【摘 要】
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煤炭是我国的主体能源,对我国经济发展作出了巨大贡献,在“双碳”背景下,开展煤炭高效清洁利用是推进煤炭行业绿色发展的关键举措。我国褐煤资源储量丰富,但褐煤含有大量的水分,使褐煤的利用受到很大限制,因而褐煤干燥成为褐煤提质的重要环节。振动流化床干燥技术因其气固接触效率高,并能有效克服沟流、死区、局部过热以及湿颗粒聚团等弊端而被广泛应用。目前研究表明,褐煤流化床属于湿颗粒系统,颗粒填隙液体的存在使得颗粒
【基金项目】
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国家自然科学基金委联合基金项目“煤粮流态化加工热质传递调控研究”（项目号:U20A20304）；
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煤炭是我国的主体能源,对我国经济发展作出了巨大贡献,在“双碳”背景下,开展煤炭高效清洁利用是推进煤炭行业绿色发展的关键举措。我国褐煤资源储量丰富,但褐煤含有大量的水分,使褐煤的利用受到很大限制,因而褐煤干燥成为褐煤提质的重要环节。振动流化床干燥技术因其气固接触效率高,并能有效克服沟流、死区、局部过热以及湿颗粒聚团等弊端而被广泛应用。目前研究表明,褐煤流化床属于湿颗粒系统,颗粒填隙液体的存在使得颗粒间形成具有一定体积的液桥,它对颗粒在振动流化床中的流动特性和颗粒间碰撞特性会产生不可忽略的影响,进而影响床层流化质量和传热传质特性。鉴于此,本课题探究不同操作参数对湿颗粒振动流化床气固流动特性以及传热特性的影响规律,进而研究了操作参数对褐煤在振动流化床中干燥特性的影响。本文的主要研究工作如下所示:一、基于CFD-DEM耦合数值模拟、高速动态摄像和石英冲击力传感器测量综合分析,开展了湿颗粒振动流化床气固流动特性研究。通过高速动态摄像系统与数值模拟相结合,探究了振动能量的引入对湿颗粒流化行为的影响,分析了床层高度波动以及颗粒床层体积分数变化规律;探究了湿颗粒床层的碰撞特性,分析了床层颗粒轴向速度、碰撞次数以及颗粒碰撞强度变化规律。研究结果表明:振动能量的引入显著地减小了湿颗粒床层的最小流化气速Umf,改善了湿颗粒床层的流化质量;在气速U=1.4 Umf,振动频率f=25 Hz,振幅A=2 mm条件下床层流化状态稳定,颗粒体积分数分布均匀,而过大的振动参数以及气速,会产生较大尺寸节涌,导致床层波动加剧,湿颗粒床层气固流动结构不均匀性加剧;颗粒轴向平均速度波动范围随着A及f的增加而增加,颗粒速度变化呈现出与振动频率相同的正弦波动规律;颗粒平均碰撞次数随着A增大先减小后增大,随着f增大先减小后增大;通过对石英冲击力传感器信号的统计分析,湿颗粒的平均碰撞力Fm沿着床高逐渐衰减,且整体上随着f和A的增大而增大。二、开展了热态条件下湿颗粒振动流化床传热特性的CFD-DEM耦合数值模拟研究,对比了有、无振动能量引入对湿颗粒床层传热特性的影响,研究了振动频率f、振幅A、气速U和气流温度T对颗粒床层传热特性的影响规律。研究结果表明:无振时床层上部出现明显的颗粒聚团,振动能量的引入有效破坏了颗粒聚团,增强了湿颗粒床层的气固接触和固固接触,颗粒床层平均温度的升高速率相较于无振条件有显著提升,在5 s内颗粒平均温度提升了0.72%。颗粒平均温度随着床层高度的增加而不断减小。颗粒平均温度随着A增大而升高,随着f增大先升高后降低。随着气流温度T增加,颗粒床层平均温度逐渐升高,平均温差沿着床高逐渐减小,由床高为10 mm时的29.98 K降至床高为70 mm时的2.44 K。随着A增加,颗粒床层努塞尔数分布更加均匀,颗粒床层对流传热效率提高;颗粒床层的努赛尔数分布随着振动呈现出频率相同的周期性变化;颗粒床层努赛尔数随着U增大而增大,气速U增大提高了热量输入和气固接触效率,颗粒床层对流传热效率提升。三、开展了褐煤在振动流化床内的干燥特性研究。研究了包括气速U、振幅A、振动频率f和气流温度T对褐煤干燥特性的影响规律,并结合湿颗粒振动流化床流化和碰撞特性对干燥曲线以及干燥速率曲线进行分析。研究结果表明:振动能量的引入使得褐煤干燥速率相较于无振动条件得到显著提升,褐煤平均温度的升高速度相较于无振条件时更快;褐煤干燥速率随着气流速度U和温度T的增大而增大,这是因为U增大使得蒸发的水分能够被快速带出气固界面,加快了褐煤水分从内部向表面扩散,T增大使得气固界面的温度梯度差增大,对流传热系数增大,因而褐煤干燥速率提高;褐煤干燥速率随着f和A的增大而增大,根据前面数值模拟研究可知振动强度增大强化了颗粒碰撞行为,增强了气固界面湍流掺混,进而提高了对流热质传递效率和干燥速率。本论文有图74幅,表7个,参考文献115篇。
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