秦明臣 董 勇

（山東大學(xué)，燃煤污染物減排國家工程實驗室，濟南 250061）

化工領(lǐng)域中，反應(yīng)器入口氣體分布和氣固相混合均勻程度對反應(yīng)效率的提高起著非常重要的作用。例如氣固并流下行床反應(yīng)器催化劑入口裝置、循環(huán)流化床提升管內(nèi)的氣固混合、活性炭噴粉脫汞煙氣凈化、兩相圓孔射流顆粒噴入技術(shù)等[1-4]。

在下行床反應(yīng)器中，氣固混合、氣固下行接觸反應(yīng)、氣固快速分離3項操作的總過程在1 s之內(nèi)完成，由于其快速反應(yīng)的特點，因此要求催化劑在入口處就分布均勻，否則反應(yīng)效率和催化劑的利用都會大幅度下降[1]。在用于煙氣脫硫的循環(huán)流化床技術(shù)領(lǐng)域，循環(huán)懸浮床內(nèi)固相含量很低，入口氣體分布不均易造成流場組織混亂，嚴重時導(dǎo)致流化床失穩(wěn)；氣固相混合不均易產(chǎn)生顆粒的不良團聚、壁面結(jié)垢、反應(yīng)效率降低和床層有效空間浪費，改善氣固混合效果對增強接觸反應(yīng)，提高脫硫效率起著關(guān)鍵作用[5]。

目前，國內(nèi)外針對該問題的研究多集中于如何使氣相流場分布均勻，通常采用文丘里管、整流板、導(dǎo)流葉片和中心鈍體等方式，這些研究都取得了較好的效果[6]。但氣固相混合方面的研究十分有限[7]。Liu等人的研究發(fā)現(xiàn)鈍體式內(nèi)構(gòu)件可以增強提升管內(nèi)邊壁區(qū)顆粒脈動，有利于破壞邊壁區(qū)顆粒濃環(huán)，促進顆粒的徑向混合[8]；TW Li、Chris G利用非穩(wěn)態(tài)模擬方法對循環(huán)硫化床內(nèi)氣固射流流動進行了很好的預(yù)測[7]；李德波采用直接數(shù)值模擬研究了顆粒噴入方法以及噴入方法對2相圓孔射流中不同直徑顆粒的擴散特點[4]。

筆者設(shè)計了1種顆粒逆向噴入氣固混合裝置，并以循環(huán)流化床為例，采用發(fā)展比較成熟的Eulerian-Lagrangian方法模擬了氣固非穩(wěn)態(tài)流動，分析了該設(shè)計氣固2相流場及其混合效果。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以煙氣脫硫循環(huán)流化床反應(yīng)器為物理模型，模型及材料屬性參照文獻[9]。圖1為模型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 模型尺寸Tab1Model size

煙氣由下部文丘里入口進入，新鮮給料采用氣力輸送從給料口噴出，給料口下方鈍體起到均布顆粒的作用，錐管型整流罩用以均布氣流，同時也避免了選取大型中心鈍體用以均勻流暢分布所造成的床層空間損失。一般實際結(jié)構(gòu)塔體尺寸較高，為了簡化物理模型，僅對入口段1 m的距離進行模擬，以便于觀察混合效果。

圖1 氣固混合結(jié)構(gòu)Fig 1 Schematic graph of gas-solidmixer

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究重點分析氣固相非穩(wěn)態(tài)混合效果，僅對冷態(tài)氣固相進行模擬，不計能量方程，假定連續(xù)相為理想牛頓流體。顆粒相為符合Rosin-Ramm ler粒徑分布的剛性球體，最小粒徑為10μm、最大粒徑150 μm，采用拉格朗日坐標系下的DPM模型，考慮作用于顆粒自身的重力和氣相對顆粒的曳力。

針對鈍體擾流問題的模擬，前人經(jīng)過模擬和實驗對比結(jié)果顯示，采用RNG k-epsilon湍流模型比標準k-epsilon模型甚至大渦模型（LES）效果更好，采用非穩(wěn)態(tài)比穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果更接近實驗結(jié)果[10-11]。本文采用非穩(wěn)態(tài)RNG k-epsilon湍流模型對問題進行計算。

RNG k-epsilon模型是對瞬時的Navier-Stokes方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的模型。其湍動能與耗散率方程形式為：

式中，ρ為流體密度，xi為坐標 （i取1、2、3），μeff為考慮低雷諾數(shù)影響時的有效粘度，t為非穩(wěn)態(tài)時間；αk和αε分別是湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生，Gb為由于浮力影響引起的湍流動能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總湍流耗散率的影響，C1ε、C2ε、C3ε均為常系數(shù)。湍流粘性系數(shù)μ計算公式為：

其中常數(shù)Cμ=0.084 5。

1.3 數(shù)值方法

采用GAMBIT對3維模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，選用四面體和六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，總網(wǎng)格數(shù)約為5×105個，網(wǎng)格扭曲率均小于0.8，劃分結(jié)果見圖2，材料屬性和操作條件見表2。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格Fig 2 Geometricmodel and grid

表2 材料屬性和操作條件Tab 2Material properties and operating conditions

為保證求解物理意義上的準確性，對流項采用1階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度選用SIMPLE耦合方式，顆粒與壁面碰撞反彈系數(shù)為常數(shù)0.95。時間步長根據(jù)穩(wěn)定性從小到大進行調(diào)整（0.001～0.02 s），先計算連續(xù)相，發(fā)展相對穩(wěn)定后加入離散相顆粒。

2 結(jié)果及討論

2.1 氣相分布

由圖3知，氣體從文丘里入口進入漸擴段，經(jīng)過錐形管整流罩分成2股流動。

圖3 速度大?。ㄗ?、中）和z軸向速度分布（右）Fig 3 Velocity-magnitude（left and middle）and z-velocity（right）distributions

整流罩外側(cè)流體速度增加，做類似繞流運動，使得邊緣速度增加，并在上升過程一定高度范圍內(nèi)，保持近壁面相對高速流動的特征。

馬鴻良、劉會娥等人的研究表明，近壁面流速增加，可減薄邊界層厚度，減緩壁面無滑移邊界層引起的速度滯止，從而破壞固相顆粒的環(huán)核結(jié)構(gòu)，起到防止循環(huán)流化床床層顆粒返混的作用[12-13]。然而，這種作用持續(xù)高度有限，隨著流動的進行，中心區(qū)速度增加，邊壁區(qū)速度下降，顆粒速度受邊壁效應(yīng)影響，行為變化更為復(fù)雜[14]。另外，外側(cè)流動氣體類似繞流鈍體運動在錐形管內(nèi)側(cè)形成一個負壓帶，負壓帶致使渦旋產(chǎn)生，渦眼沿中心軸線對稱分布，軸線處速度方向向下，這有利于顆粒的順利下落，可以防止堵塞。同時渦旋也加速的局部氣流的湍動，使得顆粒與氣相充分混合的快而且均勻。

整流罩內(nèi)側(cè)氣流上行至鈍體處發(fā)生繞流運動，其作用是將鈍體上方均勻滑落的顆粒吹散開，使顆粒迅速均布于整個截面，完成與氣相的充分混合。鈍體側(cè)渦旋只有不到0.5m的距離，相對于高達十幾米的反應(yīng)器，這段距離可認為是在流場擾動允許范圍內(nèi)。

2.2 固相分布

圖4給出了顆粒加入 0.01、0.03、0.05、0.10、0.20、0.50 s后的瞬時分布情況 （顆粒在流場計算穩(wěn)定后再加入）。

圖4 顆粒分布隨加入時間的變化Fig 4 Variation of particle distribution with time

顆粒加入流化床后，沿鈍體滑落，棱形鈍體邊緣線即為擾流鈍體的固定分離點[11]。顆粒在此處被脫體繞流吹散，飛向邊緣處和外流氣體混合，至此實現(xiàn)氣固快速均混。整個過程在0.05 s內(nèi)完成，如果應(yīng)用于氣固并流下行床，相對于床層內(nèi)僅僅持續(xù)1 s的反應(yīng)時間，由于混合而造成的影響完全可以忽略[1]。并且，由于壁面處外流高速流動，部分氣體和顆粒進入渦旋區(qū)，使氣固混合更為均勻，并且延長了反應(yīng)時間。

在循環(huán)硫化床提升管反應(yīng)器中，顆粒的徑向混合行為表征了顆粒的徑向運動和混合，它與反應(yīng)器的徑向傳質(zhì)和傳熱密切相關(guān)[13]。本裝置中鈍體和整流罩的設(shè)計，使得氣相外側(cè)流動以較高的速度從邊壁繞過，內(nèi)側(cè)流動以較高的速度從鈍體邊緣繞過，產(chǎn)生氣固相較大擾動，從而增強了顆粒的徑向混合與交換能力。

3 結(jié)論

通過FLUENT軟件，采用RNG k-epsilon模型、simple算法，模擬了循環(huán)硫化床反應(yīng)器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)氣固相混合流場，并將模擬結(jié)果和已有實驗或模擬研究結(jié)論進行了對比，模型較好地得出了反應(yīng)器內(nèi)流場分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒沿錐型鈍體順利下滑，可快速布散在整個截面，實現(xiàn)了氣固相快速混合；整流罩外測流動有利于加強壁面氣流流速，破壞流化床內(nèi)的環(huán)核流動，提高顆粒軸向混合能力；整流罩內(nèi)側(cè)繞流鈍體流動加速了氣固相擾動，渦旋提高了停留時間，增強氣固相傳質(zhì)。

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