雙組分高壓密相煤粉氣力輸送數(shù)值模擬

蔡海峰 熊源泉 周海軍 裴 宇

(東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

高壓密相煤粉氣力輸送是煤氣化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，通過對高壓密相煤粉氣力輸送的數(shù)值模擬可以獲得流場相關(guān)的各項參數(shù)和流動特性規(guī)律.因此，對高壓密相煤粉氣力輸送管道的模擬研究將有利于系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化.

實際工程中，用于氣力輸送物料的粒徑并不相同，高壓密相煤粉氣力輸送中的煤粉有一定的粒徑范圍，而不同粒徑的煤粉在其輸送過程中的流動機制和形態(tài)不同，所以，研究不同組分的煤粉粒徑對高壓密相氣力輸送的影響是十分必要[2].Jenkins等[3]假設(shè)不同粒徑顆粒具有相同顆粒擬溫度，建立了雙組分顆粒流模型.劉陽等[4]采用雙組分顆粒流模型及顆粒間本構(gòu)方程模擬了顆粒在提升管內(nèi)的流動特性.袁子規(guī)[5]采用Euler/Euler雙流體模型模擬了不同配比的雙組分顆粒在鼓泡流化床內(nèi)的流動特性.但是基于雙組分顆粒流模型對高壓密相氣力輸送的研究未見報道.

當前，國內(nèi)外主要采用單組分顆粒流模型對高壓密相氣力輸送進行數(shù)值研究.Pu等[6]耦合顆粒動理學[7-9]和土壤應力模型中顆粒摩擦力模型對水平管進行三維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗值吻合較好.胥宇鵬等[10]建立了一體化管道，研究了以CO2為輸送介質(zhì)的水平管段固相濃度分布.然而該模型未考慮物料粒徑的多樣性對管道內(nèi)氣固流動特性及管道壓降的影響.為了考慮多組分顆粒流對高壓密相氣力輸送模擬的影響，獲得更為接近真實流場的數(shù)值模擬結(jié)果，本文基于Euler/Euler雙流體模型，分析了氣力輸送過程中雙組分顆粒間的碰撞，以及湍動特性，建立了雙組分顆粒流多相動力模型，并采用該模型對一體化管道(垂直管，彎管，水平管)進行了模擬分析.

1 數(shù)學模型

1.1 控制方程

1.1.1 連續(xù)性方程

(1)

(2)

式中，αs,αg分別為氣相和固相體積分數(shù)；ρs,ρg分別為氣相和固相密度；vs,vg分別為氣相和固相速度.

1.1.2 動量方程

(3)

(4)

式中，Pg為氣相壓力；τs為應力張量；Fsg為曳力；Ksm為顆粒間作用力；g為重力加速度.

Fsg=βsg(vg-vs)

(5)

式中，βsg為曳力系數(shù)，本文采用Gidaspow等[11]提出的曳力模型，并基于如下Ergun方程及Wen&Yu阻力修正公式：

(6)

式中，μg為氣體黏度；ds為顆粒直徑；CD為常數(shù).

Ksm=βsm(vm-vs)

(7)

式中，βsm為固相作用力系數(shù)，本文采用Syamlal[12]提出的模型，即

(8)

式中，Cfr,sm為固相摩擦系數(shù)；esm為碰撞恢復系數(shù)；g0,ss為徑向分布函數(shù)；ρm為第2固相密度；dm為第2固相粒徑；αm為第2固相體積分數(shù).

本文采用Johnson等[9]提出的固相摩擦應力模型，其表達式為

(9)

(10)

(11)

式中，F(xiàn)，n,s均為系數(shù)；αs,min,αs,max分別為固相體積分數(shù)的最小和最大值.本文取F=0.1，n=2，s=5，αs,min=0.1，αs,max=0.55.

1.2 邊界條件

氣相壁面條件為無滑移.各固相壁面條件采用由Johnson等[9]提出的剪切力，即

(12)

式中，usw為顆粒相與壁面的滑移速度；φ′為鏡面系數(shù)；Θs為顆粒擬溫度.

顆粒相在壁面處的擬熱流為

(13)

(14)

式中，ug為表觀氣速；r為管道截面格點距管道圓心的距離；D為管道直徑;αs,in為固相進口濃度.

固相進口速度為

(15)

式中，Ms為固相質(zhì)量流量.

1.3 模擬參數(shù)設(shè)置

本文分別采用單組分和雙組分顆粒流的氣固多相流動力模型對褐煤的輸送試驗進行模擬.表1為煤粉物性和計算參數(shù)設(shè)置.

表1 煤粉物性與計算參數(shù)設(shè)置表

1.4 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，氣瓶中的N2進入?yún)R流排后經(jīng)減壓閥減壓進入緩沖罐.緩沖罐流出的N2分為流化風、充壓風和補充風.發(fā)料罐內(nèi)的煤粉經(jīng)流化風流化，充壓風加壓后由輸送管道輸送至接受罐.通過發(fā)料罐出口的補充風管道來調(diào)節(jié)粉體輸送過程的固氣比.在輸送管的水平彎管段、水平段、垂直管段和垂直彎管段均設(shè)有差壓變送器.其中，輸送管內(nèi)徑為φ16 mm×3 mm，輸送距離為47 m.

圖1試驗裝置圖

1—調(diào)節(jié)閥；2—稱重傳感器；3—儲料罐；4—充壓風；5—流化風；6—補充風；7—緩充罐；8—鋼瓶；9—水分調(diào)節(jié)器；10—差壓變送器；11—ECT測量裝置；12—可視段；13—信號轉(zhuǎn)換器；14—工作機

本文采用一體化計算管道(垂直管，彎管，水平管)，垂直管長為2 m，彎管曲率半徑為0.2 m，水平管長為4 m.管道截面網(wǎng)格數(shù)為180.

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 單組分顆粒流模擬結(jié)果

在一體化管道上采用單組分顆粒流的數(shù)理模型對煤粉高壓密相氣力輸送過程進行數(shù)值模擬，得到如圖2所示的水平管、垂直管、彎管截面固相濃度分布圖.

由圖2(a)可以看出：在水平管道處，截面濃度分布可以分為懸浮區(qū)域、過渡區(qū)域和沉積區(qū)域.這是由于在水平管的密相氣力輸送中，固相濃度過高，而氣相速度較低，氣相所攜帶的能量不能克服所有顆粒的重力而使顆粒處于懸浮狀態(tài).因此，必然有一部分顆粒將沉積于管道底部(沉積區(qū)域)，一部分顆粒懸浮在管道上部(懸浮區(qū)域).而且在2個區(qū)域間還存在一個過渡區(qū)域，在過渡區(qū)域中頻繁進行著質(zhì)量和能量的交換，直至達到兩者的動態(tài)平衡.同時，對比模擬結(jié)果與圖3中試驗所得ECT圖發(fā)現(xiàn)：模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.對比表2中模擬所得水平管的壓降與試驗壓降可以發(fā)現(xiàn)，壓降誤差小于20%，這驗證了模擬結(jié)果的真實可靠性.

(a) 水平管

(b) 垂直管

(c) 彎管

圖2單組分顆粒模型各管段截面處固相濃度分布圖

圖3水平管ECT圖

圖2(b)為垂直管段截面處的固相濃度云圖.由圖可以看出，固相高濃度區(qū)主要集中在管道中心區(qū)域和壁面附近區(qū)域，并且在2個高濃度區(qū)之間存在一個環(huán)形過渡段區(qū)域.這主要是因為在管道中心區(qū)域氣相速度較大，攜帶能力較強，導致氣固兩相在管道中心區(qū)域的能量交換變得更為激烈，因此固相在管道中心區(qū)域可以獲得更大的速度，所以在該處跟隨性最好.壁面處的高濃度區(qū)主要是因為壁面處存在較大的摩擦應力，導致固相速度下降.

表2 單組分和雙組分模型的計算壓降值與試驗值對比

圖2(c)為彎管截面處的固相濃度云圖.由圖可見，固相高濃度區(qū)主要存在于彎管外壁面區(qū)域，這是因為在彎管處固相受到極大的離心力作用.

2.2 雙組分顆粒流模擬結(jié)果

在一體化管道上采用多組分顆粒流的數(shù)理模型對煤粉高壓密相氣力輸送過程進行數(shù)值模擬，獲得了管道各段處截面固相濃度云圖(見圖4～圖6).對比圖2和圖4發(fā)現(xiàn)：固相濃度總體相似，但也存在一定差異性.由圖4(a)、圖5(a)和圖6(a)水平管截面處固相濃度分布可見，大顆粒主要沉積于管道底部，而小顆粒卻懸浮于大顆粒沉積區(qū)域上部.

(a) 水平管

(b) 垂直管

(c) 彎管圖4 雙組分顆粒模型各管段截面處固相濃度分布圖

主要原因是：一方面顆粒質(zhì)量小、慣性小，與氣相的速度差小，跟隨性較好(見圖7)；另一方面顆粒粒徑越小，所受曳力就越大(見圖8)，所以在曳力和重力的作用下，小顆粒容易懸浮.

圖4(b)、圖5(b)、圖6(b)為垂直管截面處固相濃度分布，其中小顆粒集中于管道中心附近區(qū)域，而大顆粒則反之.這是因為相對于大顆粒而言，小顆粒跟隨性較好.圖4(c)、圖5(c)、圖6(c)為彎管截面處固相濃度分布，相比于大顆粒，小顆粒慣性小，運動狀態(tài)更易受到改變，在受到較大離心力作用下，小顆粒更易貼近彎管外壁面運動.由表(2)可以看出，采用雙組分氣固多相流動力模型預測的壓降更為精確，計算精度提高了3%～4%.

(a) 水平管

(b) 垂直管

(c) 彎管

圖5 104.3 μm顆粒各管段截面處固相濃度分布圖

(b) 垂直管

(c) 彎管

圖6 304.3 μm顆粒各管段截面處固相濃度分布圖

圖7 各相速度和相間速度差在水平管中豎直方向上的分布

圖8 曵力系數(shù)與固相濃度、相間速度差的變化關(guān)系

在保持平均粒徑不變的條件下，通過改變第1固相和第2固相的粒徑來分析不同粒徑分布對氣固流動特性的影響.

由圖9可以發(fā)現(xiàn)：在水平管中粒徑越大越容易沉積，而粒徑越小越容易懸浮.由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在垂直管中，隨著粒徑的減小，顆粒的跟隨性越好，越容易集中在管道的中心區(qū)域；反之，則越容易偏離管道中心區(qū)域.由圖11可以發(fā)現(xiàn)，在彎管處，顆粒粒徑越小，慣性越小，更易貼近彎管外壁運動.

(a) 雙組分工況1，混合固相

(b) 雙組分工況2，混合固相

(c) 雙組分工況1，第1固相

(d) 雙組分工況2，第1固相

(e) 雙組分工況1，第2固相

(f) 雙組分工況2，第2固相

圖9 水平管固相濃度分布圖

(a) 雙組分工況1，混合固相

(b) 雙組分工況2，混合固相

(c) 雙組分工況1，第1固相

(d) 雙組分工況2，第1固相

(e) 雙組分工況1，第2固相

(f) 雙組分工況2，第2固相

圖10 垂直管固相濃度分布圖

(a) 雙組分工況1，混合固相

(b) 雙組分工況2，混合固相

(c) 雙組分工況1，第1固相

(d) 雙組分工況2，第1固相

(e) 雙組分工況1，第2固相

(f) 雙組分工況2，第2固相

3 結(jié)論

1) 在水平管的氣力輸送中，在重力和曳力的共同作用下，顆粒粒徑越大越易沉積，反之則易懸浮.

2) 在垂直管的氣力輸送中，顆粒粒徑越小，其跟隨性越好，越易集中于管道中心區(qū)域，反之，則易偏離管道中心區(qū)域.

3) 在彎管的氣力輸送中，顆粒粒徑越小，慣性越小，越易貼近彎管外壁運動.

4) 單組分和雙組分模型均能較為準確地預測垂直管和水平管壓降，但雙組分模型更精準.與單組分模型相比，精度提高了3%～4%.

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