本文關(guān)鍵詞：流態(tài)化下農(nóng)林廢棄物冷態(tài)流動特性研究

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【摘要】：目前,熱解技術(shù)作為農(nóng)林廢棄物的資源化利用的重要方法之一受到廣泛關(guān)注,床料與氣體之間的氣固交換和床料的混合機制影響了熱解效率。農(nóng)林廢棄物的物理性質(zhì)使其在流化床內(nèi)難以很好地單獨流化,需要加入石英砂等惰性組分作為流化介質(zhì),所以研究農(nóng)林廢棄物與石英砂在流化床內(nèi)的混合流動特性具有重要的意義。本研究借助非線性分析方法,分別在時域、頻域和相空間結(jié)構(gòu)的角度研究流化床內(nèi)生物質(zhì)與石英砂雙組份混合流動的動力學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上改進傳統(tǒng)離散單元方法-計算流體力學(xué)方法,使之適用于大尺寸的生物質(zhì)顆粒與小尺寸石英砂混合流動模擬,對雙組份流化床進行介觀尺度模擬,通過實驗與經(jīng)驗參數(shù)驗證模擬結(jié)果,并進一步分析生物質(zhì)與石英砂混合流動的氣體流動和顆粒行為等特性。將不同質(zhì)量比的成型農(nóng)林廢棄物、木桿、稻殼、玉米芯和水稻秸稈與石英砂混合,作為床料在流化床內(nèi)混合流動,表觀氣速范圍為0.072～2.31m/s,用壓差傳感器測量床內(nèi)的壓差脈動信號。采用壓法測量床內(nèi)最小流化速度,發(fā)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物含量小于8%時,不同混合比下流化床的初始流化速度差異很小,與石英砂單組份流動的初始流化速度非常接近。采用具有自適應(yīng)特點的Hilbert-Huang變換分析壓差脈動信號,研究雙組份流動頻率特征,分析雙組份混合流動內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)能量及頻率分布特征。研究發(fā)現(xiàn)有效的頻率范圍在30Hz以下,氣泡頻率主要分布在1-5Hz之間,農(nóng)林廢棄物與石英砂混合流動時信號的中低頻區(qū)都在這個范圍之間。成型生物質(zhì)與石英砂混合主頻不明顯,鼓泡床階段各階IMF的能量都不隨氣速發(fā)生明顯變化,床內(nèi)不易出現(xiàn)大氣泡,氣泡流動和顆粒行為極其復(fù)雜。床內(nèi)頻率集中在0～3Hz之間說明床內(nèi)出現(xiàn)“騰涌”現(xiàn)象。引入遞歸圖理論考察床內(nèi)流動的周期性穩(wěn)定性等特征,發(fā)現(xiàn)氣速較低時無論是石英砂單組份流動還是農(nóng)林廢棄物與石英砂混合流動,床內(nèi)氣泡尺寸較小,床內(nèi)顆粒行為占主導(dǎo)作用。隨著氣速的增大床內(nèi)出現(xiàn)尺寸較大的氣泡后,玉米芯和木桿與石英砂混合流動具有明顯的近似正(余)弦周期。建立融合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和遞歸圖理論的信號處理方法,同時在頻率和相空間的角度對信號進行分析,發(fā)現(xiàn)成型生物質(zhì)與石英砂混合流動氣泡周期性較弱,并且隨著氣速的增大不會發(fā)生明顯的變化,操作范圍較寬且利于傳熱傳質(zhì)的進行。建立適用于成型圓柱形生物質(zhì)顆粒與石英砂混合流動的DEM-CFD模擬模型。采用球元疊加法計算DEM部分,在此基礎(chǔ)上將柱形顆粒視為虛擬小尺寸球的聚合體,并借鑒體積懲罰法的思想,引入顆粒體積系數(shù)概念修正氣固作用力關(guān)系式,通過計算氣相-虛擬球體的作用力來計算柱形顆粒對氣相作用力。采用Fortran編寫程序,將改進后的DEM-CFD與MPI方法相耦合實現(xiàn)雙組分顆粒流動的并行模擬計算。通過實驗結(jié)果進一步驗證模擬的可靠性,并分析床內(nèi)顆粒行為與氣體流動特性。小尺寸球形顆粒對氣體流動影響較小,氣體在遇到柱形顆粒時流動方向發(fā)生變化,向顆粒四周流動并且隨著方向的改變氣速增大。在流化床內(nèi)由于小尺寸顆粒對氣流的疏導(dǎo)作用,柱形顆粒尾部尾渦將會消失。氣體在床內(nèi)整體上呈現(xiàn)先向中心后垂直向上再向四周流動的趨勢,顆粒在床內(nèi)會呈現(xiàn)相似的趨勢,形成一個以中心軸為對稱軸的內(nèi)循環(huán)過程。由于生物質(zhì)聚團或氣速的影響,床內(nèi)柱形生物質(zhì)顆粒的迎風(fēng)方向易形成氣泡,在氣泡中間的柱形顆粒受氣速的影響向上運動或回落。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X71

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