循環(huán)流化床反應(yīng)器傳熱特性

陳巨輝 陳紀(jì)元 黎嘉豪 李欣 史笑 崔領(lǐng)振 董寶軍

摘 要：作為一種新型燃燒裝置，循環(huán)流化床克服了以燃煤為主的工業(yè)鍋爐的很多弊端，使燃燒效率提高、污染物減少。針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究流化床相關(guān)的傳熱特性，費(fèi)用昂貴，且受環(huán)境條件的影響嚴(yán)重的問(wèn)題，運(yùn)用 FLUENT17.0軟件作為數(shù)值模擬工具就可以解決。依據(jù)Tong Zhao等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用了簡(jiǎn)化為循環(huán)流化床二維平面結(jié)構(gòu)，模擬內(nèi)部流動(dòng)和燃燒過(guò)程，研究了床溫與輻射傳熱對(duì)總傳熱系數(shù)的影響。并且經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，給出了三條熱流密度值沿反應(yīng)器高度方向的分布規(guī)律，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床; 數(shù)值模擬; 傳熱; 熱流密度

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.009

中圖分類號(hào)： TK 229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）04-0053-06

Abstract：As a new type of combustion device， circulating fluidized bed has overcame many disadvantages of coal fired industrial boilers. It has improved combustion efficiency and reduced pollutants.The heat transfer characteristics related to fluidized bed are expensive and are subject to environmental conditions.The FLUENT17.0 software is used as a platform for numerical simulation to solve.Numerical simulations are based on experiments by Tong Zhao et al. A simplified two-dimensional structure of circulating fluidized bed is applied to simulate the internal flow process and combustion process， and the heat transfer problem of fluidized bed is further studied. Based on the heat transfer model， the influence of the bed temperature and radiation heat transfer on the total heat transfer coefficient is researched.After theoretical calculation， the three distribution laws of heat flux density along the height direction of reactor are found， which provides reference for optimization reference.

Keywords：Circulating fluidized bed; numerical simulation; heat transfer;? heat flux

0 引 言

縱觀歷史，能源的開(kāi)發(fā)與利用是與國(guó)家的發(fā)展息息相關(guān)。2016年12月我國(guó)能源局指出了目前我國(guó)能耗高、污染物排放程度大、能源利用率低以及大氣環(huán)境惡劣。特別在我國(guó)步入經(jīng)濟(jì)新常態(tài)后，大氣污染更是嚴(yán)重阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的步伐。因此對(duì)于能源利用技術(shù)的研究必須朝著環(huán)保的方向發(fā)展。

近些年來(lái)，循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型燃燒裝置，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源的有效利用與清潔燃燒，燃料可以擴(kuò)展到生物質(zhì)及固體垃圾，循環(huán)流化床鍋爐前景比較廣闊。 其中循環(huán)流化床內(nèi)部的傳熱過(guò)程十分重要，直接關(guān)系到受熱面等相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選取，防止受熱部件因超溫而損壞，減少經(jīng)濟(jì)損失，保障鍋爐的安全運(yùn)行。

在流化床內(nèi)，物料呈現(xiàn)出流態(tài)化的狀態(tài)，其燃燒伴隨著很復(fù)雜的相互作用。循環(huán)流化床物料的流化速度要比常規(guī)流化床的流速要高[1]，既包含著兩相流動(dòng)，又存在著各種傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)。若想通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)的傳熱特性，不僅費(fèi)用昂貴，而且受環(huán)境條件的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能反映循環(huán)流化床全部的流動(dòng)與傳熱特性。若采用數(shù)值模擬的手段研究則可以避免這些問(wèn)題，關(guān)鍵是用優(yōu)化的物理模型來(lái)描述燃料的流動(dòng)過(guò)程和傳熱過(guò)程。

本文以Tong Zhao[2]等人的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，采用的流動(dòng)模型有守恒方程、湍流模型和曳力模型，反應(yīng)模型包括煤炭燃燒反應(yīng)模型和容積燃燒模型，涉及到的傳熱過(guò)程則用顆粒團(tuán)更新傳熱模型來(lái)描述，從而建起了描寫(xiě)循環(huán)流化床內(nèi)傳熱問(wèn)題完整的理論體系。以 FLUENT17.0軟件作為數(shù)值模擬的工具，討論了輻射傳熱的重要性，比較了床溫對(duì)總傳熱系數(shù)的影響，理論計(jì)算了沿高度方向的熱流密度值，以此為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流動(dòng)模型

本文采用的流動(dòng)模型主要有守恒方程、湍流模型和曳力模型[3-8]。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)器瞬時(shí)工況分析

圖1與圖2給出的是不同時(shí)刻生成物在反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布。圖3給出的是不同時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布。從圖中可以得到被送入鍋爐的燃料在進(jìn)料口附近率先發(fā)生反應(yīng)。為提高模擬準(zhǔn)確性，我們需充分考慮顆粒周圍局部速度和溫度脈動(dòng)的影響[19]。觀察6.4s時(shí)的生成物情況可以發(fā)現(xiàn)，只有底部有極少量產(chǎn)物。由于燃料的初始溫度只有300K，需要先吸收一部分熱量，導(dǎo)致此處的局部溫度沒(méi)有上升到很高的程度，只有800K，而其余區(qū)域溫度較低。隨著燃料不斷向上運(yùn)動(dòng)以及熱量的逐漸擴(kuò)散，進(jìn)料口之上的區(qū)域內(nèi)燃料都開(kāi)始進(jìn)行反應(yīng)，高溫區(qū)域逐漸上移。到14s的時(shí)候，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)基本充滿產(chǎn)物，整個(gè)區(qū)域溫度基本上達(dá)到1000K。在14s之后，隨著反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行，溫度分布也處于比較穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，床層溫度達(dá)到950K，顆粒團(tuán)溫度達(dá)到900K。

當(dāng)計(jì)算到16s的時(shí)候，穩(wěn)定后的反應(yīng)器溫度沿爐徑向分布曲線如圖4所示。從中可以觀察到爐內(nèi)溫度沿徑向分布較為均勻，與其他燃燒方式有著明顯的區(qū)別，這與實(shí)際狀況相符。反應(yīng)器中心溫度要稍微高于壁面，這是因?yàn)榉磻?yīng)器中心風(fēng)速較大，氧氣濃度也隨之增大，燃燒比較充分，溫度較高。反應(yīng)器高度在0～0.2m之間時(shí)，徑向0～0.15m處溫度較低，由于進(jìn)料口處燃料的溫度只有300K，剛進(jìn)入反應(yīng)器需要吸熱。沿軸向方向觀察可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的溫差很小，說(shuō)明燃燒比較均勻。

3.2 床溫對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

在本文的傳熱模型中，考慮了輻射傳熱的影響，增加了輻射傳熱系數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)不計(jì)輻射傳熱時(shí)，可得反應(yīng)器內(nèi)總的傳熱系數(shù)h的值是40.97Wm-1K-1，若加入輻射傳熱，總的傳熱系數(shù)h為98.61Wm-1K-1。因此當(dāng)床溫高于800K時(shí)，輻射傳熱所占的比例較大，不能忽略輻射傳熱。

床溫不同將引起總傳熱系數(shù)的變化。當(dāng)壁面溫度為800K，床溫由810K變化到950K時(shí)，總傳熱系數(shù)變化規(guī)律如圖5，當(dāng)床溫增加時(shí)，氣體的導(dǎo)熱能力增強(qiáng)，同時(shí)介質(zhì)向外界的輻射換熱能力也顯著增強(qiáng)，總的傳熱系數(shù)會(huì)增加。但總傳熱系數(shù)并不是床溫的線性函數(shù)，在總傳熱值的分布曲線中可以發(fā)現(xiàn)總傳熱值會(huì)呈現(xiàn)最小值，但總體上還是呈現(xiàn)漸增的趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可以預(yù)測(cè)出適當(dāng)?shù)脑黾哟矞乜梢允瑰仩t輸送更多的熱量。

3.3 沿反應(yīng)器高度單位截面上的熱流密度分布

當(dāng)燃料燃燒時(shí)，顆粒團(tuán)與壁面的碰撞持續(xù)存在，并且速度很快，所以從時(shí)間角度來(lái)看可以當(dāng)作是定常傳熱，此種燃燒方式又使得沿徑向溫差很小，因此傳熱問(wèn)題的研究[20]從三維角度過(guò)渡到二維。經(jīng)過(guò)傳熱模型計(jì)算，沿軸向單位截面上的熱流密度值分布規(guī)律如圖6所示。在反應(yīng)器高度大于0.5m時(shí)，沿反應(yīng)器高度單位截面上的熱流密度漸漸減小，但減小的數(shù)值很少。這是因?yàn)榇擦显谙蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)吸收部分熱量。但在反應(yīng)器高度小于0.5m時(shí)，沿反應(yīng)器高度單位截面上的熱流密度較低，由于此處是進(jìn)料口位置，進(jìn)入的燃料溫度較低，此處燃料在反應(yīng)時(shí)會(huì)吸收熱量。分析反應(yīng)器內(nèi)的分熱流密度布，可以為布置水冷壁與埋管提供依據(jù)，使他們吸收足夠的熱量，防止局部超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1）利用FLUENT軟件對(duì)循環(huán)流化床反應(yīng)器的流動(dòng)與燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，分析了循環(huán)流化床的瞬時(shí)工況。在燃料燃燒穩(wěn)定后，觀察到爐內(nèi)溫度沿徑向分布較為均勻，中心溫度要稍微高于壁面，反應(yīng)器內(nèi)全部區(qū)域溫度大體上達(dá)到1000K，這與其他燃燒方式有著明顯的區(qū)別。

2）以傳熱模型為依據(jù)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)床溫高于800K時(shí)，輻射傳熱所占的比例較大，不能忽略輻射傳熱。床溫不同將引起總傳熱系數(shù)的變化。床溫增加時(shí)，由于總傳熱系數(shù)并不是床溫的線性函數(shù)，在總傳熱值的分布曲線中可以發(fā)現(xiàn)總傳熱值會(huì)呈現(xiàn)最小值，但總體上還是呈現(xiàn)漸增的趨勢(shì)。

3）在研究軸向單位截面上的熱流密度值分布規(guī)律時(shí)，考慮問(wèn)題的角度從三維過(guò)渡到二維。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可知，沿反應(yīng)器高度單位截面上的熱流密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在反應(yīng)器底部進(jìn)入的燃料溫度較低，在反應(yīng)時(shí)會(huì)吸熱。其次床料在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)也會(huì)吸收部分熱量，使得熱流密度數(shù)值減少。分析反應(yīng)器內(nèi)的分熱流密度分布，可以為布置水冷壁與埋管提供依據(jù)，使他們吸收足夠的熱量，防止局部超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 陳巨輝，孟誠(chéng)，李九如，等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)中流化床氣化爐的數(shù)值模擬[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（3）：132.

[2] ZHAO Kai， LIU a， HIROYUKI Murata， et al. Investigation of Bed-to-wall Heat Transfer Characteristics in a Rolling Circulating Fluidized Bed[J].Powder Technology，2015：46.

[3] LUN C. K. K.， SAVAGE S. B. A Simple Kinetic Theory for Granular Flow of Rough， Inelastic， Spherical Particles[J]. Journal of Applied Mechanics， 1987， 54（1）： 47.

[4] 王福軍.流體機(jī)械旋轉(zhuǎn)湍流計(jì)算模型研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（2）：1.

[5] 陳永輝，王強(qiáng)，樸明波.湍流模型的發(fā)展及其研究現(xiàn)狀[J].能源與環(huán)境，2009（2）：4.

[6] 鄭曉野，蒲文，岳晨，等.采用改進(jìn)曳力模型模擬2D鼓泡流化床的流化特性[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2015，15（5）：737.

[7] 肖海濤，祁海鷹，由長(zhǎng)福，等.循環(huán)流化床氣固曳力模型[J].計(jì)算物理.2003（1）：25.

[8] 初云濤，周懷春，程強(qiáng)，等.電站鍋爐過(guò)熱系統(tǒng)分布式傳熱模型及其應(yīng)用，中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2007（11） ：62.

[9] 周星龍.大型循環(huán)流化床鍋爐分區(qū)段傳熱模型及熱力校核計(jì)算研究.神華科技，2016（1）：52.

[10]程樂(lè)鳴，駱仲泱，倪明江，等.循環(huán)流化床輻射傳熱模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，（9）：100.

[11]BASU P， NAG P.K. Heat Transfer to Walls of a Circulating Fluidized-bed Furnace[J]. Chem.Eng. Sci. 1996，51（1）：1.

[12]WIRTH K.E.， SEITER M. Solids Concentration and Solids Velocity in the Wall Region of Circulating Fluidized Beds， in： E.J. Anthony （Ed.）[J]， Proceedings of the International Conference on Fluidized Bed Combustion， ASME， New York， 1991：311.

[13]DUTTA A， BASU P. An Improved Cluster-renewal Model for the Estimation of Heat Transfer Coefficients on the Furnace Walls of Commercial Circulating Fluidized Bed Boilers[J]. Heat Transf， 2004，126（6）：1040.

[14]LINTS M.C， GLICKSMAN L.R. Parameters Governing Particle-to-wall Heat Transfer in a Circulating Fluidized Bed， in： A. Avidan （Ed.）[J]. Circulating Fluidized Bed Technology IV， AIChE， New York， 1994： 297.

[15]GOLRIZ M， SUNDEN B. An Analytical-empirical Model to Predict Heat Transfer Coefficient in Circulating Fluidized Bed Combustors[J]， Heat Mass Transf， 1995， 30（2）： 377.

[16]BREWSTER M.Q， Effective Absorptivity and Emissivity of Particulate Media with Application to Fluidized Bed[J]. Heat Transf， 1986，108（3）：710.

[17]GRACE J.R. Fluidized Bed Heat Transfer， in： G.Hestroni （Ed.）， Handbook of Multiphase Flow[J]. McGraw-Hill， Hemisphere， Washington， DC， 1982： 9.

[18]王芳，田宇，張新宇，等.流速及傳熱溫差對(duì)換熱器傳熱系數(shù)的影響[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（2）：29.

[19]夏俊杰.氣固兩相湍流邊界層內(nèi)傳熱過(guò)程的全尺度直接數(shù)值模擬[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[20]朱皚強(qiáng)，芮新紅.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備及燃燒系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008：55.

（編輯：溫澤宇）