流化床生物質(zhì)與石英砂混合流動與傳熱實驗與模擬研究.pdf

1、流化床生物質(zhì)熱解技術(shù)具有高濃度的流態(tài)化過程因而具有高強度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞的優(yōu)點。流化床中的流動屬于典型的稠密相氣固兩相流動，在用于生物質(zhì)熱解的流化床內(nèi)部，氣固兩相存在著動量、熱量和質(zhì)量的交換，氣相流動狀態(tài)和物料的傳熱傳質(zhì)過程都極其復(fù)雜，而目前對于流態(tài)化下生物質(zhì)的流動與傳熱過程的研究尚未成熟。
　　本文從實驗和模擬兩個方面，進行了流化床柱形生物質(zhì)與石英砂混合流動和傳熱過程的研究。通過分析流化床內(nèi)氣相速度、壓力和溫度，顆粒運動軌

2、跡和溫度分布，氣固耦合曳力系數(shù)和傳熱系數(shù)等，揭示了不同因素對流化床雙組份流動與傳熱的影響規(guī)律。
　　建立了流化床內(nèi)柱形生物質(zhì)與石英砂混合流動與傳熱的實驗系統(tǒng)，并進行了壓差脈動信號采集、紅外熱像溫度采集和床內(nèi)流動狀態(tài)圖像采集等工作。流化床床層平均壓差隨著床層高度的增加而增加，生物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)的大小對床層平均壓差影響不大。通過對壓差脈動信號進行遞歸圖和遞歸定量分析可知，氣速的增加會使得處于鼓泡床狀態(tài)的流動混沌特性增強。結(jié)合高速攝影儀采

3、集的顆粒運動狀態(tài)分析結(jié)果可知，大顆粒生物質(zhì)的存在會擾亂氣泡的運動狀態(tài)，從而降低了系統(tǒng)的確定性、周期性和間歇性。在常溫空氣的冷卻作用下，流化床內(nèi)顆粒冷卻速度隨表觀氣速的增大而有所增加，不同表觀氣速下顆粒的冷卻速度差異主要表現(xiàn)在進風(fēng)后5s的時間內(nèi)。不同床層高度下的顆粒平均溫度隨著床高的增加而增加，但差距并不是很大。當(dāng)表觀氣速較低時，生物質(zhì)顆粒溫度的下降速度明顯比石英砂顆粒溫度的下降速度小。
　　采用球元疊加法解決了傳統(tǒng)DEM-CFD計

4、算模型不適用于具有大差異尺寸顆粒系統(tǒng)的問題。將大尺寸柱形生物質(zhì)顆粒視為按照固定方式排列的虛擬球元聚合體。通過精細網(wǎng)格模擬結(jié)果可知，顆粒內(nèi)部較為密集的虛擬球元的分布對于氣體的流動起到了很強的阻礙作用，使得顆粒內(nèi)部氣體速度較低，氣體溫度接近顆粒溫度。柱形顆粒內(nèi)部空隙率的大小直接影響氣固曳力系數(shù)和氣固傳熱系數(shù)大小，比較分析可知在本研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)柱形顆粒內(nèi)部空隙率ε=0.27可以使得計算結(jié)果相對更加準確。
　　采用FORTRAN計算語

5、言和MPI并行運算技術(shù)，建立了采用正交網(wǎng)格的雙組份流動與傳熱計算平臺。模擬情況下不同表觀氣速下的床層壓降變化幅度較小，床層壓差平均值比實驗值低220Pa左右，床層壓差脈動信號存在著明顯的遞歸特性。氣相速度具有較好的對稱性，氣相溫度分布在整個床層區(qū)域分布較為均勻。對比紅外熱像儀采集的流化床不同床高區(qū)域內(nèi)顆粒溫度變化數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，10s內(nèi)床料平均溫度變化的實驗值和模擬值較為接近，誤差在20％范圍內(nèi)。利用混合指數(shù)定量地分析了床料在流化床中的