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快速循环流化床(CFB)以混合、传递性能优良及生产能力大的特点广泛地应用于化工、能源等领域,而加压大型化是CFB反应器发展的必经之路。加压下床内的气固流体力学性质对反应器内的传热、传质、混合过程影响巨大,进而决定着反应器的整体反应性能。颗粒聚团是CFB床内气固流动的最典型特征,作为主要的局部流动结构,其决定着CFB整体流动结构特征。因此,压力下颗粒聚团动力学特性的研究对于快速循环流化床的设计、运行、优化及放大具有重要意义。 本文采用计算流体力学(CFD)方法模拟了快速循环流化床内气固流动性质的变化规律,并重点研究了加压下颗粒聚团的动力学特性。首先以二维多段分级转化流化床提升管为研究对象,考查了整体流动结构,如颗粒浓度、颗粒轴向速度的空间分布特征及操作条件影响。随后基于局部颗粒浓度时间序列信号的阈值方法识别了颗粒团聚物,并据此研究了团聚物时空特性的空间分布特征及操作条件对其的影响规律。同时,根据颗粒浓度云图对加压下的颗粒聚团进行捕捉,将其分类,并观察研究了其发展演化的动态过程。最后,通过更贴近实际的三维模型,将识别聚团的浓度阈值与径向位置关联,并对其选取设置进行了优化,据此重点研究了加压下平板提升管内颗粒聚团的动力学性质。主要结论如下: (1)二维多段床提升管内整体流动结构特性:颗粒浓度在轴向上呈现典型的“上稀下浓”分布,在径向上则为中心低、边壁高的环核结构;增大固体循环量、降低表观气速或操作压力,提升管内整体颗粒浓度增大。在轴向上颗粒经历快速加速段和稳定发展段两段,在径向上颗粒轴向速度则呈现中心高、边壁低甚至向下运动的环核流动结构;增加固体循环量或提高表观气速,颗粒轴向速度整体上增大。 (2)二维多段床提升管内局部流动结构特性:通过设定合理的浓度阈值从局部颗粒浓度时间序列信号中识别颗粒聚团,并统计其相应的时空特性,研究其分布特征及变化规律,结果表明:聚团内部浓度与当地时均颗粒浓度具有强烈的正相关性,其分布及变化规律与颗粒浓度一致;在提升管中心区,聚团持续时间和时间分率较低,而在近壁区相反;表观气速的增大或固体循环量的减小会使聚团的持续时间和时间分率降低。此外,聚团的出现频率在径向上呈现中心高、边壁低的特征;增大表观气速或降低操作压力,团聚物出现频率提高。 加压下提升管内的颗粒团聚物形态各异,主要可分为小颗粒团(或颗粒微团)、致密型颗粒聚团、贴壁带状颗粒聚团、松散型颗粒团、U型颗粒团等。且颗粒聚团具有极强的瞬变性,其发展演化过程也极为复杂。 (3)加压三维平板提升管内气固流动特性:表观气速不变时,加压后提升管内的颗粒浓度整体减小,稀相区的颗粒浓度随床高的变化幅度减小甚至消失;加压下颗粒轴向速度的径向分布变得更为均匀,且截面平均颗粒速度增大。加压可以获得更加“平稳”的流态化。将聚团判定法中的浓度阈值参数与径向位置关联起来,对其选取进行优化。结果表明:团聚物内部浓度与当地时均颗粒浓度仍呈强烈正相关,其随压力的升高而减小;相对于中心区,边壁区更有利于聚团的存在和稳定,因此其持续时间和时间分率较高,出现频率较低;加压下高密度气体形成了一个更有利于聚团存在和持续的“平稳”流化环境,团聚物持续时间变长,出现频率降低。