建立在中国科学院过程工程研究所多相反应开放研究实验室实验大厅的气固两相流反应系统实验平台是世界上目前最具特色的气固两相流实验平台,它由1套在先进完备的仪表监测和控制下的半工业规模的循环流化床冷模实验装置和1套大型下行床冷模实验装置组成。它们原建于世界上著名的瑞士联邦理工大学过程工程研究所,在著名的循环流化床工业应用开拓者Lothar Reh教授领导下,于1988年开始建立,经过不断地改进和完善,到1999年形成目前规模的完整的实验系统。在此期间,实验装置运行了大约8000小时,利用与装置配套的包括激光光纤探头、动量探头和g-射线工业CT等先进的检测仪器,在循环流化床系统的气固两相流体动力学、传热和传质过程等方面开展了内容广泛的实验研究,建立了包括近20,000时间序列实验数据的循环流化床实验数据库。目前ALSTOM Power Boilers Ltd., Los Alamos National Laboratory, Outokumpu Lurgi Metallurgie GmbH, von Roll Environmental Technology Ltd.,WULFF Deutschland GmbH等10家著名的公司和研究所已成为CFB实验数据库的特许用户,在他们的开发和设计中得到了关于CFB的数据服务。
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根据中国科学院过程工程研究所和瑞士联邦理工大学过程工程研究所于 2000年10月4日签署的在过程工程领域的合作协议,于2001年3月将上述实验装置运到了北京,2002年5月将其重建在了中国科学院过程工程研究所多相反应开放研究实验室的实验大厅内,2002年10月完成了仪表和采样控制系统的调试及联动试车。 2002年10月31日~ 11月2日邀请包括CFB实验数据库特许用户在内的近30位中外专家学者举行了研讨会,庆祝装置重建的完成,将包括CFB数据库在内的实验装置的所有和管理权交给了中国科学院过程工程研究所。
重建后的循环流化床实验装置的特点和主要技术指标如下:
![](http://emms.mpcs.cn/res_base/emms_mpcs_cn/upload/article/image/2011_2/6_17/fs8xgp1ak6ng.jpg) | - 半工业规模,所有设备均为钢制,分段组装,提升管内径 411 mm, 下降管内径 326 mm, 装置总高 12.43 m,提升管和下降管均比瑞士原设备加高了 2.3 m,从一次风入口算起提升管高度为 10.7 m。一次风机的最大风量为 500 m3/h,二次风机的最大风量为 6500 m3/h,提升管内的表观气速最大可达到 13 m/s。
- 装备有完备先进的监测和控制仪表,整个装置装有80余套常规压力、压差、温度、流量和功率测量仪表,8个自动控制回路。这些仪表在一套基于以太网的分布式计算机采集和控制系统的在线管理下工作,使整个系统在各种工况下达到平稳运行,通过采集到的数据可以掌握系统的运行状态,例如固体循环量、提升管和下降管中的轴向压力分布和温度分布,以及旋风分离器分离效率等。
- 沿提升管设有6个测量段(每个测量段高度为 350 mm),可以分别从各个测量段的4个方位角方向的8个不同的径向位置进行实时的光纤和动量测量,根据测量结果不仅可以得到在各个测量段高度上固体浓度、速度和动量沿径向的时均分布,而且可以了解它们对于操作参数变化的动态响应。利用即将配备的采用第3代扫描方式的X-射线工业CT系统可以对各观察段进行无扰动的径向时均固体浓度分布测量,利用该系统提供的直接数字化透视扫描功能还可以以最快1 ms的速度采集管内两相流运动的透视图,了解颗粒运动的动态过程。
- 沿提升管设有3个热管加热段(每个加热段高度为 700 mm),利用夹套中的饱和蒸汽可以将提升管中的两相流体加热到约 70°C,从而测定提升管壁面到循环流化床的传热系数。借助装置配备的臭氧发生器和臭氧分析仪,可以对床内的混合分散过程、传质过程、以及臭氧分解反应过程开展实验研究。
- 可以将实验过程中采集到的实验数据导入由Oracle 8.1.6数据库管理系统管理的CFB实验数据库中,为从事CFB研究、设计和开发的特许用户提供数据服务,并可为验证和完善CFB设计和计算软件包提供支持和服务。
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利用重建后的循环流化床实验装置可以开展以下各方面的基础和应用研究:
- 针对不同种类的固体物料体系、不同的平均粒径和粒度分布,在广泛的操作参数(例如表观气速、床填充量和固体循环速率)范围中描述循环流化床中固体的流动、混合、分散、和内外循环规律;
- 通过对实时测量的两相流流动变量涨落与固体循环流率、壁面到流化床传热系数等的关联,了解循环流化床内的动态过程;
- 根据特许用户的特殊要求,扩充和完善循环流化床实验数据库,为用户在循环流化床方面的研究、设计和开发工作提供数据服务;
- 对循环流化床计算和设计软件包的验证和完善提供支持。
重建后的下行床实验装置的特点和主要技术指标如下:
- 大型冷模,下行床直径 300 mm,有机玻璃下降管长度 3.2 m,固体最大加料量 5000 kg/h,气体最大通入量 6500 m3/h。在能形成稳定均匀的气固两相流的前提下,两相流最大的固体负荷为 35 kg固体/kg气体;
- 采用特殊设计的流化床加料器,保证无脉动的稳定加料,加料器出口的最大固体流率为 500 kg/m2s;
- 采用充气的内构件、文丘里管分散器和分散气混合器等多种措施,在极短时间内形成稳定均匀的气固两相流;分散气混合器的最大分散气体通入量为 6500 m3/h;在采用文丘里管分散器时,文丘里管喉部最大表观气速可达到 90 m/s;
- 整个系统在一套基于以太网的分布式计算机采集和控制系统的在线管理下工作,在一定范围内调节并稳定固体和分散气体加料量,形成固体负荷在0.4~ 35 kg固体/kg气体范围的气固两相流;
- 在下降管的各个高度利用X-射线工业CT系统和电容断层ECT系统对管内气固两相流的固体浓度分布进行无扰动测量,辅之以激光光纤探头的固体浓度和速度测量,深入了解两相流的流动和分散。
利用重建后的下行床实验装置可以开展以下各方面的基础和应用研究: - 考察和研究各种快速形成稳定均匀的气固两相流的技术;
- 重点研究下行床加速段中固体的分散和运动规律。
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