循环流化床中气固两相流动特性的可视化研究

　　1　前　言

　　用图像处理方法对循环流化床中的气固两相流动进行可视化研究,在化工、冶金行业已取得一定成果[1~2,9]。但锅炉行业所用的循环流化床因其宽筛分固体颗粒及配风方式、炉膛结构的特点,使得其气固两相流体动力学特性另有值得研究之处[3,5,10]。循环流化床中气固两相流体动力学特性对于床料(包括煤粒)的混合,煤粒的燃烧,气相与固相间的质交换,床料的夹带与扬析以及对受热面管的传热等均有极大的影响,而且,气固两相流体动力学特性是合理设计循环流环床锅炉的基础。因此,对其进行深入了解是非常有意义的。

　　本文通过图像处理,对循环流化床中的气固两相流动进行实验研究及理论分析,其目的是探索用一些新方法研究流态化,通过循环流化床内气固两相流体动力学特性的可视化,为图像处理技术应用到循环流化床作了有益的尝试。

　　2　实验台系统和实验过程简介

　　实验台系统由循环流化床试验台、罗茨风机、管道、流量压力测量装置、图像采集装置和辅助系统几部分组成。试验台主体是用透明的有机玻璃材料制成,便于图像采集。用树脂作为试验床料,循环运行模拟循环流化床的颗粒运动。流化床本体内尺寸为矩形200 mm×50 mm,从布风板到上升段顶部为1 200mm,侧边壁从上至下每50 mm有一小孔,共有10孔,外接橡皮管至压差测量系统。颗粒经上升段时由压差测量装置和CCD摄像机了解其中气固两相流动的变化。颗粒经上升段后通过外置分离器的分离,又被回送到流化床底部,完成循环运动。试验用不透明的塑料颗粒,形状近似球型,其筛分比如表1所示。

　　实验是对不同流量下流化床内颗粒和气泡流动特性进行研究,采用了五种一次风流量,分别为(25℃、25 kPa)18 m3/h,24 m3/h,40 m3/h,60 m3/h,68m3/h,比较了它们在同一高度下的流动状况,实验主要是在鼓泡床,湍流床,快速床阶段。此外,还着重分析了逆流返混和贴壁效应。

　　实验压力数据的采集主要是针对不同流量下不同高度处风压的变化。

　　实验中采集到的图像是在不同流量、不同高度和不同横向位置处拍摄的,而且所拍摄的图像都是连续拍摄的十五帧,通过计算机来捕捉图像,从中选出有价值的图像信息。此外还重点采集了贴壁流图像,气泡相图像。整个实验台系统如图1所示。

　　3　实验结果分析

　　3.1　鼓泡态

　　在鼓泡态可以看出密相区和稀相区有一个清晰的分界面(如图2所示)。

　　对不同高度,不同横向位置流动图像的分析,主要还是分析图像的灰度分布,进而可以归纳出流化床的颗粒分布和气泡分布。图3是实验图像及处理后的灰度图像和二进制图像(距布风板185 mm)举例。