超临界水-颗粒流态化的流型分布特性及转变规律

Fluidization can enhance the contact and transfer between fluid and particles and is widely used in engineering industry such as energy and chemical engineering technology. Fluidization system generally involves gas, liquid and solid. Supercritical fluid has become a new fluidization agent and supercritical water fluidized bed reactor shows good prospects for the application of biomass/coal supercritical water gasification. The flow regime distribution and transition regularity of the supercritical water-particle fluidization are of great importance for the reactor design and control. However, extreme operating conditions and the intensive variation of water properties near the quasi-critical point temperature make related research difficult. In this project, experimental system for supercritical water fluidized bed will be developed to obtain the type, characteristics, transition regularity and the relationship between flow regime transition and system parameters. On the other hand, a model of flow past particle in supercritical water will be developed, which can show the inner relationship between the drag force of particles and the variation of supercritical water properties. Then a numerical simulation of the distribution characteristics of the flow field and particles in supercritical water fluidized bed will be conducted based on the model to know the effects of supercritical water properties upon the flow regime distribution and transition regularity. The simulation and experimental results validate mutually. The research may enrich the understanding of the supercritical water fluidization.

流态化可以强化流体与颗粒间的接触和传递，已广泛应用于能源、化工等工业领域。常规流态化系统主要涉及气、液、固系统，而最新的进展是流化介质已拓展到超临界流体，超临界水流化床反应器在生物质/煤的超临界水气化领域中展示出良好的应用前景。超临界水-颗粒流态化的流型分布特性及转变规律是反应器设计与运行的基础，而高的运行参数及水在拟临界温度附近剧烈变化的物性导致相关研究面临困难。本项目拟构建超临界水-颗粒流态化测试系统，通过对压力信号的采集与非线性分析，获得流型种类、特征、流型转变规律，阐明其与系统参数之间的内在关联；同时通过理论分析，建立超临界水中颗粒绕流物理模型，采用数值方法求解颗粒所受曳力与超临界水剧烈变化物性间的耦合定量关系。以此为基础对超临界水流化床的流场分布及颗粒运动特性进行数值模拟，探索超临界水物性对系统参数与流型分布关联的影响，与实验结果相互验证。研究成果有望丰富超临界水流态化理论。

流态化可以强化流体与颗粒间的接触和传递，已广泛应用于能源、化工等工业领域。常规流态化系统主要涉及气、液、固系统，而最新的进展是流化介质已拓展到超临界流体，超临界水流化床反应器在生物质/煤的超临界水气化领域中展示出良好的应用前景。超临界水-颗粒流态化的流型分布特性及转变规律是反应器设计与运行的基础，而高的运行参数及水在拟临界温度附近剧烈变化的物性导致相关研究面临困难。.首先，颗粒与超临界水之间的相互作用是超临界水-流态化的流型分布及转变特性的基础。本项目构建了超临界水流场中单颗粒曳力模型，由通过数值实验得出结论，在不考虑传热各向同性超临界水流场中，传统的Turton&Levenspiel公式可以适用，但在考虑传热的工况下，由于超临界水物性变化呈现剧烈的非线性，传统的曳力系数计算公式在预测过程中就有较大误差；其次，由于颗粒扰动流场所造成颗粒群中单颗粒所受曳力需要修正。本项目建立了超临界水中双颗粒受力分析模型，研究发现迎风前后两个颗粒的曳力系数均降低，其中后面颗粒收到影响相对严重，且两颗粒之间间距越小降低越明显，初步获得了孔隙率与曳力修正系数的关系。再次，通过引入计算颗粒的概念，对具有相同性质（种类，尺寸，位置，速度等）的颗粒群体进行“打包”，获得了颗粒-超临界水流态化反应器中的压力脉动特性、流型分布特性及演变规律，并采用了调整分布板几何结构的方式对流型以压力脉动进行调控。最后，构建了超临界水流化床反应器测试系统，采用多孔介质模拟床层颗粒开展渗流压降特性研究。研究结果表明，Ergun公式在预测床层压降的时候会出现高估黏性力项和低估惯性力项的问题。.基于以上多相流热物理方面的成果，与团队已有的多相流热化学成果相结合，指导了煤炭超临界水流化床反应器的优化与设计，并依此为核心构建了五模块并联的煤炭超临界水气化制氢小型示范系统，目前已经连续稳定运行数千小时，为本项目成果提供有效的验证。