基于掺杂气泡强化界面不稳定性的高粘度水煤浆雾化机理研究

Atomization performance of coal water slurry is the key of entrained flow gasification process. The increase of coal water slurry concentration can improve the gasification efficiency significantly. However, the increase of coal water slurry concentration can also increase the viscosity of coal water slurry, which would lead to the deterioration of atomization performance. So atomization of coal water slurry with high viscosity is one of the most important engineering problems pressed for solution. This project proposes to intensify the interface instability by combining air-blast atomization and effervescent atomization. The slurry would be changed from liquid-solid two phases into gas-liquid-solid three phases by injecting bubbles. This project would take the interface instability by injecting bubbles as paramount, and focus on the rheological properties and atomization mechanisms of different slurries. The major contents include: influences of bubbles on the rheological properties of slurries, the evolution mechanisms of interface instability by combining air-blast atomization and effervescent atomization, breakup mechanisms and correlations of slurry at the bubble scale and particle scale. The investigations can provide the theoretical basis for the design and optimization of gasification nozzle. The results are also useful in improving the efficiency of gasification and enhancing the adaptability of coal water slurry gasification technology.

水煤浆雾化是影响其气化过程的重要因素。提高煤浆浓度可以显著改善气化效率，但也会增加煤浆粘度从而导致雾化困难，所以高粘度煤浆的雾化是工业生产中迫切需要解决的问题之一。本项目提出结合气流式雾化与空泡雾化的特点来强化界面不稳定性，借助掺杂气泡使浆体由液固两相转变为气液固三相，从而改善其雾化效果。本项目以掺杂气泡强化界面不稳定性为主线，重点关注不同性质流体掺杂气泡后的流变特性与雾化机理。主要内容包括：掺杂气泡对浆体流变性的影响，掺杂气泡和高速气流协同作用下浆体界面不稳定性的演化机理，浆体在气泡尺度和颗粒尺度下的破裂机制与相互联系。通过本项目的研究可以为高粘度气化喷嘴的设计和优化提供理论依据，从而提高气化效率并增强水煤浆气化技术对煤种的适应性。

本项目依托水煤浆气流床高温气化技术，研究复杂流体的破裂与雾化特性。研究了表面活性剂在浆体制备中的影响。随着表面活性剂浓度增加，浆体在其浓度0.3%和0.4%时呈现为膏体现象。制浆过程中产生了大量的小气泡，表面活性剂则使小气泡更加稳定，浆体由液固两相逐步变为气液固三相混合物。小气泡的存在相对于增加了浆体浓度，并减少了浆体内部的自由水含量，从而导致粘度和屈服应力的增加。含表面活性剂浓度0.6%的浆体体积膨胀到原来的2.4倍，大气泡远大于固体颗粒尺度。大气泡强度小，更易变形。气泡过大使得浆体网络结构变得松散，塑性降低，从而导致粘度减小。研究了悬浮液（浆体）的微观破裂特性。当悬浮液Oh＜1时，随着表面活性剂浓度的升高，喉部直径变化率和形成的悬浮液液滴直径逐渐减小，液桥断裂长度与液滴生长速率有所增加。液滴生长速率的波动性消失。当Oh＞1时，表面活性剂两个夹断区的喉部直径变化无明显影响。研究了含气泡液滴在气流中的雾化。含气液滴最大变形率基本不随的含气率的改变而改变。液环中的气泡阻碍了液体的输送，因此，会先在靠近气泡的位置发生破裂或者靠近气泡的位置破裂的更加迅速。随着含气量的增大，破裂时间总体呈现逐渐增大的趋势。研究了射流内部气泡对射流雾化的影响。内部气泡的存在会明显的减小射流断裂长度，但内部气泡对环隙气流雾化的作用比较复杂，在较小的内部气液体积比下，气体体积比的提高会减小雾化形成的液滴的直径。但随着气液体积比的提高，雾化形成的液滴的直径也在变大。.在本项目支持下，发表学术论文9篇，其中在Fuel、Industrial & Engineering Chemistry Research和Physics of Fluids等期刊发表SCI论文8篇；授权发明专利6项。基于本项目的研究成果指导，发明了双煤浆通道预膜式喷嘴，在此基础上开发的SE平推流水煤浆气化技术，入选中石化“十条龙”科技攻关项目（镇海），目前正在开展1000吨煤/天工业示范建设。