硫粉流化沸騰燃燒器內(nèi)部流場影響因素分析

陳家權(quán)，楊凱波，巫佳鋒，勞黎明

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

在制糖工業(yè)中，SO2被用來吸附雜質(zhì)和澄清糖汁，有著很重要的作用。目前SO2制備的主要方法是熔硫法[1]，即先將硫磺融化成液體狀，再由液硫泵和噴射器噴入燃燒腔燃燒。但是高溫液硫流量不易控制，而且會腐蝕設備，熔硫設備價格較高，升華硫遇冷堵塞管道的問題時有發(fā)生，這樣導致制取SO2效率下降，生產(chǎn)成本提高。

流化床燃燒器被廣泛用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不少學者對其也進行了大量的相關研究[2-8]，流化床燃燒器具有清潔率高，燃料適應性較強，燃燒效率高，燃燒溫度均勻等優(yōu)勢，如果將流化床燃燒器用于硫磺的燃燒制取SO2，這樣就不需要熔硫器、液硫泵和高溫噴射器等，結(jié)構(gòu)更加簡單。影響流化床燃燒的因素有很多，本文使用FLUENT仿真軟件對流化沸騰燃燒器內(nèi)部流場進行模擬仿真，探究分析影響燃燒器內(nèi)部流場的因素，其結(jié)果對工業(yè)中硫粉流化沸騰燃燒器的設計和使用有一定的指導意義。

1　仿真模型的建立

1.1　物理模型

流化沸騰燃燒器一般由四部分組成：布風系統(tǒng)、流化床、燃燒系統(tǒng)、進料排渣系統(tǒng)。在本文的研究中主要是分析對硫粉流化的影響條件，故燃燒系統(tǒng)和進料排渣系統(tǒng)不予考慮，如圖1所示，為流化沸騰器流化裝置。根據(jù)實際加工和實驗條件，如圖2所示，為本文流化沸騰爐的尺寸圖和三維模型圖，風室為直徑為200 mm，高度為200 mm的圓柱，布風板的厚度為20 mm，流化室的高度為800 mm左右，整個模型高度為1 000 mm.

圖1　流化沸騰器流化裝置

圖2　流化沸騰器的尺寸圖和三維模型

1.2　數(shù)學模型

1.2.1湍流模型

湍流模型關系著模擬仿真的準確性，對于本文的數(shù)值模擬，采用標準的標準k-ε模型是較為合適的，標準k-ε模型的微分方程為：

湍動能方程：

耗散率方程：

其中，Gk為由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb為由浮力影響引起的湍動；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率影響參數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)，可以表示為：μt=Gμρ；其他相關參數(shù)為默認常數(shù)。

1.2.2氣固兩相流模型

流化沸騰燃燒器中氣體和硫粉流動本質(zhì)上是處理氣固兩相流問題，在FLUENT中Eulerian模型、Mixture模型和顆粒軌道模型比較適合兩相流中有混合流動的情況，如果固相的體積分數(shù)大于10%，只能選用Eulerian模型或Mixture模型。如果兩相流密度相差過大，而且顆粒的分布較為均勻，采用Eulerian模型較為合適[9-11]。因此，本文選用歐拉模型。

下面是標準k-ε雙方程模型的微分方程組：

其中，vi是i方向的平均速度；μ是氣體的粘性系數(shù)；μT是湍流的粘性系數(shù)；μeff= μT+ μ；Fj是 j方向的外力；k為湍流脈動動能，ε=Cdk3/2/l為湍流動能的耗散率。

1.2.3網(wǎng)格劃分與邊界條件

網(wǎng)格的劃分也是仿真計算特別重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的質(zhì)量直接關系到仿真的準確性，由于流化沸騰器布風板通風孔的存在，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較復雜，故采用混合網(wǎng)格，將通氣孔部分畫為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分畫為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整體網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格單元總數(shù)為22 932個，整體網(wǎng)格質(zhì)量為0.4，達到計算要求。

圖3　整體網(wǎng)格劃分

進口邊界：風室下端為速度入口，流體為空氣，常溫，密度為1.225 kg/m3；出口邊界：壓強出口，常溫常壓；壁面條件：無滑移邊界，不考慮壁面的摩擦。

2　仿真結(jié)果分析

2.1　布風板開孔率對流化的影響

布風板開孔率（K）是指布風板上面空氣流通孔面積與流化沸騰爐總橫截面積的比值。對于本文的仿真模擬，由于孔徑過小的孔不易劃分網(wǎng)格，故選取較低開孔率的情況分析，分析比較布風率為20%、25%和30%的氣固混合情況。布風板截面如圖4所示，仿真條件如表1所示。

圖4　不同開孔率布風板氣孔分布圖

表1　仿真條件

如圖5所示為流化沸騰燃燒器y=0面氣體速度分布，可以看到布風板開孔率越大，空氣的流場就越均勻，硫粉的分布也就能越均勻，氣固混合效果也就越好，但是在Fluent模擬分析中，如果孔徑越小，劃分網(wǎng)格很困難，因此選取布風板空氣通孔大小為20 mm，開孔率為30%的布風板作為仿真模擬條件之一。

圖5　y=0面氣體速度分布

2.2　表觀速度對流化的影響

表觀速度是風室中氣流的速度。根據(jù)粉體物料的流化原理，表觀速度如果不相同，流化效果相異，如果表觀速度較小，硫粉就會靜止在流化床底部，流化床就變?yōu)楣潭ù玻绻碛^速度過大，流化床則變?yōu)闅饬斔停虼吮仨毧刂坪帽碛^速度。假設表觀速度分別為 0.34、0.44、0.56、0.64、0.8（m/s），在此條件下探究表觀速度對流化的影響，其余仿真條件與表1相同。

圖6為不同表觀速度下y=0面上硫粉分布云圖，從圖可知，表觀流速對粉料的流化影響很大。表觀流速從0.34~0.8 m/s時，硫粉沿流化室縱向空間逐漸增大，硫粉運動空間增大，當表觀速度為0.34~0.56 m/s時，流化室上部硫粉的體積分數(shù)比較少，為0.15左右，氣固比較大，適合硫粉的升華燃燒，超過0.56 m/s時，部分硫粉開始聚集在流化室的上端，上部硫粉濃度增大，體積分數(shù)可以達到0.4以上，氣固比減小，不利于硫粉的燃燒。因此需要嚴格的控制表觀速度，表觀速度過小不能流化，過大則會導致硫粉分布不均勻，影響流化床上部硫粉的升華和燃燒。

圖6　不同表觀速度下y=0面硫粉分布云圖

2.3　床料初始厚度對流化的影響

流化室中床料的厚度也是影響流化效果的重要因素，如果床料較少，則不能達到流化沸騰燃燒器的最大工作效率，但是如果床料過多，則會導致硫粉在流化室分布不均勻，影響硫粉的燃燒。假設床料的厚度分別為0.1 m，0.15 m，0.2 m和0.3 m，其余仿真條件與表1相同，探究床料初始厚度對流化的影響。

如圖7所示，為不同床料厚度下y=0面硫粉分布云圖，可以看到，床料厚度增加，硫粉流化高度隨之增加，床料厚度為0.1 m時，硫粉流化高度為200 mm，床料厚度為0.3 m時，硫粉流化高度為500 mm；燃燒室上部氣固比變小，硫粉的體積分數(shù)達到了0.5，流化效果不理想，不利于燃燒。流化效果較好的床料厚度為0.15~0.2 m左右。

圖7　不同床料厚度下y=0面硫粉分布云圖

2.4　硫粉粒徑對流化的影響

不同粒徑的硫粉對流化同樣會產(chǎn)生不同的影響，現(xiàn)假設硫粉的粒徑分別為0.1 mm，0.5 mm，1 mm，在此條件下探究硫粉粒徑對于流化的影響，其余仿真條件與表1相同。

如圖8所示，為不同粒徑下硫粉的體積分數(shù)圖。可以看到，硫粉粒徑對沸騰流化影響較大，顆粒大小的變化導致顆粒平衡狀態(tài)發(fā)生變化，顆粒越大，流化越困難，當粒徑為0.1 mm時，硫粉還可以正常流化，流化高度為300 mm左右，當硫粉的粒徑為0.5 mm時，硫粉靜止不動，成為了固定床，故硫粉正常流化時的粒徑應小于0.1 mm.

圖8　不同粒徑y(tǒng)=0面硫粉分布云圖

3　結(jié)論

通過上文對流化沸騰燃燒器內(nèi)部流場的仿真分析和實驗研究，可以看到表觀流速、床料厚度、硫粉粒徑和布風板開孔率及孔徑大小對流化沸騰器內(nèi)部流場均有影響：

（1）表觀速度要控制在0.34~0.56 m/s，此時流化高度為0.3~0.5 m，流化床上部分硫粉體積分數(shù)為0.15左右，氣固比增大，適合硫粉的升華和燃燒。

（2）床料厚度要控制在0.1~0.2 m，硫粉厚度增加會使流化困難，會使流化床頂部空間的硫粉濃度增加，體積分數(shù)可以達到0.5，氣固比減小，不利于硫粉的升華和燃燒。

（3）硫粉粒徑最適應不大于0.1 mm，如果粒徑增大，流化難度增大，流化床就變味固定床。

（4）布風板的開孔率越大，孔徑越小越有利于硫粉的流化，風室的壓強會越穩(wěn)定，流化室內(nèi)部的硫粉流化效果也更好。