隨著固體廢棄物導(dǎo)致的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題日益嚴(yán)峻,生物質(zhì)和可燃固體廢棄物(以下稱(chēng)可燃固廢)的資源化利用逐漸受到人們的重視。使用流化床對(duì)生物質(zhì)和可燃固廢進(jìn)行熱解、燃燒和氣化等熱化學(xué)處理可以實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化的同時(shí)提供熱/電等能源,因此成為資源化利用的常見(jiàn)手段。生物質(zhì)和可燃固廢多以圓柱顆粒形式與流化介質(zhì)在流化床中共同流化并發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此是一個(gè)異重/異形多組分顆粒共流化過(guò)程,具有復(fù)雜的多尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu),易發(fā)生溫度和產(chǎn)物不均從而影響處理的連續(xù)性和可靠性。這些問(wèn)題必須依靠基于多尺度流動(dòng)理論的優(yōu)化方法才能夠解決,但是現(xiàn)有研究大多數(shù)關(guān)注于圓柱顆粒共流化過(guò)程的宏觀設(shè)備尺度規(guī)律,研究結(jié)果泛用性和推廣性不強(qiáng)。對(duì)于深層次的介觀尺度和顆粒尺度機(jī)理認(rèn)識(shí)不足,對(duì)于尺度間作用的耦合和傳遞機(jī)制研究也不完善,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的需求。另一方面,測(cè)量手段的不足也制約了對(duì)于圓柱顆粒多尺度氣固流動(dòng)特性的研究,特別是稠密氣固流動(dòng)狀態(tài)下顆粒尺度運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的測(cè)量還缺乏較為可靠的方法。本文構(gòu)建了基于X光的圓柱顆粒稠密氣固流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和方法,并在此基礎(chǔ)上探索了圓柱顆粒的多尺度氣固流動(dòng)規(guī)律,建立具有普適性的跨尺度關(guān)鍵參數(shù)機(jī)理模型。主要內(nèi)容及結(jié)論如下:分別構(gòu)建了單視/雙視X光透視成像軟硬件系統(tǒng),并在這兩套系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了X光流化床空隙率測(cè)量方法、單視X光顆粒示蹤測(cè)量方法、雙視X光顆粒示蹤測(cè)量方法以及雙視X光氣泡參數(shù)測(cè)量方法,對(duì)以上方法的關(guān)鍵技術(shù)和誤差評(píng)估等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。成功測(cè)量了稠密氣固流動(dòng)條件下圓柱顆粒的三維位置、速度和姿態(tài)角度,以及氣泡尺寸和速度等以往技術(shù)難以獲得的顆粒尺度與介觀尺度運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在顆粒尺度方面發(fā)現(xiàn)了顆粒的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象并闡述了其發(fā)生機(jī)理;發(fā)現(xiàn)了圓柱顆粒位置分布、速度和姿態(tài)角度等隨顆粒形狀、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣速等宏觀操作參數(shù)的變化規(guī)律,為圓柱顆粒在共流化過(guò)程中的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)調(diào)控奠定基礎(chǔ);在介觀尺度方面,探討了圓柱顆粒性質(zhì)和操作參數(shù)對(duì)于氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律,揭示了圓柱顆粒對(duì)于氣泡的作用機(jī)理;在設(shè)備尺度方面,建立了適用于更寬工況范圍的流型劃分方式,發(fā)現(xiàn)了不同的流型轉(zhuǎn)變途徑及其變化規(guī)律,并繪制了圓柱顆粒在共流化過(guò)程中的流動(dòng)相圖。發(fā)現(xiàn)了兩種不穩(wěn)定流化模式并闡述了其發(fā)生機(jī)理。提出了理想均勻顆粒群與圓柱顆粒間的介觀尺度一維相互作用機(jī)理模型,成功采用該模型解釋了不穩(wěn)定流化、無(wú)法流化等設(shè)備尺度流化現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制,并在該模型的基礎(chǔ)上提出了部分流化(P)流型下圓柱顆粒起始(終止)流化速度的關(guān)聯(lián)式。成功實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡和圓柱顆粒間相互作用過(guò)程的直接測(cè)量以及三維重構(gòu),發(fā)現(xiàn)了顆粒性質(zhì)和操作參數(shù)對(duì)于氣泡-圓柱顆粒調(diào)控作用的影響規(guī)律;闡明了圓柱顆粒多種運(yùn)動(dòng)模式的產(chǎn)生機(jī)制,推動(dòng)了對(duì)于圓柱顆粒多尺度氣固流動(dòng)的機(jī)理性認(rèn)識(shí)。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TK229.66;TK6
【部分圖文】：

東南大學(xué)博士學(xué)位論文測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) X 光透視成像和 X 光顆粒示蹤（XPTV）等測(cè)量方法，完成設(shè)備尺度、介觀尺度和顆粒尺度參數(shù)的無(wú)擾測(cè)量。第三章開(kāi)展流化床圓柱顆粒的顆粒尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，著重探索顆粒位置、速度和姿態(tài)角度等顆粒尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第四章開(kāi)展流化床圓柱顆粒的介觀尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，重點(diǎn)探討氣泡的形成、發(fā)展和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立顆粒群的介觀尺度動(dòng)力學(xué)模型。第五章開(kāi)展流化床圓柱顆粒的設(shè)備尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，揭示操作參數(shù)和顆粒性質(zhì)對(duì)床層壓降、最小流化速度和流型轉(zhuǎn)變等設(shè)備尺度規(guī)律的影響。第六章在第三章至第五章所獲規(guī)律的基礎(chǔ)上對(duì)流化床圓柱顆粒的多尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律開(kāi)展聯(lián)合機(jī)理分析，力圖揭示尺度間作用的深層機(jī)制，提高對(duì)圓柱顆粒稠密氣固系統(tǒng)多尺度運(yùn)動(dòng)機(jī)理的認(rèn)知和研究水平。

第二章 基于 X 光的稠密氣固流動(dòng)測(cè)量方法和系統(tǒng)研究使其內(nèi)部?jī)杉?jí)間形成強(qiáng)電場(chǎng)。X 光管負(fù)極一端裝有獨(dú)立供電的燈絲（不與高壓電負(fù)極相連），正極裝有與正極相連的金屬靶。X 光管工作時(shí)，燈絲首先會(huì)被通電加熱，高溫使燈絲金屬材料電子逸出并在燈絲表面形成自由電子云，自由電子云在管內(nèi)電場(chǎng)力的作用下加速向正極金屬靶運(yùn)動(dòng)并撞擊金屬靶發(fā)生軔致輻射激發(fā)出 X 光。

其中 h 是普朗克常量，v 為 X 光頻率，U 為管內(nèi)兩端電勢(shì)差（即管電壓，單位 kV），q為檢驗(yàn)電荷大小，式（2.5）中檢驗(yàn)電荷為電子，所帶電荷量即為元電荷 e。實(shí)際上電子與金屬原子之間的相互作用復(fù)雜電子能量不能完全轉(zhuǎn)化為 X 光能量，因此 X 光管發(fā)射的 X 光能量并不均一而是呈現(xiàn)一定的分布；X 光激發(fā)的頻度則與 X 光管燈絲的功率呈正相關(guān)。這是由于 X 光管燈絲的功率越高溫度就越高，逸出的電子數(shù)量就越多，X 光的激發(fā)就越頻繁。電子由 X 光管負(fù)極向正極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)形成電流，即 X 光管電流。由前面的討論可知管電流越高說(shuō)明管內(nèi)電子數(shù)量越多，所以在管電壓保持一定的前提下 X 光管電流可以作為 X 光強(qiáng)度 I 的表征。本系統(tǒng) X 光源采用的是金屬封裝油浸絕緣水冷式 X 光管，金屬靶材料為鎢，金屬靶尺寸 0.8mm×0.8mm，靶面傾角 25°，發(fā)射錐角 9°。最高管電壓為 70kV，燈絲最高電壓 4.0V，燈絲最大電流 3.5A，最高管電流為 2.0mA，由式（2.5）可知本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)理論上可獲得的最高 X 光能量為 70keV。X 光管在工作時(shí) 90%以上的能量都以熱量的形式耗散出去，特別是陽(yáng)極金屬靶上產(chǎn)生的高溫會(huì)使金屬靶材料蒸發(fā)導(dǎo)致壽命降低。因此本系統(tǒng)的 X 光源還配備有循環(huán)水冷裝置，防止 X 光源因超溫?fù)p壞。

本文編號(hào)：2824684