不同固液密度比率的循環(huán)流化床的固體濃度分布的模擬

1、不同固/液密度比率的循環(huán)流化床的固體濃度分布的模擬摘要流化床的一個(gè)基本功能是在劇烈混合時(shí)，粒子成為密集懸浮狀態(tài)，發(fā)生器的性能主要是由粒子濃度決定。因此在設(shè)計(jì)快速流態(tài)化的發(fā)生器時(shí)要估計(jì)固體濃度分布。盡管流體和固體之間的壓力或密度比對(duì)粒子分布的影響是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的，但是在理論上是不能完全理解的。然而一些已經(jīng)運(yùn)行的機(jī)組在設(shè)計(jì)的時(shí)候并沒(méi)有被基本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本論文的目的是應(yīng)用增長(zhǎng)鏈?zhǔn)侥Ｐ完U明流體/固體密度比對(duì)徑向濃度分布的影響。結(jié)果表明從上升管頂部到固體濃度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)那點(diǎn)的距離隨著流體/固體密度比增加而減小，因此使得床在豎直方向更加均勻。最后的濃度是獨(dú)立的。這些結(jié)果于其他研究者做的一些實(shí)驗(yàn)是相符合的。1

2、引言快速高壓流化床技術(shù)在各種工業(yè)領(lǐng)域都發(fā)揮了很大作用，如在電力行業(yè)中，綜合煤或生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)能夠節(jié)省化石能量資源和減少二氧化碳的排放。對(duì)于燃燒室，氣體發(fā)生器，鹵素捕手，循環(huán)流化床是最有希望的設(shè)備。盡管流化床的基本理論已經(jīng)憑經(jīng)驗(yàn)完成了，但是有必要繼續(xù)分析研究來(lái)提高設(shè)備的性能。另外，對(duì)于高壓氣固系統(tǒng)的流態(tài)化，科學(xué)理論預(yù)測(cè)，流體對(duì)床料的密度比有一定的范圍，0.010.1.循環(huán)流化床的流態(tài)化屬于快速流態(tài)化狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)流化床能夠使得空氣壓力從0.1到5.0Mpa，a water #uidized bed by Wirth and Gruber (1996) and Kuramoto, Tsutsu

3、mi, Yoshida and Chiba (1997) that沿著上升管高度固體密度分布在高壓下更加均勻，就是在高壓空氣與固體密度比。2，壓力分布不會(huì)隨著空氣，水等流體介質(zhì)變化而變化，只要Fr. Ar，粒子存儲(chǔ)量和流體固體密度比都保持不變。3，當(dāng)流體固體密度比為0.4時(shí)，水和固體快速流態(tài)化的時(shí)候固體密度分布就非常均勻。此后，流體固體密度比可以略寫(xiě)為FSDR，高流體固體密度比時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得的固體濃度均勻性還沒(méi)有在理論上證明。至于本論文作者知道，在高流體固體密度比時(shí)快速流態(tài)化的性能達(dá)到0.5，這還沒(méi)有理論上的研究。本文的主要目的是在理論上研究在快速流化床中高密度比情況下，固體密度分布為什么及怎樣

4、趨向均勻。首先，在無(wú)量綱狀態(tài)下使用增長(zhǎng)鏈?zhǔn)侥Ｐ脱芯抗腆w密度分布，來(lái)觀察流體固體密度比對(duì)快速流化床的特殊影響。在密度比0.0005-0.5，Ar分別為100，1000和10000的狀態(tài)下來(lái)研究顆粒的垂直擴(kuò)散，這種擴(kuò)散決定了固體濃度的垂直分布。因此固體濃度分布被認(rèn)為是得到實(shí)際快速流態(tài)化現(xiàn)象的真正表達(dá)。2 鏈?zhǔn)皆鲩L(zhǎng)模型盡管本論文的一個(gè)作者在其以前的論文中提出了鏈?zhǔn)皆鲩L(zhǎng)模型，但是為了便于討論需要概括一下。在快速流態(tài)化的重力區(qū)粒子不可能均勻分配，因?yàn)槿魏蔚臄_動(dòng)都會(huì)打破粒子的力平衡，甚至在很好分配的固體懸浮區(qū)也是如此。當(dāng)固體濃度很大時(shí)，上下相鄰的兩個(gè)粒子之間的距離伴流的長(zhǎng)度還小，距離減小一點(diǎn)都會(huì)影響流體對(duì)

5、上部粒子的應(yīng)力。所以上部的粒子就會(huì)落到下面的粒子上，這就形成了由兩個(gè)粒子組成的最短的鏈。這個(gè)鏈就繼續(xù)落到下面的粒子上。隨著粒子的數(shù)量增加，鏈相對(duì)于流體的速度也增加，直到流體對(duì)粒子的拉力總和達(dá)到它們的重力，重力是小于鏈的彈力的。然后只要進(jìn)一步受到干擾，這個(gè)鏈就會(huì)破裂成小的1.碎片。這個(gè)粒子鏈形成和破裂的過(guò)程是在快速流態(tài)化任意時(shí)刻任意時(shí)間隨意發(fā)生的。鏈的重力和流體對(duì)鏈的應(yīng)力之間的平衡決定了鏈和流體之間的相對(duì)速度，形成了鏈中粒子數(shù)的函數(shù)。每一個(gè)粒子都有它最終的速度，一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)鏈也有穩(wěn)定的下降速度，比單個(gè)粒子的大好幾倍。所以，每個(gè)組成粒子相對(duì)于流體的速度在它最后速度和無(wú)限長(zhǎng)鏈的下降速度之間。因?yàn)樵诹鲬B(tài)

6、化過(guò)程中形成長(zhǎng)短不同的鏈，結(jié)果每個(gè)粒子的速度每時(shí)每刻都在變化，它們的垂直位置也在改變。這個(gè)運(yùn)動(dòng)在垂直方向發(fā)生擴(kuò)散，由于粒子可能有多種速度，使得粒子在發(fā)生垂直擴(kuò)散，這是快速流態(tài)化的顯著特征。在接下來(lái)的討論中，認(rèn)為流體結(jié)構(gòu)是精細(xì)的均勻。鏈中的任意粒子的速度是流體速度減去它的最終速度其中ut(i(j)是第i個(gè)鏈的第j個(gè)粒子的最終速度，ufluid是橫截面上的自由空間時(shí)流體速度，為方程1右邊第二個(gè)括號(hào)給出了第i個(gè)粒子的速度，它在一個(gè)坐標(biāo)上運(yùn)動(dòng)的速度是圖1給出了增長(zhǎng)鏈中上部粒子的位置，這是在有幾個(gè)小圓柱的移動(dòng)坐標(biāo)上觀察的。鏈中的粒子的相對(duì)速度隨著粒子的增多而減小，最后當(dāng)數(shù)量非常大時(shí)粒子的速度會(huì)接近零。在

7、這里我們假設(shè)鏈的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)與網(wǎng)格狀態(tài)下相似，盡管在數(shù)學(xué)上不是，粒子的細(xì)小擴(kuò)散與微觀到精細(xì)尺度的擴(kuò)散相似。我們建議用擴(kuò)散方程類(lèi)似的方程來(lái)預(yù)測(cè)細(xì)小的固體濃度和估計(jì)鏈運(yùn)動(dòng)中的擴(kuò)散系數(shù)。我們猜想垂直的擴(kuò)散與鏈增長(zhǎng)過(guò)程中破裂時(shí)上部的粒子移動(dòng)的距離的最大值相等，這個(gè)比率的趨勢(shì)在圖1中用實(shí)線表示。估計(jì)的擴(kuò)散系數(shù)與大氣下快速流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合：1，Avidan and Yarushalmi研究了當(dāng)固體速率達(dá)到140kgm-2s-1時(shí)，有效離散系數(shù)與氣體表面速度從1到6ms-1時(shí)兩者之間的關(guān)系。測(cè)量的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的很吻合，預(yù)測(cè)時(shí)假定固體濃度0.0001-0.01，固體率5.8-108，固體濃度0.1，固體率

8、140.2. Hirama, Geldart and Rhodes通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了擴(kuò)散系數(shù)和粒子速度的關(guān)系?？雌饋?lái)這個(gè)結(jié)果與擴(kuò)散系數(shù)與長(zhǎng)鏈的最終速度減去單個(gè)粒子最終速度(ut-u1)的關(guān)系定性定量都符合。3 粒子擴(kuò)散方程在研究中有必要建立一個(gè)方程來(lái)預(yù)測(cè)固體濃度的垂直分布?；镜囊痪S擴(kuò)散方程為其中U是一個(gè)單位容積內(nèi)所以粒子的代表速度，定義以下變量和常數(shù)方程4又可以表示為對(duì)于穩(wěn)定狀態(tài)即為另一方面，單位容積中所以粒子速度總和為方程12右邊第二項(xiàng)表明粒子的位置排列變化與粒子擴(kuò)散相對(duì)于。所以假定這項(xiàng)可以表示為方程12乘以粒子的體積，并用方程13代替第二項(xiàng)，即其中，流體是向上流動(dòng)的，一般情況是向下的，這是因

9、為在流化床的上部為了一體化，就很容易給出邊界條件。如果方程11設(shè)為Re-Ret，則方程11和方程14是彼此相符合的。通過(guò)分析方程12的結(jié)構(gòu)并對(duì)比方程11和14，顯然方程11中中的整合常數(shù)就是粒子流動(dòng)速率?？紤]到擴(kuò)散項(xiàng)，認(rèn)為必須要用圖1中估計(jì)的擴(kuò)散系數(shù)，因?yàn)閿U(kuò)散系數(shù)是從粒子的運(yùn)動(dòng)估計(jì)的，這個(gè)粒子的最終速度取決包含它的鏈的長(zhǎng)度。4 高液固密度比下的快速流態(tài)化在研究過(guò)程中，在大的液固密度比范圍下，計(jì)算了無(wú)量綱狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)和垂直密度分布。每次計(jì)算的主要參數(shù)都要討論。4.1 擴(kuò)散系數(shù)研究中有必要估計(jì)高液固密度比下的擴(kuò)散系數(shù)。圖2給出了Ar分別為10000，1000和100的無(wú)量綱狀態(tài)下的擴(kuò)

10、散系數(shù)，其中含有Cv的液固密度比函數(shù)作為一個(gè)參量。結(jié)果表明Dm有以下三個(gè)行為特征。第一，Dm隨著Cv的增加而減小，當(dāng)Cv為p/6時(shí)為0.這是因?yàn)樵诿芟嗷旌蠒r(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)空間小。第二，Dm在高液固密度比時(shí)顯著增大，特別是較小的Ar和Cv下。在細(xì)顆粒的稀相懸浮區(qū)，一個(gè)細(xì)顆粒的軌跡對(duì)另一個(gè)顆粒的影響很小，粒子就需要較長(zhǎng)的距離和時(shí)間來(lái)聚集或形成鏈，這就導(dǎo)致了大的Dm。第三，最顯著的特征是當(dāng)液固密度比改變1000倍時(shí)Dm的變化小于10倍。這種情況能夠說(shuō)明任意長(zhǎng)的鏈中粒子運(yùn)動(dòng)都可以用一系列不包括液固密度比的無(wú)量綱方程描述。在實(shí)際狀態(tài)中擴(kuò)散很小，由方程7可得其近似與FSDR2成正比，這是因?yàn)镈m受FSDR的影

11、響很小。4.2 固體濃度分布的預(yù)測(cè)為了描述FSDR的影響，在方程14整合的過(guò)程中一些必要的無(wú)量綱數(shù)如Ar，由方程15定義的快速流態(tài)化率FFR，床料供給率Msolid和上升管頂部的固體濃度都為常數(shù)，這是為了預(yù)測(cè)密度比中的Cv分布結(jié)果，dp預(yù)測(cè)過(guò)程中一直變化。以前的研究的結(jié)果是各種快速流化床的表面氣體速度與長(zhǎng)鏈的最終速度完全相等，這個(gè)長(zhǎng)鏈?zhǔn)怯奢^大的循環(huán)物料組成的?？紤]到這個(gè)結(jié)果，把Msolid值設(shè)為Refluid的0.00003倍，是正常循環(huán)流化床鍋爐的十分之一。在上升管中把Cv設(shè)為0.005來(lái)作為邊界條件，這在普通的流化床鍋爐中很常見(jiàn)。為了更加容易的觀察FSDR對(duì)Cv分布的影響，在研究的時(shí)候設(shè)F

12、FR為0.9，因?yàn)檫@樣可以為Cv提供更長(zhǎng)的上升管距離以達(dá)到它的最后水平，原因是較高的FFR值Cv梯度越低。4.3 無(wú)量綱狀態(tài)固體濃度分布在Ar值分別為10000，1000和100時(shí)來(lái)研究FSDR的影響。在普通鍋爐中，計(jì)算較大的循環(huán)顆粒時(shí)Ar值在300-500之間。圖3給出了在無(wú)量綱狀態(tài)下每一個(gè)Ar值在不同的FSDR下的Cv的分布。當(dāng)FSDR從0.0005到0.5過(guò)程中Cv分布的形狀看起來(lái)影響很小。圖表顯示在相同的z值時(shí)盡管FSDR發(fā)生很大變化但是Cv增加很小。當(dāng)FSDR增大1000倍時(shí)Cv只是增加了3倍，所以認(rèn)為z是影響更大的。結(jié)果可以說(shuō)在FSDR變化很大時(shí)Cv的無(wú)量綱分布幾乎沒(méi)有變化。4.4

13、 實(shí)際狀態(tài)的固體濃度分布圖4是圖3在實(shí)際狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換，其中z根據(jù)方程8變化為L(zhǎng)r。濃度分布隨著FSDR的增加變化很大，在較高的FSDR下，從上升管頂部往下很短的距離Cv就幾乎達(dá)到了最中水平，這就使得在整個(gè)上升管中的均勻流態(tài)化。4.5 試驗(yàn)比較這一部分的目的是用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量比較。壓縮的氣固快速流化床的實(shí)驗(yàn)研究表明在高壓下流化床更加均勻。以前的研究是在壓力從0.1-5.0下做的。結(jié)果給出了快速流化床的相對(duì)高度和底部到頂部的不同壓力（由床高來(lái)劃分），流體和固體的不同密度，固體體積密度（預(yù)測(cè)最小流化狀態(tài)）之間的相關(guān)性。這里在上升管頂部到底部引進(jìn)了壓力低度率的概念，目的是在FSDR變化時(shí)表示均勻性的變化。當(dāng)FSDR從1/495到1/12時(shí)，壓力梯度率從0.011增加到0.14。結(jié)果還表明水/固快速流化床獲得氣/固流態(tài)化在壓力5.0時(shí)相同的壓力分布。兩種系統(tǒng)的密度比分別為1/17 ，1/12，Ar和Fr幾乎是相同的。水/固快速流化床實(shí)驗(yàn)研究也表明流態(tài)化是均勻的。在所有的實(shí)驗(yàn)條件下從頂部到底部壓力都是線性增加的。這個(gè)結(jié)果與本論文的結(jié)論是相同的。4.6 zº¥時(shí)的固體濃度固體濃度在向下方向通常是增加的，當(dāng)濃度在上升管頂部達(dá)到充分低時(shí)方程14中的Re根據(jù)方程2增加。