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    生物質(zhì)流化床流化特性試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

    2020-03-25 01:22:36胡小金劉三舉劉俊成松廷徐亞南王發(fā)輝溫小萍
    關(guān)鍵詞:流化床層流化床

    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。

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