论文总字数：25842字
摘 要
双流化床装置主要是两级反应器通过阀门等结构动力链接耦合而成，是一种新型的能源利用技术，在节能减排和开发新能源等各方面都有着巨大的潜能，并且已经越来越多的应用于煤炭利用领域。近年来，双循环流化床凭借其运行所需存料量少及可在全高度实现高效气固接触等优点，也越来越多的应用于燃料分级转化和高效利用等各方面。然而，目前工业化应用的双流化床装置多为两床串行，不能有效地实现物料隔离，并且存在气体串混等问题。对称型双流化床气固流动特性的研究有助于较好的解决气体串混问题，实现较高纯度产品气的获得，从而进一步推动双流化床技术的实用化。
本文构建了由两个分别包含上升管、下降管与气动返料阀的循环流化床组成的对称型交互双流化床试验装置，并在此装置上实现了高气速流态化。本文设定的实验条件是背压为0~0.1MPa，气体流量不超过800m3/h，压力测点18个。在以上实验条件下，从气固流动的角度揭示了双流化床一侧为快速流化床时，装置内压力分布、颗粒浓度分布、循环通量等测量参数随各操作参数(存料量、上升管流化风量、返料阀返料风量等)逐渐改变时的变化规律。
关键词：压力分布；循环通量；气固流动；双流化床
Abstract
Dual fluidized bed (DFB) is an emerging method of energy utilization ,which consists of two fluidized bed coupled by connecting structures such as valve or similar devices .It has the potential for various applications at energy saving, emission reduction and development of new energy ,and has been applied in the coal utilization more and more. In recent years, because it needs fewer solids inventory and can realize gas-solid contact efficiently along the whole height of riser, technologies of dual circulating fluidized bed (DCFB) is suitable for various applications including step conversion and efficient utilization of fuels. However, at present, majority of dual fluidized beds applied in industry is serial and can not effectively implement material isolation. It has some problems such as gas mixing. Study on gas-solid flow characteristics in symmetrical circulating fluidized beds will be rather beneficial in solving gas mixing and acquiring gas products with high purity, and will further promote the development of DFB technologies.
In this article, Experimental setup of two circulating fluidized beds with two risers, two downcomers and two fluidized loop seals was established, and operated at high gas velocity situation. The condition of this experiment was set as below: the backing pressure was operated from 0 to 0.1 MPa, the gas flow rate was less than 800m3/h, system pressure are measured online at 18 positions. Under conditions above, the effects of investigated operating parameters(solid inventory, gas flow rate in the riser, gas flow rate in the fluidized loop seals) on pressure distribution, solids concentrations distribution, solids flux and etc were found out as one of beds was operated at fast fluidized situation.
Key words: Pressure distribution; Solids flux; Gas-solid flow; Dual circulating fluidized beds.
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1. 课题的背景及意义 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2国内外的研究现状 2
1.2.1双流化床流动特性的实验研究及应用....................................................................2
1.2.2双流化床流动特性的数值模拟研究........................................................................6
2. 本课题的研究内容 7
第二章 实验系统及实验 8
1. 实验系统 8
2. 实验过程及测量参数 11
2.1 实验过程 11
2.2 实验重要参数 11
2.3物料特性 12
第三章 实验结果及分析 13
1. 床内整体压力分布特性分析 13
2. 试验装置存料量的影响 13
3.对称调节特性 15
3.1上升管流化风...................................................................................................................15
3.1.1通量变化特性..........................................................................................................16
3.1.2床层压降变化特性..................................................................................................19
3.1.3浓度分布特性及变化规律......................................................................................22
3.2返料阀返料风...................................................................................................................25
3.2.1通量变化特性........................................................................................25
3.2.2床层压降变化特性......................................................................................27
3.2.3浓度分布特性及变化规律......................................................................28
3.3松动风...............................................................................................................................30
3.3.1通量变化特性..........................................................................................................30
3.3.2床层压降变化特性......................................................................................32
3.3.3浓度分布特性及变化规律......................................................................................34
4.非对称调节特性.....................................................................................................................36
4.1通量变化特性....................................................................................................36
4.2浓度分布特性及变化规律......................................................................................37
第四章 实验总结 39
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1. 课题的背景及意义
1.1本课题的研究背景
近几十年来，温室气体尤其是二氧化碳迅速增加。据相关报告显示，由二氧化碳引起的温室效应占目前温室效应增加的约三分之二。相对于工业革命之前，大气中二氧化碳体积分数已经增加了30%左右，这其中大部分的增长出现在最近几十年。在工业革命前的上万年中大气中二氧化碳体积分数一直都以几个百分点的幅度变化并一直维持在280×10-6附近[[1]]。二氧化碳浓度升高导致温室效应加剧，全球平均气温的上升对人类的生存产生了很多不利的影响。如冰川融化导致海平面上升，使得沿海都市的安全受到了严重的威胁；流行病、传染病肆虐，传播范围扩大，病毒传播速度加剧；“厄尔尼诺”现象加剧，部分地区升温明显，同时纬度70°～80°的极地区域出现暴风雨天气的次数明显增多；森林火灾频繁发生等等[[2]]。
可见，二氧化碳作为最主要的温室气体，其减排处理问题需要当今全球各个国家的努力与合作。化石燃料的使用对于二氧化碳排放的贡献占到人类总排放量的70～90%，但是在21世纪上半叶全球一次能源的构成主体仍然将是煤、石油和天然气等化石燃料。所以如何控制与减少化石燃料燃烧的温室气体排放就成为了控制与减少二氧化碳排放以实现今后人类可持续发展的主要内容之一。
从减缓和控制全球变暖的现状出发，二氧化碳气体的减排处理显得尤为重要，许多节能减排技术也因此应运而生，特别是在占了二氧化碳总排放量大部分的化石燃料燃烧过程相关的减排技术得到了迅速的发展。近几十年来，由于具有煤炭利用率较高、煤种适应性较广、环境污染小、经济性优等优点[[3]]，流化床技术已经非常成功地用于煤炭领域中。而双流化床(Dual Fluidized Beds, DFBs)实质上是对单流化床的一种发展和创新，它主要是两级反应器通过阀门等结构动力链接耦合而成。除了具备流化床本身的优点之外，通过耦合的双流化床还能够在气化、燃烧、热解等热化学转化过程中实现热化学转化的解耦，从而达到强化或者抑制一些子反应的中间产物与其它子反应互相影响的目的，形成热转化过程中能量和物质的联合产出、区分使用。双流化床技术作为一种新型的能源利用技术，在节能减排和开发新能源等各方面都有着巨大的潜能，目前越来越多的被用于煤和生物质等燃料的分级转化上。双流化床气化技术能将煤炭的燃烧和气化分开，避免了这两个过程各自原来的缺点，从而实现煤炭资源的多级利用。这种能够实现能量的梯级利用的洁净煤技术已经逐渐成为化石燃料节能减排技术的发展方向。如Burugupaili等[[4]]提出的一种双流化床系统，通过将生物质燃料气化生产液态燃料，阐明了运行温度、生物质组成成分、蒸汽量等对煤气化系统性能的影响，该研究可用于优化高温分解的运行工况以及整个液化系统；Hofoaouer等[[5]]人通过建立的双流化床气化冷态实验装置对不同流化态下的上升管表观颗粒浓度的分布情况进行了深入的研究。国内很多研究单位如浙江大学、清华大学、中国科学院山西煤炭化学研究及本单位等也都先后提出了各自的双流化床技术[3]。浙江大学[[6]]开发了一台能够实现热电气联产的双流化床系统，试图解决一些化工厂中煤气、蒸汽等的短缺问题，并且还在其所建立的多联产模型中估算了装置的运行温度、气体产率等参数[[7]]。除此之外，双循环流化床(Dual Circulating Fluidized Beds, DCFBs )因其相比传统低气速流化状态的双流化床（例如循环流化床耦合鼓泡流化床、鼓泡流化床耦合鼓泡流化床）具有运行所需存料量少及可在全高度实现高效气固接触等优点，也越来越多的应用于燃料的分级转化和高效利用等各方面，特别在气化和化学链燃烧（Chemical Loop Combustion, CLC）技术上。化学链燃烧技术是国际公认的具有重要应用前景的二氧化碳减排技术之一。化学链燃烧中燃料不直接与空气接触燃烧，而以载氧体在两个反应器之间的循环交替反应来实现燃烧过程。在空气反应器中利用载氧体分离空气中的氧，然后在燃料反应器中由载氧体将空气中的氧传递到燃料中进行燃料的燃烧。由于燃烧过程中，燃料与空气没有直接接触，燃烧产物只有二氧化碳和水蒸气，利用简单易行的冷却方法就可以分离出二氧化碳，从而实现二氧化碳的富集，因此是一种清洁的燃烧方式[[8]]。
如前所述，目前对双流化床装置内气固流动特性的研究大多是基于串行床而言的，不能有效地实现物料隔离。相比于串行床，对称型双流化床能够较好的解决气体串混的问题，实现较高纯度产品气的获得，在工业化应用上有良好前景。但其物理结构、流动机理相对复杂，反应器间物质与能量交换控制相对困难使得高温运行的稳定性不易实现。故目前对对称型双流化床在高气速流态化状态下的耦合控制规律的认识尚不能完全满足应用要求。
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