流化床氣化爐氣固兩相流三維數值模擬

張 銳

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

流化床技術被廣泛應用于燃料的燃燒、熱解、氣化等工業過程，流化床內氣固兩相的流動特性已成為人們研究的重點[1-3]。流化床反應器氣固兩相間的接觸表面狀態變化較快，顆粒大小、形狀、密度、氣流速度和湍流強度等都會對流化床內氣固兩相流動特性產生一定影響[4]。因此，為了掌握流化床氣化爐的工作性能，人們對流化床技術進行了大量的研究。L.P.Cammarate[5]應用 CFX4.4軟件進行了矩形鼓泡流化床的2D與3D數值模擬的比較;Darton RC LR[6]通過2D與3D的流化床數值模擬，得到床層膨脹、氣泡尺寸與氣泡上升速率等結果;K.Papadikis[7]應用 Fluent 6.2 進行了流化床的 2D與3D模擬，計算了施加在顆粒上的力與顆粒的速度矢量圖，結論表明3D數值模擬對于預測流體動量、質量與能量的傳遞更為準確。本文應用CFD軟件Fluent進行流化床內氣固兩相流數值模擬，并通過上述文獻整理選擇適合流化床氣固模擬的參數設置，進行流化床內氣固兩相流的三維模擬及對模擬結果進行分析，研究流化床內顆粒的流動特性。

1 計算模型及數值方法

1.1 數值模擬方法及控制方程

目前氣固兩相的數值模擬方法可分為歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。歐拉拉格朗日方法計算量大，顆粒數量要小于106，通常應用于機理研究。歐拉-歐拉方法將氣固兩相均視為連續相，結合顆粒動力學進行求解[8]，顆粒的脈動動能可用顆粒溫度來表示，顆粒脈動在顆粒相中形成有效壓力、有效粘度，二者均取決于顆粒溫度。本文選用歐拉-歐拉雙流體模型結合顆粒動力學進行數值模擬。

大量文獻研究了曳力模型對氣固兩相流流動特性的影響。M.Syamlal[9]的研究表明，Syamlal-O’Brien曳力模型對床層壓降、床層膨脹與氣泡直徑的預測值偏低。李東耀[2]基于Fluent軟件進行了流化床內氣固兩相流模型研究，結果表明Gidaspow曳力模型與流態化原理及文獻結果吻合性較好。本文采用Gidaspow曳力模型。

1.2 幾何模型、邊界條件與網格劃分

圖1為流化床反應器結構示意圖。流化床直徑為0.05 m，為了減少網格數，節省計算時間，模型選擇布風板上部0.5 m的空間進行建模及網格劃分。空氣從流化床下部流入，邊界條件為速度入口，從流化床上部流出，邊界條件為壓力出口，壓力大小為101.3 kPa。采用控制容積法離散控制方程，孔隙率選用QUICK格式，以提高計算精與相界面清晰度，其余物理量采用一階迎風差分格式獲得，流體壓力–速度耦合基于Simple算法。利用Gambit軟件進行流化床的三維結構體網格劃分，建立總網格數為 20 000、40 000、60 000、80 000 的流化床模型，進行網格無關性驗證。結果表明:當網格數大于40 000后，網格數目的增加對數值模擬的結果影響較小。最終選用總網格數為40 000的流化床模型進行數值模擬。

圖1 流化床網格劃分

計算中的氣相選用標準狀態下的空氣，顆粒相為沙子，顆粒的平均直徑為0.5 mm，沙子真實密度為2 300 kg/m3，堆積密度為1 380 kg/m3，顆粒堆積靜止高度為0.2 m，初始固含率為0.6。

2 數值模擬結果及分析

2.1 初始流化過程固含率分析

圖2為0～1 s內軸向截面顆粒固含率分布圖。從圖2可以看出，床層從初始狀態的靜止到穩定流化的過程。隨著空氣不斷涌入爐膛，床層不斷膨脹，顆粒固含率不斷減小。在氣泡的上升過程中，氣泡間發生融合，在壓力下降等因素的作用下，氣泡被拉長，沖出床層后破裂，最終回落。

圖2 軸向截面固含率云圖

圖3為圖1相應的3D固含率等值面圖(顆粒固含率ε=0.3)。由圖3可以看出，空氣涌入后，氣泡界面向上移動。在初始流化過程中，氣泡截面呈現為一個近似對稱的4個尖峰向爐膛上方運動(t=0.5 s)，推動靜止床料向上膨脹，最終沖出床層(t=0.7 s)。經過最初的1 s后，流化床內形成穩定的氣泡，床層開始穩定流化。

圖3 軸向截面固含率等值面圖(顆粒固含率ε=0.3)

2.2 流化床瞬時固含率及流場分析

流化床模擬過程為0～6 s，本文分析第5.6 s的瞬時流場、徑向(軸向)固含率分布云圖、顆粒速度矢量圖、5.8 s的單個氣泡軸線固含率云圖、固含率等值線圖。

2.2.1 軸向固含率及顆粒流場分析

圖4a、4b為5.6 s時刻軸向顆粒固含率云圖及速度矢量圖。由圖4可知，在5.6 s時刻，流化床內處于穩定的流化狀態，顆粒在床體內的分布整體呈現為上稀下濃、近壁面固含率高、中心固含率低的分布特點，顆粒在爐膛中心區域速度較高且方向向上，而在靠近壁面的地方速度較低且沿壁面向下運動。圖4c為5.6 s時刻顆粒流線圖，可以看出顆粒瞬時的運動狀態。顆粒呈現出“壁面—中心—壁面”運動趨勢，形成爐膛內部的內循環。

圖4 5.6 s軸向截面固含率分布云圖、顆粒速度矢量圖及顆粒流線圖

2.2.2 徑向固含率及顆粒流場分析

圖5a、5b為5.6 s時刻(z=0.05 m，z=0.10 m，z=0.15 m，z=0.20 m，z=0.25 m，z=0.30 m)5 個截面的固含率云圖及顆粒速度矢量圖。由圖5a可以看出，在徑向方向上，顆粒固含率在流化床中心區域較稀，靠近壁面固含率較高。隨著高度的增加，顆粒的固含率呈現逐漸減小的趨勢，顆粒濃度呈現出“上稀下濃”的分布。從圖5b的顆粒速度矢量圖看出，近壁面的顆粒向下運動且速度較小，而在中心區域的顆粒向流化床上部運動且運動速度較快，結合軸向顆粒固含率分布圖及顆粒速度矢量圖，表明顆粒在流化床內呈現出典型的“環—核”流動。

2.3 單個氣泡顆粒運動

圖6a為5.8 s的Y-Z截面的固含率等值線圖，圖6b為顆粒固含率0.3等值面圍成的氣泡及等值面上的顆粒速度矢量圖，箭頭表示顆粒的速度矢量。可以看出，在固含率小于0.1的氣泡中，顆粒速度較小，處于懸浮狀態。在顆粒懸浮區域的上部，顆粒向爐膛上方涌動，在氣泡的作用下，顆粒速度越來越快。而在懸浮區域的下部，氣泡中存在的少量顆粒在自身重力及氣體曳力的作用下向下運動。在底部尾渦的低壓區中，較多的顆粒進入氣泡內部，并在氣泡的左右兩側流出。綜上所述，顆粒在氣相的曳力與自身的重力下運動，在尾渦的作用下從氣泡尾部大量進入，在氣泡的兩側流出。在氣泡運動的作用下，顆粒在流化床內完成內循環。

3 結論

本文應用CFD軟件Fluent、雙流體模型模擬實驗鼓泡流化床內的氣固流動，并通過分析顆粒初始流化過程、顆粒瞬時的軸向徑向固含率、顆粒速度矢量、單個氣泡周圍顆粒的速度矢量，得到以下結論:

1)在初始流化過程中，氣泡沿壁面呈環狀尖峰向上部空間涌入，推動床層膨脹，使顆粒穩定流化。

2)顆粒在軸向呈現上稀下濃的分布狀態，在徑向方向，近顆粒在壁面濃度高、運動方向向下且速度較低，而在爐膛中部顆粒濃度低、運動方向向上且速度較高。顆粒呈現由“中心—壁面—中心”的流動狀態。

3)在固含率小于0.1的氣泡中，顆粒速度較小，處于懸浮狀態，在懸浮區域上部，顆粒向爐膛上部涌動。在底部尾渦的低壓區中，較多的顆粒進入氣泡內部，并在氣泡左右兩側流出，顆粒在流化床內呈現出典型的“環—核”流動。

[1]王建軍，李東芳，姬廣勤，等.循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流的數值模擬[J].鍋爐技術，2010，41(3)，21-26.

[2]李東耀.基于Fluent軟件的流化床的氣固兩相流模型研究[D].重慶:重慶大學，2009.

[3]張騰.循環流化床氣固流動冷態數值模擬[D].北京:華北電力大學，2011.

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