鼓泡流化床風(fēng)室及分布板區(qū)域流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

鄭 磊，劉建坤，李曉偉，王貴路，李明鶴，張大雷

（遼寧省能源研究所，遼寧 營(yíng)口 115003）

鼓泡流化床風(fēng)室及分布板區(qū)域流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

鄭 磊，劉建坤，李曉偉，王貴路，李明鶴，張大雷

（遼寧省能源研究所，遼寧 營(yíng)口 115003）

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)采用切向進(jìn)風(fēng)和垂直進(jìn)風(fēng)情況下不同開孔率氣體分布板的鼓泡流化床流態(tài)化特性進(jìn)行研究，模擬風(fēng)室及分布板區(qū)域的氣體流動(dòng)軌跡及其速度分布變化。結(jié)果表明：氣體在切向進(jìn)風(fēng)形式下接近層流運(yùn)動(dòng)的上升狀態(tài)，與垂直進(jìn)風(fēng)形式所產(chǎn)生的無序湍流上升狀態(tài)相比，垂直進(jìn)風(fēng)形式下氣體速度在空間分布更加均勻，受邊界條件影響所導(dǎo)致的風(fēng)室內(nèi)局部風(fēng)速過高情況較少；分布板開孔率在 0.15%～1.0%變化時(shí)，隨開孔率增大，氣體壓降逐漸減小，氣體均勻性逐漸穩(wěn)定；氣體分布板開孔率為0.5%時(shí)，氣體分布均勻性和分布板壓降較合理。

鼓泡流化床 氣體流動(dòng)特性 分布板開孔率 數(shù)值模擬

氣體分布的均勻性是影響流化床反應(yīng)器的重要因素，風(fēng)室內(nèi)氣體分布對(duì)于流體力學(xué)行為、化學(xué)反應(yīng)、熱傳遞和質(zhì)量傳遞有重要作用，是影響流化床流態(tài)化的因素之一[1,2]。流化床進(jìn)風(fēng)方式及氣體分布板有多種形式，但都應(yīng)滿足均布?xì)饬鞯幕緱l件。若氣體分布不均，會(huì)造成大顆粒在床層分布不均，形成阻力較大和阻力較小的區(qū)域，造成局部強(qiáng)烈燃燒，溫度過高，使氣化局部上移或燒結(jié)影響床層的整體流化，因此，研究流化床內(nèi)的流體流動(dòng)行為非常必要[3]。近些年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）[4-6]方法研究流化床內(nèi)三維流動(dòng)特性越來越多，但國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者采用Fluent軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬[7-9]時(shí)忽略了進(jìn)風(fēng)形式的影響，雖然在一定的范圍內(nèi)體現(xiàn)了流體的流動(dòng)情況，但數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性受到影響。本研究采用流體力學(xué)軟件Solidworks Flow Simulation，以鼓泡流化床為參照建立三維模型系統(tǒng)，研究?jī)煞N不同進(jìn)風(fēng)方式下流化床風(fēng)室及分布板區(qū)域空間內(nèi)氣體流動(dòng)軌跡特性及其分布，考察分布板開孔率對(duì)氣體布風(fēng)均勻性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 鼓泡流化床系統(tǒng)及流化介質(zhì)

鼓泡流化床系統(tǒng)（如圖1所示）包括引風(fēng)和送風(fēng)系統(tǒng)，物料燃燒系統(tǒng)，噴淋系統(tǒng)，凈化系統(tǒng)，以及壓力和流量測(cè)量系統(tǒng)。流化床主體床高3 460 mm，內(nèi)徑207 mm。鼓風(fēng)機(jī)作為鼓風(fēng)風(fēng)源，羅茨鼓風(fēng)機(jī)作引風(fēng)風(fēng)源。實(shí)驗(yàn)物料為石英砂，真實(shí)密度為2 500 kg/m3，粒徑0.25 mm（60目）。

1.2 氣體分布板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)不佳的布風(fēng)裝置可能導(dǎo)致燃燒效率降低、結(jié)渣或埋管嚴(yán)重磨損[10]，因此，布風(fēng)裝置應(yīng)滿足以下要求：（1）必須具有均勻分布?xì)怏w的作用；（2）應(yīng)有助于產(chǎn)生均勻而平穩(wěn)的流態(tài)化；（3）能盡量減輕埋管被磨蝕及沖蝕的危險(xiǎn)。本系統(tǒng)三種氣體分布板開孔采用等邊三角形布置，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 鼓泡流化床系統(tǒng)Fig.1 schematic diagram of bubbling fluidized-bed gasifier system

表1 分布板幾何尺寸Table 1 Geometry dimensions of three types of distributors

2 數(shù)值模擬

2.1 建立物理及數(shù)學(xué)模型

2.1.1 物理模型

如圖2所示利用Solidworks軟件對(duì)模擬部分進(jìn)行1:1三維參數(shù)化建模。流場(chǎng)模擬包括進(jìn)風(fēng)管、風(fēng)室、布風(fēng)板，為了減少運(yùn)算量及運(yùn)算時(shí)間簡(jiǎn)化模型，對(duì)氣體分布板上方截取至實(shí)際砂層高度。

圖2 氣體分布三維模型Fig.2 3D models of gas distribution

2.1.2 控制方程

模型采用內(nèi)流穩(wěn)態(tài)分析有限體積法，N-S控制方程，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

X方向動(dòng)量守恒方程：

Y方向動(dòng)量守恒方程：

Z方向動(dòng)量守恒方程：

湍流動(dòng)能方程κ：

擴(kuò)散方程ε：

2.2 網(wǎng)格生成

網(wǎng)格的精細(xì)度是影響結(jié)果的重要因素之一，在考慮結(jié)果與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)設(shè)備的情況下對(duì)三維模型進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分是十分重要的，將三維模型導(dǎo)入處理器中，根據(jù)模型最小尺寸0.002 mm，在分布板處采取局部初始網(wǎng)格第8級(jí)精度，整體6級(jí)精度，選取合適的網(wǎng)格精細(xì)度劃分，采用四面體網(wǎng)格，最終完成的網(wǎng)格總數(shù)共約14萬。

2.3 模擬邊界條件設(shè)置

2.3.1 進(jìn)口邊界條件設(shè)置

最小流化速率方程表達(dá)式為：

式中：Umb—最小流化速率；

F—粒徑小于45 μm的細(xì)顆粒質(zhì)量的百分比；

dp—粉體顆粒平均粒徑；

ρ—料層堆積密度；

μ—流經(jīng)床層的空截面速率。

通過最小流化速率，推算出鼓泡床進(jìn)風(fēng)噴口處目標(biāo)最小風(fēng)速約為 1.77 m/s。

2.3.2 出口邊界條件設(shè)置

采用自由出口邊界定義條件，對(duì)不可壓流動(dòng)，出口認(rèn)為是充分發(fā)展的，設(shè)置為常溫常壓。

2.3.3 風(fēng)室內(nèi)壁面條件

為減小計(jì)算誤差，定義風(fēng)室壁面為絕熱。為接近真實(shí)效果，定義固體邊界的粗糙度為真實(shí)值的最小值0.012。近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同進(jìn)風(fēng)形式的空間流動(dòng)特性

圖3是空氣通過切向和垂直于風(fēng)室兩種不同進(jìn)風(fēng)方式的氣體流動(dòng)軌跡。在垂直于進(jìn)風(fēng)方向上平均設(shè)置50個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀察其在風(fēng)室內(nèi)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，依照Solid Works Flow Simulation中所采納的粒子運(yùn)動(dòng)模型，粒子軌跡是對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行后處理運(yùn)算所得。粒子質(zhì)量和體積流量被假定為大大低于主流的數(shù)值，因此粒子運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)態(tài)對(duì)流體流動(dòng)參數(shù)的影響可以忽略不計(jì)[11]。圖3a所示空氣切向進(jìn)入風(fēng)室后，沿反應(yīng)器內(nèi)壁流動(dòng)，產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣流出現(xiàn)螺旋上升形式，更加接近壁面的層流運(yùn)動(dòng)軌跡，并從圖中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡在空間上的分布可以看出，氣體在底部停留的時(shí)間較長(zhǎng)。由圖3b可以看出，空氣垂直進(jìn)入風(fēng)室后，沖擊壁面形成部分回流，在上升階段受底部回流及進(jìn)風(fēng)口影響，使上升氣流形成充分發(fā)展的湍流形式，形成一種無序的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 風(fēng)室內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Moving tracks of air in plenum

3.2 氣體分布板開孔率對(duì)氣體流速空間分布的影響

圖4是氣體在切向和垂直進(jìn)風(fēng)時(shí)，分別采用開孔率不同的氣體分布板時(shí)風(fēng)室內(nèi)氣體流速的空間分布。由圖4可知，分別采用切向于風(fēng)室進(jìn)風(fēng)和垂直于風(fēng)室進(jìn)風(fēng)時(shí)，氣體流速的空間分布明顯不同。由圖4中的a，b和c可以看出，當(dāng)空氣介質(zhì)沿切向進(jìn)入風(fēng)室后，由于受到切向角度以及風(fēng)室影響，形成接近層流的渦旋并向上運(yùn)動(dòng)，在上升過程中，大量氣體在靠近壁面處聚集，可以看出壁面附近氣體流速與中心區(qū)域產(chǎn)生了明顯的分界線。風(fēng)室內(nèi)氣體風(fēng)速不均勻，一方面會(huì)導(dǎo)致氣體通過分布板時(shí)氣流不均勻，另一方面將造成固體顆粒難以流化，如出現(xiàn)偏流或溝流現(xiàn)象。

圖4 風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速截面Fig.4 Wind velocity section diagram of air in plenum

由圖4中的d，e和f可知，當(dāng)空氣垂直進(jìn)入風(fēng)室后,對(duì)風(fēng)室內(nèi)壁面產(chǎn)生直接沖擊，迅速產(chǎn)生回流，并在上升過程中不斷對(duì)風(fēng)室內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，形成充分發(fā)展的湍流，減小了氣體流速在風(fēng)室內(nèi)的差異，從而在空間內(nèi)形成相對(duì)穩(wěn)定均勻的氣體分布。

經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，采用切向進(jìn)風(fēng)形式時(shí)，受壁面條件影響，氣速分布不均，而采用垂直進(jìn)風(fēng)形式時(shí)，氣速分布相對(duì)均勻。以下將以垂直進(jìn)風(fēng)形式做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究以及模擬計(jì)算。

圖5是三種氣體分布板徑向平均流速截面圖。為保證模擬運(yùn)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，取氣體分布板上方10 mm處平面作為截面，以最小流化速率為參照。由圖5a可以看出，在氣體分布板中心處的風(fēng)速較高，進(jìn)風(fēng)口兩側(cè)風(fēng)速較低。主要是因?yàn)殚_孔率過低造成局部氣體聚集，床層整體流化時(shí)，氣體分布板上氣速差異過大導(dǎo)致溝流或偏流現(xiàn)象產(chǎn)生。圖5b和圖5c中開孔處氣體流速運(yùn)動(dòng)方向基本一致，氣體分布板上氣體分布均勻性明顯優(yōu)于開孔率為0.15%氣體分布板。圖5說明氣體分布板開孔率越大，氣體分布越均勻。這是因?yàn)殡S著氣體分布板開孔率增加，氣流的流通性增強(qiáng)，局部區(qū)域的氣體聚集減少，而且使用氣體分布板上小孔的均勻排列，使氣體分布更加合理，并減少了死區(qū)[12]。

圖5 風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速?gòu)较蚪孛鍲ig.5 Wind velocity section diagram of the air in plenum in radial direction

圖6是不同開孔率下氣體分布板的壓強(qiáng)變化。開孔率是影響分布板壓差，決定流體分布是否均勻的重要因素，足夠的壓降才能保證流化氣體在整個(gè)床層上均勻分布[13]，實(shí)現(xiàn)床層整體穩(wěn)定且流化狀態(tài)均勻。由圖6可知，當(dāng)開孔率為1.0%的壓差最小，開孔率為0.15%的壓差最大。表明風(fēng)室內(nèi)壓強(qiáng)受開孔率的影響，且隨著開孔率增大，氣體在風(fēng)室內(nèi)外壓差逐漸降低。在流化床設(shè)計(jì)中，分布板應(yīng)具有合理的阻力特性才能起到破壞股流而均勻分布?xì)怏w的作用，當(dāng)床層某一部分由于偶然因素使氣泡流量增大，則壓降降低，流速隨之增大，但分布板的阻力將以更大的增幅增加，從而控制流速，抑制布風(fēng)惡化，因此，若分布板壓降占總壓降比例過小將無法建立起穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)。

圖6 氣體分布板壓力Fig.6 Pressure of gas distributor

4 結(jié) 論

a）切向進(jìn)風(fēng)受切向條件以及壁面條件影響，在離心力作用下產(chǎn)生上升渦旋氣流，導(dǎo)致氣體在風(fēng)室內(nèi)壁處聚集，風(fēng)速分布不均；垂直進(jìn)風(fēng)時(shí)，氣流在壁面撞擊后產(chǎn)生湍流從而均勻分布于風(fēng)室內(nèi)?？梢姶怪边M(jìn)風(fēng)方式優(yōu)于切向進(jìn)風(fēng)方式。

b）隨著開孔率增加，氣體的流通性增強(qiáng)，所以氣體分布均勻性隨開孔率增大而增大，氣體壓差隨開孔率增大而減小。氣體分布板開孔率過低或過高都不利于床層的整體流化，開孔率過低易導(dǎo)致局部風(fēng)速過高產(chǎn)生溝流或偏流，而開孔率過高則無法得到流化所需壓降。在開孔率為 0.5%時(shí)，氣體的分布均勻性較好，壓降合適。

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Numerical Simulation of Flow Characteristics of the Wind Chamber and Distributor Perforated Area of a Bubbling Fluidized Bed

Zheng Lei, Liu Jiankun, Li Xiaowei, Wang Guilu, Li Minghe, Zhang Dalei
(Department of LiaoNing Institute of Energy Resources, Yingkou 115003, China)

Computational Fluid Dynamics (CFD) software was used to simulate the fluidization characteristics of a bubbling fluidized bed with a tangential air inlet pattern and a vertical air inlet pattern at different perforated ratios of the flow distributor. The flow trajectory and flow distribution on the change of the wind chamber and the distribution plate were investigated. The results showed that the rising gas flow was almost laminar with the tangential air inlet whereas it was fully developed turbulent with the vertical air inlet. Therefore, with the vertical air inlet pattern, the flow distribution was more uniform, and the effect of boundary conditions by local high gas speed was smaller. In the range of opening area 0.15% to 1% of the flow distributor, the flow uniformity was gradually stabilized, and the pressure drop decreased with the increase of the perforated rate. The gas distribution uniformity and pressure drop on the distributor were at reasonable values when the perforated rate was 0.5%.

bubbling fluidized bed; flow characteristic; perforated rate of flow distributor; numerical simulation

TQ545 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1001—7631 ( 2012 ) 04—0294—06

2012-08-03；

2012-08-20

鄭 磊（1988—），男，研究實(shí)習(xí)員；張大雷（1963—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，通訊聯(lián)系人。E-mail: daleizhang@163.com