流化床氣固流動二維數值模擬

黃世苗

(南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江), 廣東 湛江 510420)

20 世紀70 年代末, 流化床燃燒技術以其獨特的燃燒方式,高效的燃料利用手段開始進入商用階段[1]。 由于循環流化床燃燒技術擁有傳統燃燒方式所不具有的高效燃燒的特點, 大大降低的污染物排放以及運行成本, 并且適用于多種燃料燃燒, 對燃料種類不敏感以及對負荷變化的適應性強, 因此作為一項新的較為環保清潔的火力發電技術, 其擁有其他鍋爐不具有的獨特優勢[2]。 現在循環流化床鍋爐設備在世界范圍上進入了產業化階段, 并已經廣泛應用于多種行業, 如電力行業、 石油開發、 化工行業、 工業及生活廢棄物的能源化利用等[3]。

流化床燃燒技術, 即燃料在 “流動” 的狀態下進行燃燒。流化床一般以一定粒度和數量的砂粒作為媒體, 促使燃料流態化, 因此對砂粒組成的床層進行流動特性的研究對探討燃料燃燒、 流動以及傳熱十分重要。 固體床料處于流態化, 固體燃料顆粒在氣流的和砂粒的共同作用下發生較大的摻混與擾動, 此時顆粒在爐膛中由于與其他固體顆粒距離較遠, 可以與空氣充分接觸, 因此燃燒相較于固定床更加充分, 燃盡時間也相應縮短[4]。

本文將通過FLUENT 軟件對床層冷態流態化進行二維數值模擬, 獲得不同表觀氣速下床層顆粒的濃度分布以及流動狀況, 并在此基礎上討論各個氣速下的氣固流動特性, 并對顆粒運動狀況進行分析, 以定性得到固體顆粒對壁面的磨損情況。

1 模擬對象

本文模擬所需參數由50 MW 以生物質作為主要供能物質的循環流化床鍋爐系統提供, 對某一以生物質作為燃料的電廠中的HX220/9.8-IV1 型純燒生物質的循環流化床鍋爐進行二維建模, 并在此基礎上對爐膛中尤其是密相區的氣體及固體兩相的流動特性進行數值模擬[5]。 鍋爐的外形尺寸及相關參數由表1 給出。

表1 鍋爐外形尺寸及相關參數Table 1 Boiler overall dimensions and related parameters

雙相流模型將固體相近似看做與流體相類似的連續相, 并且假設固體相與空氣之間存在相互摻混。 控制方程為:

2 模型建立

本文主要分析床層在爐膛中尤其是密相區中的由靜止到流態化狀態的整個流動過程, 因此在此次模擬中不需考慮上層布置的受熱面對于氣固兩相流的流場所產生的影響, 對爐膛區域進行幾何模型建立時未考慮受熱面管路的布置。 節點數目為24800, 為使計算結果跟準確且減小內存占用, 可將網格劃分區域分為密相區和稀相區, 對此進行模擬并觀察流場的變化以及個條件對流場的影響, 數值模擬的網格劃分如圖1 所示。 氣相段和固相段的參數選取由表2 給出。

表2 氣相段和固相段的參數設置Table 2 Parameter settings of gas phase and solid phase

圖1 循環流化床鍋爐爐膛結構示意圖及網格劃分Fig.1 Schematic diagram of the furnace structure and grid division of a circulating fluidized bed boiler

模擬中壁面處為無滑移邊界條件, 對于歐拉多相流, 氣固兩相之間的湍流計算采用k-ε 模型, 設定wen-yu 模型決定兩相之間相互作用的曳力, 該模型適用于次相體積分數明顯低于主相的稀疏相流動。 調整一二次風的風速, 得到不同表觀氣速, 分析床層在不同速度氣流的作用下的流動狀態。

3 結果與討論

根據不同風速下的床層顆粒的體積份額的分布及其隨氣體的流動狀況, 可將床層的流動狀態按照表觀氣速逐漸增大分為鼓泡床、 湍動床、 快速床和氣力輸送狀態。

當一二次風風速較低, 表觀氣速為臨界流化速度的2 至3倍時, 床層運動具有鼓泡床的特性。 固體顆粒主要集中在爐膛底部, 但在其內部存在體積分數較小的位置, 可以看做是一次風在流經床層時形成的氣泡。 按照臨界流化狀態所需的表觀氣速為1.2 m/s 計算, 調整一次風及二次風的風速使表觀氣速達到3 m/s 左右, 模擬得到的不同時刻(從左到右分別為1 s、 2 s、3 s、 4 s)床層顆粒的體積分數分布如圖2 所示。 床層中不斷涌現氣泡, 類似水沸騰的表現, 因此鼓泡床也可以叫做沸騰床。

圖2 不同時刻鼓泡流化床床層顆粒體積份額Fig.2 The volume fraction of particles in the bubbling fluidized bed at different times

當送風風速加大, 達到顆粒的湍動流化速度, 但又小于顆粒的終端速度時, 床層在氣流的作用下高度升高, 床層的狀態被稱為湍動流化床。 此時由從底部布風板送入的一次風產生的氣泡由于較快匯合然后以較快的速度通過床層, 床層顆粒運動更加劇烈, 所以無法觀察到氣泡的具體形態。 床層處于湍動流態化時, 固體床層與上方自由空域的截面模糊, 床層逐漸分成密相區和上方的稀相區。 對湍動床的模擬得到的不同時刻床層顆粒的體積分數分布如圖3 所示。

圖3 不同時刻湍動流化床床層顆粒體積份額Fig.3 The volume fraction of particles in a turbulent fluidized bed at different times

表觀氣速略大于顆粒終端速度時, 稀相區的床層顆粒會被氣流吹出, 此時爐膛下部有明顯的密相區, 床層顆粒多數依舊處于該區域, 而隨高度增大, 開始出現濃度較小的顆粒分布。此時由于顆粒會隨氣流吹出爐膛, 若要觀察到穩定的快速流態化, 需要在密相區進行床層顆粒的補給。 由于本次模擬時間較短, 被吹出的床層顆粒較少, 因此未進行相應的補充。 對快速流化床的模擬得到的不同時刻床層顆粒的體積分數分布如圖4所示。

圖4 不同時刻快速流化床床層顆粒體積份額Fig.4 The volume fraction of particles in the fast fluidized bed at different times

表觀氣速進一步增大, 密相區和稀相區的區別進一步減小, 此時就形成了氣力輸送。 對稀相輸送床的模擬得到的不同時刻床層顆粒的體積分數分布如圖5 所示。 氣力輸送裝置廣泛應用于鑄造、 化工、 醫藥、 糧食等行業。 氣力輸送可以根據床層補充的情況分為密相輸送和稀相輸送。 當床層補充量適中,顆粒的分布與快速流化床相似, 分為密相區和稀相區; 當床層補充充足時, 整個快速床全部轉變為密相區, 可稱為密相輸送床; 當床層補充量十分少時, 整個快速床相應的就轉變為稀相區, 此時的快速床即為稀相輸送床。 本次模擬由于未設置床層顆粒的補充, 且模擬時間較短, 因此通過結果可以得到從固定床發展為稀相輸送床的床層流動情況。

圖5 不同時刻稀相輸送床床層顆粒體積份額Fig.5 The volume fraction of particles in the dilute phase transport bed at different times

4 結 論

采用歐拉多相流模型和顆粒動力學理論相結合, 通過FLUENT 軟件對二維冷態流化床進行了數值模擬, 并得到了不同時間上的床層顆粒體積份額的分布。 通過對不同氣速下床層流動狀態的定性描述得到, 隨著表觀氣速不斷增大, 床層分為鼓泡床、 湍動床、 快速床和氣力輸送四個狀態, 并由模擬結果觀察到床層顆粒在各個氣速下均有不同程度的貼壁流動的現象, 對爐膛內壁面會造成不同程度的磨損。 爐膛在熱態運行時磨損及腐蝕現象均加劇, 因此應在前后墻漸擴段以及后墻過渡區加強防磨保護。