多段分級轉(zhuǎn)化流化床顆粒濃度的數(shù)值模擬

王海艷，郝振華，王志雨，房倚天

(1.中國科學院山西煤炭化學研究所，煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室，山西太原030001;2.中國科學院大學，北京100049)

多段分級轉(zhuǎn)化流化床氣化爐(MFB)是一種新型流化床煤氣化技術(shù)，由鼓泡射流流化床與快速流化床通過變徑漸縮段耦合而成。MFB下部處于鼓泡流態(tài)化區(qū)，大顆粒煤粉顆粒在此進行氣化反應，在中心射流區(qū)團聚成球，并通過選擇性灰分離裝置實現(xiàn)干法排灰過程[1]。為提高帶出半焦細粉轉(zhuǎn)化率，將原有擴大段改為快速流化床，使顆粒處于快速流態(tài)化區(qū)以便改變氣固接觸狀況，通過提高循環(huán)比增加固體濃度和細粉停留時間，并提高快速床反應溫度，進而提高半焦細粉碳轉(zhuǎn)化率。此外上部快速床還可部分進煤，利用鼓泡流態(tài)化區(qū)高溫煤氣顯熱，進行煤的熱解。如果熱解、氣化在同一流化床中進行，產(chǎn)生的揮發(fā)組分、輕烴類氣體以及氫氣會對半焦的氣化產(chǎn)生抑制[2,3]。而MFB將煤的氣化和熱解過程分開進行，實現(xiàn)煤的分級轉(zhuǎn)化，從而提高了碳的轉(zhuǎn)化率。因此，MFB實際上為鼓泡流動和快速流動形態(tài)共存的可以實現(xiàn)煤的分級轉(zhuǎn)化的一種新型粉煤氣化技術(shù)。

多種流態(tài)形式的耦合技術(shù)已有研究，梁萬才等[4]研究了灰熔聚流化床和氣流床技術(shù)耦合的兩段式煤氣化爐，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)流動形態(tài)較復雜，一、二段反應區(qū)連接的喉口使爐內(nèi)形成返混區(qū)和局部回流區(qū)域。王德武等[5]將快速床與氣固環(huán)流床耦合，發(fā)現(xiàn)快速床出口存在一個顆粒約束返混區(qū)。Gan等[6]研究了底部變徑的新型快速床，發(fā)現(xiàn)床內(nèi)同時存在多種流型，底部擴徑段為濃度徑向分布較均勻的密相床，上部為稀相床，下部流型對上部影響不大。

隨著計算機技術(shù)以及顆粒動理學模型[7]、氣固曳力模型[8,9]等的不斷發(fā)展，計算流體動力學（CFD）成為考察流化床內(nèi)氣固兩相流動行為的重要途徑。張鍇等[10]采用雙流體模型模擬了Geldart B類物料的鼓泡流動特性，模擬結(jié)果與經(jīng)典理論和實驗結(jié)果相一致，表明該模型可以用來預測流化床內(nèi)稠密氣固兩相流動的動力學特性。湯顏菲等[11]運用顆粒動理學理論與Gidaspow曳力模型模擬快速床內(nèi)的稀疏氣固流動，計算得到了較合理的顆粒軸向及徑向濃度分布。本工作將在實驗研究的基礎上采用雙流體模型對MFB內(nèi)的氣固流動特性進行模擬研究，主要分析在鼓泡和快速流動形態(tài)耦合作用下，MFB內(nèi)整體以及局部濃度變化規(guī)律，為MFB的設計、操作以及優(yōu)化提供理論指導。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental appratus1-jetting fluidized bed;2-reducing pipe;3-riser;4-bag filter;5-secondary cyclone;6 primary cyclone;7-storage;8-standpipe;9-non-mechanicalvalve;10-butterfly valve;11-rootsblower;12-compressor

1 實驗部分

實驗在冷態(tài)多段分級轉(zhuǎn)化流化床中完成的，裝置如圖1所示。裝置主體由下部鼓泡射流流化床和上部快速床提升管組成。射流流化床內(nèi)徑300 mm，高1.5 m；快速床內(nèi)徑為150 mm，高8 m。它們之間通過縮徑漸縮段連接。實驗過程中，截面壓降和局部固體濃度采用中國科學院過程工程研究所研制的壓力傳感器和PC6D型顆粒濃度測定儀測定，實驗值取多次測量的平均值。

2 氣固兩相流動數(shù)學模型

歐拉雙流體模型認為固相和流體相是共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，兩相流動用Navier-Stokes方程描述。李靜海等[12]研究發(fā)現(xiàn)，曳力是顆粒與流體間相互作用的最基本形式，其他形式的相間作用在一定條件下可以忽略。為了封閉方程，固相壓力和粘度采用顆粒動理學理論計算，氣固相互作用則采用Gidaspow曳力模型實現(xiàn)。

氣固兩相質(zhì)量守恒方程

氣固兩相動量守恒方程

其中

顆粒湍流動能守恒方程

其中

曳力模型

其中

3 結(jié)果與討論

3.1 計算參數(shù)

取MFB床內(nèi)0～5.0 m區(qū)域（圖1虛線框部分），構(gòu)建三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行計算。初始時刻鼓泡床內(nèi)填充一定量的均勻球形固體顆粒，床內(nèi)氣相和固相初始速度均為零。入口按實驗條件設置兩相的速度及體積分數(shù)。頂部采用壓力出口邊界條件，在壁面處，氣相采用無滑移邊界條件，固相采用Sinclair和Jackson[13]提出的考慮顆粒與壁面的碰撞和顆粒與壁面的簡單摩擦作用的壁面邊界條件?？障堵什捎肣UICK離散格式，其它方程選擇二階迎風格式，采用Standard湍流模型，采用SIMPLE算法在多相流中的擴展版PC-SIMPLE算法。其它參數(shù)設置如表1所示。采用非穩(wěn)態(tài)隱式求解，0.000 5 s的時間步長推進，直至計算收斂。為保持數(shù)據(jù)統(tǒng)計的穩(wěn)定性，計算持續(xù)50 s，取后30 s為時間平均樣本分析。

表1 實驗和模擬參數(shù)Table 1 Parameters for experiments and simulations

3.2 MFB整體濃度分布

當ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時MFB內(nèi)30 s到30.5 s時間內(nèi)縱截面顆粒瞬時體積濃度云圖如圖2所示。由圖可見，小氣泡在錐形分布板上方形成，且沿床層上升過程中，發(fā)生聚并。MFB床下部平均濃度較高(αs＞0.20)，呈現(xiàn)明顯的鼓泡流動形態(tài)。氣體經(jīng)變徑漸縮段加速后，MFB床內(nèi)上部顆粒濃度分布表現(xiàn)出強烈的不均勻性：邊壁濃度高(αs＞0.12)、中心區(qū)域濃度低(αs＜0.04)，并形成了一個明顯的氣體通道。MFB床上部(H＞2.5 m)呈現(xiàn)明顯的快速流動形態(tài)，這與實驗中觀察到的現(xiàn)象相符。

圖2 顆粒瞬時濃度分布圖（縱截面）Fig.2 Distribution of instantaneous concentrations of solid

當ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時，MFB內(nèi)時均濃度軸向分布模擬與實驗結(jié)果的對比如圖3所示。右邊的線表示MFB的結(jié)構(gòu)示意圖，H為2.5 m是回料口位置。由圖可以看出，在回料口以上的MFB床內(nèi)濃度呈指數(shù)型分布?；亓峡谝韵拢℉=1.9～2.5 m）部分其濃度自下而上逐漸增加，不同于傳統(tǒng)的快速床濃度分布（見圖右上角），從而使MFB床內(nèi)鼓泡流動區(qū)域、變徑漸縮段、快速床底部三部分軸向濃度總體上呈“C”型分布。由此可見，對于兩種流型的耦合，其軸向濃度分布并非兩種流態(tài)形式的簡單疊加，變化過程較為復雜，在實際設計和操作當中應充分理解其內(nèi)在規(guī)律。圖中同時給出了實驗測量結(jié)果，可以看出模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果較為接近。

圖3 時均顆粒濃度軸向分布Fig.3 Axial distribution of solid concentrations

3.3 MFB快速床稀相段顆粒濃度分布

ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時，快速床內(nèi)的時均徑向濃度分布的實驗與模擬結(jié)果的比較如圖4所示。由圖可見快速床內(nèi)徑向濃度分布呈現(xiàn)中心稀(0.02＜αs＜0.04)、邊壁濃(αs＞0.10)的環(huán)-核流動結(jié)構(gòu)特征。在中心區(qū)域模擬結(jié)果與實驗實測結(jié)果基本吻合，但在邊壁區(qū)域有一定的差異，最大相對誤差達到24%，這是因為在邊壁區(qū)域顆粒濃度高，出現(xiàn)了顆粒團聚物，而基于平均化的Gidaspow曳力模型未充分考慮顆粒聚團的影響，致使邊壁區(qū)域的模擬與實驗數(shù)值差異增大。

圖4 顆粒時均濃度徑向分布Fig.4 Radial distribution of solid concentrations

模擬得到的操作條件對顆粒濃度的影響如圖5和圖6所示。由圖可以看出，快速床呈現(xiàn)顆粒濃度呈現(xiàn)中心低（αs=0.02～0.04）、邊壁濃（αs＞0.10）的不均勻分布。由圖可以看出，在不同的徑向范圍內(nèi)，由于中心區(qū)（r/R＜0.2）和邊壁區(qū)(r/R＞0.8)的顆粒運動狀態(tài)有所不同，顆粒濃度隨Gs和（或）ug的變化幅度不同：中心區(qū)顆粒聚集不明顯，氣固流動發(fā)展充分，從而受Gs和（或）ug的影響較小。而邊壁區(qū)，顆粒濃度較高，聚集傾向更明顯，維持其運動狀態(tài)耗能較多，因此受Gs和（或）ug的影響較大。

圖5 循環(huán)速率對顆粒濃度的影響Fig.5 Solid concentrations as a function of circulation rates

圖6 表觀氣速對顆粒濃度的影響Fig.6 Solid concentrations as a function of gas velocity

3.4 快速床下段回料口附近顆粒濃度分布

模擬得到的回料口附近截面顆粒運動及分布情況如圖7所示。由速度矢量圖可以看出，循環(huán)物料進入快速床后小部分顆粒被上升的氣流夾帶向上運動，大部分顆粒在斜向下的動量作用下沖向另一側(cè)的邊壁，形成偏流。由瞬時濃度分布圖可見，顆粒濃度在中心處很低（αs＜0.05），邊壁處較高，顆粒濃度分布不對稱，進料口一側(cè)的顆粒濃度明顯低于另一側(cè)。且顆粒濃度在入口處（H=2.5m）偏流現(xiàn)象最為嚴重，沿軸向向兩端逐漸減弱。

圖7 回料口附近截面顆粒濃度和速度分布Fig.7 Distribution of solid concentrations and solid velocity

ug為4.4 m/s，Gs為60 kg/(m2·s)操作條件下，回料口截面（H=2.5m）處的顆粒濃度隨時間的波動結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 顆粒瞬時濃度隨時間的變化Fig.8 Variations of instantaneous concentration of solid

由圖8可以看出，不同的徑向位置處（r/R：無因次半徑）的顆粒濃度平均值隨r/R的增大而增大，由中心至邊壁區(qū)域，截面濃度平均值在0.046～0.086內(nèi)變化。由圖9可以看出，在同一截面上，不同位置的濃度波動相差較大，r/R為0.0～0.95時，標準偏差在0.025～0.075內(nèi)逐漸增大，即r/R越大，濃度波動越大。標準偏差的徑向分布和濃度的分布趨勢是相一致的。濃度越大，氣固相互作用越強烈，波動也越大，偏離平均值的程度也越大。

圖9 標準偏差的徑向分布Fig.9 Radial distribution of standard deviations

3.5 過渡漸縮段的顆粒濃度分布

過渡漸縮段將下部鼓泡射流床和上部快速床相連接，使床徑由0.3 m減小為0.15 m，氣體表觀速度迅速增大，快速床下落的顆粒被高速的氣體夾帶上升，因而此區(qū)域顆粒濃度較低(αs＜0.01)。但是伴隨著氣泡在床面的崩破，會發(fā)生顆粒彈濺現(xiàn)象，彈濺現(xiàn)象的發(fā)生會對操作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[15]，本實驗過程中也觀察到了這一現(xiàn)象的存在。

圖10表示一個彈濺過程內(nèi)過渡漸縮段內(nèi)的顆粒濃度變化情況。由圖可以看出，顆粒發(fā)生彈濺，會使過渡段內(nèi)的顆粒濃度迅速增大(αs＞0.1)，彈濺過程結(jié)束后，此區(qū)域的濃度重新恢復到一個較低的狀態(tài)。在煤粉氣化過程中，射流床中顆粒溫度較高，彈濺到邊壁的顆粒如果濃度過高，可能會發(fā)生結(jié)渣，這對氣化是很不利的，因此實際操作過程中應充分考慮顆粒彈濺帶來的影響。

圖10 顆粒瞬時濃度分布（過渡漸縮段）Fig.10 Distribution of instantaneous concentrations of solid

4 結(jié)論

a）采用雙流體模型對MFB內(nèi)氣固兩相流動特性進行數(shù)值模擬計算。模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果較接近，結(jié)果顯示回料口下段顆粒濃度呈“C”型分布，回料口上段顆粒濃度成指數(shù)型分布，表明兩種流型的耦合，其軸向濃度分布并非兩種流態(tài)形式的簡單疊加，其變化過程較為復雜。

b）考察了快速床稀相段顆粒濃度的徑向分布，結(jié)果表明，在中心區(qū)域，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近，邊壁區(qū)誤差較大，最大達到24%。徑向各位置的顆粒濃度隨ug的減小，Gs的增加而增加，邊壁區(qū)增加幅度更為明顯，對操作條件的變化敏感性更強。

c）考察了回料口附近顆粒濃度的分布情況，結(jié)果表明，固體物料通過回料口進入后，在快速床內(nèi)形成偏流，回料口一側(cè)的濃度顯著低于另一側(cè)，這種不對稱分布沿軸向逐漸減弱。

d）考察了回料口(H=2.5 m)處顆粒濃度的波動情況。結(jié)果表明，同一截面上，不同位置的濃度波動相差也較大，r/R為0.0～0.95時，標準偏差在0.025～0.075內(nèi)逐漸增大，即越靠近邊壁，波動越劇烈。

e）考察了過渡漸縮段內(nèi)的顆粒濃度的變化情況。結(jié)果表明，過渡漸縮段顆粒濃度較低(αs＜0.01)，但顆粒彈濺現(xiàn)象的出現(xiàn)會使顆粒濃度迅速增加(αs＞0.1)，實際操作中應充分考慮彈濺對氣化過程的影響。

符號說明

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