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应用离散单元法模拟热解过程的颗粒混合与传热
作者: 刘冰
学位类别: 博士
答辩日期: 2013-05-01
授予单位: 中国科学院研究生院
导师: 林伟刚
关键词: 离散单元法(DEM)  ;  下行床  ;  螺旋反应器  ;  颗粒混合  ;  颗粒传热
其他题名: Development and Validation of Discrete Element Method for Simulation of Particle Mixing and Heat Transfer in Pyrolysis Process
学位专业: 化学工程
中文摘要: 用固体热载体为煤热解反应提供热量的“煤拔头”反应单元中,颗粒的流动、混合与传热过程关系到煤的热解反应温度,进而影响到煤热解产物的产率分布。而反应器的类型和构造将直接影响到颗粒在其内部的运动和传热,因此本文应用离散单元法(DEM)模拟了热解反应器中颗粒的混合与传热行为,并改进反应器内部结构的设计,找到增强煤热解过程快速混合、快速升温的方法,并给实际的“煤拔头”工艺提供有效的操作参数,为工艺放大提供指导。从模拟方法的角度出发,全文从颗粒流体的离散单元法模型的建立、模型的验证和模型的应用三个方面加以论述。关于颗粒流体的离散单元法模型的建立,论文在第二章阐述了离散单元法的基本原理,并综述了颗粒单元的接触力学模型和传热学模型。在第三章,论文以颗粒流体三维DEM计算程序开发过程为主线,对开发过程的各个步骤进行了详述。本文应用空间网格和颗粒之间的关联,给出了颗粒碰撞搜索的一套解决方案,也是模型建立与开发过程的一个创新。论文紧接着对开发的离散单元法模型和颗粒流体三维DEM计算程序进行验证。首先通过颗粒物料从料仓中的卸载过程,来验证计算程序及其力学模型和运动学模型运用的正确性。论文还对照了颗粒物料在高温回转煅烧炉中的升温过程,来验证计算程序及其热力学模型和传热学运用的正确性。除此之外,论文还根据颗粒手册提供的数据,对“煤拔头工艺”中所用的煤颗粒和石英砂颗粒的一些力学性质进行了标定以便使用。在离散单元法模型的应用这一部分,论文用第四章和第五章对下行床内构件影响颗粒流体的混合与传热进行了研究。本文设计的内构件有两种类型:管排组和挡板组。经模拟计算,同一煤灰比的操作条件下,尽管管排式下行床出口处煤颗粒的热解温度略高于挡板式下行床出口处的约22 ~ 57℃(和煤灰比有关),但是由于颗粒物料在挡板式下行床中的混合程度要好于在管排式下行床中的,挡板式下行床中的煤颗粒的平均升温速率(570℃?sec-1)大于管排式下行床中的(242℃?sec-1),而煤颗粒在挡板式下行床中的平均停留时间(0.859 sec)远小于在管排式下行床中的平均停留时间(2.122 sec)。因此,根据下行床“煤拔头”工艺中快速加热的要求,挡板式下行床比管排式下行床好。进而论文还对挡板内构件的结构做了进一步的优化,考察了挡板内构件的长度、阻碍角度和数量对颗粒物料混合效果和热解温度的影响。基于“煤拔头”工艺螺旋混合热解反应器的研究背景,论文第六章应用DEM模拟了颗粒物料在螺旋输送器中输运过程并引入了输送效率的概念。输送效率不仅可以反映螺旋输送功能的发挥程度还可以间接衡量螺旋槽之间的颗粒物料混合情况,并借助非理想反应器理论中无量纲分布散度的概念来评价螺旋输送器主体中颗粒物料的返混情况。论文讨论了螺旋的操作转速和外形尺寸设计对颗粒物料的输送效率和停留时间分布的影响。计算结果表明,在输送速率一定的情况下,可选择浅槽、大螺距、窄槽的螺旋发挥其输送功能,可选择深槽、小螺距、宽槽的螺旋作为混合设备使用。论文第七章展开了对颗粒物料在螺旋混合器内微观混合情况的研究进而增强并优化螺旋器的混合功能设计。模拟计算结果表明,颗粒物料在螺旋槽中的混合效果来源于螺旋叶片对颗粒物料的摩擦作用所形成的对流混合。螺旋混合反应器的操作转速增大,相同位置处的,种颗粒物料的混合程度略为下降,与螺旋对颗粒物料宏观混合效果下降这一结论保持一致。螺旋混合反应器(颗粒物料在螺旋反应器中的填充程度)的工作负荷为54%左右颗粒物料的混合程度最好。当螺旋混合器的工作负荷较小时,螺旋叶片对可以物料的扰动不充分时,可以考虑在螺旋叶片上增加内构件以强化螺旋混合反应器的混合能力。本文设计的内构件为螺旋搅拌连杆,连杆数量的增加能够使颗粒物料在较为提前的轴向位置处达到一定的混合效果,连杆在螺旋叶片径向位置的布局在槽深的3/4处较为合适。对于工作负荷要求较大的螺旋混合反应器,螺旋搅拌连杆的数量要少,因为螺旋搅拌连杆数量较多时,螺旋的输送能力相对较弱,在大负荷条件下工作容易造成反应器的拥堵。
英文摘要: The flow pattern, mixing and heat transfer of the particles in the reactor unit of the coal topping technology will affect the pyrolysis temperature of fuel particles and the yield distribution of the pyrolysis products further, especially the heat source is supplied with the solid heat carrier. Meanwhile, the type and structure of the reactor can influence the particulate mixing and heat transfer. For the advantage of particulate simulation, the discrete element method (DEM) has been adopted to simulate the behavior of particulate flow and heat transfer in the process of coal topping in different types of reactor. For one thing, the inner structure design can be improved for fast mixing and fast temperature rising of particles. For another, it is convenient for a larger scale of apparatus to choose the operation and design parameters. From the view of the simulation method, the whole thesis consists of the model establishment, the model validation and the model application. In the part of establishment of particulate DEM model in the thesis, the basis principle of DEM has been presented in Chapter 2 which also summarizes the particulate contact mechanics model and the particulate heat transfer model. Afterwards, the development of a three-dimensional soft sphere model of DEM program is described step by step in Chapter 3 based on the basis principles mentioned in Chapter 2. .
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8277
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刘冰. 应用离散单元法模拟热解过程的颗粒混合与传热[D]. 中国科学院研究生院. 2013.
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