超细粉在内循环声场流化床中的流态化

It is proposed that applying high-speed airflow (～100m/s) from the nozzle of an internally circulating fluidized bed to break ultrafine powder agglomerates, meanwhile using acoustic vibration and acoustic turbulence effects from high-intensity acoustic field (>100dB) to disperse the particles uniformly in the draft tube and fountain region, paticles of annulus in the auxiliary air and sound also a dilute suspension,with good iquidity, to ensure the particles in the stable circulation between the annulus and the draft tube and achieve steady fluidization of ultrafine powders. In this project the broken mechanism of ultrafine powder agglomerates in the gas jet will be studied firstly based on the principle of force balance, and a prediction model of agglomerates size will be established. Then, by means of the time domain and frequency domain analysis on the air velocity waveform under the action of sound wave, determine the velocity distribution, acoustic vibration and turbulence intensity, get the air flow pattern of different region in the acoustic field. Based on the above results and according to the characteristics of gas-solid two phase flow in the internally circulating fluidized bed , the motion models of gas-solid two phase flow in the acoustic field will be established, and numerical simulation and experimental studies will be implemented to reveal the mechanism of action of the acoustic field on the gas-solid two phase flow, and quantitatively investigate the relations between the motion parameters and the operating conditions, bed structure parameters, properties of ultrafine powders. Finally, by total balance of mass throughout the bed the equations calculating fluidizing characteristics will be established and the fluidizing mechanism of ultrafine powders in an internally circulating acoustic fluidized bed will be revealed. The research will provide the theoretical base and calculating method for the research and design of an internally circulating acoustic fluidized bed reactor for ultrafine powders.

提出利用内循环流化床底部喷嘴喷出的高速气流（～100m/s）破碎超细粉聚团；同时利用强声波（>100dB）的声振动和声湍流效应，使进入导流管和喷泉区的颗粒呈稀相状态均匀分散在气流中，环隙区颗粒在辅助气流和声波作用下也呈稀悬浮相，具有良好的流动性，以保障颗粒在环隙区和导流管之间稳定循环，实现超细粉的平稳流态化。本课题首先基于力平衡原理对射流场中超细粉聚团的破碎机理进行研究，建立聚团尺寸预测模型；然后通过对声波作用下气流速度波形的时域频域分析,确定速度分布及声振动和声湍流强度,得到声波作用下不同区域气流运动规律；在此基础上结合床内气固两相流特点，建立气固两相流在声场作用下的运动模型，并通过数值模拟和实验研究，定量考察不同区域气固两相运动规律。最后通过全床质量衡算，建立流化特性计算方程，阐明超细粉在内循环声场流化床中的流化规律。研究成果可为开发超细粉内循环声场流化床反应器提供理论基础和设计参考。

超细粉因具有许多大块物料所不具备的新性质与新效应，在众多领域展现出广阔的应用前景；流态化技术则由于具有较高的气固接触效率而在超细粉的表面改性处理以及超细粉的制备和应用方面表现出独特的优越性，所以研究开发超细粉流态化技术，对超细粉体技术的发展有重要意义。本课题提出利用内循环流化床底部喷嘴喷出的高速气流（～100m/s）破碎超细粉聚团；同时利用强声波（>100dB）的声振动和声湍流效应，使导流管和喷泉区的颗粒呈稀相状态均匀分散在气流中，环隙区颗粒则在辅助气流和声波作用下呈良好的流化状态，并具有良好的流动性，以保障颗粒在环隙区和导流管之间稳定循环，从而实现超细粉的平稳流态化。本课题首先采用实验测定和数值模拟方法，对内循环流化床中不同区域单相气流的速度分布与湍流强度及声波对速度分布和湍流强度的影响进行了研究，阐明了单相气流的运动规律，并发现声波可以显著提高气流的湍流强度，使环隙区和喷泉区的轴向速度分布更加均匀。然后对超细粉聚团的形成与破碎过程进行了实验研究和理论分析，提出了喷射区高速射流的剪切作用和导流管内聚团间的碰撞作用是决定聚团尺寸的主要原因，在此基础上，结合力平衡分析，建立了聚团尺寸分布的预测模型，实验验证该模型能很好地预测聚团平均直径和聚团尺寸分布。在单相气流运动规律和聚团尺寸预测模型研究成果基础上，通过数值模拟和实验研究，考察了不同区域气固两相运动规律及声波的影响，结果表明：流化气能促进粉体循环，消除环隙死区；高速射流能有效破碎聚团，显著减小聚团尺寸；声波可抑制沟流，促进气泡破碎与颗粒分散，使环隙区固含率分布变得更均匀，环隙区和喷泉区的轴向时均速度在径向上分布更加均匀，显著提高环隙颗粒的流化质量；声波的引入还能有效抑制气体的旁路，降低流型转变气速，减小环隙区最小流化速度，增大床层的操作弹性。研究成果可为开发超细粉内循环声场流化床反应器提供理论基础和设计参考。