一種限高流化床內(nèi)布風(fēng)板結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

王 勇，游濟(jì)遠(yuǎn)，董文利，李 莎，張后雷

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036)

0 引言

固體顆粒堆積在有開孔的容器內(nèi)，形成床層。當(dāng)一定速度的流體通過時(shí)，會(huì)使顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體中[1]，這種狀態(tài)稱為固體的流化態(tài)，流化態(tài)后的顆粒床層稱為流化床[2]。流化床具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、調(diào)控方便和傳熱傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。自1921年德國學(xué)者Winkler發(fā)明第一臺(tái)粉煤流態(tài)化氣化爐以來[5]，流化床技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中的很多方面。例如，電廠中使用循環(huán)流化床鍋爐以保證物料在爐膛內(nèi)穩(wěn)定燃燒[6]，生物質(zhì)熱解液化技術(shù)也常采用流化床反應(yīng)器來提高反應(yīng)速率[7]。焦油催化裂解[8]、煙氣脫硫脫硝[9]、城市污水處理[10]等領(lǐng)域也都涉及到了流化床技術(shù)的應(yīng)用。

布風(fēng)系統(tǒng)是流化床的重要部件，主要由送風(fēng)管道、風(fēng)室和布風(fēng)板組成。布風(fēng)系統(tǒng)中的送風(fēng)方式和風(fēng)室/布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，決定著床層中送風(fēng)的均勻程度和固體顆粒的流化狀態(tài)，對流化床反應(yīng)器至關(guān)重要。李亞祥等[11]利用數(shù)值模擬研究，指出側(cè)向進(jìn)風(fēng)可引起氣流偏斜和物料附壁等現(xiàn)象，不利于布風(fēng)。當(dāng)側(cè)向進(jìn)風(fēng)時(shí)，需采用導(dǎo)流部件[11]、采取雙對稱進(jìn)風(fēng)方式[12]或安裝氣體分布器[13]，可提高送風(fēng)均勻性。Bhasker等[14]通過仿真研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)室內(nèi)某些位置的低速回流區(qū)會(huì)造成布風(fēng)不均勻。此外，不同的布風(fēng)板開孔孔徑及布置方式會(huì)對布風(fēng)產(chǎn)生不同的阻力特性，影響布風(fēng)效果[15]。吳興[16]和李少華等[17]利用數(shù)值模擬研究，指出在開孔孔徑一致的情況下，三角形均勻排布的圓形開孔比環(huán)形排列或正方形排列更有利于物料的均勻流化。Hartge等[18]研究發(fā)現(xiàn)，布風(fēng)板風(fēng)帽的內(nèi)芯筒直徑是決定其阻力特性的關(guān)鍵因素，阻力隨內(nèi)徑的減小而增大，布風(fēng)均勻性隨內(nèi)徑的減小而增強(qiáng)。

總體而言，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對流化床布風(fēng)系統(tǒng)的研究大多以均勻開孔的布風(fēng)板為研究對象，忽略了開孔孔徑對布風(fēng)性能的影響。在這種情況下，往往需要采取復(fù)雜特殊的送風(fēng)方式或需要加長布風(fēng)室長度，才能達(dá)到均勻布風(fēng)的目的，這在實(shí)際工程中會(huì)增加反應(yīng)器的設(shè)備成本，降低技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。本文針對實(shí)際工程項(xiàng)目中一個(gè)限定送風(fēng)腔體高度的生物質(zhì)流化床熱解反應(yīng)器，開展一種簡單送風(fēng)方式下布風(fēng)板非均勻開孔結(jié)構(gòu)及布置位置的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 研究模型的介紹

本文研究的帶有布風(fēng)腔的流化床熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。下端為送風(fēng)入口管道，其內(nèi)徑設(shè)計(jì)為100 mm，高度為100 mm。與入口管道和布風(fēng)腔主體連接的是一個(gè)高度為240 mm的錐形擴(kuò)散管。擴(kuò)散管上端為內(nèi)徑600 mm、高度600 mm的布風(fēng)腔體。

圖1 流化床熱解反應(yīng)器布風(fēng)腔體示意圖:(a)不含布風(fēng)板的布風(fēng)腔體平面示意圖；(b)含布風(fēng)板的布風(fēng)腔體三維模型示意圖

布風(fēng)設(shè)計(jì)的要求是，在維持布風(fēng)腔體總高度不變的情況下，布風(fēng)腔內(nèi)布置布風(fēng)板，通過合理設(shè)計(jì)布風(fēng)板板孔結(jié)構(gòu)及布風(fēng)板軸向(高度方向)位置，使得進(jìn)風(fēng)通過布風(fēng)板發(fā)展一段距離后，在離開布風(fēng)腔時(shí)的風(fēng)速能達(dá)到均勻分布狀態(tài)。布風(fēng)后均勻風(fēng)速的設(shè)計(jì)值為0.5 m/s，為生物質(zhì)熱解液化時(shí)所需要的風(fēng)速條件[14]。該風(fēng)量條件下入口管內(nèi)的送風(fēng)風(fēng)速為18 m/s。

含有布風(fēng)板的布風(fēng)腔模型如圖1(b)所示，布風(fēng)板的厚度設(shè)計(jì)為20 mm，圖中高度H為布風(fēng)板底部與錐形管頂部之間的距離。本文研究中，首先將H值設(shè)定為300 mm，開展布風(fēng)板開孔結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而對布風(fēng)板的布置高度H進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

為了定量評價(jià)布風(fēng)腔出口截面流場分布的均勻程度，陶紅歌等[19]提出基于面積加權(quán)平均速度Va和質(zhì)量加權(quán)平均速度Vm的流動(dòng)均勻性評價(jià)指標(biāo)，引入均勻度λ的概念

在布風(fēng)板開孔設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬中，出口截面的Va和Vm值可利用模擬軟件直接算出，進(jìn)而可求解出口截面均勻度λ的大小。λ越大，表示出口截面流體的速度分布越均勻。

2 數(shù)值計(jì)算方法

利用三維建模軟件構(gòu)建出布風(fēng)區(qū)域的三維模型，再將其導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用Fluent讀取網(wǎng)格文件進(jìn)行數(shù)值求解。

利用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，不含布風(fēng)板的模型較為簡單，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，生成的網(wǎng)格中含有319 725個(gè)六面體網(wǎng)格單元。含有布風(fēng)板的流化床布風(fēng)腔模型較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，生成的網(wǎng)格中含有2 406 486個(gè)四面體網(wǎng)格單元，以及307 920個(gè)三棱柱體網(wǎng)格單元。上述網(wǎng)格獨(dú)立性經(jīng)檢驗(yàn)均滿足計(jì)算要求。

利用Fluent軟件，選取基于壓力的求解器，壓力與速度采用Simplec方法解耦[20]，采用Standardk-ε湍流模型和近壁面函數(shù)處理方法，以及無滑移絕熱壁面、速度進(jìn)口和壓力出口的邊界條件。空氣入口溫度為20 ℃，流速為18 m/s，出口壓力為0.1 MPa。最后采用一階迎風(fēng)差分控制方程進(jìn)行計(jì)算求解。

3 結(jié)果與討論

3.1 不含布風(fēng)板時(shí)布風(fēng)腔內(nèi)的流場分布

圖2所示為不設(shè)置布風(fēng)板時(shí)，布風(fēng)腔內(nèi)軸向中心截面(a)及出口徑向截面(b)的流體速度場分布云圖。可以看出，在極強(qiáng)的慣性力作用下，18 m/s的進(jìn)風(fēng)在擴(kuò)散管段及大口徑直管段中并未達(dá)到顯著分散的狀態(tài)。出口截面中心處的風(fēng)速約為15 m/s，往中心外側(cè)風(fēng)速則迅速降低至小于1 m/s?？傮w來看，布風(fēng)腔出口中心位置處和邊沿區(qū)域的風(fēng)速差距較大，徑向出口截面流體速度分布的均勻度λ只有33.9%。

圖2 不含布風(fēng)板時(shí)流化床布風(fēng)腔內(nèi)流體的速度分布云圖:(a)軸向中心截面速度分布；(b)徑向出口截面速度分布

3.2 布風(fēng)板開孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

布風(fēng)板的開孔形式主要有正方形開孔排布、三角形開孔排布和圓形開孔排布，且大多數(shù)研究采用孔徑一致的開孔方式[14,21]。本文模型中，經(jīng)分析，如果采用均勻開孔且孔徑一致的布風(fēng)板設(shè)計(jì)方法，在限定布風(fēng)腔體高度的情況下，送風(fēng)在達(dá)到出口時(shí)中心風(fēng)速仍較周圍風(fēng)速偏大，無法滿足均勻布風(fēng)的設(shè)計(jì)要求。因而，考慮到小管徑進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致的腔體入口中心位置處風(fēng)量大、慣性強(qiáng)的因素，在布風(fēng)板開孔時(shí)應(yīng)加大中心位置處的布風(fēng)阻力，而適當(dāng)減弱邊沿區(qū)域的布風(fēng)阻力，才有可能使得布風(fēng)更加均勻。在本文研究中，采用圓形小孔在布風(fēng)板上同心排布的布風(fēng)板開孔形式，在數(shù)值模擬分析的過程中，將大風(fēng)速區(qū)域的孔徑逐漸減小，小風(fēng)速區(qū)域的孔徑逐漸加大，以使風(fēng)速在布風(fēng)腔出口截面處的分布更加均勻。

經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，針對本研究模型確立圖3所示的優(yōu)化的布風(fēng)板開孔結(jié)構(gòu)。布風(fēng)板中心為一個(gè)4 mm直徑的圓形開孔，在半徑位置上間距為47 mm的同心圓上均勻分布多個(gè)等徑開孔：第一圈是6個(gè)直徑為4 mm的圓孔，第二圈是12個(gè)直徑為12 mm的圓孔，第三圈是18個(gè)直徑為16 mm的圓孔，第四圈是24個(gè)直徑為20 mm的圓孔，第五圈是30個(gè)直徑為20 mm的圓孔，第六圈是36個(gè)直徑為16 mm的圓孔。將該布風(fēng)板放置于布風(fēng)腔高度H為300 mm的位置時(shí)，流化床送風(fēng)腔體內(nèi)軸向中心截面和徑向出口截面的流體速度分布分別如圖4(a)、(b)所示。

圖3 布風(fēng)板開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面示意圖

圖4 含布風(fēng)板的流化床布風(fēng)腔內(nèi)流體的速度分布云圖:(a)軸向中心截面速度分布；(b)徑向出口截面速度分布

從圖4(a)可以看出，未達(dá)到布風(fēng)板時(shí)，風(fēng)力場呈現(xiàn)出中心風(fēng)速大，周圍風(fēng)速弱的分布狀態(tài)。達(dá)到布風(fēng)板時(shí)，布風(fēng)板上各小孔進(jìn)口處流體速度的均勻程度顯著增強(qiáng)。風(fēng)量在向四周分配的過程中也在布風(fēng)板下層腔體中形成了回流區(qū)域。在通過布風(fēng)板重新分配風(fēng)量后，各布風(fēng)孔出口處流體的風(fēng)速逐步接近，再在布風(fēng)板上層發(fā)展一段距離后，風(fēng)速在布風(fēng)腔出口附近處達(dá)到了更為均勻的分布狀態(tài)。從圖4(b)可以觀察到，布風(fēng)腔出口徑向截面流體的速度分布在0～0.9 m/s范圍內(nèi)。利用Fluent計(jì)算得到出口截面的面積平均加權(quán)速度為0.52 m/s，質(zhì)量加權(quán)平均速度為0.55 m/s，速度分布的均勻度為94.5%，可以判斷布風(fēng)腔體出口截面處流體的速度分布均勻性很好。

3.3 布風(fēng)板布置高度的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2節(jié)在布風(fēng)板布置高度固定(H=300 mm)的情況下，分析得到了優(yōu)化的布風(fēng)板開孔形式，本節(jié)進(jìn)一步針對布風(fēng)板布置高度進(jìn)行模擬計(jì)算與優(yōu)化分析。將H值分別設(shè)定為100 mm、200 mm、350 mm，得到布風(fēng)腔體內(nèi)流體的速度分布云圖如圖5所示，出口截面面積加權(quán)平均速度、質(zhì)量加權(quán)平均速度以及流場均勻度結(jié)果如表1所示。

表1 不同布風(fēng)板布置高度下布風(fēng)腔出口徑向截面速度的均勻度對比

從圖5(a)可以看到，當(dāng)H為100 mm時(shí)，布風(fēng)板下表面與擴(kuò)散管內(nèi)壁形成的腔體容積較小，進(jìn)風(fēng)形成了劇烈的回流。該劇烈回流區(qū)造成布風(fēng)板下側(cè)進(jìn)風(fēng)口附近風(fēng)速不均，布風(fēng)板上下兩側(cè)局部壓差沿徑向分布不均，對布風(fēng)產(chǎn)生不利影響。隨著布風(fēng)板的布置高度增加至200 mm和300 mm時(shí)，布風(fēng)腔下側(cè)容積增加，布風(fēng)回流區(qū)逐步得到充分發(fā)展，布風(fēng)板下側(cè)進(jìn)風(fēng)孔附近處流體速度沿徑向分布更加均勻。從圖5(b)中可以看出：當(dāng)H=100 mm時(shí)，布風(fēng)腔出口徑向截面中心處和邊沿區(qū)域流體速度差異較大；隨著H增加到200 mm，邊沿區(qū)域流場分布較為均勻，并且逐漸向中心區(qū)域擴(kuò)散；當(dāng)H=300 mm時(shí)，出口截面流體速度分布的均勻程度進(jìn)一步提高，較高流速區(qū)面積及局部流速差異均明顯降低。當(dāng)布風(fēng)板高度H增大到350 mm時(shí)，布風(fēng)腔下側(cè)回流區(qū)基本消失，但由于布風(fēng)腔上側(cè)容積過小，布風(fēng)板孔出口風(fēng)速未得到充分發(fā)展，導(dǎo)致出口截面徑向速度梯度開始變大。

圖5 不同布風(fēng)板布置高度下布風(fēng)腔內(nèi)軸向中心截面速度:(a)出口徑向截面速度;(b)分布云圖

從表1所示的數(shù)據(jù)可直觀看出，將布風(fēng)板的布置高度設(shè)置為300 mm時(shí)，在本研究布風(fēng)模型及布風(fēng)量的條件下，布風(fēng)腔出口徑向截面處的面積加權(quán)平均速度和質(zhì)量加權(quán)平均速度與設(shè)計(jì)值0.5 m/s最為接近，并且流場的均勻度最高。

4 結(jié)論

本文對于一種限定送風(fēng)腔體高度為600 mm的流化床熱解反應(yīng)器，采用數(shù)值模擬方法探究了布風(fēng)板開孔結(jié)構(gòu)以及軸向放置高度H對布風(fēng)腔內(nèi)流場分布的影響，同時(shí)引入均勻度概念評估徑向出口截面流體速度分布的均勻程度。主要研究結(jié)論如下：

(1)采取中間開孔小，越往外側(cè)開孔直徑逐漸增大，最外側(cè)和次外測開孔直徑再次減小的布風(fēng)板開孔形式，是一種優(yōu)化的布風(fēng)板結(jié)構(gòu)。在對風(fēng)量進(jìn)行重新分配后，布風(fēng)腔出口的徑向截面速度分布可達(dá)到均勻分布狀態(tài)；

(2)當(dāng)布風(fēng)板軸向位置太低時(shí)，布風(fēng)板與擴(kuò)散管之間形成的回流區(qū)會(huì)對布風(fēng)產(chǎn)生不利影響，而位置過高時(shí)，通過布風(fēng)板后的流場無法充分發(fā)展。經(jīng)過計(jì)算，300 mm為布風(fēng)板的一個(gè)優(yōu)化放置高度，出口截面平均速度最接近0.5 m/s，速度分布均勻度達(dá)到94.5%。