气固两相流在穿越液池过程中的气固分离及规律研究

气固分离是工业领域十分重要的工艺流程之一。而气液固三相相互作用下的气固分离过程却非常复杂。本项目以激冷式水煤浆气流床气化炉内含渣气体穿越液池的洗涤过程为背景，以其中的气固分离行为为研究对象，针对已有研究在理论分析方面发展较为缓慢的现状，将欧拉多相流模型、确定性颗粒轨道模型相融合并发展，引入气液自由界面跟踪技术，在三相体系下，建立考虑颗粒-颗粒、颗粒-气体、颗粒-液体、气体-液体相互作用的气固分离理论模型。寻求反映气体净化过程中气固分离特征的表征参数及一般规律；分析颗粒运动、悬浮、沉降、堆积、逃逸等一系列的行为特征；通过研究该过程中的气液固三相流动，寻求气固分离的强化机制及影响因素。本项目难点在于：气液固三相体系下的颗粒动力学理论、颗粒微观流动分离行为的描述与观测，以及有效的数值模拟方法等。本项目的成功实施，将有助于进一步完善气固分离理论，为工业应用提供理论基础，并为自治区经济发展作出贡献。

气流床煤气化技术是煤高效洁净利用的关键技术之一，煤气化炉是整个煤气化技术的核心所在。本项目以激冷式水煤浆气流床气化炉中顶部浸没气固两相流穿越液池过程为背景。采用数值模拟与试验方法，通过对单气泡生成脱离、气泡群-液体、气体-液滴以及气体-液滴-颗粒等多个多相流动过程的研究，对气固两相流穿越液池过程中的气固分离过程及其规律进行了多尺度分析。建立了气泡群-液体两相流动CFD-ABND耦合求解数学模型。建立了描述气固两相流穿越液池过程中气固分离流动及分离特性的CFD-VOF-DSMC数学模型。开发了相应的计算模拟软件。同时搭建了气固两相流穿越液池过程试验平台。研究获得液池内气液固三相的流动形态、流动特征及相分布规律。通过分析顶部浸没管口处气泡生成脱离过程，研究发现气泡脱离直径随平均气速变化过程明显存在临界气速点，气泡膨胀脱离模式随平均气速变化分为单个气泡形成、气泡聚并形成两种。提出了一种基于声发射测量的气固两相流穿越液池过程中气液相流动状态的检测方法。对气固分离过程及特性分析，发现液池内颗粒浓度分布呈现明显的波动特性。定量获得不同工况下气固分离效率及影响规律，研究表明气固两相流穿越液池的气固分离过程对颗粒具有较高的分离效率，计算得到的颗粒分离效率可达97%以上。研究发现气固分离作用主要有射流冲击作用、气泡聚并破碎作用和液滴飞溅淋浴作用。获得了颗粒沉降、悬浮、气泡包裹、气泡尾流拖曳及被飞溅液滴捕获的运动分离过程和机理，提出了控制气泡尺度、促进气泡的破碎聚并和减少气体带液量等改进气固分离效率的有效途径。本项目研究丰富了气固分离过程及其规律认知体系，为该过程工业应用提供理论基础。