细颗粒石膏流化特性的实验研究

论文摘要

化学链燃烧(chemical Iooping combustion)是一种极具发展前景的二氧化碳捕集技术。燃烧装置和载氧剂是CLC技术研究和应用的重要内容。流化床是一种很有应用前景的化学链燃烧装置,而载氧体硫酸钙(CaSO4)因其具有价格低廉、来源广泛、高效等特点受到了研究者广泛关注。因此,探索CaSO4在流化床中的流化特性对化学链燃烧技术的发展及工业应用具有重要的理论意义和应用价值。本文以石膏(天然石膏和脱硫石膏)为对象,采用实验和理论分析相结合的方式,对天然石膏和脱硫石膏在流化床中的流化特性进行了实验研究,具体研究内容和结论如下：(1)综述了细颗粒流化特点和流化质量改善方法,提出了采用添加颗粒法改善石膏细颗粒流化质量的方法。(2)在自建的流态化实验台上,开展了细颗粒石膏(天然石膏和脱硫石膏)、石英砂颗粒和河砂颗粒的流态化特性的实验研究。结果表明,单一组分两种石膏细颗粒(平均粒径分别为13μm、33μm)均不能实现正常流态化,易出现沟流、聚团流化等不良现象;而单一组分的石英砂(粒径为450～600μm、300～450μm、200～300μm)和河砂(粒径为450～600μm、300～450μm、200～300μm)的流化性能良好,其最小流化速度分别为0.25m/s、0.14m/s、0.075m/s和0.17m/s、0.10m/s、0.065m/s,当在两种细颗粒石膏中分别添加一定比例的石英砂和河砂颗粒时,细颗粒石膏的流化特性均得到不同程度的改善。(3)实验研究了在天然石膏中添加三种不同粒径(粒径为450～600μm. 300～450μm、200～300μm)、不同质量比例(40%,60%,90%)石英砂和河砂颗粒所构成的二元混合体系的流化特性,结果表明：随着石英砂和河砂颗粒添加质量比例的增加,天然石膏的流化性能越来越好,流化性能开始改善的添加量为40%；随着石英砂和河砂颗粒粒径的减小,天然石膏的流化性能越来越好,在所添加的三种粒径中,粒径为200～300μm的颗粒改善效果最好；添加球形度较好的河砂比添加球形度较差的石英砂对天然石膏流化性能改善的效果要好。(4)实验研究了脱硫石膏中添加两种粒径不同(粒径为300～450μm、200～300μm)、不同质量比例(60%,90%)石英砂和河砂颗粒所构成的二元混合体系的流化特性,结果表明：随着石英砂和河砂颗粒添加量的增加,脱硫石膏的流化性能越来越好,流化性能改善的添加量为60%；随着石英砂和河砂颗粒粒径的减小,脱硫石膏的流化性能越来越好,在所添加的两种粒径中,200～300μm的颗粒改善效果最好;添加球形度较好的河砂在添加粒径为200～300μm时,对脱硫石膏流化性能的改善反而不如球形度较差的石英砂。(5)在实验研究的基础上,分析了石膏细颗粒聚团的机理,建立了石膏细颗粒聚团模型,并基于所建立的细颗粒聚团模型对石膏聚团颗粒的粒径进行了预测,预测结果表明：在添加不同质量比例和粒径的石英砂和河砂组分条件下,天然石膏和脱硫石膏的流化聚团尺寸要比没有添加组分的天然石膏和脱硫石膏单独流化形成的聚团尺寸要小很多；在实验范围内,未添加组分时天然石膏和脱硫石膏的聚团粒径分别为10.7mm和14.7mm,而在添加最佳质量比例和最佳粒径的组分条件下,石膏聚团粒径分别为5.0mm和4.4mm。实验和预测结果均表明添加颗粒组分法是改善石膏细颗粒流态化质量的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 流态化的基本特征和流型分类
• 1.2.1 流态化现象
• 1.2.2 最小流化速度
• 1.2.3 流化床反应器的流型及流型转变
• 1.2.4 流化床的组成及其优缺点
• 1.3 粘性颗粒的特性及其对流态化影响
• 1.3.1 Gerdart颗粒分类法
• 1.3.2 粘性颗粒的定义与分类
• 1.3.3 粘性颗粒的团聚特性及其原因
• 1.3.4 粘性颗粒流态化研究进展
• 1.4 改善气固流化性能的方法
• 1.4.1 外力场法
• 1.4.1.1 机械振动流态化技术
• 1.4.1.2 声场流态化技术
• 1.4.1.3 磁场流态化技术
• 1.4.1.4 添加内部构件技术
• 1.4.2 本征流态化方法
• 1.5 添加组分作用下粘性颗粒的流态化
• 1.5.1 对添加组分种类的研究
• 1.5.2 对添加组分添加量的研究
• 1.5.3 对添加组分粒径的研究
• 1.6 流化质量的评价方法
• 1.6.1 床层塌落法
• 1.6.2 床层空隙率波形分析法
• 1.6.3 床层整体膨胀和理想膨胀曲线分析法
• 1.6.4 床层微观摄像分析法
• 1.6.5 双光纤床层空隙率信号相关分析法
• 1.6.6 床层压降曲线法
• 1.7 本文主要研究内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 流态化实验装置和方法
• 2.1 流态化实验装置与系统
• 2.1.1 流化床本体
• 2.1.2 流化气供应与控制系统
• 2.1.3 压力采集与测试系统
• 2.1.4 排气净化装置
• 2.2 实验原料
• 2.2.1 细颗粒石膏
• 2.2.2 添加物及其组分分类
• 2.3 实验方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 单组分颗粒在流化床中的流态化实验研究
• 3.1 大颗粒在流化床中的流态化
• 3.1.1 石英砂的流态化
• 3.1.2 河砂的流态化
• 3.2 细颗粒在流化床中的流态化
• 3.2.1 天然石膏的流态化
• 3.2.2 脱硫石膏的流态化
• 3.3 本章小结
• 第四章 粘性颗粒添加组分流态化实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 添加组分对天然石膏流态化特性的影响
• 4.2.1 天然石膏与石英砂混合物的流态化
• 4.2.1.1 流态化实验现象的描述
• 4.2.1.2 石英砂添加量对天然石膏流化特性的影响
• 4.2.1.3 石英砂粒径对天然石膏流化特性的影响
• 4.2.1.4 石英砂粒径和添加量对天然石膏最小流化速度的影响
• 4.2.2 天然石膏与河砂混合物的流态化
• 4.2.2.1 流态化实验现象的描述
• 4.2.2.2 河砂添加量对天然石膏流化特性的影响
• 4.2.2.3 河砂粒径对天然石膏流化特性的影响
• 4.2.2.4 河砂粒径和添加量对天然石膏最小流化速度的影响
• 4.2.3 天然石膏添加组分流态化总结
• 4.3 添加组分对干法脱硫石膏的流化特性的影响
• 4.3.1 干法脱硫石膏与石英砂混合物的流态化
• 4.3.1.1 流态化实验现象的描述
• 4.3.1.2 石英砂添加量对干法脱硫石膏流化特性的影响
• 4.3.1.3 石英砂粒径对干法脱硫石膏流化特性的影响
• 4.3.1.4 石英砂粒径和添加量对脱硫石膏最小流化速度的影响
• 4.3.2 干法脱硫石膏与河砂混合物的流态化
• 4.3.2.1 流态化实验现象的描述
• 4.3.2.2 河砂对干法脱硫石膏流化特性的影响
• 4.3.2.3 河砂粒径对干法脱硫石膏流化特性的影响
• 4.3.2.4 河砂粒径和添加量对天然石膏最小流化速度的影响
• 4.3.3 脱硫石膏添加组分流态化总结
• 4.4 本章小节
• 第五章 细颗粒流化聚团机理及聚团大小预测
• 5.1 颗粒间的作用力
• 5.1.1 范德华力
• 5.1.2 静电力
• 5.1.3 毛细管凝聚力
• 5.1.4 颗粒间粘性力总体分析
• 5.2 颗粒受到的外力
• d'>5.2.1 曳力F_d
• g'>5.2.2 表观重力F_g
• c'>5.2.3 碰撞力F_c
• 5.3 流化过程中二次聚团大小的估算
• 5.3.1 未添加惰性大颗粒时流化过程中二次聚团大小的估算
• 5.3.2 添加石英砂时流化过程中二次聚团大小的估算
• 5.3.3 添加河砂时流化过程中二次聚团大小的估算
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 致谢