流化床氣化爐氣固兩相流三維數(shù)值模擬

張 銳

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

流化床技術(shù)被廣泛應(yīng)用于燃料的燃燒、熱解、氣化等工業(yè)過程，流化床內(nèi)氣固兩相的流動特性已成為人們研究的重點(diǎn)[1-3]。流化床反應(yīng)器氣固兩相間的接觸表面狀態(tài)變化較快，顆粒大小、形狀、密度、氣流速度和湍流強(qiáng)度等都會對流化床內(nèi)氣固兩相流動特性產(chǎn)生一定影響[4]。因此，為了掌握流化床氣化爐的工作性能，人們對流化床技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。L.P.Cammarate[5]應(yīng)用 CFX4.4軟件進(jìn)行了矩形鼓泡流化床的2D與3D數(shù)值模擬的比較;Darton RC LR[6]通過2D與3D的流化床數(shù)值模擬，得到床層膨脹、氣泡尺寸與氣泡上升速率等結(jié)果;K.Papadikis[7]應(yīng)用 Fluent 6.2 進(jìn)行了流化床的 2D與3D模擬，計(jì)算了施加在顆粒上的力與顆粒的速度矢量圖，結(jié)論表明3D數(shù)值模擬對于預(yù)測流體動量、質(zhì)量與能量的傳遞更為準(zhǔn)確。本文應(yīng)用CFD軟件Fluent進(jìn)行流化床內(nèi)氣固兩相流數(shù)值模擬，并通過上述文獻(xiàn)整理選擇適合流化床氣固模擬的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行流化床內(nèi)氣固兩相流的三維模擬及對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，研究流化床內(nèi)顆粒的流動特性。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模擬方法及控制方程

目前氣固兩相的數(shù)值模擬方法可分為歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。歐拉拉格朗日方法計(jì)算量大，顆粒數(shù)量要小于106，通常應(yīng)用于機(jī)理研究。歐拉-歐拉方法將氣固兩相均視為連續(xù)相，結(jié)合顆粒動力學(xué)進(jìn)行求解[8]，顆粒的脈動動能可用顆粒溫度來表示，顆粒脈動在顆粒相中形成有效壓力、有效粘度，二者均取決于顆粒溫度。本文選用歐拉-歐拉雙流體模型結(jié)合顆粒動力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬。

大量文獻(xiàn)研究了曳力模型對氣固兩相流流動特性的影響。M.Syamlal[9]的研究表明，Syamlal-O’Brien曳力模型對床層壓降、床層膨脹與氣泡直徑的預(yù)測值偏低。李東耀[2]基于Fluent軟件進(jìn)行了流化床內(nèi)氣固兩相流模型研究，結(jié)果表明Gidaspow曳力模型與流態(tài)化原理及文獻(xiàn)結(jié)果吻合性較好。本文采用Gidaspow曳力模型。

1.2 幾何模型、邊界條件與網(wǎng)格劃分

圖1為流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。流化床直徑為0.05 m，為了減少網(wǎng)格數(shù)，節(jié)省計(jì)算時間，模型選擇布風(fēng)板上部0.5 m的空間進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分?？諝鈴牧骰蚕虏苛魅?，邊界條件為速度入口，從流化床上部流出，邊界條件為壓力出口，壓力大小為101.3 kPa。采用控制容積法離散控制方程，孔隙率選用QUICK格式，以提高計(jì)算精與相界面清晰度，其余物理量采用一階迎風(fēng)差分格式獲得，流體壓力–速度耦合基于Simple算法。利用Gambit軟件進(jìn)行流化床的三維結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格劃分，建立總網(wǎng)格數(shù)為 20 000、40 000、60 000、80 000 的流化床模型，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。結(jié)果表明:當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于40 000后，網(wǎng)格數(shù)目的增加對數(shù)值模擬的結(jié)果影響較小。最終選用總網(wǎng)格數(shù)為40 000的流化床模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1 流化床網(wǎng)格劃分

計(jì)算中的氣相選用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣，顆粒相為沙子，顆粒的平均直徑為0.5 mm，沙子真實(shí)密度為2 300 kg/m3，堆積密度為1 380 kg/m3，顆粒堆積靜止高度為0.2 m，初始固含率為0.6。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 初始流化過程固含率分析

圖2為0～1 s內(nèi)軸向截面顆粒固含率分布圖。從圖2可以看出，床層從初始狀態(tài)的靜止到穩(wěn)定流化的過程。隨著空氣不斷涌入爐膛，床層不斷膨脹，顆粒固含率不斷減小。在氣泡的上升過程中，氣泡間發(fā)生融合，在壓力下降等因素的作用下，氣泡被拉長，沖出床層后破裂，最終回落。

圖2 軸向截面固含率云圖

圖3為圖1相應(yīng)的3D固含率等值面圖(顆粒固含率ε=0.3)。由圖3可以看出，空氣涌入后，氣泡界面向上移動。在初始流化過程中，氣泡截面呈現(xiàn)為一個近似對稱的4個尖峰向爐膛上方運(yùn)動(t=0.5 s)，推動靜止床料向上膨脹，最終沖出床層(t=0.7 s)。經(jīng)過最初的1 s后，流化床內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡，床層開始穩(wěn)定流化。

圖3 軸向截面固含率等值面圖(顆粒固含率ε=0.3)

2.2 流化床瞬時固含率及流場分析

流化床模擬過程為0～6 s，本文分析第5.6 s的瞬時流場、徑向(軸向)固含率分布云圖、顆粒速度矢量圖、5.8 s的單個氣泡軸線固含率云圖、固含率等值線圖。

2.2.1 軸向固含率及顆粒流場分析

圖4a、4b為5.6 s時刻軸向顆粒固含率云圖及速度矢量圖。由圖4可知，在5.6 s時刻，流化床內(nèi)處于穩(wěn)定的流化狀態(tài)，顆粒在床體內(nèi)的分布整體呈現(xiàn)為上稀下濃、近壁面固含率高、中心固含率低的分布特點(diǎn)，顆粒在爐膛中心區(qū)域速度較高且方向向上，而在靠近壁面的地方速度較低且沿壁面向下運(yùn)動。圖4c為5.6 s時刻顆粒流線圖，可以看出顆粒瞬時的運(yùn)動狀態(tài)。顆粒呈現(xiàn)出“壁面—中心—壁面”運(yùn)動趨勢，形成爐膛內(nèi)部的內(nèi)循環(huán)。

圖4 5.6 s軸向截面固含率分布云圖、顆粒速度矢量圖及顆粒流線圖

2.2.2 徑向固含率及顆粒流場分析

圖5a、5b為5.6 s時刻(z=0.05 m，z=0.10 m，z=0.15 m，z=0.20 m，z=0.25 m，z=0.30 m)5 個截面的固含率云圖及顆粒速度矢量圖。由圖5a可以看出，在徑向方向上，顆粒固含率在流化床中心區(qū)域較稀，靠近壁面固含率較高。隨著高度的增加，顆粒的固含率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，顆粒濃度呈現(xiàn)出“上稀下濃”的分布。從圖5b的顆粒速度矢量圖看出，近壁面的顆粒向下運(yùn)動且速度較小，而在中心區(qū)域的顆粒向流化床上部運(yùn)動且運(yùn)動速度較快，結(jié)合軸向顆粒固含率分布圖及顆粒速度矢量圖，表明顆粒在流化床內(nèi)呈現(xiàn)出典型的“環(huán)—核”流動。

2.3 單個氣泡顆粒運(yùn)動

圖6a為5.8 s的Y-Z截面的固含率等值線圖，圖6b為顆粒固含率0.3等值面圍成的氣泡及等值面上的顆粒速度矢量圖，箭頭表示顆粒的速度矢量?？梢钥闯觯诠毯市∮?.1的氣泡中，顆粒速度較小，處于懸浮狀態(tài)。在顆粒懸浮區(qū)域的上部，顆粒向爐膛上方涌動，在氣泡的作用下，顆粒速度越來越快。而在懸浮區(qū)域的下部，氣泡中存在的少量顆粒在自身重力及氣體曳力的作用下向下運(yùn)動。在底部尾渦的低壓區(qū)中，較多的顆粒進(jìn)入氣泡內(nèi)部，并在氣泡的左右兩側(cè)流出。綜上所述，顆粒在氣相的曳力與自身的重力下運(yùn)動，在尾渦的作用下從氣泡尾部大量進(jìn)入，在氣泡的兩側(cè)流出。在氣泡運(yùn)動的作用下，顆粒在流化床內(nèi)完成內(nèi)循環(huán)。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用CFD軟件Fluent、雙流體模型模擬實(shí)驗(yàn)鼓泡流化床內(nèi)的氣固流動，并通過分析顆粒初始流化過程、顆粒瞬時的軸向徑向固含率、顆粒速度矢量、單個氣泡周圍顆粒的速度矢量，得到以下結(jié)論:

1)在初始流化過程中，氣泡沿壁面呈環(huán)狀尖峰向上部空間涌入，推動床層膨脹，使顆粒穩(wěn)定流化。

2)顆粒在軸向呈現(xiàn)上稀下濃的分布狀態(tài)，在徑向方向，近顆粒在壁面濃度高、運(yùn)動方向向下且速度較低，而在爐膛中部顆粒濃度低、運(yùn)動方向向上且速度較高。顆粒呈現(xiàn)由“中心—壁面—中心”的流動狀態(tài)。

3)在固含率小于0.1的氣泡中，顆粒速度較小，處于懸浮狀態(tài)，在懸浮區(qū)域上部，顆粒向爐膛上部涌動。在底部尾渦的低壓區(qū)中，較多的顆粒進(jìn)入氣泡內(nèi)部，并在氣泡左右兩側(cè)流出，顆粒在流化床內(nèi)呈現(xiàn)出典型的“環(huán)—核”流動。

[1]王建軍，李東芳，姬廣勤，等.循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬[J].鍋爐技術(shù)，2010，41(3)，21-26.

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