靜電流化床中流體力學(xué)特性的調(diào)控機(jī)制研究.pdf

1、靜電普遍存在于烯烴聚合、煤燃燒及生物質(zhì)燃燒等涉及氣固流化床的工業(yè)過程中。這種存在靜電的氣固流化床反應(yīng)器稱之為靜電流化床反應(yīng)器。在靜電流化床中，荷電顆粒在自生電場或外加電場中受到的靜電力會產(chǎn)生正反兩方面的作用，有害之處在于會誘發(fā)黏壁結(jié)塊，妨礙裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，有利之處在于可以改善顆粒運(yùn)動狀態(tài)，強(qiáng)化氣固流動和熱質(zhì)傳遞過程。如何利用靜電流化床內(nèi)顆粒荷電這一固有屬性來調(diào)控床內(nèi)的流體力學(xué)行為，達(dá)到過程強(qiáng)化和化害為利的目標(biāo)，具有重要的理論研究意

2、義及應(yīng)用價(jià)值。
　　外加電場和自生電場是利用靜電調(diào)控靜電流化床中的流體力學(xué)行為的兩種有效方式。雖然外加電場流化床的概念早在二十世紀(jì)中期就被提出，但是由于對靜電現(xiàn)象的認(rèn)識不足和檢測表征手段的缺乏，現(xiàn)有研究在分析外加電場中顆粒受力時(shí)僅考慮極化力，研究了外加電場對流化床的“穩(wěn)定”作用及氣泡行為的調(diào)控作用。近年來，對外加電場作用下納米顆粒流態(tài)化的研究已發(fā)現(xiàn)庫侖力也會顯著影響納米顆粒的流化特性。雖然，納米流態(tài)化與本文研究的一般流態(tài)化并不相同

3、，但從庫侖力的角度進(jìn)行分析，有望揭示外加電場對靜電流化床中流體力學(xué)行為的影響規(guī)律和調(diào)控機(jī)制。此外，現(xiàn)有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)靜電流化床中自生電場對荷電顆粒的靜電力可以控制細(xì)粉揚(yáng)析，但是其作用機(jī)制尚不明晰。因此，本文以靜電流化床作為研究對象，采用聲發(fā)射檢測、壓力脈動檢測、荷質(zhì)比檢測等多種檢測技術(shù)，研究了外加電場對靜電流化床中氣泡和顆粒聚團(tuán)等介尺度結(jié)構(gòu)、顆粒運(yùn)動模式、顆粒粘壁的影響規(guī)律和作用機(jī)制;并結(jié)合CFD-DEM模擬方法，研究了靜電流化床內(nèi)自生電

4、場對顆粒揚(yáng)析的調(diào)控機(jī)制。本研究期望為調(diào)控靜電流化床中的流體力學(xué)行為提供指導(dǎo)，從而達(dá)到過程強(qiáng)化的目的。論文主要開展了以下四方面工作:
　　1.研究了直/交流外加電場對靜電流化床中氣泡及顆粒聚團(tuán)等介尺度結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，揭示了外加電場對靜電流化床內(nèi)介尺度結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，即庫侖力與極化力的競爭機(jī)制。
　　在由床層中心指向床層壁面的錯(cuò)流外加直流電場中，庫侖力在低的電場強(qiáng)度下使得帶負(fù)電的流化床層受到壓縮，床層乳化相空隙率減小，氣泡尺寸增

5、加;而極化力在高的電場強(qiáng)度下使得顆粒聚團(tuán)，從而破碎氣泡，導(dǎo)致氣泡尺寸減小。
　　在錯(cuò)流外加交流電場中，極化力仍會在高的電場強(qiáng)度下使得顆粒聚團(tuán)，氣泡尺寸減小;但庫侖力并不會使流化床層中乳化相的空隙率發(fā)生變化，進(jìn)而影響氣泡尺寸。外加交流電場中的庫侖力使得顆粒發(fā)生鐘擺運(yùn)動，從而抑制了極化力的團(tuán)聚效應(yīng)，使得二者的臨界電場強(qiáng)度往更高的電場強(qiáng)度移動。
　　2.研究了直/交流外加電場對靜電流化床中顆粒運(yùn)動的影響規(guī)律及作用機(jī)制。外加直流電場

6、中，低強(qiáng)度電場作用下的庫侖力是影響顆粒運(yùn)動的主導(dǎo)機(jī)制，而高強(qiáng)度電場作用下的極化力是影響顆粒運(yùn)動的主導(dǎo)機(jī)制，因此，外加直流電場的方向會影響低強(qiáng)度外加直流電場的調(diào)控作用，而不會影響高強(qiáng)度外加直流電場的調(diào)控作用。外加交流電場中，庫侖力抑制了極化力的作用，使得庫侖力始終是影響顆粒運(yùn)動的主導(dǎo)機(jī)制。
　　在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，由床層壁面指向床層中心的外加直流電場在0-1.0kV/cm的場強(qiáng)范圍內(nèi)使得顆粒的活躍程度降低，顆粒與壁面的接觸角增加，顆

7、粒的徑向運(yùn)動增強(qiáng)而軸向運(yùn)動減弱;而此強(qiáng)度范圍內(nèi)由床層中心指向床層壁面的外加直流電場則使得流化顆粒的活躍程度增加，顆粒-壁面的接觸角減小，顆粒的軸向運(yùn)動增強(qiáng)而徑向運(yùn)動減弱;大于等于1.5kV/cm的任一方向外加直流電場總是使得顆粒的活躍程度降低，床層中下部顆粒與壁面的接觸角增加，顆粒的徑向運(yùn)動增強(qiáng)而軸向運(yùn)動減弱。而在本文研究的電場強(qiáng)度范圍內(nèi)(0-2.5kV/cm)，外加交流電場總是使得靜電流化床內(nèi)的顆?；钴S程度增加，顆粒與壁面的撞擊角增加

8、，顆粒的徑向運(yùn)動增強(qiáng)。
　　3.研究了直/交流外加電場對靜電流化床中床層粘壁的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外加電場中床層黏壁受顆粒與壁面之間的正應(yīng)力、鏡像力以及徑向庫侖力和極化力的耦合控制。
　　在外加直流電場中上述四種作用力之間存在協(xié)同競爭作用，當(dāng)電場方向由床層壁面指向床層中心時(shí)，床層粘壁量隨著電場強(qiáng)度的增加而增加;當(dāng)電場方向由床層中心指向床層壁面時(shí)，床層粘壁量隨著電場強(qiáng)度的增加先減小后增加。在外加交流電場中，顆粒與壁面之間的正應(yīng)力是影

9、響床層粘壁量的主導(dǎo)作用力。隨著電場強(qiáng)度的增大，荷電顆粒受到的正應(yīng)力增加，床層粘壁量降低。研究結(jié)果表明，外加交流電場是調(diào)控床層粘壁的首選方式。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，2.5kV/cm的外加交流電場使得床層粘壁量減少了57％。
　　此外，研究了結(jié)塊對感應(yīng)靜電勢信號的影響，提出了一種基于靜電感應(yīng)信號的結(jié)塊檢測方法。結(jié)片下落至流化床的上、中、下部均會影響床層原有的顆粒濃度分布，并改變顆粒的表面電荷，從而引起對應(yīng)位置感應(yīng)靜電勢信號出現(xiàn)“V”型特

10、征波動，這種“V”型波動可作為特征信號用于靜電流化床中的結(jié)片檢測。同時(shí)，存在于床層下部與顆粒一起流化的結(jié)塊有可能進(jìn)入檢測電極的敏感區(qū)使得感應(yīng)靜電勢發(fā)生極性翻轉(zhuǎn)，且標(biāo)準(zhǔn)偏差降低，這些特征變化可用于檢測靜電流化床中的流化結(jié)塊，并進(jìn)一步用于捕捉流化結(jié)塊。
　　4.采用CFD-DEM模擬的方法研究了靜電流化床內(nèi)自發(fā)電場對細(xì)顆粒揚(yáng)析的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了靜電導(dǎo)致的床層料位高度和自由空間上部細(xì)顆粒上升速度的增加對揚(yáng)析的促進(jìn)作用，以及靜電導(dǎo)致的顆粒