流化床生物質(zhì)與石英砂混合流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)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(guò)程因而具有高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞的優(yōu)點(diǎn)。流化床中的流動(dòng)屬于典型的稠密相氣固兩相流動(dòng)，在用于生物質(zhì)熱解的流化床內(nèi)部，氣固兩相存在著動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換，氣相流動(dòng)狀態(tài)和物料的傳熱傳質(zhì)過(guò)程都極其復(fù)雜，而目前對(duì)于流態(tài)化下生物質(zhì)的流動(dòng)與傳熱過(guò)程的研究尚未成熟。
　　本文從實(shí)驗(yàn)和模擬兩個(gè)方面，進(jìn)行了流化床柱形生物質(zhì)與石英砂混合流動(dòng)和傳熱過(guò)程的研究。通過(guò)分析流化床內(nèi)氣相速度、壓力和溫度，顆粒運(yùn)動(dòng)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(duì)流化床雙組份流動(dòng)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(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了壓差脈動(dòng)信號(hào)采集、紅外熱像溫度采集和床內(nèi)流動(dòng)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?jǐn)?shù)的大小對(duì)床層平均壓差影響不大。通過(guò)對(duì)壓差脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行遞歸圖和遞歸定量分析可知，氣速的增加會(huì)使得處于鼓泡床狀態(tài)的流動(dòng)混沌特性增強(qiáng)。結(jié)合高速攝影儀采

3、集的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析結(jié)果可知，大顆粒生物質(zhì)的存在會(huì)擾亂氣泡的運(yùn)動(dòng)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(jìn)風(fēng)后5s的時(shí)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(shí)，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(jì)

4、算模型不適用于具有大差異尺寸顆粒系統(tǒng)的問(wèn)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(guò)精細(xì)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(duì)于氣體的流動(dòng)起到了很強(qiáng)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(jì)算結(jié)果相對(duì)更加準(zhǔn)確。
　　采用FORTRAN計(jì)算語(yǔ)

5、言和MPI并行運(yùn)算技術(shù)，建立了采用正交網(wǎng)格的雙組份流動(dòng)與傳熱計(jì)算平臺(tái)。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(shí)驗(yàn)值低220Pa左右，床層壓差脈動(dòng)信號(hào)存在著明顯的遞歸特性。氣相速度具有較好的對(duì)稱(chēng)性，氣相溫度分布在整個(gè)床層區(qū)域分布較為均勻。對(duì)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(shí)驗(yàn)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