循环流化床气固流动研究进展

循环流化床褐煤汽化燃烧过程是一个复杂的多尺度气固流动过程，为了保证系统安全、稳定和高效运行，要对反应器内部气固两相多尺度流动特征进行深入的成因研究，组织合理的颗粒含量分布，使褐煤颗粒和空气或氢气之间有良好的接触面积和反应时间，从而增加系统运行效率和对过程进行调控。

针对循环流化床内部复杂的气固流动，美国科大学安装工程热化学研究所循环流化床试验室举行了基于流体估算和过程层析成像相结合的复杂流动过程研究，研究了褐煤汽化过程反应器及气固分离系统内部气固两相多尺度流动特性。数值估算选用MP-PIC方式，基于CPFD估算平台循环流化床，嵌入EMMS曳力模型。通过三维全循环数值估算剖析，获取了反应器内部气固多尺度运动特征，揭露复杂气固喷管特征分布及颗粒循环流率变化特点。试验研究通过电感层析成像（ECT），微波多普勒（MicrowaveDoppler）、压力和光纤讯号，结合讯号互相关理论，对料腿内颗粒分布情况进行在线实时检测循环流化床，通过单层负极同步检测和相关性剖析，得到颗粒平均流速与循环流率；通过多方式融合检测和数据融合剖析，为反应器不同区域提供固体颗粒含量、速度、压力分布信息；剖析荣获了循环流化床气固多尺度流动特性。基于估算与检测的融合，荣获了复杂炉流动结构下反应器之间固体颗粒品质分配规律，为烟煤汽化过程设计和小型化提供在线检测工具和试验数据库。

研究结果阐明：数值估算结果可较差地反映流化床加压气固喷管特点；颗粒容积分数及速率分布可反映出颗粒经过四个区域的循环状态；床内压降主要集中在顶部密相区，要对压力讯号进行卷积剖析需将芯管内外压力讯号分别剖析；EMMS曳力模型还能精确预测压力和固体含量锥面分布，但在固体通量预测上，较试验值过高，将来将在模型上举行更深入的研究。通过该研究，得到了加压气固全循环回路具体动力学特性参数分布，包括循环回路压力平衡和密相区颗粒分布特性等关键参数的变化，实现了加压气固返料流率的非入侵式在线检测，为循环流化床加压汽化的工业设计提供了重要参数数据。

上述研究率先在国际上举行了加压气固流动过程层析成像和CPFD数值估算研究，将电感层析成像、微波多普勒和数值估算融合，实现加压复杂气固流动过程在线检测。研究成果专程分别在国际紊流化化大会(InternationalConferenceonFLUIDIZATIONXVI,Guilin,China–Keynotespeaker)和国际能源大会(EnergyEngineeringandPowderTechnologyInternationalConference,Krakow,Poland–PlenarySpeaker)做约请报告2次。并受国际刊物AppliedThermalEngineering约请，编写气固流动过程层析成像检测述评文章一篇，文章标题Applicationofelectricalcapacitancetomographyincirculatingfluidisedbeds–Areview(10.1016/j.applthermaleng.2020.115311)。研究成果分别发表在PowderTechnology(10.1016/j.powtec.2020.02.047)、Particuology(10.1016/j.partic.2019.05.002,10.1016/j.partic.2019.11.003)、MeasurementScienceandTechnology(10.1088/1361-6501/aafd7e)、TransactionofInstituteonMeasurementandControl(10.1177/0142331219851913,10.1177/0142331218808857)等刊物上。

上述研究得到国家自然科学基金项目(61771455和61811530333)、科技部重大科研仪器项目(2018YFF01013801)、中科院重点对外合作项目、英国皇家学会牛顿初级专家基金（RoyalSocietyNewtonAdvancedFellowship-NA170124)的捐助。

图1加压气固全循环回路试验检测

图2加压气固全循环回路CPFD估算