流化床式篩分機中氣泡特性的數(shù)值模擬

李 玲, 惠建明, 楊東偉, 耿秋紅, 郁鴻凌

(1.上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093;2.無錫億恩有限公司,無錫 214400)

流化床式篩分機中氣泡特性的數(shù)值模擬

李 玲1, 惠建明2, 楊東偉1, 耿秋紅2, 郁鴻凌1

(1.上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093;2.無錫億恩有限公司,無錫 214400)

采用流化床式篩分機,針對煤料在流化床內(nèi)流化時的鼓泡篩分特性,以Eulerian多相流模型,對篩分機的單粒徑顆粒氣固兩相流動進行模擬,得出了篩分機內(nèi)某一截面的固相體積份額分布圖和不同截面的氣泡分布圖.為求證最佳流化速度,共設計了4組不同入口氣速的工況.根據(jù)4組數(shù)值模擬結果,分析得出篩分機內(nèi)最佳流化速度為0.96 m/s.通過比較4組工況的流化效果發(fā)現(xiàn),當流化速度為1.36 m/s時,氣泡最多,因而該工況最具有代表性,可用來研究篩分機的鼓泡特性.研究結果表明,篩分機的鼓泡具有隨機性和不均勻性.

篩分機;數(shù)值模擬;顆粒;鼓泡

我國是焦炭生產(chǎn)和消費大國,據(jù)統(tǒng)計,我國焦化產(chǎn)業(yè)年總生產(chǎn)值約8000億人民幣,在我國國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位[1].我國煉焦用煤年平均含水量達11.5%左右,使得煉焦過程消耗大量能源,致使年產(chǎn)生煉焦廢水近4150 t.因此,焦化行業(yè)被國家列為節(jié)能降耗的重點行業(yè).

煤調(diào)濕工藝(coal moisture control,CMC)亦是“煉焦裝爐煤水分控制工藝”的簡稱,將煉焦煤在裝爐前通過加熱的方法除去煤中部分水分,使煉焦煤水分控制在6%左右,然后裝爐煉焦.通過煤調(diào)濕工序后,每降低1%的水分,可以節(jié)約煉焦能耗67 kJ/t焦,同時提高了入爐煤的堆積密度,不僅顯著改善了焦炭質(zhì)量,而且提高了焦炭產(chǎn)量,還可以減少焦化廢水的產(chǎn)生,實現(xiàn)降低煉焦成本,達到節(jié)能減排的目的[2].

針對機械式篩分設備存在的缺點[3-4],并結合煤調(diào)濕工藝的要求,本文提出采用流化床式篩分機.流化床在能源領域有著十分廣泛的應用,涉及的多相流動長期以來成為國內(nèi)外倍受重視的研究領域[5].固體顆粒流態(tài)化是極其復雜的兩相流動系統(tǒng),其動態(tài)難于盡察,實驗方法較難全面測量.采用計算流體力學的方法為對流化床式篩分機內(nèi)的氣固流動行為進行模擬,對于篩分機的設計、放大及優(yōu)化有重要的指導作用,成為實驗研究手段的重要補充[6].本文針對煤料在流化床內(nèi)流化時的鼓泡篩分特性,采用比表面平均粒徑顆粒群在流化床式篩分機內(nèi)氣固兩相流動進行模擬,分析研究篩分機內(nèi)固相體積份額的分布狀況,來確定篩分機對煤料的篩分效率.

1 流化床式篩分機簡介

在入爐煉焦煤備煤工藝流程中,根據(jù)煤的含水量與煤的粒徑成反比原理,應用流化床梯級篩分技術,實現(xiàn)了對煤料選擇性粉碎,避免了過度粉碎和重復加熱,使得50%左右的含水率較低的大顆粒煤無需調(diào)濕,直接進入破碎機進行粉碎,既節(jié)約了破碎機電耗,也節(jié)約了調(diào)濕所需能耗.本文提出的新型煤料顆粒篩分機如圖1所示,模型簡化示意圖分別如圖2和3所示.篩分機結構呈流化床形式,根據(jù)不同煤顆粒粒徑對應不同臨界流化速度的原理,通過不同的流化速度在流化床內(nèi)形成顆粒分層,來實現(xiàn)煤顆粒度的篩分.

圖1 篩分機示意圖Fig.1 Sieving machine schematic

圖2 前視圖截面Fig.2 The section of front view

圖3 左視圖截面Fig.3 The section of left view

2 數(shù)值模擬部分

2.1 數(shù)學模型

采用Eulerian多相流模型,分別建立氣相和固相的連續(xù)方程和動量方程,且基于顆粒動力學理論建立封閉方程.

a.連續(xù)方程[7].

根據(jù)氣相和固相的質(zhì)量守恒可得兩相的連續(xù)方程

式中,ε,ρ,u分別為體積份額、密度和瞬時速度;下標g,s分別表示氣相和固相.由于兩相互不相容,所以兩相體積份額關系為

氣體的密度是溫度的函數(shù),根據(jù)篩分機一般在常溫下運行,所以流場中的氣相可看作是理想氣體,根據(jù)理想氣體方程,有

式中,R是氣體常數(shù);P,T分別是氣體的壓力和溫度.

b.動量方程.

根據(jù)氣相和固相的動量守恒,可以得到式中,τg,τs分別為氣相和固相的壓力應變張量;β為氣固兩相間動量交換系數(shù);Ps為固相顆粒間的相互碰撞引起的顆粒相壓力.

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用的篩分機結構型式為流化床式,截面呈上寬下窄的倒梯形.受計算機內(nèi)存限制,將篩分機的長、寬、高按3∶1的比例縮小,其計算模型的長、寬、高分別為3.33,0.83,1.42 m.截面形狀和布風板結構保持不變,因此篩分機的流動特性不會改變.

床體最大的網(wǎng)格單元為20 mm,考慮到風孔的幾何尺度很小,直徑僅有4 mm,且布風板附近的速度梯度較大,所以在布風板面及其附近區(qū)域生成1 mm的網(wǎng)格單元和5層棱柱邊界層,布風板上的面網(wǎng)格如圖4所示.其余壁面生成3層棱柱邊界層,劃分完成后共生成5 853 924個網(wǎng)格單元.

圖4 布風板面網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of ventilation panel

2.3 計算方法及邊界條件

采用Eulerian模型[8]對篩分機進行模擬計算,用基于壓力的求解器,壓力和速度的耦合用SIMPLE算法在多相流中擴展的PC-SIMPLE(phase coupled simple)算法.連續(xù)方程的離散采用QUICK格式,動量方程離散采用一階迎風格式,時間項離散采用一階隱式.模擬用到的物性參數(shù)和模擬參數(shù)見表1[9-10].

表1 物性參數(shù)和模擬參數(shù)Tab.1 Physical parameters and simulation parameters

a.初始條件.

設篩分機內(nèi)各相初始速度為零;顆粒相的初始體積份額εs0=0.56;初始靜態(tài)料層高度h0=1 m;選取的煤樣平均直徑dP=1.54 mm;操作壓強Pop=101 325.0 Pa;重力加速度方向是y軸的負方向;操作環(huán)境密度設為定值ρop=1.225 kg/m3.

b.邊界條件.

為求證最佳的流化速度,設計4組不同入口氣速的工況,詳見表2.入口面風孔處采用氣相速度入口邊界條件,出口使用混合相壓力出口邊界條件.其中流化速度以布風板面積為計算依據(jù).

表2 4組計算工況Tab.2 Four groups of calculation conditions

3 結果及分析

3.1 4組工況計算結果比較

圖5(a)—(e)分別是靜態(tài)床層和4組不同工況下流化了5 s后得到的z=0.049 62 m截面上顆粒體積份額分布云圖.其中x,y,z分別為長度、高度和厚度方向;u為流化速度.

圖5 z=0.049 62 m截面顆粒體積份額圖Fig.5 Particle volume share at the section when z=0.049 62 m

從圖5(b)可以看出,當流化速度為0.84 m/s時,床層幾乎沒有氣泡出現(xiàn),處于散式流化狀態(tài),與圖5(a)比較可知,此時的床層高度比靜態(tài)床層高,說明在該流化速度下顆粒的平均體積份額由初始狀態(tài)的0.56下降到0.388～0.42之間,床層的膨脹比也較大.當流化速度為0.96 m/s時,在風孔出口處形成許多細密的小氣泡,但小氣泡未能進一步長大并上升,所以在床層中未出現(xiàn)明顯的氣泡(氣泡的分界為εs≤0.1,即床層中顆粒體積份額小于等于0.1處可視為氣泡),此時床層處于散式流化和聚式流化的臨界狀態(tài).當流化速度為1.14 m/s時,風孔出口處形成的小氣泡合并長大并上升,床層中開始出現(xiàn)少量的氣泡,床層表面則有大量的大氣泡,此時屬于鼓泡床.

當流化速度為0.96 m/s和1.14 m/s時,由圖5(c)和(d)可知床層仍具有較大的膨脹比.當流化速度繼續(xù)增加到1.36 m/s時,由圖5(e)可見,床層中有大量的氣泡,這些氣泡大且均勻,大多呈圓形,均勻地分布于截面上.此時由于床層顆粒受到氣泡的擠壓,使床層中局部地方的顆粒體積份額上升,明顯高于初始體積份額0.56,但是這一擠壓正好抵消了氣泡所占的體積,所以床層并沒有發(fā)生明顯的膨脹,但在稀相區(qū)顆粒的濃度較高.

通過對4組工況的流化效果比較可知,當流化速度較低時,床層中沒有形成氣泡,此時處于散式流化狀態(tài).隨著流化速度的增加,床層中逐漸出現(xiàn)氣泡,流化狀態(tài)逐漸由散式流化轉(zhuǎn)變?yōu)榫凼搅骰?即變成了鼓泡床.

當流化速度達到1.14 m/s和1.36 m/s時,稀相區(qū)有大量顆粒被流化風帶走,理論上中等粒徑的粒子是不應被流化風帶走的,所以流化風速不能超過1.14 m/s.綜合4組工況的流化效果,流化速度為0.84 m/s時的流化效果不如0.96 m/s時好,所以,流化速度為0.96 m/s時,流化效果最佳.

3.2 篩分機的氣泡特性

由上述4組工況的流化效果對比可知,流化速度為1.36 m/s時,氣泡最多,因而最具有代表性,故以工況4為例來研究篩分機的鼓泡特性.模擬結果如圖6所示.

圖6 u=1.36 m/s時不同截面的氣泡分布Fig.6 The bubble distribution at different sections when u=1.36 m/s

圖6(a)—(c)顯示了x軸方向不同截面上氣泡的分布情況.圖6(a)的大氣泡靠著壁面;圖6(b)的大氣泡距壁面有一定的距離;圖6(c)的大氣泡在床層的正中間位置(右邊界為對稱面).由此可見,篩分機的鼓泡是隨機的.

圖6(d)—(f)顯示了z軸方向不同截面上氣泡的分布情況.其中,圖6(d)所示截面上氣泡數(shù)量最多且分布均勻,因為該截面位于兩相鄰風管間,這里的局部流化風量較大,所以能形成較多的氣泡.且該截面上的氣泡在布風板附近形成后開始上升,這些氣泡大多近似圓形.由于篩分機沒有內(nèi)部構件,氣泡在上升過程中不斷合并,速度也逐漸增大,因而氣泡攜帶的顆粒也具有較大的速度.圖6(e)所示截面位于風帽處,即風管的頂部,該處獲得的流化風量較少,故氣泡較稀疏.圖6(f)所示的截面位于風管和壁面之間,這里的局部風量僅為圖6(d)所示截面處的一半,所以該截面上在風孔出口處形成的氣泡由于缺乏動力難于上升,因而其床層中的氣泡最少.可見,篩分機的鼓泡具有不均勻性.

4 結 論

采用ANSYS FLUENT 14.5的Eulerian多相流模型,基于壓力的PC-SIMPLE算法,以兩相流體動力學理論為基礎,數(shù)值模擬了篩分機內(nèi)單粒徑顆粒氣固兩相流動.數(shù)值模擬的結果表明,在本文模擬邊界參數(shù)條件下(粒徑1.54 mm),流化速度為0.96 m/s時的流化效果最好,流化速度高于0.96 m/s的兩個工況模擬都出現(xiàn)了顆粒揚析被帶走的情況;篩分機的鼓泡具有隨機性和不均勻性.

[1] 于振東,鄭文華.現(xiàn)代焦化生產(chǎn)技術手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

[2] 譚紹棟,施沛潤.煤調(diào)濕技術在柳鋼應用的思考[J].柳鋼科技,2009(2):11-14.

[3] 譚兆衡.國內(nèi)篩分設備的現(xiàn)狀和展望[J].礦山機械, 2004(1):34-37.

[4] 劉斌,劉超,李先鋒.貴州黔西石橋煤礦篩分系統(tǒng)改造技術的研究與探討[J].山東煤炭科技,2012(1): 226-227.

[5] 湯顏菲.丙烯聚合多區(qū)流化床反應器內(nèi)氣固流動行為的數(shù)值模擬[D].杭州:浙江大學,2006.

[6] 郭雪巖,柴輝生,晁東海.大顆粒流化床傳熱數(shù)值模擬與氣固傳熱模型比較[J].上海理工大學學報,2012, 34(1):81-87.

[7] Asegehegn T W,Schreiber M,Krautz H J.Influence of two-and three-dimensional simulations on bubble behavior in gas-solid fluidized beds with and without immersed horizontal tubes[J].Powder Technology, 2012,219:9-19.

[8] 高杰強.高速船舶微氣泡減阻數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[9] Johnson PC,Jackson R.Frictional-collisional constitutive relations for granular materials with application to plane shearing[J].Journal of Fluid Mechanics,1987,176:67-93.

[10] 李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

(編輯:董 偉)

Numerical Simulation on Bubble Features in Fluidized Bed Type Screening Machine

LILing1, HUIJianming2, YANGDongwei1, GENGQiuhong2, YUHongling1
(1.School of Energy and power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Wuxi En Technology Co Ltd.,Wuxi 214400,China)

Aiming at the characteristics of bubbling and sieving of coal in fluidized bed type sieving machine,based on a Eulerian multiphase flow model,the gas-solid flow of single particle size in sieving machine was studied by numerical simulation.The solid phase volume share distribution on a cross section and the distribution of bubbles on different cross sections in sieving machine were acquired.In order to identify the optimum fluidization velocity,four working conditions with different inlet gas velocity were designed.According to the simulation results of the four groups, the optimum fluidization velocity(u=0.96 m/s)was concluded.By comparing the fluidization effect of the four groups,it is found the number of bubbles is the largest when fluidization velocity is 1.36 m/s,so this working condition is the most representative to study the bubbling characteristics.The results show that the bubble in sieving machine is of randomness and nonuniformity.

sieving machine;numerical simulation;particle;bubbling

TK 173

A

1007-6735(2015)05-0500-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.015

2014-06-25

李玲(1990-),女,碩士研究生.研究方向:節(jié)能技術.E-mail:lilingusst@163.com

郁鴻凌(1953-),男,教授.研究方向:節(jié)能技術.E-mail:yuzhenyk@163.com