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快速流化床(Fast fluidized bed,FFB)是一种高效的气固反应和传热传质设备,近年来广泛运用在煤加压气化和燃烧、费-托合成(Fischer-Tropsch synthesis,FTS)、氧化铝焙烧及提升管式流化催化裂化等工业过程。国内外学者对快速流化床的基本理论和气固流动特性进行了一系列研究,但目前对快速流化床介尺度气固流动特性的了解较为不足,针对Geldart B类颗粒在快速流化床内的气固流动特性,特别是颗粒团絮的演化规律掌握不够,使快速流化床设备在方法设计、参数优化等方面存在一定困难。本文基于试验和数值模拟手段,对快速流化床内颗粒团絮规律进行了系统的研究。本文建立了三维可视快速流化床系统(上升管H=3 m,D=0.1 m),系统地研究了快速流化床内气固流动结构随着静止床高(H0/D=0-4)、表观气速(ug=0-5.28m/s)等操作条件和颗粒性质改变的变化过程,揭示了 Geldart B类颗粒在快速流化床内全范围气固流动结构及其转变规律,全面地定义和描述了快速流化床从低速流态化到高速流态化经历的五种气固流动结构。同时,对上升管内颗粒浓度和气固滑移特性等流体动力学特性随操作参数(流化风速和循环通量等)的变化规律进行研究,并建立了这些气固流动特性和操作参数之间的内在关联式。此外,结合图像和压力信号分析,观察并定义了快速流化床内典型的高速气固流动结构并绘制了流动相图,拟合了不同流动结构之间的转变速度,揭示了快速流化床内不同气固流动结构之间的转变规律。在由三维可视快速流化床和高速图像采集系统构成的试验平台上,建立了三维快速流化床上升管颗粒团絮图像采集和处理系统,提出了基于图像二值法的团絮识别及表征方法。识别和定义了快速流化床上升管存在的四种典型颗粒团絮类型,分别描述了这四种颗粒团絮的主要特征(团絮尺寸、速度等)和存在范围,全面地揭示了不同类型颗粒团絮形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。同时,研究了操作条件和颗粒性质对颗粒团絮气固流动特性的影响。采用多相流网格质点(Multiphase Particle-in-Cell,MP-PIC)方法,建立了适用于Geldart B类颗粒的三维快速流化床气固流动的数理模型、模型边界条件和数值求解方法。构建了基于本文试验装置的三维快速流化床全循环物理模型,通过对系统网格尺寸、计算粒子内的颗粒数、曳力模型和颗粒堆积密度等一系列模型参数进行敏感性分析,提出了适用于Geldart B类颗粒在快速流化床数值计算的最优模型和模型参数群,成功实现了 Geldart B类颗粒在快速流化床上升管、两级旋风分离器、下降管和J型返料阀之间全循环流动的数值模拟。基于数值模拟,系统地研究了操作参数(流化风速、返料风量和储料量)对快速流化床内气固流动结构的影响。实现了对三维快速流化床上升管内三种典型颗粒团絮的模拟,并对其演化规律进行了研究。同时,预测了不同长度上升管内颗粒团絮性质(团絮平均浓度、平均速度)的分布规律,进一步揭示了快速流化床内部颗粒团絮的气固流动特性,特别是团絮形成、发展、聚并直至破碎的演化规律。