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循环流化床化学链燃烧装置主要由氧化反应器和还原反应器组成,通常两个反应器处于不同的流态化域,这种多流态的耦合使化学链燃烧反应器内复杂气固流动特性的研究更具有挑战性。本论文在建立循环流化床化学链燃烧反应器气固两相流动模型的基础上,考察了反应器内气固两相流动特性和反应器之间的气体漏失特征,旨在为循环流化床化学链燃烧装置的开发和设计提供理论指导和基础数据。
通过对曳力模型和颗粒动理学模型参数的研究表明,曳力模型是影响气固流体动力学特性的主要因素,将Gidaspow、Syamlal&O’Brien和EMMS三个曳力模型的模拟结果与文献报道的实验值进行对比发现,三者对还原反应器的预测均吻合较好,而对于氧化反应器,Gidaspow和Syamlal&O’Brien模型则展示了比EMMS模型更好的预报能力;颗粒碰撞回归系数、颗粒最大堆积比和摩擦黏度等颗粒动理学参数对氧化和还原反应器内床层压降的影响可以忽略,而对还原反应器内固含率的径向分布影响相对较大,通过与理论预测值的对比,选择了颗粒碰撞回归系数为0.95、颗粒最大堆积比为0.6以及Schaeffer模型计算颗粒摩擦黏度。
模拟结果表明循环流化床化学链燃烧系统呈现明显的多流态特征。氧化反应器沿轴向分为底部密相、中部过渡和上部稀相的三个区域,固含率沿径向呈现中心区域较低而边壁处较高的特征,颗粒速度在底部以向上运动为主、中上部呈中心区域向上、边壁向下的流动特性,属于湍动流态化域;还原反应器内固含率沿轴向没有明显的分区特征,沿径向不均匀分布程度较大,在保持氧化反应器操作条件不变时,还原反应器内颗粒速度呈现中心向上、边壁向下的循环特征,为鼓泡流态化域。
循环流化床化学链燃烧系统的耦合性主要体现在氧化反应器操作条件对还原反应器内气固流体动力学特性的影响。增大氧化反应器表观气速时,还原反应器内固含率增大,颗粒速度的径向不均匀性随之增强,而氧化反应器床层底部的固含率随着氧化反应器表观气速的增大而减小、中上部的固含率随之变大;增大还原反应器表观气速时,还原反应器内床层会因气速增大而发生膨胀,固含率明显降低,而对氧化反应器内颗粒速度和固含率影响较小。由此可知,在一定操作范围内,增大氧化反应器表观气速有利于提高系统效率和燃料转化率,而增大还原反应器表观气速则使燃料转化率降低。
溢流装置丰要起到防止反应器之间发生气体漏失的作用,改变溢流装置的气速对氧化反应器和还原反应器内颗粒速度和固含率的分布影响很小。对反应器之间气体漏失规律的研究表明,溢流装置与还原反应器之间的气体漏失量随着氧化反应器和还原反应器表观气速的增大而减小,而随着溢流装置表观气速的增大而增大;增加反应器内颗粒的总藏量和减小颗粒粒径均有利于减小气体漏失。