颗粒混合是流态化基础研究的经典课题之一。经过几十年的研究,人们已经定性地认识了流化床内颗粒混合机理,但是关于颗粒混合的定量认识很不一致。以流化床内颗粒横向扩散系数为例,不同研究者报道的实验值分散在0.0001～0.1 m2/s。随着大型循环流化床锅炉的快速发展,床层横截面不断加大,定量地认识及预测颗粒横向混合速率显得更加重要。　　 本文结合实验和数值模拟对流化床颗粒混合进行了系统深入的研究。研究结果加深了人们关于颗粒混合机理的认识,更重要的是定量地获得了颗粒混合速率随各种操作参数的变化规律,特别是流化床宽度对颗粒混合速率的影响规律,并成功地提出了一个能够预测工业尺寸流化床内颗粒横向扩散系数的关联式,弥补了人们关于流化床颗粒横向混合的定量认识的不足。本文的创新性研究成果归纳如下:　　 (1)由于流化床颗粒混合实验技术的困难性,目前有关流化床颗粒混合的详细可靠的实验数据比较匮乏。为获取三维流化床密相区颗粒横向混合数据,设计了一种新的颗粒取样装置,该装置采用由下至上的取样原理,在床层塌落后借助颗粒自身重力将床料分流到预先布置好的若干格子中,得到示踪颗粒的浓度分布。测量结果在定量上具有很好的重复性。利用该方法获取了不同实验条件下的示踪颗粒随时间和空间分布的详细数据,为定量研究颗粒混合奠定了坚实的基础。　　 (2)热颗粒示踪法是一种简便的颗粒混合测量方法,但该方法测得的温度分布与实际示踪颗粒的浓度分布有所偏差。因而,热颗粒示踪法的应用受到了限制。本文从示踪颗粒、床料和气体的质量热量传递,以及热电偶动态响应特性的角度,建立了热颗粒示踪模型,并利用上述床层塌落法获得的颗粒混合数据验证了热颗粒示踪模型的分析结果。运用改进的热示踪法,针对床料粒径分别为0.28～0.45 mm、0.46～0.6 mm、0.6～0.8 mm和0.8～1.0 mm的石英砂,在流化风速为0.32～2.22 m/s的条件下,测得Dsr的值分布在0.0002～0.0024 m2/s之间。　　 (3)应用CFD-DEM模型研究流化床颗粒混合行为,直观获得颗粒的运动和混合特性,再现了气泡在床层中上升、在床层表面爆破、气泡上升引起的乳化相下沉运动对颗粒混合的影响,提高了对颗粒混合机理的认知。将CFD-DEM和气固反应、传热传质等过程耦合,建立了基于CFD-DEM的流化床综合模型。模型追踪了流化床内每个焦炭颗粒的运动、燃烧和质量变化过程,并详细揭示了床内气体组份浓度的分布。　　 (4)提出了结合理想示踪粒子和双流体模型的方法计算颗粒扩散系数的方法,该方法结合了CFD-DEM模型和双流体模型的优点,在追踪大尺寸流化床内颗粒运动时有明显优势。将该模型预测值与CFD-DEM模型进行定量对比和验证,再运用该模型进行系统的数值实验,在流化床宽度为6.4 m时,获得了不同流化风速(0.5～4.5 m/s)、床料粒径(0.3、0.7和1.5 mm)和静止床高(0.4、0.8和1.2 m)条件下的Dsr值(分布在0.02～0.47m2/s之间)。在工业尺寸流化床内,Dsr为0.1 m2/s数量级,远大于实验室测得的值。最后,综合全文的研究结果,提出了一个能够预测工业尺寸流化床内Dsr的关联式。