鼓泡流化床氣固兩相流動特性數值模擬

李九如 李銘坤 陳巨輝

摘 要：為了研究鼓泡流化床內氣固兩相流動特性，采用數值模擬的方法，對Fushimi等人的冷態實驗過程進行模擬，建立了合理的TBCFB氣化爐氣固兩相流動系統模型，基于歐拉雙流體模型，以ANSYS嵌套的FLUENT17.0，作為數值模擬計算的基礎平臺，模擬TBCFB（三級流化床）氣化爐系統中鼓泡流化床氣固兩相流動過程及分析其流動特性。結果主要分為3部分：鼓泡床表觀速度對流動質量有重要影響，速度越低，越有利于床內氣泡與床料充分接觸;比較不同高度，不同配比兩種顆粒溫度變化特點，發現床層高度越高，顆粒溫度越大;顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

關鍵詞：鼓泡流化床;雙流體模型;氣固兩相流;數值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.008

中圖分類號： TK 229

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0047-06

Abstract：In order to study the gas-solid two-phase flow characteristics in bubbling fluidized bed reactor， the numerical simulation method， the Fushimi， to simulate the process of cold experiments， we set up reasonable TBCFB gasifier model of gas-solid two-phase flow， based on eulerian two-fluid model， nested FLUENT17.0 with ANSYS， as the basis of numerical simulation platform， the simulation TBCFB （level 3 fluidized bed gasifier bubbling fluidized bed gas-solid two-phase flow in the system process and analyze the flow characteristics. The results are mainly divided into three parts： the surface velocity of the bubbling bed has an important influence on the flow quality， and the lower the speed， the more favorable the bubbles in the bed are in contact with the bed material. It is found that the higher the height of the bed is， the higher the particle temperature is. The particle concentration increases， the particle temperature decreases， and vice versa.

Keywords：bubbling fluidized bed; two-fluid model; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

0 引 言

能源是人類活動的物質基礎[1]。煤、石油、天然氣等化石燃料是不可再生能源的利用技術上已經非常成熟，多種多樣的新能源也已經走進大眾視野，但是煤炭的使用任然占大比重[2]。

這些化石燃料主要以燃燒為主，燃燒給環境帶來的危害是全世界性質的，煤炭在燃燒過程中產生二氧化硫、一氧化碳、煙塵、放射性飄塵、氮氧化物、二氧化碳等，這些有害物質不僅會對生態環境產生危害，而且會對人體產生危害，例如誘導人機體癌變等一系列令人觸目驚心的問題。

潔凈煤技術（CCT）[3]成為增加煤炭的使用率，抑制其燃燒產物對大氣的污染，維持全世界各國能源連續發展的重要技術。潔凈煤技術是當前國內外減少環境問題的主要技術之一，也是高新技術國際競爭的一個關鍵方向。煤炭氣化作為發展潔凈技術的重要手段之一，其中，在流化床上進行煤炭氣化的方式以其獨特的優點成為如今國內外該領域研究的熱點方向，顯然對于流化床試驗裝置的研究炙手可熱[4-6]。

1 氣固兩相流動的數學模型

1.1 雙流體模型

Jackson等[7]為了求解局部平均的N-S[8]方程，建立并采取了“雙流體模型”。雙流體模型[9-12]遵循歐拉-歐拉方程，多相介質連續不斷地分布于其所占據的整個空間，并且介質宏觀運動的物理參數在空間和時間上是可微連續的。雙流體模型是因為將顆粒相作為“擬流體”，故可以較完整地描述顆粒相間的各種湍流輸運作用[13]。并且可以通過顆粒壓力和顆粒黏性來描述顆粒間的彼此作用。顆粒相的計算方式與流體相相同，采取相同的形式與求解方法，可以采取相同形式的流體力學守恒方程表示。

4 結 論

通過建立“雙流體”模型完成TBCFB系統氣固兩相流動過程模擬，分析鼓泡流化床內流動特性。

1）鼓泡流化床表觀氣體速度對流動質量有重要影響，速度越低，有利于床內氣泡與床料充分接觸，對進一步進行熱態氣化反應意義重大。

2）通過比較床內三個不同高度上硅砂和尼龍膜顆粒溫度分布，發現床層高度越高，顆粒溫度越大，意味著速度脈動強烈，且顆粒溫度分布隨高度增加越平緩，在鼓泡流化床進料口處湍動能十分大。

3）同一高度尼龍膜的顆粒溫度比硅砂的顆粒溫度大一個數量級，因為尼龍膜粒徑大于硅砂。比較三種配比下顆粒溫度變化，隨著尼龍膜體積分數增加，同一高度尼龍膜顆粒溫度增加，硅砂顆粒溫度降低。

4）此外顆粒溫度與顆粒濃度存在關系，硅砂和尼龍膜顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

參 考 文 獻：

[1] 賁興振，楊寶臣. 中國能源消費和經濟增長的協整關系分析[J].哈爾濱理工大學學報，2005，10（4） ：117.

[2] 呂薇，劉瑞春，高強，等. 秸稈成型燃料的研制及其燃燒特性實驗[J]. 哈爾濱理工大學學報，2015，20（4）：51.

[3] 吳曉華，宋二波，賈尚偉. 基于SWOT分析的我國潔凈煤技術發展研究[J]. 潔凈煤技術，2015，21（1）：24.

[4] 高楊，肖軍，沈來宏. 串行流化床生物質氣化制取富氫氣體模擬研究[J]. 太陽能學報，2008，29（7）：894.

[5] ASKARISHAHI M， SALEHI M S， GODINI H R， et al. CFD study on solids flow pattern and solids mixing characteristics in? bubbling fluidized bed：Effect of fluidization velocity and bed aspect ratio[J]. Powder Technology， 2015， 274：379.

[6] 方夢祥，施正展，王樹榮，等. 雙流化床物料循環系統的實驗研究[J]. 農業機械學報，2003，34（6）：54.

[7] R.JACKSON. The mechanics of fluidized beds[J].Trans. Inst.Chem. Eng.，1963：3.

[8] DASGUPTA S，JACKSONR，SUNDARESAN S.Turbulent gas- particle flow in verticle risers[J].AIChE J，1997，43（ 4） ：853.

[9] 曹玉春，吳金星，李言欽. 基于歐拉-歐拉模型的氣固鼓泡床數值模擬研究[J]. 熱力發電，2008，37（11）：35.

[10]李斌. 流化床爐內顆粒混合的離散單元法數值模擬[J]. 中國電機工程學報，2012，32（20）：42.

[11]王帥，于文浩，陳巨輝，等.鼓泡流化床中流動特性的多尺度數值模擬[J].力學學報，2016，48（3）：585.

[12]YU Liang，LU Jing，ZHANG Xiangping，et al.Numericalsimulation of the bubbling fluidized bed coal gasification by the kinetic theory of granularflow （KTGF）[J].Fuel，2007， 86（5/6）： 722.

[13]盧志明，朱沈瑾，石來民，等. 單噴管鼓泡流化床流動特性的數值模擬[J]. 燃燒科學與技術，2015，5（21）：1006.

[14]馬騰波. TBCFB中鼓泡流化床的流體力學模擬及其進料系統壓力分析[D]. 太原理工大學，2016.

[15]FUSHIMI C，ISHIZUKA M，GUAN G，et al. Hydrodynamic behavior of binary mixture of solids in a triple-bed combined circulating fluidized bed with high mass flux[J]. Adv. Powder Technol.，2013，25：379.

[16]劉榮正，劉馬林，邵友林，等.流化床-化學氣相沉積技術的應用及研究進展[J].化工進展，2016，35（5）：1263.

[17]呂薇，李彥棟，李瑞揚，等. 生物質秸稈顆粒氣流干燥試驗研究及數值模擬[J].哈爾濱理工大報，2011，16（5）：39.

[18]李九如，楊黎.安裝新風換氣機房流場及溫度場數值模擬研究[J].哈爾濱理工大學學報，2009，14（5）：128.

（編輯：關 毅）