气流床气化炉内稠密气固撞击流介尺度机制及调控研究

Based on the idea of "process intensification", the applicant team has successfully developed the large-scale clean and efficient entrained-flow coal gasification technology and opposed multi-burner (OMB) gasifier with independent intellectual property rights and the leading level in the world. The theory and technology developments of impinging jets gasifier must be established on the basis of in-depth understanding and research of the mesoscale structure such as particle clusters. Most researches about the impinging jets are focused on the single phase fluid at home and abroad, while the research on the dynamic heterogeneous structure of the dense gas-solid impinging jets is very few. Based on the experimental study of the features and influence factors of mesoscale structures of dense gas-solid impinging jets, this project proposes to investigate the effects of mesoscale structures on the mass transfer performance, to reveal their formation rules and stability conditions restricting the structures, and to explore the principle and method of mesoscale structure regulation. The pre-project has made a series of achievements in the stability and regulation of the impinging jets and dense gas-solid jet, and the oscillation of the particle fluid and mesoscale structures have been captured in the recent experiment of the dense gas-solid impinging jets, which lay a good foundation for the completion of the research of this project. The results of this project will provide important theoretical basis for the establishment of the mesoscale theory for the entrained-flow gasification process, and the further optimization, scale-up and regulation of the impinging jets gasifier.

申请者所在团队基于“过程强化”思想，成功开发出具有自主知识产权的大规模清洁高效气流床煤气化技术和多喷嘴对置式气化炉，达到世界领先水平。撞击流气化炉的理论和技术发展，必须建立在对其中颗粒聚团等介尺度结构的深入认识和研究的基础之上。目前国内外撞击流的研究多集中在单相，关于稠密气固撞击流动态、非均匀结构的研究极少。本项目提出在实验研究稠密气固撞击流介尺度结构特征和影响因素的基础上，考察介尺度结构对传质性能的影响规律，揭示其形成规律和约束结构的稳定性条件，探索介尺度结构调控的原理和方法。项目前期在撞击流和稠密气固射流稳定性及其调控方面取得了一系列创新成果，近期开展的稠密气固撞击流捕捉到了撞击区颗粒流振荡和介尺度结构，为完成本课题研究奠定了很好的基础。本项目研究结果为建立气流床煤气化过程介尺度理论、实现撞击流气化炉的进一步优化、放大及调控提供重要的理论依据。

基于“过程强化”思想，华东理工大学成功开发出世界领先水平的多喷嘴对置式气化炉，并在工业上得到广泛应用。撞击流气化炉的理论和技术发展，必须建立在对撞击流的介尺度流动模式深入认识和研究的基础之上。因此，本项目采用实验和数值模拟手段对稠密气固撞击流的介尺度流动模式开展研究。重点研究了稠密颗粒射流撞壁（击）过程的介尺度流动模式，获得了流型参数空间分布以及转变临界参数，并揭示了流型形成机理；研究了撞壁（击）流介尺度流动模式的不稳定性，揭示不稳定介尺度结构的演变规律及机制；提出了对介尺度流动模式及其稳定性进行有效调控的方法，促进撞击区内颗粒弥散，强化混合和传质。. 研究结果表明：（1）稠密颗粒射流撞壁（击）过程主要存在类液体颗粒膜和散射两种介尺度流动模式。散射模式下，撞击后颗粒发生弥散；颗粒膜形态下，颗粒弥散效果差。（2）随着颗粒射流直径与颗粒粒径之比（D/d）或固含率（xp）的减小，颗粒射流撞壁（击）从颗粒膜转变为散射模式。（3）随着颗粒射流速度增大和固含率降低，稠密颗粒射流撞击（壁）的颗粒膜变得不稳定，呈现“S”型振荡以及表面类液体波纹结构。揭示了喷嘴内增强的气固相互作用使得颗粒射流出口速度增大和含固率降低，并引起颗粒射流不稳定，进而撞击形成振荡和波纹结构。（4）采用DEM模拟获得与实验结果吻合的颗粒膜和波纹结构。结果显示颗粒间碰撞频率能显著地降低撞击区内的颗粒间碰撞力和速度波动，从而形成颗粒膜结构；而颗粒膜振荡和波纹结构主要决定于颗粒射流扰动特性。颗粒射流振幅越大且斯托朗哈数St=0.2-0.8时，颗粒膜波纹振幅越显著。. 本项目研究结果为建立气流床煤气化过程介尺度理论、实现撞击流气化炉的进一步放大和优化提供重要的理论支撑。项目发表SCI收录论文6篇，授权发明专利1项。研究成果作为重要创新点，获得上海市科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。