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大力发展循环流化床燃烧技术尤其是大容量高参数循环流化床锅炉技术是我国洁净煤燃烧技术发展的重要方向。裤衩腿—双布风板结构已成为循环流化床大型化的首选设计方案。虽然双支腿循环流化床锅炉技术在解决二次风穿透深度提高氧气分布均匀性方面具有优势,但在工业应用中会出现运行不稳定的问题如翻床现象。因此,双支腿流化床内气固两相流动与混合特性的研究具有重要的理论意义和现实意义。
本文研究了双支腿流化床内气固两相流体动力学特性,并运用混沌理论对气固流动引起的床层压差脉动信号进行了理论分析。
搭建了双支腿流化床气固流动特性实验装置,采用插板/隔板法对双支腿流化床提升段内颗粒浓度分布特性进行了测试,获得了床内纵向及横向颗粒浓度分布特性。结果表明,双支腿循环流化床内颗粒浓度横向分布在密相区呈现出“W”型分布;在稀相区,床内颗粒的横向分布相对比较均匀。颗粒浓度纵向分布呈现出“L”型分布特性,随着气速的增加,密相区域范围逐渐加大。
采用双示踪气体法获得了双床间气体横向和纵向的浓度分布;结合气固流动结构的瞬时图像及快速床颗粒浓度分布特性,对双支腿流化床内气体的混合特性及混合机理进行了研究。结果表明,无床料时,双支腿流化床两侧出口处的示踪气体无量纲浓度受流化速度的影响较小;添加床料对示踪气体的纵向和横向分布影响明显。双支腿流化床两床间横向气体扩散明显,且随高度增加,气体局部横向扩散速率减弱,截面浓度分布趋于均匀。风速的增加削弱了床内气体混合;床存量的增加加剧了气体混合。双支腿流化床内颗粒浓度的分布,颗粒团簇及其在支腿间的交换,对床内气体混合影响较大。
基于混沌特征量K熵和递归图分析法,研究了床内差压脉动信号和双支腿流化床内气固流动的混沌特性。结果表明,鼓泡床、湍流床、快速床的压力脉动递归图跟混沌系统的递归图接近,且三种流型之间的递归图有较大区别,即三种流型均具有各自的混沌特性。由于气泡和颗粒团簇的共同作用,在湍流床阶段系统的混沌特性最强,表现为K熵和DIV随气速先增大后减小并在湍流床阶段达到最大值,DET则相反。同一气速时K熵随静止料高的增大而增大,即混沌特性随床存量的增加而增强。