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(guò)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(chǎng)或外加電場(chǎng)中受到的靜電力會(huì)產(chǎn)生正反兩方面的作用，有害之處在于會(huì)誘發(fā)黏壁結(jié)塊，妨礙裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，有利之處在于可以改善顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，強(qiáng)化氣固流動(dòng)和熱質(zhì)傳遞過(guò)程。如何利用靜電流化床內(nèi)顆粒荷電這一固有屬性來(lái)調(diào)控床內(nèi)的流體力學(xué)行為，達(dá)到過(guò)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(chǎng)和自生電場(chǎng)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(chǎng)流化床的概念早在二十世紀(jì)中期就被提出，但是由于對(duì)靜電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不足和檢測(cè)表征手段的缺乏，現(xiàn)有研究在分析外加電場(chǎng)中顆粒受力時(shí)僅考慮極化力，研究了外加電場(chǎng)對(duì)流化床的“穩(wěn)定”作用及氣泡行為的調(diào)控作用。近年來(lái)，對(duì)外加電場(chǎng)作用下納米顆粒流態(tài)化的研究已發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖力也會(huì)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(kù)侖力的角度進(jìn)行分析，有望揭示外加電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)對(duì)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(duì)象，采用聲發(fā)射檢測(cè)、壓力脈動(dòng)檢測(cè)、荷質(zhì)比檢測(cè)等多種檢測(cè)技術(shù)，研究了外加電場(chǎng)對(duì)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(dòng)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(chǎng)對(duì)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(guò)程強(qiáng)化的目的。論文主要開(kāi)展了以下四方面工作:
　　1.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)對(duì)靜電流化床內(nèi)介尺度結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，即庫(kù)侖力與極化力的競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)中，庫(kù)侖力在低的電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中，極化力仍會(huì)在高的電場(chǎng)強(qiáng)度下使得顆粒聚團(tuán)，氣泡尺寸減小;但庫(kù)侖力并不會(huì)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(chǎng)中的庫(kù)侖力使得顆粒發(fā)生鐘擺運(yùn)動(dòng)，從而抑制了極化力的團(tuán)聚效應(yīng)，使得二者的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度往更高的電場(chǎng)強(qiáng)度移動(dòng)。
　　2.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中顆粒運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律及作用機(jī)制。外加直流電場(chǎng)

6、中，低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的庫(kù)侖力是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制，而高強(qiáng)度電場(chǎng)作用下的極化力是影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)機(jī)制，因此，外加直流電場(chǎng)的方向會(huì)影響低強(qiáng)度外加直流電場(chǎng)的調(diào)控作用，而不會(huì)影響高強(qiáng)度外加直流電場(chǎng)的調(diào)控作用。外加交流電場(chǎng)中，庫(kù)侖力抑制了極化力的作用，使得庫(kù)侖力始終是影響顆粒運(yùn)動(dòng)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(chǎng)在0-1.0kV/cm的場(chǎng)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(dòng)增強(qiáng)而軸向運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)增強(qiáng)而徑向運(yùn)動(dòng)減弱;大于等于1.5kV/cm的任一方向外加直流電場(chǎng)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(dòng)增強(qiáng)而軸向運(yùn)動(dòng)減弱。而在本文研究的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)(0-2.5kV/cm)，外加交流電場(chǎng)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(dòng)增強(qiáng)。
　　3.研究了直/交流外加電場(chǎng)對(duì)靜電流化床中床層粘壁的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)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(kù)侖力和極化力的耦合控制。
　　在外加直流電場(chǎng)中上述四種作用力之間存在協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)作用，當(dāng)電場(chǎng)方向由床層壁面指向床層中心時(shí)，床層粘壁量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加;當(dāng)電場(chǎng)方向由床層中心指向床層壁面時(shí)，床層粘壁量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加先減小后增加。在外加交流電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)使得床層粘壁量減少了57％。
　　此外，研究了結(jié)塊對(duì)感應(yīng)靜電勢(shì)信號(hào)的影響，提出了一種基于靜電感應(yīng)信號(hào)的結(jié)塊檢測(cè)方法。結(jié)片下落至流化床的上、中、下部均會(huì)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(duì)應(yīng)位置感應(yīng)靜電勢(shì)信號(hào)出現(xiàn)“V”型特

10、征波動(dòng)，這種“V”型波動(dòng)可作為特征信號(hào)用于靜電流化床中的結(jié)片檢測(cè)。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(cè)電極的敏感區(qū)使得感應(yīng)靜電勢(shì)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(cè)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(chǎng)對(duì)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(duì)揚(yáng)析的促進(jìn)作用，以及靜電導(dǎo)致的顆粒