生物質(zhì)流化床流化特性試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

胡小金，劉三舉，劉俊，成松廷，徐亞南，王發(fā)輝，溫小萍

(1.湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441141；2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

生物質(zhì)和傳統(tǒng)化石能源相比有許多優(yōu)勢(shì)，其含氮、硫以及灰分都很小，燃燒后產(chǎn)生的有害物中二氧化硫和氮氧化物等含量都比傳統(tǒng)化石燃料燃燒后產(chǎn)生的有害物中對(duì)應(yīng)的含量要小得多。同時(shí)，由于生物質(zhì)的本身屬性，其利用過(guò)程的二氧化碳凈排放量幾乎為0，因此，生物質(zhì)能源現(xiàn)在已經(jīng)成為能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1-3]。隨著我國(guó)生物質(zhì)資源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，最終的能源轉(zhuǎn)換潛力可以達(dá)到10億t標(biāo)準(zhǔn)煤，可占我國(guó)能源總消耗的28%[4]。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是生物質(zhì)利用過(guò)程中熱效率較高的技術(shù)，該技術(shù)可以將低品位的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為高品位的可燃?xì)怏w，具有較高的能量密度和商業(yè)價(jià)值。對(duì)于該技術(shù)，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究不同氣化劑氣化時(shí)燃?xì)獾漠a(chǎn)率、成分和熱值等方面的變化規(guī)律[5-8]。徐珊等[9]、陳鴻偉等[10]、WEN C Y等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究和理論計(jì)算，分析了不同工況下流化床臨界流化風(fēng)速的變化規(guī)律，但試驗(yàn)研究和理論計(jì)算只能對(duì)臨界流化風(fēng)速的變化規(guī)律進(jìn)行分析，很難直觀地反映床層物料的流化狀態(tài)。若反應(yīng)器物料層內(nèi)的氣體分布不均，會(huì)造成物料在床層內(nèi)分布不均，形成物料的局部集聚，使產(chǎn)氣量減少，而部分區(qū)域物料松散會(huì)形成局部富氧，造成物料的強(qiáng)烈燃燒，溫度過(guò)高，使氣化局部上移或燒結(jié)，影響床層的整體流化，從而影響氣化爐的燃?xì)猱a(chǎn)量和品質(zhì)。近年來(lái)，隨著CFD技術(shù)的不斷成熟，通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行生物質(zhì)氣化的研究受到眾多學(xué)者的青睞，齊博陽(yáng)等[12]、陸杰等[13]、梁容真等[14]、張繼達(dá)等[15]采用CFD等工具對(duì)生物質(zhì)流化床氣化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)生物質(zhì)的氣化過(guò)程、各組分當(dāng)量比及燃燒強(qiáng)度進(jìn)行了有效的模擬分析。采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究生物質(zhì)流化床內(nèi)的流體流動(dòng)行為，對(duì)氣化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用具有重要的意義。

本文擬通過(guò)自搭建的生物質(zhì)鼓泡流化床試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬，以石英砂作為床層物料，研究流化床床層區(qū)域空間內(nèi)氣體流動(dòng)特性、壓力和流速分布等，分析流化區(qū)域內(nèi)床層物料流化特性。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

搭建的流化床冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主體部分主要由反應(yīng)器、進(jìn)風(fēng)裝置、布風(fēng)板以及測(cè)壓裝置等組成。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，直徑300 mm，高1 000 mm；布風(fēng)板采用圓形排列的方式開(kāi)孔，開(kāi)孔直徑0.6 mm，為了使氣體的壓力穩(wěn)定，減少布風(fēng)板對(duì)氣體分布的影響，布風(fēng)板底部采用空氣預(yù)分布器。在流化床的氣體出口處設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，攔截從流化床飛出的固體顆粒。整個(gè)流化床設(shè)備由一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)提供載氣，氣體流速由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，流化床層的壓力降由U型壓差計(jì)測(cè)得，壓差計(jì)連接在氣體分布板下方和流化床上端。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

(1)將石英砂放置在烘干箱中，在105 ℃下烘干24 h。

(2)將干燥后石英砂充分加入流化床中，床料厚度保持25 cm。

(3)打開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)，使空氣通過(guò)布風(fēng)板均勻進(jìn)入流化床試驗(yàn)臺(tái)的底部，試驗(yàn)時(shí)將進(jìn)風(fēng)閥門(mén)逐漸開(kāi)大以加大通風(fēng)量，每一種進(jìn)風(fēng)量條件下需使床層物料處于流化狀態(tài)。

(4)當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí)，觀察床層物料是否完全處于流化狀態(tài)，若物料處于流化狀態(tài)，則觀察流化現(xiàn)象3 min，并記錄下床層壓降、空氣流量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 物料特性

試驗(yàn)材料在烘干前首先進(jìn)行破碎處理，然后進(jìn)行篩分，獲得3種不同粒徑的石英砂顆粒，最后，將其放入105 ℃的烘箱中進(jìn)行干燥處理，干燥24 h。物料的特性參數(shù)如表1所示。

表1 物料特性參數(shù)

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

流化床流化過(guò)程中，床料的顆粒直徑對(duì)流化風(fēng)速和流化狀態(tài)有比較重要的影響，尤其是臨界流化風(fēng)速對(duì)不同分區(qū)內(nèi)物料流態(tài)的變化起決定性作用，最終也將影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此，本文對(duì)不同粒徑區(qū)間物料顆粒的流化特性進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)表1中各粒徑顆粒物料的臨界流化風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合布風(fēng)板阻力與風(fēng)量曲線，將每一風(fēng)量下的風(fēng)室靜壓減去對(duì)應(yīng)的布風(fēng)板阻力，繪出床層壓降和表觀風(fēng)速的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 不同粒徑物料的流化風(fēng)速

從圖2可以看出：對(duì)于3種粒徑區(qū)間物料，其床層壓降隨著風(fēng)速增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，當(dāng)氣流速度逐漸增大時(shí)，一部分顆粒開(kāi)始流化，當(dāng)氣流速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，床層壓降維持一定值，這個(gè)定壓降對(duì)應(yīng)的最小氣流速度即為臨界流化速度。當(dāng)氣流速度超過(guò)拐點(diǎn)時(shí)的起始流化速度，床層開(kāi)始沸騰，而起始流化速度對(duì)應(yīng)的送風(fēng)量就是最小的臨界送風(fēng)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:試驗(yàn)所用的3種粒徑的顆粒，其臨界流化風(fēng)速分為0.017,0.065,0.170 m/s；粒徑越小達(dá)到流化狀態(tài)所需的流化風(fēng)速也越小。主要原因是：當(dāng)臨界流化發(fā)生時(shí)，顆粒所受流體曳力、重力、浮力三者處于力的平衡狀態(tài)，而當(dāng)顆粒物料的溫度和密度一定時(shí)，其重力和浮力一定，而曳力則隨著粒徑的增加而增大，因此，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的流化風(fēng)速也隨之變大，該試驗(yàn)結(jié)果和用WEN C Y&YU Y H公式理論計(jì)算的結(jié)果一致[11]。

2 數(shù)值模擬

流化床的臨界風(fēng)速表明床層物料在該風(fēng)速下處于流化狀態(tài)，但物料層流化狀態(tài)的優(yōu)劣很難用流化風(fēng)速衡量和辨別，而流化狀態(tài)的優(yōu)劣又對(duì)流化床的運(yùn)行穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，因此，本文對(duì)流化床的流化特性開(kāi)展數(shù)值模擬研究。

2.1 計(jì)算模型

流體相的流動(dòng)控制方程主要包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，即

?ρ/?t+(ρv)=0，

(1)

?(ρν)/?t+(ρνν)=-p+(τij)+

ρg+F，

(2)

式中：F為顆粒與流體的相互作用力，流體相通過(guò)這一作用力與顆粒相進(jìn)行耦合；τij為黏性應(yīng)力張量。

根據(jù)斯托克斯假設(shè)，建立流體本構(gòu)關(guān)系，黏性應(yīng)力張量可以表示為

τij=μ(?vi/?xj+?vj/?xi)-2/3(δij?vi/?xi)。

(3)

根據(jù)鼓泡床中顆粒相的密相流動(dòng)特征，流動(dòng)雷諾數(shù)的計(jì)算特征長(zhǎng)度取顆粒的粒徑，其雷諾數(shù)一般在1 000以內(nèi)，氣相流動(dòng)狀態(tài)通常為層流。因此,模型計(jì)算中，基于層流流動(dòng)，直接求解以上的流動(dòng)控制方程即可。

固體相計(jì)算過(guò)程中通常采用傳統(tǒng)的DPM模型，該模型使用牛頓第二定律建立流動(dòng)顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程，即

(4)

dx/dt=v，

式中：Fdrag為顆粒所受流體曳力；Fpressure為壓力；Fgravitation為重力；Fother為其他形式的力。

固體相在計(jì)算過(guò)程中涉及到顆粒之間的碰撞問(wèn)題，對(duì)固體相間碰撞的計(jì)算，本文采用DEM(discrete element method)模型，該模型主要基于P.A.Cundall等[16]的工作，并在DPM模型的基礎(chǔ)上考慮顆粒間的碰撞。碰撞產(chǎn)生的力，以其他力的形式附加到顆粒運(yùn)動(dòng)的常微分控制方程中。顆粒碰撞的力主要由顆粒的變形產(chǎn)生，而顆粒的變形主要通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)中的重疊部分來(lái)確定。顆粒碰撞的幾何模型如圖3所示。

使用彈簧阻尼碰撞模型計(jì)算顆粒碰撞產(chǎn)生的法向力。涉及的主要物理量計(jì)算如下，

v12=v2-v1，

(5)

(6)

F1=[Kδ+γ(v12.e12)]e12，

(7)

式中：γ為阻尼系數(shù)；δ為重疊距離；K為彈性系數(shù)。

圖3 顆粒碰撞的幾何模型

顆粒碰撞的切向作用力計(jì)算基于摩擦碰撞定律，即切向力按照摩擦力的方式進(jìn)行計(jì)算，公式為

Ffriction=μFnormal,

(8)

式中：μ為摩擦系數(shù)；Fnormal為前文所述的法向力。

計(jì)算的幾何模型和網(wǎng)格模型如圖4所示。幾何模型是一個(gè)底面直徑300 mm的圓柱，圓柱高1 000 mm。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量為1.64×106。下底面為流體相氣流入口，上底面為流體相壓力出口。

本文的數(shù)值模擬使用通用CFD商業(yè)軟件ANSYS FLUENT 18.0。在兩相的計(jì)算中，流體相使用層流流動(dòng)模型，顆粒相使用DPM模型(顆粒碰撞作用使用DEM模型)。模擬計(jì)算的初始時(shí)刻在圓柱形鼓泡床內(nèi)注入65 512顆固體顆粒，固體顆粒在鼓泡床床層的0～300 mm高度內(nèi)隨機(jī)分布，如圖2所示。流動(dòng)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s，顆粒計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)0.000 2 s，共計(jì)算3 s。

圖4 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算模型的正確性，對(duì)臨界流化風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。

從表2可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果顯示臨界流化風(fēng)速隨物料粒徑的增大而增加，這一變化趨勢(shì)和試驗(yàn)結(jié)果完全一致。另外，從具體數(shù)值看，3種粒徑的物料臨界風(fēng)速的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別為0.210,0.080，0.021 m/s，對(duì)應(yīng)粒徑物料流化風(fēng)速的試驗(yàn)結(jié)果分別為0.170，0.065，0.017 m/s；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，對(duì)應(yīng)的計(jì)算誤差分別為23.5%，23.1%和22.6%。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，可以認(rèn)為本文所采用的計(jì)算模型和計(jì)算方法是可靠的。

表2 試驗(yàn)臨界流化速度與模擬臨界流化速度比較

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 固定床狀態(tài)

固定床狀態(tài)是氣流速度低于臨界流化速度時(shí)表現(xiàn)的氣固兩相狀態(tài)。圖5為顆粒直徑0.56 mm的石英砂，在入口氣流速度0.1 m/s時(shí)的計(jì)算結(jié)果。從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，漂浮在上層的固體顆粒越來(lái)越少，初始隨機(jī)分布的固體顆粒逐步堆積到床層底部，最終所有顆粒呈現(xiàn)固定狀態(tài)。固體顆粒堆積固定在床層底部，而氣流從固定的顆粒間隙中流出，這是典型的固定床特征。在入口氣流速度達(dá)到0.170 m/s的臨界流化速度前，床內(nèi)氣固兩相將一直維持這種固定床狀態(tài)。在此狀態(tài)下，隨著入口氣速的逐步增大，床內(nèi)的壓降也會(huì)逐步提高，床內(nèi)壓降和入口氣流速度滿足Ergun公式。

2.3.2 流化床狀態(tài)

(1)中部截面顆粒分布隨時(shí)間的變化。當(dāng)入口氣流速度大于0.170 m/s時(shí)，固體顆粒無(wú)法在床內(nèi)維持靜止，固定床狀態(tài)將被破壞，床內(nèi)兩相的狀態(tài)將從固定床過(guò)渡到流化床。取一個(gè)典型流化態(tài)工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，此時(shí)床內(nèi)顆粒粒徑為0.56 mm的石英砂，入口氣流速度1 m/s，此入口氣流速度遠(yuǎn)大于臨界流化速度0.170 m/s。

圖6所示為從0～3 s幾個(gè)典型時(shí)刻床內(nèi)中間斷面上固相顆粒分布情況，顏色標(biāo)識(shí)為顆粒的濃度。鼓泡床內(nèi)的流態(tài)化過(guò)程大致分為3個(gè)階段，即初始的流態(tài)化階段(此時(shí)僅在床層上表面有流化狀態(tài))。過(guò)渡流化階段(氣泡床內(nèi)隨機(jī)生成)和穩(wěn)定的流化階段(此時(shí)床內(nèi)的氣泡產(chǎn)生和消亡呈現(xiàn)一定的周期性)。數(shù)值模擬的結(jié)果可以大致復(fù)現(xiàn)這一過(guò)程，如圖6所示，初始階段，床層中部固相濃度高，這表明顆粒相對(duì)集中于床層中部，流態(tài)化的顆粒主要是表層的顆粒；隨著流態(tài)化的發(fā)展，中部固相濃度高的區(qū)域開(kāi)始縮小，表明床層中部的固相顆粒也開(kāi)始流態(tài)化，而流態(tài)化導(dǎo)致的固相濃度分布具有一定的隨機(jī)性，床層中固相濃度最高的區(qū)域從床層中部發(fā)展到兩側(cè)，且不斷變化，這正是穩(wěn)定流化狀態(tài)下床內(nèi)氣泡周期性消亡和產(chǎn)生繼而引起的局部固相濃度周期性變化。

圖5 固定床顆粒分布隨時(shí)間的變化

Fig.5 Changes of particle distribution in fixed bed with time

圖6 中部截面顆粒分布隨時(shí)間的變化

(2)流化過(guò)程的壓降變化。圖7所示為典型流化態(tài)工況(床內(nèi)顆粒粒徑為0.56 mm的石英砂，入口氣流速度1 m/s)計(jì)算過(guò)程的床內(nèi)壓降。

圖7 流化床壓力隨時(shí)間的變化

從壓降的計(jì)算結(jié)果可以看出，在初始的流態(tài)化階段壓降波動(dòng)較大，這是由于初始階段床層中的多數(shù)固體顆粒尚未完全流態(tài)化，部分顆粒開(kāi)始流化后，顆粒流化首先需要將顆粒從中部密相床層中解析出來(lái)，再克服重力和阻力賦予流化顆粒一定的動(dòng)能，所以床內(nèi)壓降急劇提高；當(dāng)多數(shù)固體顆粒不再集中于中部床層后，床內(nèi)壓降則會(huì)急劇降低。當(dāng)床內(nèi)處于過(guò)渡流化階段時(shí)，其壓降變得比較緩慢，因?yàn)榇藭r(shí)在床內(nèi)已經(jīng)不存在大范圍的密相區(qū)域。最后床內(nèi)兩相過(guò)渡到穩(wěn)定的流化階段，且流化狀態(tài)具有一定的周期性，此時(shí)壓降上下波動(dòng)的范圍變化較小，并最終趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1)搭建了生物質(zhì)氣化流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)石英砂在不同粒徑下的臨界流化速度進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)應(yīng)粒徑分別為0.18，0.35，0.56 mm的3種顆粒，其臨界流化風(fēng)速分別為0.017，0.065，0.170 m/s，這說(shuō)明顆粒粒徑越小，達(dá)到流化狀態(tài)所需的流化風(fēng)速也越小。

(2)基于DPM模型對(duì)鼓泡床內(nèi)顆粒流化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，使用DEM模型計(jì)算顆粒的碰撞作用，計(jì)算得到了臨界流化風(fēng)速、床內(nèi)氣固分布狀態(tài)和壓力分布等參數(shù)，臨界流速的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差為23.1%，這說(shuō)明本文所采用的計(jì)算模型對(duì)于鼓泡狀的兩相流動(dòng)狀態(tài)有較好的預(yù)測(cè)效果，這對(duì)于分析鼓泡床內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)具有一定的意義。