喷动流化床不规则宽筛分颗粒非均匀气固流介尺度结构与曳力机制研究

Waste heat recovery from high temperature slag particles by spout fluidized bed is considered as an excellent method for enhancing energy utilization of molten slag, the key problem is the accurate prediction of the heterogeneous gas-solid flow characteristics for complex slag particles. According to this problem, the fundamental research on the transitions between gas-solid flow patterns and the characteristics of mesoscale cluster structures for irregular and wide size distribution particles in spout fluidized bed is conducted. Typical flow pattern maps will be plotted to obtain the critical condition between flow patterns. On this basis, the mathematical model describing the relationship between cluster density and local particle concentration, mean size, variance and irregular degree of particles will be built. The cluster diameter equation in EMMS theory will also be modified with the local heterogeneous degree. Meanwhile, the quantitative relation between system heterogeneous degree and fluidization parameter will be determined to expand the universal applicability of the proposed model. Finally, the EMMS theory will be improved and then a more credible drag model will be developed to forecast and regulate the heterogeneous gas-solid flow characteristics for irregular and wide size distribution particles in spout fluidized bed. This project will broaden the application of spout fluidized bed and provide the theoretical reference for the high efficient waste heat recovery of molten slag and enrich technology theory for industrial energy-saving areas.

利用喷动流化床回收高温粒化渣余热是一种极具潜力的提高熔渣余热利用率的方法，其实现的关键在于床内复杂渣粒非均匀气固流动特性的准确预测。本项目针对喷动流化床内不规则宽筛分颗粒的气固流动结构转变规律以及介尺度颗粒团结构特性开展基础研究。建立流动结构相图，获得流动结构转变的临界条件；在此基础上，探明颗粒团密度与当地颗粒浓度、颗粒相尺寸均值及其方差以及不规则度之间的一般规律，建立颗粒团密度模型，通过局部非均匀度修正EMMS颗粒团尺寸方程；确立系统非均匀度与流态化参数间的定量关系，拓展介尺度结构模型的流态普适性，发展和完善EMMS理论，构建更为可靠的非均匀流曳力模型，实现喷动流化床内不规则宽筛分颗粒非均匀气固流动行为的预测与调控。本项目将进一步拓宽喷动流化床的适用范围，为解决高温熔渣余热的高效回收提供可借鉴的理论与应用基础。

利用喷动流化床回收高温粒化渣余热是一种极具潜力的提高熔渣余热利用率的方法，其实现的关键在于床内复杂渣粒非均匀气固流动特性的准确预测。项目前期针对实验物料的制备方法，探索了实验物料的转盘离心造粒方法，建立了能表征全转盘域内薄液膜稳态流动特性理论模型，实现了全转盘域内径向液膜厚度分布、径向速度三分区行为、水跃发生半径以及水跃高度的准确预测与调控；提出了以临界转变系数表征液膜在转盘边缘破碎转变的临界条件，明晰了临界条件影响机理；建立了黏性力与表面张力耦合作用下，适用于牛顿型高黏流体、低黏流体以及非牛顿流体呈纤维状破碎时的纤维数量、纤维长度以及纤维直径预测模型，明晰了纤维主要呈短波模式破碎，波长为纤维直径的3.15倍；考察了液膜流动行为以及冷却风量对颗粒尺寸、形态以及产率等的影响。明确了二维矩形喷动流化床内可呈现内部射流、喷动、流化、喷动流化、鼓泡射流流化、腾涌射流流化以及不稳定流动等流动结构，建立了复杂颗粒的流动结构转变相图，明晰了其典型特征以及颗粒粒径、密度、颗粒长径比、二元混合颗粒对流动结构转变的影响；构建了复杂颗粒最小喷动速度、最小喷动流化速度、最大喷动压降等宏观气固流动特征的准确预测模型；定义非均匀系数修正了颗粒团密度方程，揭示了颗粒团密度与当地颗粒浓度以及颗粒相特征间的一般规律，修正了EMMS模型颗粒团尺寸方程，构建了复杂颗粒非均匀流曳力模型。喷动流化床内存在分区与混沌两种团聚模式，团聚起始于床层底部形成的气泡以及破裂，分区模式产生于床层底部较大气泡，而混沌模式起始于小气泡，床层中上部存在环形、马鞍形和条形等典型颗粒团结构。发展和完善了EMMS理论，构建了更为可靠的非均匀流曳力模型，实现喷动流化床内不规则宽筛分颗粒非均匀气固流动行为的预测与调控。本项目进一步拓宽了喷动流化床的适用范围，为解决高温熔渣余热的高效回收提供可借鉴的理论与应用基础。