固体废弃物流化床异型颗粒的多尺度混合机理研究

The particle mixing characteristics is considered as one of the most important common problems of the researches on gas-soild fluidized bed. The investigation of particle mixing can be great help to the design and parameter optimization of fluidized bed in both academic signification and engineering application. Besides, it's a fundamental research of thermodynamic and energy utilization as well.This proposal is based on the even increasing demands of developing large-scale flammable solid waste treatment methods in China,according to the Twelfth Five-year National Development Plan. The investigation is specifically focusing on the mixing mechanism of irregularly particles in solid waste fluidized bed. Radiotracer technology is recognized as one of the most effective experimental methods to measure the particle mixing behavor with a fluidized bed. A novel radiotracer measurement method 'Innocuous radionuclide labeling - dual high speed γcamera coupled image composition method' was proposed, with significant advantages of non-interference, 3D imaging，real-time data collecting and etc. With this new method, an improved mathematical representation of particle mixing characteristics would be developed to analysis the mixing mechanism of irregularly particles. Furthermore, the internal reaction between particle mixing mechanism and its influence factors, such like the particle character, equipment structure, operate condition and the flow pattern etc. With the financial support from NSFC, there is a promising prospect of developing this novel experimental method of irregularly particles mixing mechanism and mathematical representation. In additional, the research can help to clarify the movement and transfer mechanism of flammable irregularly particles within solid waste fluidized bed which leads to great improvement of the knowledge of fluidization technology.

颗粒混合特性是气固流化床复杂研究体系中的共性科学问题之一，对于流化床的设计和结构参数的优化具有重要的学术意义和工程指导价值，是工程热物理与能源利用学科重要的基础研究问题。本项目针对"十二五"大力发展可燃固体废弃规模化利用的国家重大需求，提出开展异型颗粒的在流化床中的多尺度混合机理专题研究。放射性颗粒示踪是目前国际上公认最有效的研究流化床内颗粒混合行为的实验手段之一，本项目通过发展"安全核素标记-双快速γCCD耦合成像"的放射性颗粒示踪新方法，实现对流化床内颗粒运动和传递的非接触式三维实时捕获；同时提出颗粒混合特征的科学数理表征方法，阐明颗粒的多尺度混合机制，建立颗粒混合特性与颗粒物性参数、设备结构参数、操作参数和流动结构之间的内在联系。其研究成果有望建立一套具有创新性的异型颗粒混合特性的科学实验方法，丰富研究手段；揭示可燃固体废弃流化床异型颗粒复杂的运动和传递机制，提高认知水平。

颗粒混合特性是气固流化床复杂研究体系中的共性科学问题之一，对于流化床的设计和结构参数的优化具有重要的学术意义和工程指导价值。本项目针对“可燃固体废弃规模化利用”的国家需求,提出开展异型颗粒流化床中多尺度混合机理的专题研究。.主要研究内容分为三部分：.首先，设计并构建了针对异形颗粒分布测量的X光透视成像装置，并自行编写了X光颗粒测量图像解析软件。测量方案主要依据X光透视成像原理，由X光电源激发出X射线对目标区域（流化床模型）进行照射，穿透目标后X射线在X光探测器上形成异形颗粒和流场的透视图像，通过自编软件对所得图像进行解析，就可得到颗粒混合行为信息（灰度分析可获得任意区域内孔隙率分布、固相含率等）。本装置采用水冷式负高压型X光管，结合互补金属氧化物半导体传感器（COMS）直接耦合闪烁体光纤板（FOS型）平板探测器，与国内外同类研究相比，具有更高的成像速度和成像精度。.同时，为进一步解析流化床内异型颗粒的运动和分布特性，本项目也在上述X光透视成像测量系统的基础上，通过异型颗粒内嵌高X光吸收材料，制作示踪颗粒，实现特定颗粒在X光照片上显像；并编写X光示踪颗粒图像处理专用软件包，实现对颗粒位置分布、颗粒速度和颗粒姿态的全真恢复。软件编写时针对每个工况需处理数千至数万张以上高像素图像的需求，通过前置图像获取、坏点矫正、Retinex图像增强等预处理功能，并借鉴人脸识别技术中Haar特征识别和Adaboost级联分类器方法，提高处理精度和效率。目前，本软件已经成功实现了示踪颗粒的自动识别和颗粒位置、速度和姿态自动化在线批量处理。.此外，在上述研究基础上，本项目也开展了异型颗粒流化过程中颗粒分布特征的实验研究，使用正交网格进行了空间位置离散划分，并通过迭代解析X光照片中示踪颗粒位置，统计每个网格中示踪颗粒的出现次数，实现准三维空间内颗粒分布规律的精准测量，并在此研究基础上，实现对异型颗粒流化床的宏观气固流动特性的研究，揭示可燃固体废弃流化床内，异型颗粒复杂的运动和传递机制。.至此，本项目已顺利完成任务书中提出的两个关键科学问题：“颗粒运动和传递过程的非接触式三维实时捕获”及“颗粒混合特性的数理描述与多尺度关联”，相关研究成果已公开发表于文献和专利。.项目执行期内发表第一标注（项目号51206026）SCI收录论文6篇，EI收录论文共9篇，获授权国家发明专利3项。