e i n t o a c c o u n t t h e t h e m l a lc o n d u c b e n w i t h i n t h e d h a s 髓 b a s e do l lt h em o d i f i e de u l e h a nm u l t l p h a s em o d e lw t hd o s u r et a wa c c o r d i n gt ot h ek i n e t i cr h e a r yo fg r a n u l a rf l o w t h es c a l i n g r e l a t i o n s h i p so f s p o u t - f l u i db e d sw e r ei n v e s t i g a t e dd e t e r m i n i n gp r i n c i p l eo f s c a l i n gp a r a m e t 日a n dr e s e a r c hm e t h o do f s c a l i n gl a w o fs p o u t - f l u i db e dw e r ep u tf o r w a r d ，t h eg a s - s u t i df l o wc h a r a e t e n s b c ao fs p s u t - f l u i db e du n d e rd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s a n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d b a s e do nt h ec o m p a r i s i o n so fs i m u l a t e df l o wp a t t e r n s p r e s s u r ed r o p ，j e tb e n e t r a g o n d e p t h g a sv e l o c i t y p a r t i c l e v e l o c r i y a n d m o d i f i e df m u d en u m b e r t h e e f f e c t s o f g e n m e t n c a lp a r a m e t e r sa n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o nt h es c a l i n gr e l a t i o n s h i p so fs p o u t - f l u i db e d sh a v eb e e nr e v e a l e d ，b e s i d e s ，n o ws c a l i n gm e t h o da n de q u i p m e n to fs p o u t - f l u i d b e dc o a lg a s i f i c a t i o ni ns c a l i n gs i z ew e r ep r o p o s e d k r w o r d s ：d e n s eg a s - s o l i d f l o w ；s p o u t - f l u i db e d ；f l o w c h a r a c t e r i s t i c s ；d e m ；k i n e t i c t h e o r y o f g r a n u l a r f l o w ；s c a l i n gr e l a a o n s h i p u 一 主要符号说明 英文符号 a r 阿基米德数 以喷动气入口面积 出流化气入口面积 主要符号说明 喷动气示踪气体当地浓度 示踪颗粒当地浓度 流化气示踪气体当地浓度 喷动气示踪气体初始浓度 流化气示踪气体初始浓度 示踪颗粒初始浓度 气泡直径 微元内颗粒湍动能耗散率 喷口直径 床体直径 径向扩散系数 排渣管直径 布风板小孔直径 颗粒直径 颗粒纵向弹性模量 壁面纵向弹性模量 颗粒动能 颗粒势能 碰撞弹性恢复系数 曳力 m a g n u s 升力 s a f f m a n 升力 弗洛德准数 改进弗洛德准数 颗j 宜颗粒或颗j 宜壁面碰撞力 法向碰撞分力 切向碰撞分力 颗粒与流体之间的相互作用力 重力 颗粒横向弹性模量 壁面横向弹性模量 重力加速度 径向分布函数 床高 布风板高度 最大可喷动床高 日床体高度 喝排料函高度 厶颗粒的转动惯量 k 湍动能 拓气相传热系数 毛颗粒相传热系数 k 流化气向喷动区的传质系数 k 喷动气向环形区的传质系数 法向弹力系数 岛切向弹力系数 厶射流穿透深度 膨射流动量 厶颗粒的转动合力矩 n u 努塞尔数 计算单元内颗粒的个数 p 操作压力 凡标准大气压 p r 普朗特数 p a r m 模型的阶次 9 流化气流率 g 喷动气流率 q 盯最小流化气流率 q 0 最小喷动气流率 q ，总气体流率 r e 通用雷诺数 r e 颗粒雷诺数 颗粒旋转雷诺数 s s h n n o n 信息熵 品颗粒的位移 r 操作温度 2 0 t 计算时间 舯流化速度 虬喷动速度 蝎最小流化速度 最小喷动速度 ”“最小喷动流化速度 u s , w 4 f 最小喷动流化对应的喷动速度 坳耐最小喷动流化对应的流化速度 气体速度 c g c g白劬研毋功4岛西喀昂b鲰嘞 。而凡b石钿向后g q o g 勘胁 主要符号说明 风静j l 床高 希腊字母 a 气固体积传热系数 气体的体积份额 编赖粒的体积份额 ，比表面积气同传热系数 口曳力系数 孔隙率 口床层腿降 a s s h a n n o n 信息熵增 f 时间间隔步长 d ，无罱纲k r o n e c k e r 数 晶，颗粒法向变形帚 嘞颗粒切向变形量 托颗粒的泊松比 壁面的泊松比 法向阻尼系数 v 颗粒速度 r b 切向阻尼系数 见喷口宽度 m 滑移摩擦系数 雎气体粘度 砌层流粘度 颗粒相的剪切粘度 肪湍流动力粘度 m 颗粒的转动惯鼍 p 颗粒虚拟温度 戊气体密度 岛颗粒密度 c 颗粒动力学温度的疏运系数 旬颗粒响应时间 z l 拉格朗日时间尺度 f 湍流脉动造成的附加应力 厶颗粒相表观粘度 论文独刨性声明，使用授权声明 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。 研究生签名日期： 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 东南大学博士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 自1 9 5 2 年以来，喷动床技术有了长足的进步 i - 3 1 ，但也逐渐显示了其启动压降大、环形区的死区 和粘结性颗粒在环形区的团聚等缺陷”j 。为此，国内外研究者对喷动床进行了多方面的改进。最为 成功的改进是开发了喷动流化床技术“d 。喷动流化床是在喷动床的基础上增设布风板向环形区引入 流化气体：中心射流区的存在使得喷动流化床具有典理喷动床特性，周边流化气的存在又使其具有流 化床的特性。较之喷动床，喷动流化床不仅可以促进流体和颗粒之间的传热、传质，还能有效地防止 环形区底部出现死区和某些易粘结颗粒在环形区的团聚：从改善流化床特性的观点来看，在流化床布 风板上加一个中心射流可以促进气体和颗粒的循环与混合，使气体和颗粒横向和纵向的混合加强 6 1 。 喷动流化床具有的良好流体动力学特性，使其受到了广泛的关注和应用。 1 1 1 喷动流化床的工业应用背景 迄今为止，喷动流化床在煤的气化、煤和其它废弃物的燃烧、药品和化学品的涂层和造粒，烟草 和其它纤维物斟及膏状体的于燥、生物质裂解制油、物料混合等得到成功工业应用。 1 1 1 1 喷动流化床i 肌化 为了克服流化床气化炉碳转化率偏低的问题，美国先后开发了两种灰团聚气化工艺，使碳转化率 能达到9 6 以上。美国工艺研究院开发的u g a s 煤气化工艺就是一个典型的喷动流化床工艺，床内的 反应温度为9 5 5 1 0 9 5 。压力为0 3 5 2 4 m p a ，在内径为0 9 m 高为9 m 的气化炉内完成了1 1 0 0 小 时的试验，气化炉的示意图如图1 - 1 所示”j 。上世纪9 0 年代，在中国上海华谊焦化有限公司建立了8 套工业级u - g a s 气化炉另。种为美国凯洛格公司开发的k r w 气化炉，是喷动射流流化床工艺，床 内的反应温度为9 5 0 1 0 1 0 ，压力为0 9 1 1 6 2 m p a ，在直径为1 2 m 高为1 5 m 的气化炉内完成了 1 1 5 0 0 小时试验，于1 9 9 7 年在美国p n o np i n e 电站建立了日供煤量为9 0 0 吨的k r w 气化炉，用于 1 0 0 m w 等级i g c c 电站的，气化介质为空气蒸汽，气化炉的示意图见图l - 2 1 7 j 。 i f 自曩 图1 - 1 美国工艺研究院u - g a s 气化炉m 4 着# ，。k 。慵， 图1 - 2 美国凯洛格公司k r w 气化炉 7 】 第一章绪论 英国煤炭局c r e ( c o a lr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 提出了第二代p f b c c c 技术路线，称之为t o p p i n g c y c l e ，在原p f b c c c 系统z 前加上一个压力喷动流化床气化炉m j ：东南大学所进行的第：代增压流 化床燃气蒸汽联合循环发电( a p f b c c c ) 技术 9 - 1 4 也采用了同样的炉型，每小时气化煤量前者为 5 0 0 k g ，后者为3 5 0 k g 。将煤的部分气化和半焦的燃烧联合起来，构成清洁、高效的燃煤联合循环发 电技术，构建的2 m w t h 喷动流化床煤部分气化中试系统如图1 3 所示。此外，东南大学还开发出v 形布风板常压喷动流化床煤气化炉工业装置【l 1 ”，代替原有的燃煤链条炉，目的是将气化产生中低热 值煤气，作为燃料在退火炉内燃烧，并满足其退火工艺要求。 图1 - 3 东南大学热输入2 m w , 煤的加压喷动流化床部分气化中试装置系统图p 1 1 4 】 从8 0 世纪2 0 年代初开始，中科院山西煤化所进行了灰熔聚流化床煤气化过程的系列研究和开 发上作【l “2 0 ，其气化炉属于喷动射流流化床工艺。1 9 9 0 年底建成了内径l m 的气化炉中试装置，处理 量为2 4 t d ，操作温度为1 0 5 0 - - 1 1 0 0 ，压力为01 t 0 5 m p a ，进行多种煤种及石油焦的气化试验，累 计试验时间达5 0 0 0 多小时。2 0 0 1 年在陕西城化股份有限公司建成处理量1 0 0 t d 的工业示范装置，气化 炉内径为下部直径2 4 m ，高1 5 m ，化压力00 3 m p a ，气化温度1 0 0 0 1 1 0 0 ，取得了t 业化示范成功， 2 0 0 2 年2 月成功投入商业运行，其工艺流程如图1 4 所示。 * 一再 图l _ 4 中科院山西煤化所灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置工艺流程1 8 】 2 工mv11 丛 东南大学博士学位论文 世界各地每年产生大量高灰份煤，如加拿大的哥伦比亚每年产生2 5 0 万顿的粗糙废弃物和尾渣形 成的煤废弃物；研究高灰份煤的燃烧特性，寻找合适的燃烧方式，为减少粗制煤中矿物质含量，满足 焦化_ _ ： 艺的要求。加拿大的u b c 流化床研究中心详细地研究和比较了喷动床、流化床和喷动流化 床三种煤燃烧形式的燃烧效果，结果发现：与常规流化床、喷动床相比，喷动流化床燃烧具有效率高、 温度分布均匀且传热效率高等特点，u b c 的研究推动了喷动流化床在煤燃烧方面的发展，图1 5 所示 为u b c 的喷动流化床煤燃烧系统图”j 。然而，由于对喷动流化床的流体动力学特性认识不够，目前 喷动流化床煤燃烧装嚣的最大直径为03 0 5 m ( 自由空间拓展为0 6 9 2 r a ) ，离工业规模还有很大的差距， 面临的最大问题是放大设计。 近年来，喷动流化床在生物质能资源化利用方面也得到了重视。如图i - 6 所示，以木屑为生物质 原料，由直流调速马达带动的螺旋进料器连续送入反应器一二氧化碳和氮气为喷动气或流化气，沙子 为流化介质，反应在常压和4 4 0 5 2 0 。c 进行，反应产物进入旋风分离器，分离出的焦炭进入灰斗，其 余部分进入蛇管冷凝器进行两级冷凝。与流化床相比，喷动流化床作为生物质快速裂解反应器町明显 提高液体的产率，显示了喷动流化床在生物质能资源化利用方面的广阔应用前景。 空气，2 媒斗，3 丙烷启动燃烧壹4 丙烷；5 空气或氮气；6 喷动流化床；7 旋风 分离器；8 气体出口；9 氧量监翱器1 0 水；1 1 培水装景，1 2 气体取样装置 图1 - 5 喷动流化床煤燃烧系统图网 料斗：2 螺旋雏料机，3 喷动流化床反应器；4 布风板；5 焦炭； 6 灰斗；7 , 8 冷凝器；9 n 2 气源，1 0 ，1 1 c 0 2 气源，1 2 气体预热器 图1 - 6 喷动流化床生物质快速裂解 制液体燃料系统( 2 3 - 2 7 1 化_ 丁、医药、食品以及农业等领域，对溶液、悬浮液、膏状物料的干燥有很高的要求，并且往往 是生产的决定性阶段。因此，对此类物料的干燥并达到其传热传质要求是极为重要的。基于喷动流化 床良好的流体动力学特性，上业实践中采用了惰性粒子喷动流化床干燥系统口”。惰性粒子流化干燥 的原理表明，惰性粒子不仅是热载体和被干燥颗粒在床内的循环流动载体，而且也是被干燥聚团颗粒 的磨碎分散介质。图l 一7 所示为用于膏状物料干燥的惰性粒子喷动流化床系统。 r a k i c 等( 2 0 0 6 ) 1 还将喷动流化床应用于功能食品的干燥。其原理是：采用隔膜泵将橡树果等榨 出的汁( 悬浮液) 打向环形区的双流体喷嘴，通过压缩空气将其雾化；喷动气为加热到1 4 0 的干净 空气，流化气为加热到1 2 0 的t 净空气，喷动区和环形区之间的速度差使悬浮液产生循环并被迅速 干燥，果汁水分失去后形成干燥粉末，经旋风分离器分离后排出。实践表明，较之常规的干燥方法， 喷动流化床干燥集成了十燥与造粒的功能，下燥过程稳定，床温町以稳定保持在7 0 ，使食品中的 蛋白质等有效成分不破坏，此外其干燥过程时间短、效率高。 第一章绪论 1 空气压缩机；2 蠕动泵，3 储料罐；4 干燥器：5 袋式捕集器； 6 空气过滤器：7 鼓风机，8 加热器，9 流量计 图1 7 惰性粒子喷动流化床物料干燥系统吼2 9 】 空压机：2 储料罐；3 喷嘴；4 啧动流化床主体；5 加热器；6 风机 图1 - 8 喷动流化床颗粒涂层、造粒系统 3 3 - 3 6 】 1 1 1 4 喷动流化床造粒、涂层 国际上，喷动流化床在造粒、涂层方面很早就有成功的工业应用p 1 1 ”j ；国内，天津大学在喷动流 化床造粒和涂层 3 3 - 3 6 1 方面有了近l o 年的研究积累。 喷动流化床造粒过程是流化造粒与滚动造粒相结合的一种新型造粒方法。如图1 8 所示，粘结剂 由喷嘴喷入床r r i ，粉料在喷动流化床中翻滚长大，最终形成颗粒。它结合了流化床及标准喷动床的优 点，克服流化床容易起泡的缺点，增强了气固接触和混合，具有较高的传热、传质速率，更加适用于 大颗粒产品的生产。整个造粒系统集混合、捏合、造粒、干燥等t 序于一体，系统密闭，操作安全， 无粉尘污染。喷动流化床颗粒涂层与造粒在系统上相似。 1 1 1 5 喷动流化床物料混合 在干型混凝十的生产过程中，对沙子和水泥的混合是至关重要的。粘结特性的水泥颗粒特别是细 粉难以与非粘结特性的沙子均匀混合，是传统混合方法和装置一直以来无法解决的问题。然而，伦斯 勒技术学院和康奈尔大学的研究者p ”于2 0 0 3 年提出并发展的喷动流化床混合方法和装置，在很大程度 上解决丁粘结性颗粒特别是细粉与非粘结性颗粒难以均匀混合的问题。经过不断的实践和改进，2 0 0 6 年伦斯勒技术学院”推出了第二代喷动流化床物料混合装置，5 0 k g 的物料达到均匀混合时间仅需3 0 秒，而且整个过程的能耗也低于传统的混合装置。 图1 9 所示为第二代喷动流化床物料混合工业装置图，由上下两部分组成，其基本的流程为：需 要混合的物料装入下部的料斗，料斗的下部为喷动流化床，通入压力较高的喷动气和流化气，使上下 装置形成一个压力差；物料由于压力差沿加速管高速向上输送，在加速管内的湍动以及加速管出口上 方的撞击板的撞击作用下分散开来并均匀混合，带粉尘的气流通过上部装置的布袋除尘器后排出装 置；两个装置中设有快速卸料装置，可将混台好的物料卸出或将首次没有混合完全的物料排向下部料 斗，以便再次进行混合。在这个装置中，喷动气主要起输送和卷吸周边物料的作用，而流化气主要起 到使物料松散的作用。 该装置已经成功得到工业应用。目前面临的是，连续加料和卸料的解决以及再次放大的问题。该 g r o u p 的研究人员认为，整个装置的放大遵循比例放大即可，但其中最重要的部件喷动流化床的 放大，则需要在进步认识其流动特性的基础上进行。 4 东南大学博士学位论文 图1 9 喷动流化床物料混合工业装置 1 1 2 喷动流化床气固流动特性的国内外研究现状 喷动流化床受到广泛的关注和应用的原因是具有良好的气固流动特性。自1 9 7 0 年c i m t 喇针对喷 动床的缺点提出喷动流化床概念以来，国内外对喷动流化床的流动特性进行了较多的研究；从可以检 索到的文献来看，这些研究集中在其基本流动特性，而对其更为复杂的流动特性的研究尚处于发展阶 段。下文从试验研究和数值模拟两个方面对喷动流化床流动特性的研究现状作介绍。 1 1 2 1 试验研究方面 国外，c h a t 日j c e ( 1 9 7 0 ) ”1 对喷动床进行了改进，在喷动床的基础上增设布风板向环形区引入流化 气体，最早提出喷动流化床的概念，并对其气固流动特征和优点进行了阐述，指出：较之喷动床，喷 动流化床气固的混合和接触更好。n a g 删和c l l a 蜘o e ( 1 9 7 1 ) ”1 对直径为o 1 m 的圆柱锥型喷动流化床 的最小喷动流化速度进行了研究，认为最小喷动流化速度为最小喷动速度和物料流化速度之和。为迸 一步描述喷动流化床的特征，l i t u n a n ( 1 9 7 4 ) 等”提出了最小喷动流化速度有两种定义和测定方法，并 对喷动流化床的气体流量特性进行了研究，如果引入的流化气量太小以至于不足以使环形区内的颗粒 流化起来。则保持喷动状态所需的总气量要比维持没有流化气时喷动床的所需的气量要大，但比流化 同种颗粒所需的气流量要小。而m a m 和e p s t e 衄1 9 7 4 ) 认为，如果供以足够的流化气使环形区颗粒 完全流化，同时又保持喷动区能够使床层产生喷动，那么，要维持这种喷动流化所需的气量就比单独 喷动和单独流化所需的气流量要大。此外，n a g a r k a t t i ( 1 9 7 6 ) | 4 0 ! 也对喷动流化床在最小喷动流化条件下 的压力分布和流动特性也进行了研究；m a d o n n a ( 1 9 8 0 ) 等【4 1 1 研究喷动流化床在冷热态下的流动特性、 k o n o ( 1 9 8 1 ) 1 4 2 1 比较了喷动床和喷动流化床在处理粘结性物料方面的能力，指出了喷动流化床另外一个 重要的优点：较之喷动床喷动流化床还可以减少环形区底部死区和易粘结颗粒在环形区的团聚。喷 动流化床由于其良好的流体动力学特性从此受到更重要和广泛关注。 然而，也逐渐显示喷动流化床较之喷动床、流化床要复杂的多的流动特性。研究者们发现喷动流 化床的气固流动不仅仅是喷动流化，为此国外多家研究机构纷纷开展了流动结构等方面的研究，特别 是加拿大哥伦比亚大学u b c 的流化床研究中心。h e i l 和t e l s ( 1 9 8 3 ) 4 3 1 考察了直径为7 6 、喷i = 1 直径为 5 m m 的平底喷动流化床的压降特性，当流化气固定时，喷动压降随着喷动气速的增加先增大后减小， 在减小的过程中出现几个明显的拐点，并采用压降特性曲线来区分流动结构。h a d z i s d m a j l o v i c 等 ( 1 9 8 3 ) t “1 专门对最小喷动流化流动下的气固机理进行了理论分析；v u k o v i c 等( 1 9 8 4 ) 1 4 5 1 理论上研究了喷 动流化床流动结构及其转变规律；s u t t o 等( 1 9 8 5 ) 1 研究了内径为0 1 5 2 m 的半圆柱锥体的喷动流化床 的流动结构和最小喷动流化速度，将流动结构划分为固定床、射流流化床、喷动床、充气喷动床、喷 第章绪论 动流化床，其中射流流化床叉a r 以进步分为鼓泡射流流化床和腾涌射流流化床；且认为总是大于最 小流化速度。z h a o 等( 1 9 8 7 ) i 研究了内径为0 1 5 2 m 的半圆柱锥体的喷动床和喷动流化床在高温下( 6 5 0 ) 的流动结构，结果指出：常温f 观察到的些流动结构在高温下都能够观察到，只是高温下稳定 流动的i x 域比常温下要窄，高温下更易出现间歇性喷动、淹没射流和腾涌等流动结构。 8 0 年代是国外人们对喷动流化床气固流动特性和喷动流化床应用研究的重要时期。这期间l i t n 等 ( 1 9 8 8 ) 6 1 还号门研究和比较j ，喷动床、流化床和喷动流化床三种煤燃烧形式的燃烧效果，并进i 步证 实，喷动流化床的优点：与常规流化床、喷动床相比，喷动流化床不仅町以促进流体和颗粒之间的传 热、传质，还能有效地防j 环形阵底部出现死区和某些易粘结颗粒在环形区的团聚：从改善流化床特 性的观点来看，在流化床布风板上加个中心射流町以促进气体和颗粒的循环与混合，使气体和颗粒 横向和纵向的混合加强。 对气同流动特性的研究和认识推动了喷动流化床在燃烧、f ：燥、造粒、涂层等不同领域的应用， 同时也对喷动流化床更深层次流体动力学特性( 如最大町喷动床高、速度分布、孔隙率分布等) 的系 统深入研究提出了要求。r a o 等( 1 9 8 5 ) 4 8 1 还对半梓锥形喷动流化床在环形区未流化时的最大町喷动床 高进行了研究，结果表明：最大叮喷动床高随流化气流率的增大f | i 减小，当静止料层高度超过最大町 喷动床高时，喷动中止。无法形成喷动、喷动流化流动结构。g r b a v c i c 等( 1 9 9 1 ) ”住r a o 等的基础上， 进步研究了喷动流化床处于最小喷动流化状态时的最大町喷动床高。a n a b t a w i ( 1 9 9 2 ) 1 5 0 1 较系统地研 究j ，矩形喷动流化床的流动特性，包括流动结构、雎降、喷泉区和环形区的气体速度分布等。 w a l d i e ( 1 9 9 2 ) 1 5 1 1 还专门研究了喷动流化床大颗粒的分离和停留时间特性。为了进。步认识大尺寸喷动 流化床的流动特性，u b c 的h e 等( 1 9 9 2 ) 1 5 2 建立了内径为0 9 1 m 的半圆柱锥体的喷动流化床，这是国外 研究者所建吲钓最大喷动流化床冷模装置，重点研究了流动结构和最小喷动流化速度，将流动结构划 分为：同定床、局部流化、喷动流化和带射流、鼓泡或腾涌的流化床，并认为最小喷动流化速度总是 小于最小流化速度，该研究结论与以往的研究不+ 致，且很难建立从小尺q - t l 大尺寸流动特性的联系 ( 放大规律) ，主要原闪是对喷动流化床孔隙率和颗粒速度等。蝗特别重要的特性缺乏了解。为此， p i a n a r o s a 等( 2 0 0 0 ) t 5 3 采用p d a 技术，研究了内释为0 1 5 2 m m 半柱锥体喷动流化床的孔隙率和颗粒速度 的变化特性，获得了许多重要的成果，如随流化气比例的增大，喷动【x 的孔隙率减小且该趋势与颗粒 的特性无关、喷动区颗粒的速度减小等，并得到其它研究者较为广泛的引用。 此外，日本的k i m u r a ( 1 9 9 5 ) 1 5 4 1 采用气体示踪和光纤探头，对尺寸为5 0 m m x 5 m m x 5 0 0 m m 的锥形布 风板和平底矩形射流流化床( 该文的作者亦称之为喷动流化床) 布风板区域气体和颗粒的运动特性进 行r 研究，指出：锥形布风板促进了颗粒的循环和气体的混合，喷动气的增大使射流的直径减小、射 流【x 颗粒的速度增大。l s h i k u r a 等( 1 9 9 7 ) 1 5 5 1 研究了采用混合物料的喷动流化床流动特性，并与采用单。 粗颗粒时的流动特性进行了比较，结果表明：随着流化气流率的增大，床层总压降和环形区气体的速 度都增大呈线性增大趋势，且这些值比采用单一+ 粗颗粒物料时大。巴西的l i m a 和r o c h a ( 1 9 9 8 ) 1 5 6 1 对喷 动床和喷动流化床的干燥特性进行了比较研究，从流体动力学特性和十燥特性的角度验证了喷动流化 床用于物料f ：燥的町行性。t r i n d a d e ( 2 0 0 4 ) ”1 从理论角度研究r 涂有桉树黑液颗粒的粘结力对喷动流 化床气体分布的影响，并通过试验进行了验证。荷兰t w e n t e 大学自q l i n k 等( 2 0 0 4 ) 5 8 1 采用p i v 技术，对 尺寸为01 5 m x 0 0 1 5 m l m ：维喷动流化床内的速度分布进行了测晕，以验证硬球直接数值模拟模璎。 尽管对喷动流化床复杂气同流动规律的认识尚不全面，基于不同的应用背景，国外的研究者也