噴入顆粒與氣相快速混合數(shù)值模擬

秦明臣 董 勇

（山東大學(xué)，燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

化工領(lǐng)域中，反應(yīng)器入口氣體分布和氣固相混合均勻程度對(duì)反應(yīng)效率的提高起著非常重要的作用。例如氣固并流下行床反應(yīng)器催化劑入口裝置、循環(huán)流化床提升管內(nèi)的氣固混合、活性炭噴粉脫汞煙氣凈化、兩相圓孔射流顆粒噴入技術(shù)等[1-4]。

在下行床反應(yīng)器中，氣固混合、氣固下行接觸反應(yīng)、氣固快速分離3項(xiàng)操作的總過(guò)程在1 s之內(nèi)完成，由于其快速反應(yīng)的特點(diǎn)，因此要求催化劑在入口處就分布均勻，否則反應(yīng)效率和催化劑的利用都會(huì)大幅度下降[1]。在用于煙氣脫硫的循環(huán)流化床技術(shù)領(lǐng)域，循環(huán)懸浮床內(nèi)固相含量很低，入口氣體分布不均易造成流場(chǎng)組織混亂，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致流化床失穩(wěn)；氣固相混合不均易產(chǎn)生顆粒的不良團(tuán)聚、壁面結(jié)垢、反應(yīng)效率降低和床層有效空間浪費(fèi)，改善氣固混合效果對(duì)增強(qiáng)接觸反應(yīng)，提高脫硫效率起著關(guān)鍵作用[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)該問(wèn)題的研究多集中于如何使氣相流場(chǎng)分布均勻，通常采用文丘里管、整流板、導(dǎo)流葉片和中心鈍體等方式，這些研究都取得了較好的效果[6]。但氣固相混合方面的研究十分有限[7]。Liu等人的研究發(fā)現(xiàn)鈍體式內(nèi)構(gòu)件可以增強(qiáng)提升管內(nèi)邊壁區(qū)顆粒脈動(dòng)，有利于破壞邊壁區(qū)顆粒濃環(huán)，促進(jìn)顆粒的徑向混合[8]；TW Li、Chris G利用非穩(wěn)態(tài)模擬方法對(duì)循環(huán)硫化床內(nèi)氣固射流流動(dòng)進(jìn)行了很好的預(yù)測(cè)[7]；李德波采用直接數(shù)值模擬研究了顆粒噴入方法以及噴入方法對(duì)2相圓孔射流中不同直徑顆粒的擴(kuò)散特點(diǎn)[4]。

筆者設(shè)計(jì)了1種顆粒逆向噴入氣固混合裝置，并以循環(huán)流化床為例，采用發(fā)展比較成熟的Eulerian-Lagrangian方法模擬了氣固非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，分析了該設(shè)計(jì)氣固2相流場(chǎng)及其混合效果。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以煙氣脫硫循環(huán)流化床反應(yīng)器為物理模型，模型及材料屬性參照文獻(xiàn)[9]。圖1為模型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 模型尺寸Tab1Model size

煙氣由下部文丘里入口進(jìn)入，新鮮給料采用氣力輸送從給料口噴出，給料口下方鈍體起到均布顆粒的作用，錐管型整流罩用以均布?xì)饬鳎瑫r(shí)也避免了選取大型中心鈍體用以均勻流暢分布所造成的床層空間損失。一般實(shí)際結(jié)構(gòu)塔體尺寸較高，為了簡(jiǎn)化物理模型，僅對(duì)入口段1 m的距離進(jìn)行模擬，以便于觀察混合效果。

圖1 氣固混合結(jié)構(gòu)Fig 1 Schematic graph of gas-solidmixer

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究重點(diǎn)分析氣固相非穩(wěn)態(tài)混合效果，僅對(duì)冷態(tài)氣固相進(jìn)行模擬，不計(jì)能量方程，假定連續(xù)相為理想牛頓流體。顆粒相為符合Rosin-Ramm ler粒徑分布的剛性球體，最小粒徑為10μm、最大粒徑150 μm，采用拉格朗日坐標(biāo)系下的DPM模型，考慮作用于顆粒自身的重力和氣相對(duì)顆粒的曳力。

針對(duì)鈍體擾流問(wèn)題的模擬，前人經(jīng)過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，采用RNG k-epsilon湍流模型比標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型甚至大渦模型（LES）效果更好，采用非穩(wěn)態(tài)比穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10-11]。本文采用非穩(wěn)態(tài)RNG k-epsilon湍流模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。

RNG k-epsilon模型是對(duì)瞬時(shí)的Navier-Stokes方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來(lái)的模型。其湍動(dòng)能與耗散率方程形式為：

式中，ρ為流體密度，xi為坐標(biāo) （i取1、2、3），μeff為考慮低雷諾數(shù)影響時(shí)的有效粘度，t為非穩(wěn)態(tài)時(shí)間；αk和αε分別是湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生，Gb為由于浮力影響引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總湍流耗散率的影響，C1ε、C2ε、C3ε均為常系數(shù)。湍流粘性系數(shù)μ計(jì)算公式為：

其中常數(shù)Cμ=0.084 5。

1.3 數(shù)值方法

采用GAMBIT對(duì)3維模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，選用四面體和六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，總網(wǎng)格數(shù)約為5×105個(gè)，網(wǎng)格扭曲率均小于0.8，劃分結(jié)果見(jiàn)圖2，材料屬性和操作條件見(jiàn)表2。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格Fig 2 Geometricmodel and grid

表2 材料屬性和操作條件Tab 2Material properties and operating conditions

為保證求解物理意義上的準(zhǔn)確性，對(duì)流項(xiàng)采用1階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度選用SIMPLE耦合方式，顆粒與壁面碰撞反彈系數(shù)為常數(shù)0.95。時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)穩(wěn)定性從小到大進(jìn)行調(diào)整（0.001～0.02 s），先計(jì)算連續(xù)相，發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定后加入離散相顆粒。

2 結(jié)果及討論

2.1 氣相分布

由圖3知，氣體從文丘里入口進(jìn)入漸擴(kuò)段，經(jīng)過(guò)錐形管整流罩分成2股流動(dòng)。

圖3 速度大?。ㄗ?、中）和z軸向速度分布（右）Fig 3 Velocity-magnitude（left and middle）and z-velocity（right）distributions

整流罩外側(cè)流體速度增加，做類(lèi)似繞流運(yùn)動(dòng)，使得邊緣速度增加，并在上升過(guò)程一定高度范圍內(nèi)，保持近壁面相對(duì)高速流動(dòng)的特征。

馬鴻良、劉會(huì)娥等人的研究表明，近壁面流速增加，可減薄邊界層厚度，減緩壁面無(wú)滑移邊界層引起的速度滯止，從而破壞固相顆粒的環(huán)核結(jié)構(gòu)，起到防止循環(huán)流化床床層顆粒返混的作用[12-13]。然而，這種作用持續(xù)高度有限，隨著流動(dòng)的進(jìn)行，中心區(qū)速度增加，邊壁區(qū)速度下降，顆粒速度受邊壁效應(yīng)影響，行為變化更為復(fù)雜[14]。另外，外側(cè)流動(dòng)氣體類(lèi)似繞流鈍體運(yùn)動(dòng)在錐形管內(nèi)側(cè)形成一個(gè)負(fù)壓帶，負(fù)壓帶致使渦旋產(chǎn)生，渦眼沿中心軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，軸線(xiàn)處速度方向向下，這有利于顆粒的順利下落，可以防止堵塞。同時(shí)渦旋也加速的局部氣流的湍動(dòng)，使得顆粒與氣相充分混合的快而且均勻。

整流罩內(nèi)側(cè)氣流上行至鈍體處發(fā)生繞流運(yùn)動(dòng)，其作用是將鈍體上方均勻滑落的顆粒吹散開(kāi)，使顆粒迅速均布于整個(gè)截面，完成與氣相的充分混合。鈍體側(cè)渦旋只有不到0.5m的距離，相對(duì)于高達(dá)十幾米的反應(yīng)器，這段距離可認(rèn)為是在流場(chǎng)擾動(dòng)允許范圍內(nèi)。

2.2 固相分布

圖4給出了顆粒加入 0.01、0.03、0.05、0.10、0.20、0.50 s后的瞬時(shí)分布情況 （顆粒在流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定后再加入）。

圖4 顆粒分布隨加入時(shí)間的變化Fig 4 Variation of particle distribution with time

顆粒加入流化床后，沿鈍體滑落，棱形鈍體邊緣線(xiàn)即為擾流鈍體的固定分離點(diǎn)[11]。顆粒在此處被脫體繞流吹散，飛向邊緣處和外流氣體混合，至此實(shí)現(xiàn)氣固快速均混。整個(gè)過(guò)程在0.05 s內(nèi)完成，如果應(yīng)用于氣固并流下行床，相對(duì)于床層內(nèi)僅僅持續(xù)1 s的反應(yīng)時(shí)間，由于混合而造成的影響完全可以忽略[1]。并且，由于壁面處外流高速流動(dòng)，部分氣體和顆粒進(jìn)入渦旋區(qū)，使氣固混合更為均勻，并且延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間。

在循環(huán)硫化床提升管反應(yīng)器中，顆粒的徑向混合行為表征了顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)和混合，它與反應(yīng)器的徑向傳質(zhì)和傳熱密切相關(guān)[13]。本裝置中鈍體和整流罩的設(shè)計(jì)，使得氣相外側(cè)流動(dòng)以較高的速度從邊壁繞過(guò)，內(nèi)側(cè)流動(dòng)以較高的速度從鈍體邊緣繞過(guò)，產(chǎn)生氣固相較大擾動(dòng)，從而增強(qiáng)了顆粒的徑向混合與交換能力。

3 結(jié)論

通過(guò)FLUENT軟件，采用RNG k-epsilon模型、simple算法，模擬了循環(huán)硫化床反應(yīng)器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣固相混合流場(chǎng)，并將模擬結(jié)果和已有實(shí)驗(yàn)或模擬研究結(jié)論進(jìn)行了對(duì)比，模型較好地得出了反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒沿錐型鈍體順利下滑，可快速布散在整個(gè)截面，實(shí)現(xiàn)了氣固相快速混合；整流罩外測(cè)流動(dòng)有利于加強(qiáng)壁面氣流流速，破壞流化床內(nèi)的環(huán)核流動(dòng)，提高顆粒軸向混合能力；整流罩內(nèi)側(cè)繞流鈍體流動(dòng)加速了氣固相擾動(dòng)，渦旋提高了停留時(shí)間，增強(qiáng)氣固相傳質(zhì)。

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