劉洪鵬，肖劍波，李惟毅，陳冠益，王 擎

（1天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林132012；3天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

高低差速循環(huán)流化床系江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司引進(jìn)德國高低床技術(shù)發(fā)展而來[1]，屬于內(nèi)循環(huán)流化床的范疇，是在鼓泡床和高倍率循環(huán)流化床磨損嚴(yán)重和差速床沸騰鍋爐技術(shù)的背景下開發(fā)出來的。高低差速循環(huán)流化床有埋管磨損輕、燃料在床內(nèi)停留時間長、污染物排放少和燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到能源、化工等領(lǐng)域。

研究高低差速循環(huán)流化床氣固兩相流動特性，對鍋爐的結(jié)構(gòu)及運行優(yōu)化和大型化是很有必要的，然而對于大型的工業(yè)化內(nèi)循環(huán)流化床來說，進(jìn)行詳細(xì)的氣固流動特性的試驗研究是非常困難的，隨著計算機(jī)性能的不斷增加，基于計算流體力學(xué)的數(shù)值方法得到長足發(fā)展，并在循環(huán)流化床等復(fù)雜多相流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行優(yōu)化以及大型化中起到了重要的作用[2]。Yu等[3]運用基于顆粒動力學(xué)理論的歐拉雙流體模型對差速流化床進(jìn)行了二維模擬，研究了表觀氣速、顆粒初始填充高度、布風(fēng)板傾斜度以及埋管束等結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)對顆粒循環(huán)率的影響。田鳳國等[4]采用離散單元法（DEM）數(shù)值模擬與試驗臺相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了內(nèi)循環(huán)流化床的氣固流動特性。此外，釗麗等[5]針對差速循環(huán)流化床鍋爐特有的結(jié)構(gòu)，采用小室模型對爐內(nèi)煤的燃燒及其物理、化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計算。

本文作者運用基于顆粒動力學(xué)理論的歐拉雙流體模型對一臺65 t/h高低差速循環(huán)流化床爐內(nèi)流動特性進(jìn)行二維數(shù)值模擬。在歐拉雙流體模型中分別采用單粒徑固相模型和多粒徑固相模型，并對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。分析了爐內(nèi)顆粒速度分布、壓力分布和顆粒濃度分布，研究結(jié)果為更深入了解高低差速循環(huán)流化床的氣固流動特性、優(yōu)化設(shè)計及大型化提供了理論依據(jù)。

1 模擬條件

1.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

物理模型為JG-65/3.82-M型高低差速循環(huán)流化床鍋爐爐膛部分[6]，爐膛的核心是密相區(qū)，密相區(qū)由主床和左、右副床組成，也稱為高速床和低速床。高速床比低速床低 400 mm，并由隔墻分開，隔墻下部設(shè)有回流孔。燃料由兩側(cè)墻給料口進(jìn)入主床，在主床內(nèi)物料按不同粒徑自動分離，粗顆粒集中在低層主床上，細(xì)的部分趨于上層的副床上，由于分離后的副床上床料平均粒徑比給料的平均粒徑小，因此副床的流化風(fēng)速可比主床小1～1.5倍，高、低速床的不同流化風(fēng)速形成了床料的內(nèi)循環(huán)，強(qiáng)化了床內(nèi)物料橫向混合，延長了給料在床內(nèi)的停留時間。此外，小的粒徑和低流化風(fēng)速使副床上埋管受熱面的磨損程度顯著減輕。整個計算區(qū)域均采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，高低差速循環(huán)流化床二維物理模型如圖1所示。

圖1 高低差速循環(huán)流化床二維模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

氣固兩相流動模型采用基于顆粒動力學(xué)理論[7]的歐拉多相流模型、湍流模型、氣固曳力模型分別采用 RNGk-εper phase[8]模型和 Gidaspow 模型[9]。以計算流體動力學(xué)軟件Fluent為計算平臺。采用控制容積法離散控制方程，以一階迎風(fēng)獲得差分格式控制容積界面物理量，流體壓力-速度耦合基于Simple算法。

1.3 參數(shù)設(shè)置

歐拉雙流體模型中氣相為基本項，單粒徑固相模型粒徑為0.5 mm，多粒徑固相模型顆粒粒徑分別為0.1 mm、0.5 mm和3 mm。氣相密度和黏度按床溫為850 ℃對應(yīng)的值來進(jìn)行設(shè)定。氣固兩相物性參數(shù)、初始和邊界條件分別見表1和表2。在壁面處，氣相選擇無滑移邊界條件，固相選擇部分滑移條件，鏡面反彈系數(shù)取 0.6[10]。顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)表征顆粒間碰撞后動能恢復(fù)程度，多數(shù)研究者選取 0.9～0.99[11-12]，本研究選取0.95。時間步長取0.001 s，計算時間為10 s。

1.4 二次風(fēng)口矯正

計算選用的模型不涉及燃燒，爐內(nèi)溫度場簡化為單一分布，即爐內(nèi)溫度統(tǒng)一為T1。而在實際運行條件下，鍋爐二次風(fēng)在射入爐膛前，其溫度為空氣預(yù)熱器后熱空氣溫度Tk，二次風(fēng)在噴入爐膛后，其溫度驟升并迅速接近爐內(nèi)溫度T1，體積也相應(yīng)地發(fā)生劇烈膨脹。由于模型中爐內(nèi)簡化為單一溫度分布，因此在保證同樣的二次風(fēng)量的情況下，其二次風(fēng)速將是實際的T1/Tk倍。但實際上二次風(fēng)進(jìn)入爐膛后，其體積擴(kuò)散不僅是軸向膨脹增加風(fēng)速，還包含徑向擴(kuò)散。本研究運用二次風(fēng)口矯形模化方法[13]。將二次風(fēng)口放大為實際尺寸的倍。其主要原理是模擬在處理二次風(fēng)進(jìn)入爐膛后因溫度驟升而造成體積膨脹的影響時，保證了二次風(fēng)與爐膛中心風(fēng)的動量比相等。

表1 氣相和固相特性參數(shù)

表2 初始條件和邊界條件

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗證

密相區(qū)高、低速床內(nèi)各布置有一個壓力測點，其瞬時壓力隨時間的變化如圖2和圖3所示。所選模型計算的平均壓力值與實測平均壓力值的誤差對比如表3所示。

由圖2、圖3及表3可知，單粒徑固相模型的模擬結(jié)果更接近床內(nèi)的實測平均壓力值，誤差在工程允許范圍內(nèi)，多粒徑固相模型模擬結(jié)果誤差較大。其可能的原因是多粒徑計算方法中所用的 Schillernaumann曳力模型不能精確描述不同粒徑顆粒間的相互作用力，該模型還有待進(jìn)一步完善。另外，低速床的模擬誤差較高速床大，原因是忽略了埋管。

表3 模擬值與實測值誤差對比

2.2 顆粒濃度及壓力分布

圖4為高低差速循環(huán)流化床密相區(qū)在不同時刻的顆粒濃度分布。初始堆積床料在高、低速風(fēng)的吹動下開始流化，初始時刻小部分顆粒通過回流孔由高速床進(jìn)入到低速床，大部分顆粒像涌泉一樣翻騰到高速床中上部，此時由于顆粒從小截面的高速床進(jìn)入到大截面流場，顆粒急速回落，小部分又回到高速床，進(jìn)而又不斷被高速風(fēng)吹動涌起，大部分溢流到低速床，并從低速床底部重新回到高速床，在高速風(fēng)的吹動下，重新被流化起來，進(jìn)行著周而復(fù)始的循環(huán)。

圖5為流化開始階段高低差速床密相區(qū)壓力分布特性。結(jié)合顆粒濃度分布特性可以看出，顆粒由于高速風(fēng)的帶動溢流于高速床表面，造成此處顆粒濃度較高，則壓力較高；而低速風(fēng)帶動的床面較低，此處顆粒濃度較低，則壓力較低，形成了頂部從高速床到低速床的壓力差，此壓力差使顆粒涌流向低速床；低速床顆粒濃度的增加形成了密相區(qū)底部回流位置從低速床到高速床的壓力差，此壓力差使顆粒從低速床回流到高速床，進(jìn)而形成了密相區(qū)周而復(fù)始的內(nèi)循環(huán)流動。高、低床間形成的壓力差為密相區(qū)的內(nèi)循環(huán)流動提供了動力，同時反映了內(nèi)循環(huán)流動的機(jī)理。

2.3 粒徑分布

圖6為分別運用單粒徑模型和多粒徑模型所模擬的顆粒粒徑分布特性。由圖6(b)可知，0.1 mm顆粒主要分布在高、低床上部區(qū)域及稀相區(qū)，且大部分顆粒隨流化風(fēng)吹出爐膛；圖6(a)和圖6(c)顯示0.5 mm顆粒主要分布在左右副床上，兩種模型所預(yù)測的結(jié)果是一致的；由圖6(d)可知，3 mm顆粒主要分布在主床上。稀相區(qū)的顆粒濃度分布受二次風(fēng)影響較大，在二次風(fēng)兩側(cè)形成低顆粒濃度區(qū)，但隨著爐膛高度增加，顆粒濃度分布趨于均勻。在歐拉雙流體模型中采用多粒徑固相能夠預(yù)測實際鍋爐寬篩分顆粒的分布特性，但與單粒徑相比其準(zhǔn)確性還有待提高。

2.4 速度分布

圖2 高速床測點瞬時壓力隨時間的變化

圖3 右低速床測點瞬時壓力隨時間的變化

圖4 密相區(qū)不同時刻的顆粒濃度分布

圖5 高低差速床密相區(qū)壓力分布特性（單位：mm）

圖6 粒徑分布

圖7～圖10為密相區(qū)0.5 mm顆粒內(nèi)循環(huán)流動的速度分布特性。由圖可見，在密相區(qū)回流孔位置（H=600 mm），顆粒橫向速度左低速床為正，右低速床為負(fù)，這說明顆粒沿回流孔從低速床回到高速床；顆粒縱向速度在低速床靠近爐墻邊壁的位置為負(fù)，靠近回流孔位置為正，這說明涌入的顆粒沿低速床邊壁回流到高速床且部分顆粒在靠近回流孔位置重新流化起來，從而在低速床中部位置有旋渦存在，這與矢量圖中的結(jié)果是一致的。

圖7 顆粒橫向速度矢量圖

圖8 顆粒縱向速度矢量圖

圖9 顆粒橫向速度隨爐膛高度變化曲線圖

圖10 顆?？v向速度隨爐膛高度變化曲線圖

在密相區(qū)中部位置（H=700 mm、750 mm、850 mm），顆粒橫向速度值較小且基本在零附近，再次說明此位置有旋渦存在。

在密相區(qū)隔墻頂部位置（H=1300 mm），顆粒橫向速度左低速床為負(fù)、右低速床為正，顆?？v向速度為負(fù)，且在靠近爐墻的區(qū)域數(shù)值較大，這說明顆粒沿爐墻邊壁由高速床涌入低速床。顆粒在高速床的橫向速度幾乎為零，縱向速度為正且數(shù)值較大，這說明由低速床回到高速床的顆粒在高速風(fēng)帶動下重新流化起來，此外，高速床右側(cè)縱向速度較低，原因是受返料影響，增加顆粒內(nèi)循環(huán)量，使此處顆粒濃度較高，流化效果較左側(cè)稍差。

3 結(jié) 論

（1）基于顆粒動力學(xué)理論的歐拉雙流體模型能夠較好地預(yù)測高低差速循環(huán)流化床的氣固兩相內(nèi)循環(huán)流動特性。

（2）單粒徑固相模型較多粒徑固相模型的模擬結(jié)果更接近床內(nèi)的實測平均壓力值。

（3）在歐拉雙流體模型中采用多粒徑固相能夠模擬實際鍋爐寬篩分顆粒的分布特性，0.1 mm顆粒主要分布在稀相區(qū)，0.5 mm顆粒主要分布在低速床上，3 mm顆粒主要分布在高速床上，但與單粒徑相比其準(zhǔn)確性還有待提高。

（4）模擬得到的速度和壓力分布能夠解釋密相區(qū)顆粒內(nèi)循環(huán)的機(jī)理，高、低速床間形成的壓力差為密相區(qū)內(nèi)循環(huán)流動提供了動力。

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