張 旋, 吳 峰, 馬曉迅,2, 楊 劍

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院， 陜西 西安 710069； 2.陜西省潔凈煤轉(zhuǎn)化工程技術(shù)中心， 陜西 西安 710069； 3.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

噴動(dòng)床在煤氣化工、熱解、煙氣脫硫及催化聚合等工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用廣泛[1-3]。噴動(dòng)床內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)特性的研究也越來(lái)越受重視。傳統(tǒng)柱錐型噴動(dòng)床內(nèi)介質(zhì)顆粒具有明顯的內(nèi)外分層流動(dòng)特點(diǎn)，床層內(nèi)顆粒缺少橫向混合，特別是在環(huán)隙區(qū)底部出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)和某些易黏結(jié)顆粒在環(huán)隙區(qū)的團(tuán)聚現(xiàn)象，對(duì)床內(nèi)傳熱、傳質(zhì)產(chǎn)生不利的影響。新一代的噴動(dòng)-流化床兼具噴動(dòng)床與流化床的優(yōu)點(diǎn)，但所需的氣體流量比單獨(dú)噴動(dòng)和單獨(dú)流化所需的氣流量要大，同時(shí)需要增加一定的旁路供氣輔助設(shè)備[4]。針對(duì)以上柱錐噴動(dòng)床技術(shù)現(xiàn)狀，吳峰等[5]提出了一種整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床結(jié)構(gòu)，在不需要旁路供氣輔助設(shè)備情況下，能有效消除噴動(dòng)床內(nèi)錐體流動(dòng)死區(qū)，強(qiáng)化噴動(dòng)床內(nèi)氣-固相間傳遞過(guò)程，從而使得噴動(dòng)床內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于流態(tài)化過(guò)程研究[6-8]。計(jì)算機(jī)模擬可以作為與理論分析和實(shí)驗(yàn)研究互補(bǔ)的一種重要方法，對(duì)我們深化了解噴動(dòng)床內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)特性起到非常重要的作用。隨著噴動(dòng)床技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷推廣及其研究的逐漸深入，出現(xiàn)了各種各樣的改進(jìn)型噴動(dòng)床。筆者采用的整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床，不僅可以促進(jìn)流體和顆粒間的傳質(zhì)傳熱，還能有效地防止環(huán)隙區(qū)底部出現(xiàn)死區(qū)和某些易黏結(jié)顆粒在環(huán)隙區(qū)的團(tuán)聚。

參照He等[9-10]研究人員的噴動(dòng)床參數(shù)，以Fluent15.0軟件為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)一種整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床結(jié)構(gòu)中氣-固兩相流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與常規(guī)噴動(dòng)床模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

1 模型建立與網(wǎng)格劃分

擬流體模型將離散顆粒相處理為具有連續(xù)性的流體，顆粒相與連續(xù)相守恒控制方程形式相同，模擬計(jì)算過(guò)程中遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及曳力模型與文獻(xiàn)[11-12]一致。由于物理問(wèn)題的對(duì)稱(chēng)性，取多噴嘴噴動(dòng)-流化床區(qū)域的一半作為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值建模。多噴嘴噴動(dòng)-流化床整體設(shè)計(jì)尺寸及網(wǎng)格劃分情況如圖1[5]所示。多噴嘴噴動(dòng)-流化床的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)分別設(shè)定為11260、13260、14760及21760，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。圖2為床高z=0.023 m時(shí)不同網(wǎng)格數(shù)下軸中心的最大顆粒速度(vs,max)。計(jì)算結(jié)果表明，數(shù)值模擬的精度隨網(wǎng)格數(shù)的增加而提升，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于13260時(shí)，數(shù)值模擬達(dá)到了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。

數(shù)值模擬中常規(guī)噴動(dòng)床及多噴嘴噴動(dòng)-流化床的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)分別為14391和14760。本研究中數(shù)值模擬噴動(dòng)床的幾何尺寸、氣相和顆粒相的物理特性均與常規(guī)噴動(dòng)床[9-10]相同，其中氣體密度(ρg)1.225 kg/m3，顆粒密度(ρs)2503 kg/m3，氣體黏度(μg)1.7894×10-5Pa·s，顆粒直徑(ds)1.41 mm，填充顆粒體積分?jǐn)?shù)(φs)0.588，靜止床高(H0)325 mm，噴動(dòng)床直徑(D)152 mm，最小表觀氣速(ums)0.54 m/s，最小氣體入口速度(Ums)34.56 m/s，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，曳力模型為Gidaspow Model，摩擦應(yīng)力為Schaeffer Model，恢復(fù)系數(shù)(e)為0.9，時(shí)間步長(zhǎng)(Δt)為2×10-5s，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3。不同的是模擬噴動(dòng)床為在柱錐型噴動(dòng)床錐體部分對(duì)稱(chēng)兩側(cè)開(kāi)若干細(xì)縫形成的多噴嘴噴動(dòng)-流化床，多噴嘴噴動(dòng)-流化床總氣體入口直徑(Di)為24 mm，常規(guī)噴動(dòng)床總氣體入口直徑(D0)為19 mm，圓錐處開(kāi)縫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量取值為3，開(kāi)縫寬度(δ)3 mm。多噴嘴噴動(dòng)-流化床主噴嘴直徑與常規(guī)噴動(dòng)床噴嘴直徑一致，顆粒處理量一致。

圖1 多噴嘴噴動(dòng)-流化床幾何結(jié)構(gòu)[5]Fig.1 Axisymmetric geometry of the multi-nozzle spout-fluidized bed[5]

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性Fig.2 Grid independence

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 顆粒體積分?jǐn)?shù)

圖3為氣體入口速度U=1.3Ums時(shí)，多噴嘴噴動(dòng)-流化床內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布隨時(shí)間的變化。由圖3 可知，在噴動(dòng)形成前，床體上部顆粒有騰涌現(xiàn)象，計(jì)算時(shí)間大于6 s時(shí)噴動(dòng)床內(nèi)氣-固兩相流體流動(dòng)狀態(tài)基本保持不變，顆粒體積形成類(lèi)似波節(jié)狀噴動(dòng)云圖，定義為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 多噴嘴噴動(dòng)-流化床內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)(φ)分布Fig.3 Particle concentration(φ) distribution in the multi-nozzle spout-fluidized bed U=1.3Ums t/s:(a) 2; (b) 4; (c) 6; (d) 8; (e) 10; (f) 12

由于噴動(dòng)床內(nèi)氣-固兩相流體流動(dòng)由靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)需要一定的時(shí)間，筆者取12 s的模擬計(jì)算結(jié)果作為流動(dòng)參數(shù)平均值的計(jì)算樣本。圖4 為穩(wěn)定噴動(dòng)時(shí)，常規(guī)和多噴嘴噴動(dòng)-流化床2種噴動(dòng)床顆粒體積分?jǐn)?shù)分布。由圖4可知，多噴嘴噴動(dòng)-流化床的側(cè)縫噴嘴對(duì)錐體底部的固體顆粒有一定的擾動(dòng)作用，增強(qiáng)了環(huán)隙區(qū)顆粒與噴射區(qū)氣體、顆粒之間的橫向混合，擴(kuò)大了噴射區(qū)氣體對(duì)環(huán)隙區(qū)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。此外，在相同的進(jìn)口氣體流量條件下，由于多噴嘴噴動(dòng)-流化床結(jié)構(gòu)分散了進(jìn)口氣體，增加了噴射氣體的沿程阻力，導(dǎo)致噴動(dòng)高度較常規(guī)噴動(dòng)床低，并難以形成明顯的噴泉區(qū)域。

圖4 2種噴動(dòng)床內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)(φ)分布Fig.4 Distribution of particle(φ) concentrations in two kinds of spouted beds U=1.3 Ums； t=12 s(a) Multi-nozzle spout-fluidized bed; (b) Conventional spouted bed

2.2 顆粒速度

圖5為常規(guī)和多噴嘴噴動(dòng)-流化床2種噴動(dòng)床柱錐體部分在不同床層高度下的顆粒速度分布。其中r/R為無(wú)量綱參數(shù)，r表示距軸中心處的徑向距離(單位，mm)，R表示噴動(dòng)床柱體部分半徑(76 mm)。由圖5可知，常規(guī)噴動(dòng)床中顆粒速度在噴射區(qū)至環(huán)隙區(qū)沿徑向急劇減小為零，且隨著床層高度的增加而增大，而在環(huán)隙區(qū)顆粒速度幾乎降為零。而整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床柱錐體部分在不同床層高度下的顆粒速度沿徑向逐漸減小，并在噴射區(qū)隨著床層高度的增加而降低，使得顆粒流動(dòng)加強(qiáng)，削弱了床層底部顆粒的流動(dòng)死區(qū)。這是由于多噴嘴噴動(dòng)-流化床錐體兩側(cè)氣流的分散降低了噴射區(qū)氣體總量，降低了噴射區(qū)氣體動(dòng)能，而另一方面提升了環(huán)隙區(qū)顆粒的運(yùn)動(dòng)能力，強(qiáng)化了噴射區(qū)氣體、顆粒與錐體區(qū)、環(huán)隙區(qū)顆粒的動(dòng)量交換過(guò)程。

圖5 2種噴動(dòng)床錐體部分在不同床層高度下的 顆粒速度(vs)分布Fig.5 Particle velocity(vs) distributions at different bed heights of the conical parts in two kinds of spouted beds Multi-nozzle spout-fluidized bed: z=0.023 m; z=0.046 m; z=0.069 m; z=0.091 m Conventional spouted bed: z=0.023 m; z=0.046 m; z=0.069 m; z=0.091m

圖6為常規(guī)和多噴嘴噴動(dòng)-流化床2種噴動(dòng)床柱錐體部分在不同床層高度下環(huán)隙區(qū)的顆粒速度分布曲線。由圖6可知，多噴嘴噴動(dòng)-流化床的顆粒速度沿徑向在進(jìn)入環(huán)隙區(qū)之前，遠(yuǎn)低于常規(guī)噴動(dòng)床的顆粒速度，而在環(huán)隙區(qū)時(shí)則高于常規(guī)噴動(dòng)床的顆粒速度。這是由于2種噴動(dòng)床在相同的入射氣體流量下，整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床中有一部分氣體進(jìn)入側(cè)縫中，使得軸中心噴射氣體氣速降低，進(jìn)而使噴射區(qū)顆粒速度降低，而進(jìn)入側(cè)縫的氣體帶動(dòng)環(huán)隙區(qū)的顆粒速度增大，從而加強(qiáng)了環(huán)隙區(qū)顆粒的流動(dòng)。

圖6 2種噴動(dòng)床錐體部分在不同床層高度下環(huán)隙區(qū)的 顆粒速度(vs)分布Fig.6 Particle velocity(vs) distributions at different bed heights of the annular parts in two kinds of spouted beds Multi-nozzle spout-fluidized bed: z=0.023 m; z=0.046 m; z=0.069 m; z=0.091 m Conventional spouted bed: z=0.023 m; z=0.046 m; z=0.069 m; z=0.091m

2.3 空隙率

圖7為常規(guī)和多噴嘴噴動(dòng)-流化床2種噴動(dòng)床在不同床層高度下的空隙率(ε)分布。由圖7(a)可見(jiàn)，常規(guī)噴動(dòng)床中顆粒空隙率在噴射區(qū)沿徑向急劇減小，而到環(huán)隙區(qū)減小至最小值，直至壁面處都保持最小值不變，說(shuō)明顆粒在環(huán)隙區(qū)底部密集并流動(dòng)緩慢，甚至出現(xiàn)了流動(dòng)死區(qū)。由圖7(b)可見(jiàn)，多噴嘴噴動(dòng)-流化床中顆?？障堵恃貜较蚓徛郎p小，在近壁處沿徑向出現(xiàn)急劇上升趨勢(shì)，表明圓錐壁面開(kāi)縫處的氣體流動(dòng)帶動(dòng)了環(huán)隙區(qū)顆粒流動(dòng)，使顆粒在近壁處速度增大而停留時(shí)間減小，進(jìn)而增大了空隙率。此外，近壁面處顆?？障堵手惦S著床層高度的增加而降低，表明隨著床層高度的增加，主噴嘴及縫隙噴嘴氣流對(duì)環(huán)隙區(qū)近壁面顆粒運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)影響能力逐漸降低。在床高z=0.091 m時(shí)，多噴嘴噴動(dòng)-流化床中顆粒空隙率在環(huán)隙區(qū)至壁面處逐漸減小至最小值。

圖7 2種噴動(dòng)床在不同床層高度下的空隙率(ε)分布Fig.7 Distributions of void fraction(ε) at different bed heights in two kinds of spouted beds(a) Conventional spouted bed; (b) Multi-nozzle spout-fluidized bed z/(m): 0.023 m; 0.046 m; 0.069 m; 0.091 m

圖8為常規(guī)和多噴嘴噴動(dòng)-流化床2種噴動(dòng)床柱錐體部分在不同床層高度下的空隙率分布。由圖8可知，在軸中心及噴射區(qū)，多噴嘴噴動(dòng)-流化床的空隙率小于常規(guī)噴動(dòng)床的空隙率；環(huán)隙區(qū)，多噴嘴噴動(dòng)-流化床的空隙率大于常規(guī)噴動(dòng)床內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)。這是由于圓錐處的開(kāi)縫設(shè)計(jì)有效增加空隙率，使其沿徑向分布變得平緩，有利于消除圓錐處的顆粒流動(dòng)死區(qū)。

圖8 2種噴動(dòng)床柱錐體部分相同床層高度下的空隙率(ε)分布Fig.8 Distributions of void fraction(ε) in cone parts of two kinds of spouted bed z/(m):(a) 0.023; (b) 0.046; (c) 0.069; (d) 0.091 Conventional spouted bed; Multi-nozzle spout-fluidized bed

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果證明了噴動(dòng)-流化床的整體式多噴嘴噴動(dòng)床結(jié)構(gòu)的可行性。模擬結(jié)果表明，整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床內(nèi)噴動(dòng)狀態(tài)計(jì)算，大于6 s時(shí)，床內(nèi)氣-固兩相流體流動(dòng)基本穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的類(lèi)似波節(jié)狀云圖。

(2)相比于常規(guī)柱錐噴動(dòng)床，整體式多噴嘴噴動(dòng)-流化床不僅能夠在床體圓錐處產(chǎn)生顆粒局部流化效果，有效消除顆粒流動(dòng)死區(qū)，強(qiáng)化噴動(dòng)床內(nèi)噴射區(qū)及環(huán)隙區(qū)內(nèi)氣體、顆粒的兩相混合與運(yùn)動(dòng)，而且能夠省略旁路供氣輔助設(shè)備。側(cè)縫中氣體分流對(duì)原有顆粒的分層運(yùn)動(dòng)起到了擾動(dòng)與破壞作用，使得噴動(dòng)-流化床內(nèi)顆粒群沿徑向出現(xiàn)了重新分布與均勻化趨勢(shì)。