流态化下农林废弃物冷态流动特性研究

发布时间：2017-12-06 08:16

  本文关键词：流态化下农林废弃物冷态流动特性研究

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【摘要】：目前,热解技术作为农林废弃物的资源化利用的重要方法之一受到广泛关注,床料与气体之间的气固交换和床料的混合机制影响了热解效率。农林废弃物的物理性质使其在流化床内难以很好地单独流化,需要加入石英砂等惰性组分作为流化介质,所以研究农林废弃物与石英砂在流化床内的混合流动特性具有重要的意义。本研究借助非线性分析方法,分别在时域、频域和相空间结构的角度研究流化床内生物质与石英砂双组份混合流动的动力学特征。在此基础上改进传统离散单元方法-计算流体力学方法,使之适用于大尺寸的生物质颗粒与小尺寸石英砂混合流动模拟,对双组份流化床进行介观尺度模拟,通过实验与经验参数验证模拟结果,并进一步分析生物质与石英砂混合流动的气体流动和颗粒行为等特性。将不同质量比的成型农林废弃物、木杆、稻壳、玉米芯和水稻秸秆与石英砂混合,作为床料在流化床内混合流动,表观气速范围为0.072～2.31m/s,用压差传感器测量床内的压差脉动信号。采用压法测量床内最小流化速度,发现农林废弃物含量小于8%时,不同混合比下流化床的初始流化速度差异很小,与石英砂单组份流动的初始流化速度非常接近。采用具有自适应特点的Hilbert-Huang变换分析压差脉动信号,研究双组份流动频率特征,分析双组份混合流动内禀模态函数能量及频率分布特征。研究发现有效的频率范围在30Hz以下,气泡频率主要分布在1-5Hz之间,农林废弃物与石英砂混合流动时信号的中低频区都在这个范围之间。成型生物质与石英砂混合主频不明显,鼓泡床阶段各阶IMF的能量都不随气速发生明显变化,床内不易出现大气泡,气泡流动和颗粒行为极其复杂。床内频率集中在0～3Hz之间说明床内出现“腾涌”现象。引入递归图理论考察床内流动的周期性稳定性等特征,发现气速较低时无论是石英砂单组份流动还是农林废弃物与石英砂混合流动,床内气泡尺寸较小,床内颗粒行为占主导作用。随着气速的增大床内出现尺寸较大的气泡后,玉米芯和木杆与石英砂混合流动具有明显的近似正(余)弦周期。建立融合经验模态分解和递归图理论的信号处理方法,同时在频率和相空间的角度对信号进行分析,发现成型生物质与石英砂混合流动气泡周期性较弱,并且随着气速的增大不会发生明显的变化,操作范围较宽且利于传热传质的进行。建立适用于成型圆柱形生物质颗粒与石英砂混合流动的DEM-CFD模拟模型。采用球元叠加法计算DEM部分,在此基础上将柱形颗粒视为虚拟小尺寸球的聚合体,并借鉴体积惩罚法的思想,引入颗粒体积系数概念修正气固作用力关系式,通过计算气相-虚拟球体的作用力来计算柱形颗粒对气相作用力。采用Fortran编写程序,将改进后的DEM-CFD与MPI方法相耦合实现双组分颗粒流动的并行模拟计算。通过实验结果进一步验证模拟的可靠性,并分析床内颗粒行为与气体流动特性。小尺寸球形颗粒对气体流动影响较小,气体在遇到柱形颗粒时流动方向发生变化,向颗粒四周流动并且随着方向的改变气速增大。在流化床内由于小尺寸颗粒对气流的疏导作用,柱形颗粒尾部尾涡将会消失。气体在床内整体上呈现先向中心后垂直向上再向四周流动的趋势,颗粒在床内会呈现相似的趋势,形成一个以中心轴为对称轴的内循环过程。由于生物质聚团或气速的影响,床内柱形生物质颗粒的迎风方向易形成气泡,在气泡中间的柱形颗粒受气速的影响向上运动或回落。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X71

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本文编号：1257941