流化床煙氣脫汞氣固兩相流動的可視化研究與數值模擬

黃　朔,　趙兵濤,　鐘　美

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上?！?00093)

?

流化床煙氣脫汞氣固兩相流動的可視化研究與數值模擬

黃朔,趙兵濤,鐘美

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海200093)

為了探究流化床煙氣脫汞反應器內氣固兩相的流動過程,通過可視化顯形實驗對不同主流化風速、床層物料高度、顆粒粒徑和活性炭噴口速度下反應器內氣固流動的行為和特征進行了研究.通過計算流體動力學方法對氣固兩相流動過程進行了數值模擬,并與實驗進行比較.結果表明,數值模擬具有流動模擬的可靠性.主流化風速增加或顆粒粒徑減小,均會加劇氣固兩相流動的劇烈程度,活性炭噴口氣流會造成氣固兩相的局部湍動,但床層物料高度由于受到壁面與顆粒的摩擦力和內部氣泡大小的綜合作用,對氣固流動行為的影響不顯著.

流化床反應器; 煙氣脫汞; 兩相流動; 可視化; 數值模擬

燃燒煙氣中的汞具有揮發(fā)性、持久性、生物累積性及毒性,會對環(huán)境和人體健康造成巨大損害[1-2].電廠燃煤和垃圾焚燒成為最主要的人為汞排放源[3-4].燃燒煙氣中的汞依據物理化學形態(tài)通常分為單質汞(Hg0)、氧化汞(Hg2+)和顆粒汞(Hgp).其中,顆粒汞含量較少且容易被除塵器捕獲,氧化汞易溶于水,可以通過化學氧化法達到較好的捕集效果,但單質汞難溶于水且化學惰性強的特點,一般難以去除[5-8].目前國內外學者對單質汞脫除的理論、方法和技術進行了一定研究,表明作為吸附法之一的活性炭吸附是一種有效的單質汞脫除方法[9-12].在理論方面,Zhao等[1]建立了活性炭煙氣噴射脫汞過程的數學模型,并分析了吸附劑特性、停留時間及煙氣汞濃度等因素對脫汞效率的影響.在實驗方面,Ho等[13-14]分別對固定床、半流化床、流化床的脫汞效率進行了研究.結果表明,雖然固定床的脫汞效率最高,但無法實現連續(xù)工作,實用性不及流化床.Scala等[15]對流化床不同工況下的脫汞效率進行了研究,結果表明,流化床不僅傳質性能好、工作穩(wěn)定性強,而且具有良好的脫汞效率.

目前國內外對流化床脫汞的研究較少,且主要集中在汞的吸附效率上,但對流態(tài)化過程對于汞吸附的機制和累積的因素等方面的研究尚顯欠缺.為了深入了解流化床煙氣脫汞過程中的氣固兩相流動的行為及其對脫汞性能的原理上的影響,本文通過可視化顯形實驗研究了流化床煙氣脫汞反應器在不同操作參數條件下的氣固兩相的流動特征,并通過計算流體動力學方法對氣固兩相的流動進行了數值模擬,以期為流化床煙氣脫汞的方法與技術提供理論參考.

1　實驗裝置與方法

實驗裝置以文獻[15]為依據,如圖1所示.流化床脫汞反應器的主體是內徑為65 mm、高為600 mm的有機玻璃管,反應器底部具有長度為100 mm的空氣整流段.主體段和空氣整流段之間由布風板隔開,布風板上方有內徑為7 mm的切向活性炭進口,因活性炭濃度很低,對氣體石英砂之間的流動影響不大,因此,本文忽略其對內部兩相流動的影響,僅以通入空氣情況考察.床層物料采用密度為2 500 kg/m3的石英砂.實驗時由空氣壓縮機將空氣從底部送入反應器內,通過調節(jié)送入的空氣流量來控制氣流速度.用攝像機對不同時刻反應器內的氣固流動狀態(tài)進行顯形研究.

圖1　實驗裝置圖

實驗工況設計如表1所示.

表1實驗參數

Tab.1Experimental parameters

工況床料高度h/mm顆粒粒徑dp/mm主流化風速V/(m·s-1)活性炭噴口速度Vs/(m·s-1)1650.2～0.40.15,0.32,0.4102650.45～0.80.32031300.2～0.40.3204650.2～0.40.323,6

2　數值模擬

2.1物理模型的建立和網格劃分

按照圖1建立物理模型并采用ICEM軟件對布風板上部的主反應區(qū)域進行網格劃分,根據模型特性,選用結構性網格并對切向活性炭噴口處的網格進行加密處理.根據網格依賴性關聯關系,最后選定模型總網格數量為22 000個.網格劃分如圖2所示.

2.2邊界條件

數值模擬假定氣相為常溫常壓下的空氣,固相為粒徑均一的石英砂顆粒.模型底部主流化風進口和側面切向的AC噴口均采用速度型進口(velocity-inlet),頂部出口采用壓力出口(pressure-outlet).表2列出了模擬計算的邊界條件.

圖2　流化床反應器網格示意圖

參 數數 值顆粒密度ρs/(kg·m-3)2500顆粒粒徑dp/mm0.3,0.5床層初始固含率S0.55氣相密度ρg/(kg·m-3)1.225氣相動力黏度μ/(Pa·s)1.79×10-5時間步長t/s0.005

2.3計算方法

采用歐拉-歐拉兩相流模型,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,控制方程的迭代采用有限體積法,迭代計算的殘差精度為10-3,進行非穩(wěn)態(tài)的迭代計算.為驗證模擬的準確性,將模擬結果與實驗結果進行比較.

3　結果與討論

3.1主流化風速的影響

圖3(見下頁)為不同主流化風速下的實驗與模擬對比圖.當主流化風速為0.15 m/s時,床層膨脹程度很小,膨脹率約為8%.物料床層底部產生微小氣泡,氣泡逐漸上升,直到固相床層頂部后破裂,氣泡的破裂造成了頂部顆粒的飛濺.當主流化風速為0.32 m/s和0.41 m/s時,床層的膨脹率分別為50%和65%.床層中的氣泡更加明顯,因氣泡的增大導致氣泡在上升過程中攜帶了更多的周圍固體顆粒同時上升,造成反應器內氣固流動更加劇烈.實驗現象與文獻[16-17]所描述的一致.從模擬結果圖3中可以看出,在低主流化風速下,床層均勻膨脹,主流化風速提高,床層內產生氣泡,模擬結果與實驗匹配度較好.

由于主流化風速的提高,導致氣流對床層顆粒的湍動效應增強,使得活性炭顆粒噴入后與含汞煙氣接觸的概率增加,但另一方面也同時導致了煙氣在反應器內滯留時間的減少,綜合效應一般會導致脫汞效率降低[13-15].

3.2石英砂粒徑的影響

圖4(見下頁)為石英砂顆粒粒徑0.5 mm,床層物料高度65 mm,主流化風速0.32 m/s時的實驗與模擬對比圖.與圖3(b)對比,當固相顆粒粒徑增大后,床層膨脹程度、氣泡尺寸均明顯下降.由文獻[18]可知,顆粒在流場中受到的作用力包括曳力、重力、浮力和其他作用力,其中,曳力的作用占主要地位.當顆粒粒徑增大時,不僅會使顆粒自身重力增加,還會減弱其曳力,導致氣固流動狀態(tài)沒有顆粒粒徑小時的劇烈.

石英砂顆粒粒徑的減小同樣會增強氣流與顆粒的湍動效應,提高后期活性炭與含汞煙氣的接觸幾率,但主流化風速沒變,顆粒粒徑的減小并不會影響活性炭在反應器內的停留時間,故會提高汞的吸附效率[13-15].

3.3床層物料高度的影響

當床層物料高度增加到130 mm,主流化風速為0.32 m/s,顆粒粒徑為0.3 mm時氣固流動的實驗與模擬對比如圖5所示(見下頁).與圖3(b)相比,床層的膨脹有所下降,膨脹率約為40%,這是因為床層的增高導致了壁面與顆粒間的摩擦力增大,提高了顆粒的最小主流化速度[19].但床層變高后反應器內生成的氣泡尺寸變大,這是由于固相高度的增高使氣泡有了更大的上升空間,氣泡隨著上升過程中床層壓力的減小,尺寸逐漸變大,這與文獻[20]所得結論一致.氣泡尺寸的增大會將更多的顆粒從底部帶到床層頂部,而上層的顆粒被擠壓沿著壁面落到底層,如此往復循環(huán).所以,在摩擦力和氣泡尺寸兩者共同的作用下,反應器內氣固流動現象和低床層相比并沒有較大差別.實驗中的床層膨脹率略高于模擬結果,且實驗中反應器上部有部分固相顆粒而模擬結果中沒有,可能是由于數值模擬中石英砂采用了統(tǒng)一的粒徑尺寸而導致的.

雖然床層物料高度的增加對氣固兩相的整體流動影響不大,但會增加活性炭在反應器內的停留時間,提高了石英砂對活性炭的粘附作用,使其脫汞效率增加[15].

3.4活性炭切向噴口速度的影響

由于活性炭切向噴口尺寸遠小于反應器內徑,導致噴口氣流進入到反應器內的速度迅速衰減,加之石英砂床層的阻力較大,并沒有使氣固兩相形成旋流,而是在接近噴口的壁面附近形成局部較強的湍動.圖6為主流化風速為0.32 m/s,不同活性炭噴口速度下的實驗與模擬的對比圖.

圖5　不同床層物料高度下流化床中固含率的實驗與模擬對比圖

旋流能提高活性炭在反應器內部的停留時間,增加其對汞的捕集.但由于活性炭的粒徑遠小于石英砂的,主氣流與石英砂的湍動也相對強烈,導致活性炭顆粒并沒能在反應器內形成旋流,所以,活性炭噴口速度對汞的吸附效率影響不大.

圖6　不同活性炭噴口速度下流化床中固含率的實驗與模擬對比圖

4　結　論

a. 通過可視化流動顯形實驗揭示了流化床煙氣脫汞反應器內氣固兩相流動的基本形態(tài),同時運用數值模擬的方法研究了反應器內氣固兩相的流動特性.通過與實驗的比較,驗證了數值模擬方法的可行性與正確性.

b. 主流化風速和顆粒粒徑是影響氣固流動的主要因素.主流化風速越大,顆粒粒徑越小,顆粒床層膨脹率越大,氣固兩相流動越劇烈.活性炭噴口氣流由于顆粒床層的阻力較大,基本不會造成固相的旋流,但是會造成近噴口一側壁面附近顆粒相的局部湍動.

c. 床層物料高度變高會增加顆粒的最小流化速度,抑制氣固兩相的流動,也會增大反應器內的氣泡尺寸而促進其流動.在抑制和促進兩者的綜合作用下,氣固兩相的流動狀態(tài)并沒有發(fā)生顯著變化.

[1]ZHAO B T,ZHANG Z X,JIN J,et al.Simulation of mercury capture by sorbent injection using a simplified model[J].Journal of Hazardous Materials,2009,170(2/3):1179-1185.

[2]BOSE-O’REILLY S,LETTMEIER B,GOTHE R M,et al.Mercury as a serious health hazard for children in gold mining areas[J].Environmental Research,2008,107(1):89-97.[3]MUKHERJEE A B,ZEVENHOVENB R,BHATTACHARYA P,et al.Mercury flow via coal and coal utilization by-products:a global perspective[J].Resources,Conservation and Recycling,2008,52(4):571-591.

[4]YANG H Q,XU Z H,FAN M H,et al.Adsorbents for capturing mercury in coal-fired boiler flue gas[J].Journal of Hazardous Materials,2007,146(1/2):1-11.

[5]MARTINEZ A I,DESHPANDE B K.Kinetic modeling of H2O2-enhanced oxidation of flue gas elemental mercury[J].Fuel Processing Technology,2007,88(10):982-987.

[6]HO T C,KOBAYASHI N,LEE Y,et al.Experimental and kinetic study of mercury adsorption on various activated carbon in a fixed-bed adsorber[J].Environmental Engineering Science,2004,21(1):21-27.

[7]許月陽,薛建明,王宏亮,等.燃煤煙氣常規(guī)污染物凈化設施協同控制汞的研究[J].中國電機工程學報,2014,34(23):3924-3931.

[8]SCALA F,CLACK H L.Mercury emissions from coal combustion:modeling and comparison of Hg capture in a fabric filter versus an electrostatic precipitator[J].Journal of Hazardous Materials,2008,152(2):616-623.

[9]SHEN Z S,MA J,MEI Z J,et al.Metal chlorides loaded on activated carbon to capture elemental mercury[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22(11):1814-1819.

[10]KARATZA D,LANCIA A,PRISCIANDARO M,et al.Influence of oxygen on adsorption of elemental mercury vapors onto activated carbon[J].Fuel,2013,111:485-491.

[11]LE L R,HUNG C H,JEN Y S,et al.Adsorption of vapor-phase elemental mercury (Hg0) and mercury chloride (HgCl2) with innovative composite activated carbons impregnated with Na2S and S0in different sequences[J].Chemical Engineering Journal,2013,229:469-476.

[12]施雪,趙麗麗,吳江,等.生物質活性炭對模擬煙氣汞吸附特性的實驗研究[J].上海理工大學學報,2013,35(5):435-438.

[13]HO T C,KOBAYASHI N,LEE Y K,et al.Modeling of mercury sorption by activated carbon in a confined,a semi-fluidized,and a fluidized bed[J].Waste Management,2002,22(4):391-398.

[14]HO T C,SHETTY S,CHU H W,et al.Simulation of mercury emission control by activated carbon under confined-bed operations[J].Powder Technology,2008,180(3):332-338.

[15]SCALA F,CHIRONE R,LANCIA A.Elemental mercury vapor capture by powdered activated carbon in a fluidized bed reactor[J].Fuel,2011,90(6):2077-2082.

[17]李玲,惠建明,楊東偉,等.流化床式篩分機中氣泡特性的數值模擬[J].上海理工大學學報,2015,37(5):500-504.

[18]晁東海,郭雪巖.大顆粒氣固流化床內兩相流動的CFD模擬[J].上海理工大學學報,2010,32(4):333-339.

[19]CAICEDO G R,RUIZ M G,PRIETO Mrqués J J,et al.Minimum fluidization velocities for gas-solid 2D beds[J].Chemical Engineering and Processing,2002,41(9):761-764.

[20]唐勝利,王翀,呂紅,等.鼓泡流化床流動特性的數值仿真和實驗研究[J].計算機仿真,2011,28(11):396-400.

(編輯:石瑛)

Visible Investigation and Numerical Simulations on Gas-Solid Two-Phase Flow for Flue Gas Mercury Removal in Fluidized Bed

HUANG Shuo,ZHAO Bingtao,ZHONG Mei

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to explore the process of gas-solid two-phase flow in a fluidized bed mercury removal reactor,visual experiments were carried out.The experiments were performed at different fluidized velocities,bed material heights,quartz sand particle sizes and activated carbon (AC) nozzle air velocityies.The gas-solid flow characteristics in the reactor were simulated by the computational fluid dynamics method and compared with the experiment results.The results indicate that the simulation model is of the reliability for flow simulation.The increase of inlet air velocity or the decrease of quartz sand particle size is beneficial to promote the violent degree of gas-solid two-phase flow.The AC nozzle air velocity can make the local turbulence in reactor.Under the synthetic action of friction between walls and particles and the bubbles size,the bed material height can hardly influence the two-phase flow.

fluidized bed reactor; flue gas mercury removal; two-phase flow; visualization; numerical simulation

1007-6735(2016)04-0329-06

10.13255/j.cnki.jusst.2016.04.004

2016-03-01

國家自然科學基金資助項目(50806049);上海市自然科學基金資助項目(08ZR1415100);滬江基地建設基金資助項目(D14001)

黃朔(1991-),男,碩士研究生.研究方向:燃燒源大氣污染控制.E-mail:dear5121151@163.com

趙兵濤(1976-)男,副教授.研究方向:燃燒源大氣污染控制.E-mail:zhaobingtao@usst.edu.cn

TK 16

A