高密度循环流化床流体动力学特性及放大规律研究

With characteristics of large flux, high efficiency, and strong heat and mass transfer, the high-density circulating fluidized bed is especially applicable to strong exothermic oxidation-reduction reaction process requiring high transfer rate and high selection. It is a clean energy technology with extremely prosperous outlook; however, this technology involves many basic scientific problems which have not been solved. This application conducts deep research on its fluid dynamics characteristics and scaling relationships, realizes dense suspension upflow on many kinds of test beds with different dimensions, sets up high accurate simulation models of gas-solid two-phase flow, explores electrical capacitance tomography technology applicable to large dimension and high temperature and high pressure environment, studies correlation relationship between dimension effect of gas-solid flow and different dimensions, summarizes and deduces large key design guide rule and dimensionless criterion parameters of high-density circulating fluidized beds in large scale. This application organically integrates theoretical innovation, high efficient numerical simulation, and experimental research. The research result will open new approach of dense gas-solid flow modeling, forms new measurement technology of complex gas-solid two-phase flow, and reveals gas-solid flow law within high-density circulating fluidized beds. The research also provides scientific understanding, experiment data base, and technical methods for this technology development and large scale, and provides theory support for the application and development of the high-density circulating fluidized bed technology in national key industry fields.

高密度循环流化床技术具有通量大、效率高、传热传质强等特点，特别适用于要求高转化率和高选择性的强放热氧化-还原反应过程，是一种极具发展前景的洁净能源技术，但该项技术涉及的许多基础性科学问题还未破译。本申请拟对其流体动力学特性和放大规律开展深入研究，在多种尺度的试验台上实现密相悬浮上升流态，建立床内气固流动模拟的高精度模型，开拓适用于大尺度、高温高压的电容层析成像技术，探索气固流场的尺度效应以及不同尺度间的关联特性，总结推导高密度循环流化床大型化的关键设计导则和无量纲准则参数。本申请拟将理论成果创新、高效数值计算及实验研究有机结合，研究成果将拓展稠密气固流动建模的新途径，形成复杂气固流场的新型测量技术，揭示高密度循环流化床内的气固流动规律，为该项技术的发展与大型化提供科学认知、实验数据库和技术手段，为高密度循环流化床技术在国家各关键工业领域的发展与应用提供基础理论支撑。

高密度循环流化床技术具有通量大、效率高、传热传质强等特点，在煤炭气化与燃烧、物料干燥、矿产资源的综合利用以及CO2减排等方面具有广泛的应用前景。但该技术涉及的许多基础性科学问题还未破译。本项目将理论成果创新、高效数值计算方法以及关键过程实验研究有机结合。针对床内流体动力学特性和放大规律涉及的基础科学问题开展研究。基于多相流体力学，将结构多相流体模型与颗粒动理学模型相互耦合，形成了适用于高密度循环流化床的多相流动数值模拟的基本模型，建立了数值模拟框架平台。建立了ECT优化标定方法和评价参数，提高了图像质量和灵敏度，获得了电容的有效补偿措施。针对高温高压环境测量数据重建温度分布的方法开展了深入研究，提出了一个从有限温度测量数据中重建三维温度分布的测量方法。通过适用于三阶张量动态图像序列的多测量向量模型与多维数据分析方法，建立了新型图像重建目标泛涵，更好地考虑时间窗内图像间的时空相关性与多维数据结构的全局特性。基于实验和模拟，通过先进数学及信号分析方法，提取关键参数，初步建立动力学相似准则，校验并简化，分析了表征流体动力学相似行为参数的影响规律，推导了简化的关键相似物理量。研究成果揭示了高密度循环流化床内的复杂气固流动机制，拓展了稠密气固流动建模新途径，形成了复杂场测量新模式，在基础理论研究方面取得一定突破。为该项技术的发展与大型化提供科学认知、经验数据库和技术手段，为该项技术在国家各关键工业领域的发展与应用提供基础理论支撑。