分布板進氣方向對氣化爐內顆粒分布的影響

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(1.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118；2.中科院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100190)

氣固流化床[1]中的分布板區(qū)對整個流化床的氣固流動、傳熱傳質和反應過程具有重要的影響。對分布板的研究目前主要有兩大類。

一類是針對射流深度的研究。如陳偉博等用攝像法研究了二維流化床和錐形分布板上的射流，試驗發(fā)現(xiàn)隨著孔速和孔徑的增加，射流深度增大、顆粒運動區(qū)增大、死區(qū)高度減小[2]，相同氣速下，0°(水平)分布板上的射流深度大于45°和60°分布板[3]。洪若瑜等給出了具有錐形分布板的射流流化床中濃密氣固兩相流動的多相流體力學基本方程組，發(fā)現(xiàn)射流是由于氣體的曳力引起顆粒運動而產(chǎn)生的，且射流穿透深度隨床層的表觀氣速增加而增加[4]。另一類是針對各種分布板構型對流化床的影響研究。朱沈瑾等采用雙流體模型對二維流化床進行模擬，發(fā)現(xiàn)錐形分布板流化床內氣固混合特性隨著分布板傾斜角度的增加得到了加強，因此推薦采用20°～30°的分布板傾斜角度[5]。李占勇等的核桃殼顆粒(2～2.8 mm)流態(tài)化試驗結果表明狹縫型分布板相對于傳統(tǒng)多孔分布板提高床層在膨脹率約提高了5%最小流化速率約降低了8%[6]。林廣周等在流化床下管箱安裝分布板，通過數(shù)值模擬和實驗發(fā)現(xiàn)該結構可有效改善換熱管束內顆粒分布的均勻性[7]。董淑芹等研究了3種不同開孔率時分布板的顆粒濃度分布和分布板壓降，發(fā)現(xiàn)分布板壓降隨開孔率的增大而減小，開孔率為0.46%時分布板徑向固含率分布曲線波動最小、氣固分布最均勻[8]。王濤等采用雙流體模型在布風板開孔率為3.86%時對6種不同布孔方式的流化床進行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)布風板上大小孔間隔排布的流化床(E型布風板流化床)內產(chǎn)生的氣泡相對較小且分散性較好，流化效果最好[9]。鄧小秋等用有限元法進行模擬發(fā)現(xiàn)開孔對分布板的最大等效應力影響小于5%，對分布板等效應力分布影響較大[10]。張少峰等用圖像采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得了顆粒的分布和運動規(guī)律發(fā)現(xiàn)增大分布板的開孔率可在很大程度上減小管束中固含率的不均勻度[11]。

綜上所述，分布板的結構對整個流化床的顆粒分布、射流深度等都有重要影響。目前關于分布板進氣方向的研究還較少，本研究采用MP-PIC方法(barracuda軟件)[12-13]探討多段氣化爐中分布板進氣方向對顆粒分布的影響。

1 計算方法

MP-PIC采用歐拉法描述氣相運動，用拉格朗日法描述顆粒相運動。

(1)氣相方程

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(2)固相方程

運動方程：

(3)

(4)

式中ps為固相壓力：

(5)

(3)曳力模型

曳力模型描述氣固兩相間的相互作用，采用的曳力模型[14]如下：

(6)

(7)

其中，β為相間動量傳遞系數(shù)；CD0為單顆粒標準曳力系數(shù)；Re為顆粒雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑。

2 物理模型及計算條件

2.1 物理模型

氣化爐反應器三維構體及網(wǎng)格如圖1。圖1(a)顯示了氣化爐反應器的三維構體，主要包括底部鼓泡床、過渡段、上部快速床、旋風分離器、回料管、顆粒入口和氣相入口結構。

圖1 氣化爐反應器三維構體及網(wǎng)格Fig.1 3D structure and grid of the multi-stage gasifier reactor

采用Barracuda軟件對氣化爐進行模擬，用Cut-Cell進行網(wǎng)格劃分。最細的中心進氣管在底部有一個彎管結構，會對網(wǎng)格進行極大的扭曲，降低網(wǎng)格質量。因此劃分網(wǎng)格時，這部分及以下的結構被舍去，由于舍去的部分非常小，對整體的模擬結果的影響可以忽略。最終生成的網(wǎng)格如圖1(b)、(c)所示。

2.2 計算條件

圖2是顆粒粒徑分布信息，實際計算中按此分布投放顆粒。顆粒的平均直徑采用Sauter平均粒徑表示為0.562 mm。其中mf為各粒徑所占百分數(shù)。

圖2 顆粒粒徑分布Fig.2 Particle size distribution

模擬所采用的物性參數(shù)及操作條件的所有參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)及操作條件

3 計算結果與討論

3.1 基本工況

基本工況時分布板進氣方向與水平夾角為45°(δ=45°)。圖3為基本工況時氣化反應器和旋風分離器中心截面上的固相速度矢量分布。由圖3(a)可見，氣化反應器中固相速度在中心較高，在兩側較低，運動方向大體上是中心向上，兩側向下。中部料面以上區(qū)域，氣泡破裂，顆粒以較大的速度被拋擲到空域中，然后從兩側落下。由圖3(b)可見，顆粒到達快速床頂端時，出口位于側壁，流向也隨之改變，由于右端的出口管徑縮小，氣流速度急劇變大，固相顆粒速度也隨之變大。隨后固相顆粒進入旋風分離器，在重力的作用下下移、旋轉、穩(wěn)定下落。

圖3 中心截面處固相速度矢量圖Fig.3 Particle velocity vector at the center section

3.2 分布板進氣方向對流動特性的影響

為了研究分布板進氣方向對氣化爐反應器內流動狀態(tài)的影響，在基本工況的基礎上，分別對分布板進氣方向為0°(δ=0°)和90°(δ=90°)兩個工況進行了模擬對比。

圖4為分布板進氣方向不同時整個氣化床反應器在0 ～ 25 s間的瞬態(tài)顆粒分布圖?？傮w來看，顆粒主要分布在鼓泡床下部和底部環(huán)管中，整個反應器內逐漸形成物料循環(huán)；環(huán)管中的氣流速度較高，顆粒濃度相對較低，濃度分布范圍較大；鼓泡床中氣速較低，顆粒濃度也相對較高、分布較均勻；鼓泡床中床層的膨脹高度約為1 m，物料進入快速床中形成快速流化現(xiàn)象。由于管徑變小，風速也隨之不斷增大，顆粒隨之能夠在提升管內順暢地循環(huán)流化。從25 s的瞬時圖可以看出，顆粒濃度沿著快速床在高度方向上逐漸減小。對比不同分布板進氣方向可知：整體來看，分布板開孔與水平方向夾角變化對計算結果影響較小。從圖上可以看出，大約從10 s開始產(chǎn)生差別。分布板開孔與水平方向夾角越大，顆粒在回料管中到達的位置越靠下，說明物料越快進入快速床。 這種差別在15 s時更加明顯(如圖中實線圈出部分所示)。約20 s時，所有工況都形成了全循環(huán)，因此20 s后各工況顆粒濃度分布差別較小。這也說明改變進氣方向對成形后的流化形態(tài)影響較小。

圖4 不同時刻顆粒濃度(εs)分布圖-分布板進氣方向不同F(xiàn)ig.4 Distribution of particbe density (εs) at different time-with different inlet directions for the distributor

圖5為分布板進氣方向不同時截面顆粒濃度沿軸向分布。由圖5可知，改變分布板進氣方向，軸向顆粒濃度分布在快速床變化不大，主要在分布板上下(0 m處)稍有差異。隨著分布板進氣方向與水平夾角的減小，鼓泡床下部(2.0 m以下)，顆粒濃度逐漸增大。這是因為當氣流從水平方向進氣時，向上的氣流分量較少，導致顆粒在此聚集，濃度有所增大。

圖5 時均軸向顆粒濃度分布-分布板不同進氣方向Fig.5 Average axial particle concentration distribution with different inlet directions of the distributor

圖6為分布板不同進氣方向時各特征截面時均通量云圖。由圖6可見，在鼓泡床下部(H=0.25 m)，分布板進氣與水平方向夾角越小，固相顆粒通量越大，這與圖5的結論一致。而鼓泡床上部(H=4.0 m)和快速床上部(H=17.5 m)截面處，分布板進氣與水平方向夾角越大，固相顆粒通量越大。這是因為氣流從豎直方向進氣時，向上的氣流分量較大。在曳力的作用下，顆粒被氣流夾帶迅速向鼓泡床上方流動，因此鼓泡床上部和快速床上部顆粒濃度有所增大。

分布板進氣方向不同時模擬所得旋風分離器分離效率見表2。由表可知，僅半徑1 216 μm以下的顆粒會進入旋風分離器。對所有粒徑段顆粒，分離效率都在98%以上。總體來說，分布板進氣方向對旋風分離效率影響不大，所有粒徑段顆粒均表現(xiàn)出良好的分離效率。隨著分布板進氣與水平方向夾角減小，旋風分離器效率稍有增大，這是因為分布板進氣為水平方向時，進入旋風分離器的顆粒略有減少。

表2 不同分布板進氣方向時的旋風分離器效率

4 結論

對三維多段氣化爐中分布板不同進氣方向進行了模擬。結果表明：

1)不同分布板開孔與水平方向夾角對流化形態(tài)影響較小，只有細微差別。分布板開孔與水平方向夾角越大，物料越快進入快速床，越容易形成流態(tài)化狀態(tài)。

2)改變分布板進氣方向，主要對分布板(0 m處)處的軸向顆粒濃度分布影響較低寺，姨軸向顆粒濃度分布在快速床影響較小。隨著分布板進氣方向與水平夾角的減小，鼓泡床下部(2.0m以下)顆粒濃度增大。

3)在鼓泡床下部(H=0.25 m)，分布板進氣與水平方向夾角越小，固相顆粒通量越大。而鼓泡床上部(H=4.0 m)和快速床上部(H=17.5 m)截面處，分布板進氣與水平方向夾角越大，固相顆粒通量越大。

4)分布板進氣方向對旋風分離效率影響不大，所有粒徑段顆粒均表現(xiàn)出良好的分離效率。

圖6 各特征截面時均通量云圖-分布板不同進氣方向Fig.6 Nephograms of the average flux of each feature section in different inlet directions of the distributor