鼓泡流化床氣固兩相流動特性數(shù)值模擬

李九如 李銘坤 陳巨輝

摘 要：為了研究鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動特性，采用數(shù)值模擬的方法，對Fushimi等人的冷態(tài)實驗過程進(jìn)行模擬，建立了合理的TBCFB氣化爐氣固兩相流動系統(tǒng)模型，基于歐拉雙流體模型，以ANSYS嵌套的FLUENT17.0，作為數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)平臺，模擬TBCFB（三級流化床）氣化爐系統(tǒng)中鼓泡流化床氣固兩相流動過程及分析其流動特性。結(jié)果主要分為3部分：鼓泡床表觀速度對流動質(zhì)量有重要影響，速度越低，越有利于床內(nèi)氣泡與床料充分接觸;比較不同高度，不同配比兩種顆粒溫度變化特點，發(fā)現(xiàn)床層高度越高，顆粒溫度越大;顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

關(guān)鍵詞：鼓泡流化床;雙流體模型;氣固兩相流;數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.008

中圖分類號： TK 229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0047-06

Abstract：In order to study the gas-solid two-phase flow characteristics in bubbling fluidized bed reactor， the numerical simulation method， the Fushimi， to simulate the process of cold experiments， we set up reasonable TBCFB gasifier model of gas-solid two-phase flow， based on eulerian two-fluid model， nested FLUENT17.0 with ANSYS， as the basis of numerical simulation platform， the simulation TBCFB （level 3 fluidized bed gasifier bubbling fluidized bed gas-solid two-phase flow in the system process and analyze the flow characteristics. The results are mainly divided into three parts： the surface velocity of the bubbling bed has an important influence on the flow quality， and the lower the speed， the more favorable the bubbles in the bed are in contact with the bed material. It is found that the higher the height of the bed is， the higher the particle temperature is. The particle concentration increases， the particle temperature decreases， and vice versa.

Keywords：bubbling fluidized bed; two-fluid model; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

0 引 言

能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。煤、石油、天然氣等化石燃料是不可再生能源的利用技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，多種多樣的新能源也已經(jīng)走進(jìn)大眾視野，但是煤炭的使用任然占大比重[2]。

這些化石燃料主要以燃燒為主，燃燒給環(huán)境帶來的危害是全世界性質(zhì)的，煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生二氧化硫、一氧化碳、煙塵、放射性飄塵、氮氧化物、二氧化碳等，這些有害物質(zhì)不僅會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，而且會對人體產(chǎn)生危害，例如誘導(dǎo)人機(jī)體癌變等一系列令人觸目驚心的問題。

潔凈煤技術(shù)（CCT）[3]成為增加煤炭的使用率，抑制其燃燒產(chǎn)物對大氣的污染，維持全世界各國能源連續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)。潔凈煤技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外減少環(huán)境問題的主要技術(shù)之一，也是高新技術(shù)國際競爭的一個關(guān)鍵方向。煤炭氣化作為發(fā)展?jié)崈艏夹g(shù)的重要手段之一，其中，在流化床上進(jìn)行煤炭氣化的方式以其獨特的優(yōu)點成為如今國內(nèi)外該領(lǐng)域研究的熱點方向，顯然對于流化床試驗裝置的研究炙手可熱[4-6]。

1 氣固兩相流動的數(shù)學(xué)模型

1.1 雙流體模型

Jackson等[7]為了求解局部平均的N-S[8]方程，建立并采取了“雙流體模型”。雙流體模型[9-12]遵循歐拉-歐拉方程，多相介質(zhì)連續(xù)不斷地分布于其所占據(jù)的整個空間，并且介質(zhì)宏觀運(yùn)動的物理參數(shù)在空間和時間上是可微連續(xù)的。雙流體模型是因為將顆粒相作為“擬流體”，故可以較完整地描述顆粒相間的各種湍流輸運(yùn)作用[13]。并且可以通過顆粒壓力和顆粒黏性來描述顆粒間的彼此作用。顆粒相的計算方式與流體相相同，采取相同的形式與求解方法，可以采取相同形式的流體力學(xué)守恒方程表示。

4 結(jié) 論

通過建立“雙流體”模型完成TBCFB系統(tǒng)氣固兩相流動過程模擬，分析鼓泡流化床內(nèi)流動特性。

1）鼓泡流化床表觀氣體速度對流動質(zhì)量有重要影響，速度越低，有利于床內(nèi)氣泡與床料充分接觸，對進(jìn)一步進(jìn)行熱態(tài)氣化反應(yīng)意義重大。

2）通過比較床內(nèi)三個不同高度上硅砂和尼龍膜顆粒溫度分布，發(fā)現(xiàn)床層高度越高，顆粒溫度越大，意味著速度脈動強(qiáng)烈，且顆粒溫度分布隨高度增加越平緩，在鼓泡流化床進(jìn)料口處湍動能十分大。

3）同一高度尼龍膜的顆粒溫度比硅砂的顆粒溫度大一個數(shù)量級，因為尼龍膜粒徑大于硅砂。比較三種配比下顆粒溫度變化，隨著尼龍膜體積分?jǐn)?shù)增加，同一高度尼龍膜顆粒溫度增加，硅砂顆粒溫度降低。

4）此外顆粒溫度與顆粒濃度存在關(guān)系，硅砂和尼龍膜顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）