不同固液密度比率的循环流化床的固体浓度分布的模拟

1、不同固/液密度比率的循环流化床的固体浓度分布的模拟摘要流化床的一个基本功能是在剧烈混合时，粒子成为密集悬浮状态，发生器的性能主要是由粒子浓度决定。因此在设计快速流态化的发生器时要估计固体浓度分布。尽管流体和固体之间的压力或密度比对粒子分布的影响是通过实验获得的，但是在理论上是不能完全理解的。然而一些已经运行的机组在设计的时候并没有被基本实验验证。本论文的目的是应用增长链式模型阐明流体/固体密度比对径向浓度分布的影响。结果表明从上升管顶部到固体浓度达到稳定时那点的距离随着流体/固体密度比增加而减小，因此使得床在竖直方向更加均匀。最后的浓度是独立的。这些结果于其他研究者做的一些实验是相符合的。1

2、引言快速高压流化床技术在各种工业领域都发挥了很大作用，如在电力行业中，综合煤或生物质气化联合循环能够节省化石能量资源和减少二氧化碳的排放。对于燃烧室，气体发生器，卤素捕手，循环流化床是最有希望的设备。尽管流化床的基本理论已经凭经验完成了，但是有必要继续分析研究来提高设备的性能。另外，对于高压气固系统的流态化，科学理论预测，流体对床料的密度比有一定的范围，0.010.1.循环流化床的流态化属于快速流态化状态。根据实验流化床能够使得空气压力从0.1到5.0Mpa，a water #uidized bed by Wirth and Gruber (1996) and Kuramoto, Tsutsu

3、mi, Yoshida and Chiba (1997) that沿着上升管高度固体密度分布在高压下更加均匀，就是在高压空气与固体密度比。2，压力分布不会随着空气，水等流体介质变化而变化，只要Fr. Ar，粒子存储量和流体固体密度比都保持不变。3，当流体固体密度比为0.4时，水和固体快速流态化的时候固体密度分布就非常均匀。此后，流体固体密度比可以略写为FSDR，高流体固体密度比时，实验所得的固体浓度均匀性还没有在理论上证明。至于本论文作者知道，在高流体固体密度比时快速流态化的性能达到0.5，这还没有理论上的研究。本文的主要目的是在理论上研究在快速流化床中高密度比情况下，固体密度分布为什么及怎样

4、趋向均匀。首先，在无量纲状态下使用增长链式模型研究固体密度分布，来观察流体固体密度比对快速流化床的特殊影响。在密度比0.0005-0.5，Ar分别为100，1000和10000的状态下来研究颗粒的垂直扩散，这种扩散决定了固体浓度的垂直分布。因此固体浓度分布被认为是得到实际快速流态化现象的真正表达。2 链式增长模型尽管本论文的一个作者在其以前的论文中提出了链式增长模型，但是为了便于讨论需要概括一下。在快速流态化的重力区粒子不可能均匀分配，因为任何的扰动都会打破粒子的力平衡，甚至在很好分配的固体悬浮区也是如此。当固体浓度很大时，上下相邻的两个粒子之间的距离伴流的长度还小，距离减小一点都会影响流体对

5、上部粒子的应力。所以上部的粒子就会落到下面的粒子上，这就形成了由两个粒子组成的最短的链。这个链就继续落到下面的粒子上。随着粒子的数量增加，链相对于流体的速度也增加，直到流体对粒子的拉力总和达到它们的重力，重力是小于链的弹力的。然后只要进一步受到干扰，这个链就会破裂成小的1.碎片。这个粒子链形成和破裂的过程是在快速流态化任意时刻任意时间随意发生的。链的重力和流体对链的应力之间的平衡决定了链和流体之间的相对速度，形成了链中粒子数的函数。每一个粒子都有它最终的速度，一个无限长链也有稳定的下降速度，比单个粒子的大好几倍。所以，每个组成粒子相对于流体的速度在它最后速度和无限长链的下降速度之间。因为在流态

6、化过程中形成长短不同的链，结果每个粒子的速度每时每刻都在变化，它们的垂直位置也在改变。这个运动在垂直方向发生扩散，由于粒子可能有多种速度，使得粒子在发生垂直扩散，这是快速流态化的显著特征。在接下来的讨论中，认为流体结构是精细的均匀。链中的任意粒子的速度是流体速度减去它的最终速度其中ut(i(j)是第i个链的第j个粒子的最终速度，ufluid是横截面上的自由空间时流体速度，为方程1右边第二个括号给出了第i个粒子的速度，它在一个坐标上运动的速度是图1给出了增长链中上部粒子的位置，这是在有几个小圆柱的移动坐标上观察的。链中的粒子的相对速度随着粒子的增多而减小，最后当数量非常大时粒子的速度会接近零。在

7、这里我们假设链的扩散和运动与网格状态下相似，尽管在数学上不是，粒子的细小扩散与微观到精细尺度的扩散相似。我们建议用扩散方程类似的方程来预测细小的固体浓度和估计链运动中的扩散系数。我们猜想垂直的扩散与链增长过程中破裂时上部的粒子移动的距离的最大值相等，这个比率的趋势在图1中用实线表示。估计的扩散系数与大气下快速流态化的实验结果完全符合：1，Avidan and Yarushalmi研究了当固体速率达到140kgm-2s-1时，有效离散系数与气体表面速度从1到6ms-1时两者之间的关系。测量的数据与预测的很吻合，预测时假定固体浓度0.0001-0.01，固体率5.8-108，固体浓度0.1，固体率

8、140.2. Hirama, Geldart and Rhodes通过实验研究了扩散系数和粒子速度的关系。看起来这个结果与扩散系数与长链的最终速度减去单个粒子最终速度(ut-u1)的关系定性定量都符合。3 粒子扩散方程在研究中有必要建立一个方程来预测固体浓度的垂直分布。基本的一维扩散方程为其中U是一个单位容积内所以粒子的代表速度，定义以下变量和常数方程4又可以表示为对于稳定状态即为另一方面，单位容积中所以粒子速度总和为方程12右边第二项表明粒子的位置排列变化与粒子扩散相对于。所以假定这项可以表示为方程12乘以粒子的体积，并用方程13代替第二项，即其中，流体是向上流动的，一般情况是向下的，这是因

9、为在流化床的上部为了一体化，就很容易给出边界条件。如果方程11设为Re-Ret，则方程11和方程14是彼此相符合的。通过分析方程12的结构并对比方程11和14，显然方程11中中的整合常数就是粒子流动速率。考虑到扩散项，认为必须要用图1中估计的扩散系数，因为扩散系数是从粒子的运动估计的，这个粒子的最终速度取决包含它的链的长度。4 高液固密度比下的快速流态化在研究过程中，在大的液固密度比范围下，计算了无量纲状态和实际状态下的扩散系数和垂直密度分布。每次计算的主要参数都要讨论。4.1 扩散系数研究中有必要估计高液固密度比下的扩散系数。图2给出了Ar分别为10000，1000和100的无量纲状态下的扩

10、散系数，其中含有Cv的液固密度比函数作为一个参量。结果表明Dm有以下三个行为特征。第一，Dm随着Cv的增加而减小，当Cv为p/6时为0.这是因为在密相混合时粒子的运动空间小。第二，Dm在高液固密度比时显著增大，特别是较小的Ar和Cv下。在细颗粒的稀相悬浮区，一个细颗粒的轨迹对另一个颗粒的影响很小，粒子就需要较长的距离和时间来聚集或形成链，这就导致了大的Dm。第三，最显著的特征是当液固密度比改变1000倍时Dm的变化小于10倍。这种情况能够说明任意长的链中粒子运动都可以用一系列不包括液固密度比的无量纲方程描述。在实际状态中扩散很小，由方程7可得其近似与FSDR2成正比，这是因为Dm受FSDR的影

11、响很小。4.2 固体浓度分布的预测为了描述FSDR的影响，在方程14整合的过程中一些必要的无量纲数如Ar，由方程15定义的快速流态化率FFR，床料供给率Msolid和上升管顶部的固体浓度都为常数，这是为了预测密度比中的Cv分布结果，dp预测过程中一直变化。以前的研究的结果是各种快速流化床的表面气体速度与长链的最终速度完全相等，这个长链是由较大的循环物料组成的。考虑到这个结果，把Msolid值设为Refluid的0.00003倍，是正常循环流化床锅炉的十分之一。在上升管中把Cv设为0.005来作为边界条件，这在普通的流化床锅炉中很常见。为了更加容易的观察FSDR对Cv分布的影响，在研究的时候设F

12、FR为0.9，因为这样可以为Cv提供更长的上升管距离以达到它的最后水平，原因是较高的FFR值Cv梯度越低。4.3 无量纲状态固体浓度分布在Ar值分别为10000，1000和100时来研究FSDR的影响。在普通锅炉中，计算较大的循环颗粒时Ar值在300-500之间。图3给出了在无量纲状态下每一个Ar值在不同的FSDR下的Cv的分布。当FSDR从0.0005到0.5过程中Cv分布的形状看起来影响很小。图表显示在相同的z值时尽管FSDR发生很大变化但是Cv增加很小。当FSDR增大1000倍时Cv只是增加了3倍，所以认为z是影响更大的。结果可以说在FSDR变化很大时Cv的无量纲分布几乎没有变化。4.4

13、 实际状态的固体浓度分布图4是图3在实际状态下的转换，其中z根据方程8变化为Lr。浓度分布随着FSDR的增加变化很大，在较高的FSDR下，从上升管顶部往下很短的距离Cv就几乎达到了最中水平，这就使得在整个上升管中的均匀流态化。4.5 试验比较这一部分的目的是用实验结果进行质量比较。压缩的气固快速流化床的实验研究表明在高压下流化床更加均匀。以前的研究是在压力从0.1-5.0下做的。结果给出了快速流化床的相对高度和底部到顶部的不同压力（由床高来划分），流体和固体的不同密度，固体体积密度（预测最小流化状态）之间的相关性。这里在上升管顶部到底部引进了压力低度率的概念，目的是在FSDR变化时表示均匀性的变化。当FSDR从1/495到1/12时，压力梯度率从0.011增加到0.14。结果还表明水/固快速流化床获得气/固流态化在压力5.0时相同的压力分布。两种系统的密度比分别为1/17 ，1/12，Ar和Fr几乎是相同的。水/固快速流化床实验研究也表明流态化是均匀的。在所有的实验条件下从顶部到底部压力都是线性增加的。这个结果与本论文的结论是相同的。4.6 zº¥时的固体浓度固体浓度在向下方向通常是增加的，当浓度在上升管顶部达到充分低时方程14中的Re根据方程2增加。