循環流化床反應器傳熱特性

陳巨輝 陳紀元 黎嘉豪 李欣 史笑 崔領振 董寶軍

摘 要：作為一種新型燃燒裝置，循環流化床克服了以燃煤為主的工業鍋爐的很多弊端，使燃燒效率提高、污染物減少。針對實驗研究流化床相關的傳熱特性，費用昂貴，且受環境條件的影響嚴重的問題，運用 FLUENT17.0軟件作為數值模擬工具就可以解決。依據Tong Zhao等人的實驗結果，運用了簡化為循環流化床二維平面結構，模擬內部流動和燃燒過程，研究了床溫與輻射傳熱對總傳熱系數的影響。并且經過理論計算，給出了三條熱流密度值沿反應器高度方向的分布規律，為優化設計提供了參考。

關鍵詞：循環流化床; 數值模擬; 傳熱; 熱流密度

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.009

中圖分類號： TK 229

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0053-06

Abstract：As a new type of combustion device， circulating fluidized bed has overcame many disadvantages of coal fired industrial boilers. It has improved combustion efficiency and reduced pollutants.The heat transfer characteristics related to fluidized bed are expensive and are subject to environmental conditions.The FLUENT17.0 software is used as a platform for numerical simulation to solve.Numerical simulations are based on experiments by Tong Zhao et al. A simplified two-dimensional structure of circulating fluidized bed is applied to simulate the internal flow process and combustion process， and the heat transfer problem of fluidized bed is further studied. Based on the heat transfer model， the influence of the bed temperature and radiation heat transfer on the total heat transfer coefficient is researched.After theoretical calculation， the three distribution laws of heat flux density along the height direction of reactor are found， which provides reference for optimization reference.

Keywords：Circulating fluidized bed; numerical simulation; heat transfer;? heat flux

0 引 言

縱觀歷史，能源的開發與利用是與國家的發展息息相關。2016年12月我國能源局指出了目前我國能耗高、污染物排放程度大、能源利用率低以及大氣環境惡劣。特別在我國步入經濟新常態后，大氣污染更是嚴重阻礙了我國經濟健康發展的步伐。因此對于能源利用技術的研究必須朝著環保的方向發展。

近些年來，循環流化床鍋爐作為一種新型燃燒裝置，能進一步實現能源的有效利用與清潔燃燒，燃料可以擴展到生物質及固體垃圾，循環流化床鍋爐前景比較廣闊。 其中循環流化床內部的傳熱過程十分重要，直接關系到受熱面等相關結構的設計與選取，防止受熱部件因超溫而損壞，減少經濟損失，保障鍋爐的安全運行。

在流化床內，物料呈現出流態化的狀態，其燃燒伴隨著很復雜的相互作用。循環流化床物料的流化速度要比常規流化床的流速要高[1]，既包含著兩相流動，又存在著各種傳熱傳質以及化學反應。若想通過實驗研究相關的傳熱特性，不僅費用昂貴，而且受環境條件的影響實驗結果并不能反映循環流化床全部的流動與傳熱特性。若采用數值模擬的手段研究則可以避免這些問題，關鍵是用優化的物理模型來描述燃料的流動過程和傳熱過程。

本文以Tong Zhao[2]等人的實驗臺為研究對象，采用的流動模型有守恒方程、湍流模型和曳力模型，反應模型包括煤炭燃燒反應模型和容積燃燒模型，涉及到的傳熱過程則用顆粒團更新傳熱模型來描述，從而建起了描寫循環流化床內傳熱問題完整的理論體系。以 FLUENT17.0軟件作為數值模擬的工具，討論了輻射傳熱的重要性，比較了床溫對總傳熱系數的影響，理論計算了沿高度方向的熱流密度值，以此為優化設計提供參考。

1 數學模型

1.1 流動模型

本文采用的流動模型主要有守恒方程、湍流模型和曳力模型[3-8]。

3 計算結果與討論

3.1 反應器瞬時工況分析

圖1與圖2給出的是不同時刻生成物在反應器內的濃度分布。圖3給出的是不同時刻反應器內的溫度分布。從圖中可以得到被送入鍋爐的燃料在進料口附近率先發生反應。為提高模擬準確性，我們需充分考慮顆粒周圍局部速度和溫度脈動的影響[19]。觀察6.4s時的生成物情況可以發現，只有底部有極少量產物。由于燃料的初始溫度只有300K，需要先吸收一部分熱量，導致此處的局部溫度沒有上升到很高的程度，只有800K，而其余區域溫度較低。隨著燃料不斷向上運動以及熱量的逐漸擴散，進料口之上的區域內燃料都開始進行反應，高溫區域逐漸上移。到14s的時候，整個反應器內基本充滿產物，整個區域溫度基本上達到1000K。在14s之后，隨著反應的穩定進行，溫度分布也處于比較穩定狀態。此時，床層溫度達到950K，顆粒團溫度達到900K。

當計算到16s的時候，穩定后的反應器溫度沿爐徑向分布曲線如圖4所示。從中可以觀察到爐內溫度沿徑向分布較為均勻，與其他燃燒方式有著明顯的區別，這與實際狀況相符。反應器中心溫度要稍微高于壁面，這是因為反應器中心風速較大，氧氣濃度也隨之增大，燃燒比較充分，溫度較高。反應器高度在0～0.2m之間時，徑向0～0.15m處溫度較低，由于進料口處燃料的溫度只有300K，剛進入反應器需要吸熱。沿軸向方向觀察可以發現反應器的溫差很小，說明燃燒比較均勻。

3.2 床溫對總傳熱系數的影響

在本文的傳熱模型中，考慮了輻射傳熱的影響，增加了輻射傳熱系數。經過計算，當不計輻射傳熱時，可得反應器內總的傳熱系數h的值是40.97Wm-1K-1，若加入輻射傳熱，總的傳熱系數h為98.61Wm-1K-1。因此當床溫高于800K時，輻射傳熱所占的比例較大，不能忽略輻射傳熱。

床溫不同將引起總傳熱系數的變化。當壁面溫度為800K，床溫由810K變化到950K時，總傳熱系數變化規律如圖5，當床溫增加時，氣體的導熱能力增強，同時介質向外界的輻射換熱能力也顯著增強，總的傳熱系數會增加。但總傳熱系數并不是床溫的線性函數，在總傳熱值的分布曲線中可以發現總傳熱值會呈現最小值，但總體上還是呈現漸增的趨勢。通過數值模擬結果可以預測出適當的增加床溫可以使鍋爐輸送更多的熱量。

3.3 沿反應器高度單位截面上的熱流密度分布

當燃料燃燒時，顆粒團與壁面的碰撞持續存在，并且速度很快，所以從時間角度來看可以當作是定常傳熱，此種燃燒方式又使得沿徑向溫差很小，因此傳熱問題的研究[20]從三維角度過渡到二維。經過傳熱模型計算，沿軸向單位截面上的熱流密度值分布規律如圖6所示。在反應器高度大于0.5m時，沿反應器高度單位截面上的熱流密度漸漸減小，但減小的數值很少。這是因為床料在向上運動時會吸收部分熱量。但在反應器高度小于0.5m時，沿反應器高度單位截面上的熱流密度較低，由于此處是進料口位置，進入的燃料溫度較低，此處燃料在反應時會吸收熱量。分析反應器內的分熱流密度布，可以為布置水冷壁與埋管提供依據，使他們吸收足夠的熱量，防止局部超溫現象的發生。

4 結 論

1）利用FLUENT軟件對循環流化床反應器的流動與燃燒過程進行模擬，分析了循環流化床的瞬時工況。在燃料燃燒穩定后，觀察到爐內溫度沿徑向分布較為均勻，中心溫度要稍微高于壁面，反應器內全部區域溫度大體上達到1000K，這與其他燃燒方式有著明顯的區別。

2）以傳熱模型為依據，經過理論計算，發現當床溫高于800K時，輻射傳熱所占的比例較大，不能忽略輻射傳熱。床溫不同將引起總傳熱系數的變化。床溫增加時，由于總傳熱系數并不是床溫的線性函數，在總傳熱值的分布曲線中可以發現總傳熱值會呈現最小值，但總體上還是呈現漸增的趨勢。

3）在研究軸向單位截面上的熱流密度值分布規律時，考慮問題的角度從三維過渡到二維。經過理論計算可知，沿反應器高度單位截面上的熱流密度呈現先增大后減小的趨勢。在反應器底部進入的燃料溫度較低，在反應時會吸熱。其次床料在向上運動時也會吸收部分熱量，使得熱流密度數值減少。分析反應器內的分熱流密度分布，可以為布置水冷壁與埋管提供依據，使他們吸收足夠的熱量，防止局部超溫現象的發生。

參 考 文 獻：

[1] 陳巨輝，孟誠，李九如，等.整體煤氣化聯合循環中流化床氣化爐的數值模擬[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22（3）：132.

[2] ZHAO Kai， LIU a， HIROYUKI Murata， et al. Investigation of Bed-to-wall Heat Transfer Characteristics in a Rolling Circulating Fluidized Bed[J].Powder Technology，2015：46.

[3] LUN C. K. K.， SAVAGE S. B. A Simple Kinetic Theory for Granular Flow of Rough， Inelastic， Spherical Particles[J]. Journal of Applied Mechanics， 1987， 54（1）： 47.

[4] 王福軍.流體機械旋轉湍流計算模型研究進展[J].農業機械學報，2016，47（2）：1.

[5] 陳永輝，王強，樸明波.湍流模型的發展及其研究現狀[J].能源與環境，2009（2）：4.

[6] 鄭曉野，蒲文，岳晨，等.采用改進曳力模型模擬2D鼓泡流化床的流化特性[J].過程工程學報，2015，15（5）：737.

[7] 肖海濤，祁海鷹，由長福，等.循環流化床氣固曳力模型[J].計算物理.2003（1）：25.

[8] 初云濤，周懷春，程強，等.電站鍋爐過熱系統分布式傳熱模型及其應用，中國機電工程學報，2007（11） ：62.

[9] 周星龍.大型循環流化床鍋爐分區段傳熱模型及熱力校核計算研究.神華科技，2016（1）：52.

[10]程樂鳴，駱仲泱，倪明江，等.循環流化床輻射傳熱模型[J].中國電機工程學報，2001，（9）：100.

[11]BASU P， NAG P.K. Heat Transfer to Walls of a Circulating Fluidized-bed Furnace[J]. Chem.Eng. Sci. 1996，51（1）：1.

[12]WIRTH K.E.， SEITER M. Solids Concentration and Solids Velocity in the Wall Region of Circulating Fluidized Beds， in： E.J. Anthony （Ed.）[J]， Proceedings of the International Conference on Fluidized Bed Combustion， ASME， New York， 1991：311.

[13]DUTTA A， BASU P. An Improved Cluster-renewal Model for the Estimation of Heat Transfer Coefficients on the Furnace Walls of Commercial Circulating Fluidized Bed Boilers[J]. Heat Transf， 2004，126（6）：1040.

[14]LINTS M.C， GLICKSMAN L.R. Parameters Governing Particle-to-wall Heat Transfer in a Circulating Fluidized Bed， in： A. Avidan （Ed.）[J]. Circulating Fluidized Bed Technology IV， AIChE， New York， 1994： 297.

[15]GOLRIZ M， SUNDEN B. An Analytical-empirical Model to Predict Heat Transfer Coefficient in Circulating Fluidized Bed Combustors[J]， Heat Mass Transf， 1995， 30（2）： 377.

[16]BREWSTER M.Q， Effective Absorptivity and Emissivity of Particulate Media with Application to Fluidized Bed[J]. Heat Transf， 1986，108（3）：710.

[17]GRACE J.R. Fluidized Bed Heat Transfer， in： G.Hestroni （Ed.）， Handbook of Multiphase Flow[J]. McGraw-Hill， Hemisphere， Washington， DC， 1982： 9.

[18]王芳，田宇，張新宇，等.流速及傳熱溫差對換熱器傳熱系數的影響[J]. 哈爾濱理工大學學報，2017，22（2）：29.

[19]夏俊杰.氣固兩相湍流邊界層內傳熱過程的全尺度直接數值模擬[D].杭州：浙江大學，2016.

[20]朱皚強，芮新紅.循環流化床鍋爐設備及燃燒系統[M].北京：中國電力出版社，2008：55.

（編輯：溫澤宇）