气固搅拌流化床内压力脉动特性的数值模拟

在传统气固流化床中引入搅拌桨,可减轻聚合物颗粒的黏附并强化流态化过程。采用计算流体力学(CFD)方法对搅拌流化床内的压力脉动特性进行数值模拟,考察流态化过程中的气泡行为。模拟过程采用多重参考坐标系方法解决搅拌桨区域的运动问题,由欧拉双流体模型和颗粒动力学方法模拟气固两相流。床层压力脉动的统计分析和功率谱分析表明,随着搅拌桨转速的增加,流化床内的压力脉动标准偏差和功率谱幅值变小,床层内的平均气泡尺寸减小,床层可由鼓泡流态化向散式流态化转变。     

负压差立管下料过程压力脉动的传递性实验与分析

在高13m大型循环流化床装置上,对φ150 mm×900 mm负压差立管内气固两相流的动态压力进行了轴向多点测量,并用标准偏差进行了分析,主要研究立管下料过程的动态传递特性.实验表明负压差立管内存在明显的压力脉动现象,这种压力脉动具有一定的传递性.颗粒质量流率比较小时是稀密两相共存流态,稀相区的压力脉动主要受进料流量振荡的影响,向下传递;密相区的压力脉动主要受立管的波动性排料影响,向上传递;随着颗粒质量流率的增加达到浓相输送流态时,上部是连续式浓相输送流态,下部是密相波浪式输送流态,立管的压力脉动主要受进口流量振荡和排料过程压缩气体作用,向下传递.对立管的压力脉动进行标准偏差分析表明脉动压力传递沿颗粒的流动方向上具有幅值增大特性.在立管内流态从稀密两相共存流态转变为浓相输送流态时,由于颗粒压缩气体分量最大,压力脉动幅值最大,减小或增加颗粒质量流率,压力脉动幅度均降低.     

循环流化床提升管T形弯头动态压力的小波分析

针对循环流化床提升管出口T形弯头,以FCC催化剂颗粒为物料,采用动态压力传感器,对T形弯头内的气固两相流的动态压力进行了实验测量,以此分析T形弯头内动态压力的特性。实验结果表明,由于在T形弯头盲管处颗粒折返造成的冲击,形成了一个压力脉动源。小波分析表明T形弯头处的压力脉动主频来自盲管内,而次频能量所占比例随着颗粒质量流率增加而加大。T形弯头内的动态压力的标准偏差与颗粒质量流率呈线性关系,可以用于表征循环流化床内的颗粒质量流率。     

新型提升管进料段内压力脉动强度分布的影响因素

通过大型冷模实验,考察了油剂逆流接触提升管进料段内压力脉动强度的轴、径向分布,并结合射流气浓度分布、预提升气浓度分布和颗粒浓度分布分析了气固间作用特征及其对流动的影响. 结果表明,根据喷嘴射流、预提升气及颗粒相对压力脉动的贡献,可将新型提升管进料段沿轴向由下而上分为喷嘴进气上游影响区(H=?0.375~?0.1 m)、喷嘴进气控制区(H=?0.1~0.375 m)及喷嘴进气下游影响区(H=0.375~0.675 m). 进料段内压力脉动相对标准偏差径向分布的模拟值与实验值吻合较好.     

快速流化床内气固两相流动态压力的实验研究

对快速流化床内轴向动态压力进行了测量,分别通过标准偏差、功率谱以及多尺度小波分析研究了流化床内的动态特性。研究结果表明:压力脉动的强度沿轴向由下至上逐渐衰减,且在循环速率较高时,底部压力脉动标准偏差与顶部之间存在着明显的转折;压力信号的主频随着颗粒质量流率的增加,其所对应的峰值(即脉动强度)有所增加,而主频的频率逐渐降低。通过压力脉动的小波多尺度分析表明:流化床内压力脉动中,小尺度信号主要体现在由于气体与颗粒的湍动、颗粒碰撞、颗粒团聚物的形成与破裂等高频部分的信号;中尺度信号主要捕获来自于不稳定进料所引起的较大的压力脉动;大尺度信号与床层的宏观稳定性相关。研究结果表明,通过对动态信号的微观分析可以深入认识气固两相流的瞬态参数特性以及气固间的相互作用机制。     

流化床提升管中脱油油砂颗粒固含率的轴向分布

针对油砂直接流化焦化工艺,建立了一套大型冷模提升管循环流化床装置. 粒度测试结果表明,该脱油油砂颗粒属宽筛分混合颗粒,且细颗粒含量较多,粒度分布宽(1~>2000 mm). 在不同操作条件下,采用多点压力密度测量仪测定了提升管内压力梯度和截面平均固含率沿提升管轴向的分布. 实验结果表明,脱油油砂颗粒在提升管内截面的平均固含率随表观气速增大而减小,随颗粒循环强度增大而增大;固含率沿提升管轴向的分布为C型,即上下两端较浓、中间较稀,且沿提升管自上而下分为3个区域：颗粒约束返混区(>12 m)、充分发展区(4~12 m)和颗粒加速区(<4 m);在相同操作条件下,脱油油砂颗粒在提升管内截面的平均固含率高于FCC颗粒,加速段与约束返混段长度大于FCC颗粒;确定了脱油油砂颗粒在提升管内截面平均固含率的影响参数为ep', Fr及Hr/Dr;通过实验数据回归得到提升管内截面平均固含率轴向分布的经验模型,计算与实验值吻合较好.     

提升管内气固两相双组分颗粒流动的离散颗粒硬球模型的模拟

基于离散颗粒(DPM)硬球模型，数值模拟提升管内双组分颗粒气固两相湍流流动行为。应用Vreman的亚格子尺度（SGS）模型模拟气体湍流，建立考虑不同颗粒加速度效应的两颗粒碰撞最小时间计算模型。数值模拟预测了大颗粒和小颗粒的速度和浓度分布。研究结果表明小颗粒具有高的轴向速度和脉动速度，而大颗粒具有低的轴向速度和脉动速度。在床中心区域，小颗粒轴向速度分布出现3个峰值，对于大颗粒轴向速度仅出现两个峰值。在壁面区域大颗粒和小颗粒速度均出现两个峰值。沿床径向方向呈现床中心颗粒浓度低、壁面区域颗粒浓度高的环核流动结果。随着表观气速的增大，颗粒浓度沿径向和床高分布趋于均匀。在床中心区域模拟计算轴向颗粒速度、颗粒浓度和RMS速度与文献实验结果相吻合。在提升管内气体湍流对小颗粒流动具有一定的影响，颗粒间碰撞作用对颗粒相流动的影响大于气相湍流的影响。     

提升管中气固两相流动行为的相似特性

在15.1 m高循环流化床实验装置上对提升管内的轴向压力梯度、局部颗粒浓度和颗粒速度进行了较系统的实验测试,研究了提升管中气固两相流充分发展段在不同操作条件下流动行为的相似特性.结果表明,在(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g相近的操作条件下,上行气固两相流充分发展段的颗粒浓度、下降颗粒时均速度、絮状物颗粒浓度和出现频率在空间的分布特征基本相同.对于同一提升管内的同一气固两相流系统,只要表观气速和颗粒循环速率按(G_s /ρ_p)^1.2/U^2.0_g同步变化,不同操作条件下的上行气固两相流在充分发展段就具有相似的宏观和微观流动行为.     

提升管加床层反应器不同操作模式下的压力脉动特性

在提升管加床层反应器冷模实验装置上,分别采取零床层和有床层的操作模式,测量并分析了提升管内的压力脉动行为. 结果表明,有床层操作模式下的提升管内压力脉动标准偏差明显高于零床层操作模式;压力脉动主频零床层操作模式下主要集中于1.56?3.13和0?0.391 Hz,主要源于提升管内颗粒的脉动,有床层操作模式下为12.5?25.0和0?0.391 Hz,12.5?25.0 Hz频段主要源于提升管出口上方设置的气固分布器加流化床层对提升管内气固流动的约束及其影响下的气体脉动行为,0?0.391 Hz频段主要源于提升管段进料的不连续性及其与进料口下方提升气体的相互作用.     

负压差立管气固流动的不稳定性实验分析

负压差立管内气固两相流具有流动的不稳定性,比较典型的是颗粒流量的不稳定性. 实验表明这种不稳定性主要有两种形式,一种是流量偏移,流量从一个值逐渐或突然转变为另一个值,这种现象一般发生在立管的入口或出口,是颗粒失流化架桥产生的;另一种是流量振荡,流量在一定的范围内发生波动变化,即低频脉动流动,这是颗粒逆压力梯度流动压缩气体造成的. 负压差立管气固流动的不稳定性对工艺过程的运行具有潜在的危害性.     

Analysis of pressure fluctuation signals in the underfeed circulating spouted bed

The underfeed circulating spouted bed (UCSB) was designed as a new dry desulfurization reactor. In this article, pressure fluctuations along the axial direction were measured and time, frequency and Shannon entropy analysis of pressure signals were studied under different operation parameters. The results indicate: the pressure fluctuations express different characteristics at various axial locations. And the operation parameters have significant influence on the flow characteristic in the riser. Advancing the spouting velocity or the circulating ratio, the solid concentration in the riser increases and the amplitude of the pressure fluctuations rises. With higher injecting velocity or nozzle position, the gas–solid turbulence in the bottom bed gets more intense. It shows that the existence of injecting flow near the underfeed nozzle has a distinct effect on strengthening the particle mixing. The power spectrum density acquired from the signals can coincidently reflect the dynamic behavior of the gas–solid flow in the riser. Analysis of Shannon entropy also corresponds to the above summarization of flow characteristic very well.     

循环流化床提升管压力瞬时波动的功率谱分析

在φ0.4 m×9.1 m循环流化床提升管中,采集了分布板以上不同轴向高度的压力瞬时波动信号,并采用功率谱进行分析。分析发现,压力瞬时波动功率谱谱图中存在一个振幅最大点,即为主频。增大固体颗粒循环速率或减小提升管操作气速,主频对应振幅增大,而功率谱主频减小。相同操作条件下,随轴向位置的增高,压力瞬时波动的主频基本不变,而主频对应振幅减小。     

Experimental study of gas swirling flow instability characteristics in a cyclone using the hot-wire anemometry technique

The instability characteristics of gas swirling flow in a cyclone were investigated experimentally by measuring the instantaneous tangential velocity with the hot-wire anemometry. The results showed that the instantaneous tangential velocity fluctuated continuously with time at both low and high frequencies. Further analysis of measured data regarding time and frequency domain by probability density and spectral methods revealed that the velocity fluctuation was affected not only by the turbulence flow itself but also by gas swirling flow instability. Also, the distributions of dominant frequency and amplitude indicated that low-frequency velocity fluctuation caused by the instability had the transfer behavior and attenuation character, which could be characterized by the dominant frequency that varied little along the radial position and decreased gradually along the axial direction, while the amplitude increased significantly with decreased radial position. Due to the gas swirling instability, the turbulence intensity and the fine particle diffusion were enhanced, which would degrade the separation efficiency of cyclone.     

Computational fluid dynamics of a circulating fluidized bed under various fluidization conditions

A computational fluid dynamics (CFD) model was developed to simulate the hydrodynamics of gas-solid flow in a circulating fluidized bed (CFB) riser at various fluidization conditions using the Eulerian-Granular multiphase model. The model was evaluated comprehensively by comparing its predictions with experimental results reported for a CFB riser operating at various solid mass fluxes and superficial gas velocities. The model was capable of predicting the main features of the complex gas-solids flow, including the cluster formation of the solid phase along the walls, for different operating conditions. The model also predicted the coexistence of up-flow in the lower regions and downward flow in the upper regions at the wall of the riser for high gas velocity and solid mass flux, as reported in the literature. The predicted solid volume fraction and axial particle velocity were in good agreement with the experimental data within the high density fast fluidization regime. However, the model showed some discrepancy in predicting the gas-solid flow behavior in the riser operating in dense suspension up-flow and low density fast fluidization regimes.     

石油焦燃烧器环流混合段内床层的轴向密度分布

采用气-固环流反应器与输送床烧焦管相结合的结构形式,建立了一套适应石油焦或气化余焦燃烧要求的大型冷态实验装置. 在不同操作条件下,采用差压变送器测定了环流混合段内环区及外环区内床层轴向压力梯度及密度的分布规律. 结果表明,内环床层密度分布可分为底部密相区和上部湍流扩散区;内环颗粒循环强度对底部密相区的密度分布影响较小,只对导流筒上部湍流扩散区有影响;随着内环表观气速的增大,整个内环床层密度均降低. 外环床层密度分布与内环的表观气速、颗粒循环强度和外环床层密相料位高度有关. 利用实验数据回归出了内环和外环轴向颗粒密度分布的经验模型,其计算值与实验值吻合较好.     

循环流化床下料立管内气固两相流动状态与压力脉动的关系

在15 m高的大型气固循环流化床上对内径90和42 mm的下料立管内气固两相流的动态压力进行了测量. 实验结果表明,负压差下料立管内的气固两相流动存在着低频压力脉动,压力脉动的强度可以用动态压力的标准方差(Standard deviation, Sd)来表征,且与立管下料的流动状态密切相关. 立管下料的流动状态依据颗粒质量流量通量的大小有浓相输送状态和稀密两相共存两种状态. 浓相输送状态的压力脉动强度较大,是下行颗粒压缩其夹带气体引起气固两相强烈相互作用导致的;稀密两相共存状态的压力脉动强度较小,是密相段排料的不稳定性和稀相段较弱的气固相互作用共同引起的. 立管下料的压力脉动强度随颗粒质量流量通量的增加而增大,对于浓相输送状态,在实验操作范围内[Gs'=550~850 kg/(m2×s)],压力脉动的强度与立管下料质量流量通量近似成Sd=0.00875Gs'-4.77的线性关系.     

60米高矩形截面循环流化床内物料分布冷态试验

为研究超高提升管内的气固流动特性,依托四川白马电厂600MW超临界循环流化床锅炉现有钢架,将原有60m高的提升管冷模试验台的上部20m改为矩形截面的循环流化床提升管试验台。本文重点研究了提升管流化风速对上部颗粒浓度的轴向/截面分布特性及其影响因素。试验结果表明：颗粒浓度和颗粒粒径的分布特性与流化风速和几何结构密切相关,在一定初始床料高度下,随着风速的增加,提升管上部的空隙率沿轴向先不变然后减少,并最终呈现倒C形分布;截面浓度从均匀分布逐渐变为近短边壁处的颗粒浓度要明显大于近长边壁处的不均匀分布;平均颗粒粒径则随风速的增加而增大,沿截面分布均匀,但是沿提升管高度方向平均颗粒粒径沿轴向会略微减小,且提升管上部近短边壁的颗粒粒径要稍小于近长边壁的。     

16m高气固提升管中的压力梯度与流动行为研究

在较宽操作条件范围对16m高提升管中气－固两相流（空气－FCC颗粒）的压力梯度进行了实验测试,进一步揭示了快速流态化和密相气力输送这两种流动形态的动力学特征及其与操作参数的关系。结果表明,在表观气速增大的过程中气固提升管中的轴向压力梯度并非总是不断趋于均匀分布;提升管高度对快速流态化到密相气力输送状态的过渡有重要影响,对于给定的表观气速,提升管高度增加将使过渡点所应的颗粒循环量和床层颗粒浓度都减小。本实验条件下所有过滤点对应的床层颗粒浓度较为一致,平均为0．0104,并由此得到过渡点操作参数Ug与Gs的关联式。本文研究表明,在以往工作基础上进一步研究提升管高度对流动行为的影响极有必要。