超临界水循环流化床反应器提升管两相流动传热特性及机理研究

In order to improve the efficiency and capacity of a single reactor, we proposed supercritical water circulating fluidized bed reactor (fast fluidization) for coal/biomass gasification in this project, which is based on our early invention of supercritical water bubbling fluidized bed reactor and also refer to the development of traditional fluidized bed.We will use DEM-LES method to obtain the detail information of flow, particle diffusion, gas-solid mixing, particle clusters dynamics, and RTD of solid particle in the riser. We also reveal the mechanisms of the effects of fluid pulsation on particle, effects of particles on turbulence, and develop the model of heat transfer and turbulence.The study in this project is focus on two-phase flow and heat transfer in the supercritical water circulating fluidized bed riser, which is the two-phase flow and heat transfer under extreme conditions of high temperature, high pressure and thermophysical properties with drastic change. The study in this project is not only a frontier direction of multiphase flow, but also provides directly experiment data and theory for the design of the supercritical water circulating fluidized bed reactor, which has very important value for science and application.

本项目借鉴传统流化床发展思路，并在前期发明的超临界水鼓泡流化床气化反应器的基础上，提出采用超临界水循环流化床（快速流态化）气化新工艺，提高单个反应器的效率和处理能力。项目拟从流化床内两相流动传热的基本规律出发，通过实验研究快速流态化操作条件、提升管床层宏观/微观床层结构，空隙率、压力等参数的信号特征以及床层-壁面传热特性。采用DEM-LES方法获得各部件流动细节、颗粒扩散、气固混合、颗粒团动态特性等微观信息以及固体颗粒在提升管中停留时间分布规律，揭示超流体脉动对颗粒运动的影响以及颗粒对流体湍流的调制机理，发展颗粒传热、湍流模型。本项目拟开展的超临界水循环流化床反应器提升管两相流动传热特性及机理的研究属于高温高压、变物性等极端条件下“气”-固两相流动与传热问题，不仅是当今国际多相流研究的前沿方向，也将为超临界水循环流化床反应器的设计提供直接的实验和理论依据，具有重要的科学与应用价值。

超临界水循环流化床反应器作为一种新型工艺，是能够缓解能源危机、实现煤炭清洁高效利用的很有前景的技术。而充分了解超临界水循环流化床提升管中的两相流动传热特性是合理设计超临界循环流化床反应器的基础。本项目围绕超临界水流化床提升管开展了实验与数值模拟研究，研究了超临界水循环流化床提升管两相流动传热特性及机理，得到了提升管床层宏观/微观床层结构，空隙率、压力等参数的信号特征以及床层-壁面传热特性等重要参数。. 项目设计并搭建了常态循环流化床实验装置，揭示了不同尺度信号在提升管不同轴向位置处的变化规律，以此为基础设计并搭建了超临界水循环流化床实验装置。通过实验研究了超临界水流化床内鼓泡和节涌的动力学特性，获得了超临界水流化床内的最小节涌态流化速度（Ums）关联式，并揭示了超临界水流化床中床层与壁面传热机理，获得了表观流速、温度、压力等对传热系数的影响规律和传热系数拟合关联式。通过数值模拟获得了超临界水循环流化床提升管内部空隙率分布、流场分布、颗粒速度、介尺度流动结构等细节信息，揭示了不同操作参数对超临界水循环流化床两相流动特性的影响规律，建立了煤在三维超临界水流化床反应器中气化制氢的MP-PIC反应流模型，并开发了基于CFD-DEM框架下的等热流边界条件，揭示了超临界水流化床壁面附近的颗粒停留时间分布规律，获得了孔隙率分布，床层温度分布等因素对超临界水流化床中传热特性的影响规律。这些工作加深了对超临界水流态化的多相流动规律的理解，推动了超临界水流化床床层-壁面传热模型的发展，对超临界水循环流化床反应器设计和优化具有重要指导意义。