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基本功能是在劇烈混合時，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。因此在設計快速流態(tài)化的發(fā)生器時要估計固體濃度分布。盡管流體和固體之間的壓力或密度比對粒子分布的影響是通過實驗獲得的，但是在理論上是不能完全理解的。然而一些已經(jīng)運行的機組在設計的時候并沒有被基本實驗驗證。本論文的目的是應用增長鏈式模型闡明流體/固體密度比對徑向濃度分布的影響。結果表明從上升管頂部到固體濃度達到穩(wěn)定時那點的距離隨著流體/固體密度比增加而減小，因此使得床在豎直方向更加均勻。最后的濃度是獨立的。這些結果于其他研究者做的一些實驗是相符合的。1

2、引言快速高壓流化床技術在各種工業(yè)領域都發(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備。盡管流化床的基本理論已經(jīng)憑經(jīng)驗完成了，但是有必要繼續(xù)分析研究來提高設備的性能。另外，對于高壓氣固系統(tǒng)的流態(tài)化，科學理論預測，流體對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)實驗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，壓力分布不會隨著空氣，水等流體介質變化而變化，只要Fr. Ar，粒子存儲量和流體固體密度比都保持不變。3，當流體固體密度比為0.4時，水和固體快速流態(tài)化的時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為FSDR，高流體固體密度比時，實驗所得的固體濃度均勻性還沒有在理論上證明。至于本論文作者知道，在高流體固體密度比時快速流態(tài)化的性能達到0.5，這還沒有理論上的研究。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，在無量綱狀態(tài)下使用增長鏈式模型研究固體密度分布，來觀察流體固體密度比對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)下來研究顆粒的垂直擴散，這種擴散決定了固體濃度的垂直分布。因此固體濃度分布被認為是得到實際快速流態(tài)化現(xiàn)象的真正表達。2 鏈式增長模型盡管本論文的一個作者在其以前的論文中提出了鏈式增長模型，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，因為任何的擾動都會打破粒子的力平衡，甚至在很好分配的固體懸浮區(qū)也是如此。當固體濃度很大時，上下相鄰的兩個粒子之間的距離伴流的長度還小，距離減小一點都會影響流體對

5、上部粒子的應力。所以上部的粒子就會落到下面的粒子上，這就形成了由兩個粒子組成的最短的鏈。這個鏈就繼續(xù)落到下面的粒子上。隨著粒子的數(shù)量增加，鏈相對于流體的速度也增加，直到流體對粒子的拉力總和達到它們的重力，重力是小于鏈的彈力的。然后只要進一步受到干擾，這個鏈就會破裂成小的1.碎片。這個粒子鏈形成和破裂的過程是在快速流態(tài)化任意時刻任意時間隨意發(fā)生的。鏈的重力和流體對鏈的應力之間的平衡決定了鏈和流體之間的相對速度，形成了鏈中粒子數(shù)的函數(shù)。每一個粒子都有它最終的速度，一個無限長鏈也有穩(wěn)定的下降速度，比單個粒子的大好幾倍。所以，每個組成粒子相對于流體的速度在它最后速度和無限長鏈的下降速度之間。因為在流態(tài)

6、化過程中形成長短不同的鏈，結果每個粒子的速度每時每刻都在變化，它們的垂直位置也在改變。這個運動在垂直方向發(fā)生擴散，由于粒子可能有多種速度，使得粒子在發(fā)生垂直擴散，這是快速流態(tài)化的顯著特征。在接下來的討論中，認為流體結構是精細的均勻。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個鏈的第j個粒子的最終速度，ufluid是橫截面上的自由空間時流體速度，為方程1右邊第二個括號給出了第i個粒子的速度，它在一個坐標上運動的速度是圖1給出了增長鏈中上部粒子的位置，這是在有幾個小圓柱的移動坐標上觀察的。鏈中的粒子的相對速度隨著粒子的增多而減小，最后當數(shù)量非常大時粒子的速度會接近零。在

7、這里我們假設鏈的擴散和運動與網(wǎng)格狀態(tài)下相似，盡管在數(shù)學上不是，粒子的細小擴散與微觀到精細尺度的擴散相似。我們建議用擴散方程類似的方程來預測細小的固體濃度和估計鏈運動中的擴散系數(shù)。我們猜想垂直的擴散與鏈增長過程中破裂時上部的粒子移動的距離的最大值相等，這個比率的趨勢在圖1中用實線表示。估計的擴散系數(shù)與大氣下快速流態(tài)化的實驗結果完全符合：1，Avidan and Yarushalmi研究了當固體速率達到140kgm-2s-1時，有效離散系數(shù)與氣體表面速度從1到6ms-1時兩者之間的關系。測量的數(shù)據(jù)與預測的很吻合，預測時假定固體濃度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通過實驗研究了擴散系數(shù)和粒子速度的關系?？雌饋磉@個結果與擴散系數(shù)與長鏈的最終速度減去單個粒子最終速度(ut-u1)的關系定性定量都符合。3 粒子擴散方程在研究中有必要建立一個方程來預測固體濃度的垂直分布?；镜囊痪S擴散方程為其中U是一個單位容積內(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右邊第二項表明粒子的位置排列變化與粒子擴散相對于。所以假定這項可以表示為方程12乘以粒子的體積，并用方程13代替第二項，即其中，流體是向上流動的，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設為Re-Ret，則方程11和方程14是彼此相符合的。通過分析方程12的結構并對比方程11和14，顯然方程11中中的整合常數(shù)就是粒子流動速率。考慮到擴散項，認為必須要用圖1中估計的擴散系數(shù)，因為擴散系數(shù)是從粒子的運動估計的，這個粒子的最終速度取決包含它的鏈的長度。4 高液固密度比下的快速流態(tài)化在研究過程中，在大的液固密度比范圍下，計算了無量綱狀態(tài)和實際狀態(tài)下的擴散系數(shù)和垂直密度分布。每次計算的主要參數(shù)都要討論。4.1 擴散系數(shù)研究中有必要估計高液固密度比下的擴散系數(shù)。圖2給出了Ar分別為10000，1000和100的無量綱狀態(tài)下的擴

10、散系數(shù)，其中含有Cv的液固密度比函數(shù)作為一個參量。結果表明Dm有以下三個行為特征。第一，Dm隨著Cv的增加而減小，當Cv為p/6時為0.這是因為在密相混合時粒子的運動空間小。第二，Dm在高液固密度比時顯著增大，特別是較小的Ar和Cv下。在細顆粒的稀相懸浮區(qū)，一個細顆粒的軌跡對另一個顆粒的影響很小，粒子就需要較長的距離和時間來聚集或形成鏈，這就導致了大的Dm。第三，最顯著的特征是當液固密度比改變1000倍時Dm的變化小于10倍。這種情況能夠說明任意長的鏈中粒子運動都可以用一系列不包括液固密度比的無量綱方程描述。在實際狀態(tài)中擴散很小，由方程7可得其近似與FSDR2成正比，這是因為Dm受FSDR的影

11、響很小。4.2 固體濃度分布的預測為了描述FSDR的影響，在方程14整合的過程中一些必要的無量綱數(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)，這是為了預測密度比中的Cv分布結果，dp預測過程中一直變化。以前的研究的結果是各種快速流化床的表面氣體速度與長鏈的最終速度完全相等，這個長鏈是由較大的循環(huán)物料組成的?？紤]到這個結果，把Msolid值設為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設為0.005來作為邊界條件，這在普通的流化床鍋爐中很常見。為了更加容易的觀察FSDR對Cv分布的影響，在研究的時候設F

12、FR為0.9，因為這樣可以為Cv提供更長的上升管距離以達到它的最后水平，原因是較高的FFR值Cv梯度越低。4.3 無量綱狀態(tài)固體濃度分布在Ar值分別為10000，1000和100時來研究FSDR的影響。在普通鍋爐中，計算較大的循環(huán)顆粒時Ar值在300-500之間。圖3給出了在無量綱狀態(tài)下每一個Ar值在不同的FSDR下的Cv的分布。當FSDR從0.0005到0.5過程中Cv分布的形狀看起來影響很小。圖表顯示在相同的z值時盡管FSDR發(fā)生很大變化但是Cv增加很小。當FSDR增大1000倍時Cv只是增加了3倍，所以認為z是影響更大的。結果可以說在FSDR變化很大時Cv的無量綱分布幾乎沒有變化。4.4

13、 實際狀態(tài)的固體濃度分布圖4是圖3在實際狀態(tài)下的轉換，其中z根據(jù)方程8變化為Lr。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就幾乎達到了最中水平，這就使得在整個上升管中的均勻流態(tài)化。4.5 試驗比較這一部分的目的是用實驗結果進行質量比較。壓縮的氣固快速流化床的實驗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。結果給出了快速流化床的相對高度和底部到頂部的不同壓力（由床高來劃分），流體和固體的不同密度，固體體積密度（預測最小流化狀態(tài)）之間的相關性。這里在上升管頂部到底部引進了壓力低度率的概念，目的是在FSDR變化時表示均勻性的變化。當FSDR從1/495到1/12時，壓力梯度率從0.011增加到0.14。結果還表明水/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/固快速流化床實驗研究也表明流態(tài)化是均勻的。在所有的實驗條件下從頂部到底部壓力都是線性增加的。這個結果與本論文的結論是相同的。4.6 zº¥時的固體濃度固體濃度在向下方向通常是增加的，當濃度在上升管頂部達到充分低時方程14中的Re根據(jù)方程2增加。