李 玲, 惠建明, 楊東偉, 耿秋紅, 郁鴻凌

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093;2.無(wú)錫億恩有限公司,無(wú)錫 214400)

流化床式篩分機(jī)中氣泡特性的數(shù)值模擬

李 玲1, 惠建明2, 楊東偉1, 耿秋紅2, 郁鴻凌1

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093;2.無(wú)錫億恩有限公司,無(wú)錫 214400)

采用流化床式篩分機(jī),針對(duì)煤料在流化床內(nèi)流化時(shí)的鼓泡篩分特性,以Eulerian多相流模型,對(duì)篩分機(jī)的單粒徑顆粒氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬,得出了篩分機(jī)內(nèi)某一截面的固相體積份額分布圖和不同截面的氣泡分布圖.為求證最佳流化速度,共設(shè)計(jì)了4組不同入口氣速的工況.根據(jù)4組數(shù)值模擬結(jié)果,分析得出篩分機(jī)內(nèi)最佳流化速度為0.96 m/s.通過(guò)比較4組工況的流化效果發(fā)現(xiàn),當(dāng)流化速度為1.36 m/s時(shí),氣泡最多,因而該工況最具有代表性,可用來(lái)研究篩分機(jī)的鼓泡特性.研究結(jié)果表明,篩分機(jī)的鼓泡具有隨機(jī)性和不均勻性.

篩分機(jī);數(shù)值模擬;顆粒;鼓泡

我國(guó)是焦炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)焦化產(chǎn)業(yè)年總生產(chǎn)值約8000億人民幣,在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位[1].我國(guó)煉焦用煤年平均含水量達(dá)11.5%左右,使得煉焦過(guò)程消耗大量能源,致使年產(chǎn)生煉焦廢水近4150 t.因此,焦化行業(yè)被國(guó)家列為節(jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè).

煤調(diào)濕工藝(coal moisture control,CMC)亦是“煉焦裝爐煤水分控制工藝”的簡(jiǎn)稱,將煉焦煤在裝爐前通過(guò)加熱的方法除去煤中部分水分,使煉焦煤水分控制在6%左右,然后裝爐煉焦.通過(guò)煤調(diào)濕工序后,每降低1%的水分,可以節(jié)約煉焦能耗67 kJ/t焦,同時(shí)提高了入爐煤的堆積密度,不僅顯著改善了焦炭質(zhì)量,而且提高了焦炭產(chǎn)量,還可以減少焦化廢水的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)降低煉焦成本,達(dá)到節(jié)能減排的目的[2].

針對(duì)機(jī)械式篩分設(shè)備存在的缺點(diǎn)[3-4],并結(jié)合煤調(diào)濕工藝的要求,本文提出采用流化床式篩分機(jī).流化床在能源領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用,涉及的多相流動(dòng)長(zhǎng)期以來(lái)成為國(guó)內(nèi)外倍受重視的研究領(lǐng)域[5].固體顆粒流態(tài)化是極其復(fù)雜的兩相流動(dòng)系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)難于盡察,實(shí)驗(yàn)方法較難全面測(cè)量.采用計(jì)算流體力學(xué)的方法為對(duì)流化床式篩分機(jī)內(nèi)的氣固流動(dòng)行為進(jìn)行模擬,對(duì)于篩分機(jī)的設(shè)計(jì)、放大及優(yōu)化有重要的指導(dǎo)作用,成為實(shí)驗(yàn)研究手段的重要補(bǔ)充[6].本文針對(duì)煤料在流化床內(nèi)流化時(shí)的鼓泡篩分特性,采用比表面平均粒徑顆粒群在流化床式篩分機(jī)內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬,分析研究篩分機(jī)內(nèi)固相體積份額的分布狀況,來(lái)確定篩分機(jī)對(duì)煤料的篩分效率.

1 流化床式篩分機(jī)簡(jiǎn)介

在入爐煉焦煤備煤工藝流程中,根據(jù)煤的含水量與煤的粒徑成反比原理,應(yīng)用流化床梯級(jí)篩分技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤料選擇性粉碎,避免了過(guò)度粉碎和重復(fù)加熱,使得50%左右的含水率較低的大顆粒煤無(wú)需調(diào)濕,直接進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行粉碎,既節(jié)約了破碎機(jī)電耗,也節(jié)約了調(diào)濕所需能耗.本文提出的新型煤料顆粒篩分機(jī)如圖1所示,模型簡(jiǎn)化示意圖分別如圖2和3所示.篩分機(jī)結(jié)構(gòu)呈流化床形式,根據(jù)不同煤顆粒粒徑對(duì)應(yīng)不同臨界流化速度的原理,通過(guò)不同的流化速度在流化床內(nèi)形成顆粒分層,來(lái)實(shí)現(xiàn)煤顆粒度的篩分.

圖1 篩分機(jī)示意圖Fig.1 Sieving machine schematic

圖2 前視圖截面Fig.2 The section of front view

圖3 左視圖截面Fig.3 The section of left view

2 數(shù)值模擬部分

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用Eulerian多相流模型,分別建立氣相和固相的連續(xù)方程和動(dòng)量方程,且基于顆粒動(dòng)力學(xué)理論建立封閉方程.

a.連續(xù)方程[7].

根據(jù)氣相和固相的質(zhì)量守恒可得兩相的連續(xù)方程

式中,ε,ρ,u分別為體積份額、密度和瞬時(shí)速度;下標(biāo)g,s分別表示氣相和固相.由于兩相互不相容,所以兩相體積份額關(guān)系為

氣體的密度是溫度的函數(shù),根據(jù)篩分機(jī)一般在常溫下運(yùn)行,所以流場(chǎng)中的氣相可看作是理想氣體,根據(jù)理想氣體方程,有

式中,R是氣體常數(shù);P,T分別是氣體的壓力和溫度.

b.動(dòng)量方程.

根據(jù)氣相和固相的動(dòng)量守恒,可以得到式中,τg,τs分別為氣相和固相的壓力應(yīng)變張量;β為氣固兩相間動(dòng)量交換系數(shù);Ps為固相顆粒間的相互碰撞引起的顆粒相壓力.

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用的篩分機(jī)結(jié)構(gòu)型式為流化床式,截面呈上寬下窄的倒梯形.受計(jì)算機(jī)內(nèi)存限制,將篩分機(jī)的長(zhǎng)、寬、高按3∶1的比例縮小,其計(jì)算模型的長(zhǎng)、寬、高分別為3.33,0.83,1.42 m.截面形狀和布風(fēng)板結(jié)構(gòu)保持不變,因此篩分機(jī)的流動(dòng)特性不會(huì)改變.

床體最大的網(wǎng)格單元為20 mm,考慮到風(fēng)孔的幾何尺度很小,直徑僅有4 mm,且布風(fēng)板附近的速度梯度較大,所以在布風(fēng)板面及其附近區(qū)域生成1 mm的網(wǎng)格單元和5層棱柱邊界層,布風(fēng)板上的面網(wǎng)格如圖4所示.其余壁面生成3層棱柱邊界層,劃分完成后共生成5 853 924個(gè)網(wǎng)格單元.

圖4 布風(fēng)板面網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of ventilation panel

2.3 計(jì)算方法及邊界條件

采用Eulerian模型[8]對(duì)篩分機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算,用基于壓力的求解器,壓力和速度的耦合用SIMPLE算法在多相流中擴(kuò)展的PC-SIMPLE(phase coupled simple)算法.連續(xù)方程的離散采用QUICK格式,動(dòng)量方程離散采用一階迎風(fēng)格式,時(shí)間項(xiàng)離散采用一階隱式.模擬用到的物性參數(shù)和模擬參數(shù)見(jiàn)表1[9-10].

表1 物性參數(shù)和模擬參數(shù)Tab.1 Physical parameters and simulation parameters

a.初始條件.

設(shè)篩分機(jī)內(nèi)各相初始速度為零;顆粒相的初始體積份額εs0=0.56;初始靜態(tài)料層高度h0=1 m;選取的煤樣平均直徑dP=1.54 mm;操作壓強(qiáng)Pop=101 325.0 Pa;重力加速度方向是y軸的負(fù)方向;操作環(huán)境密度設(shè)為定值ρop=1.225 kg/m3.

b.邊界條件.

為求證最佳的流化速度,設(shè)計(jì)4組不同入口氣速的工況,詳見(jiàn)表2.入口面風(fēng)孔處采用氣相速度入口邊界條件,出口使用混合相壓力出口邊界條件.其中流化速度以布風(fēng)板面積為計(jì)算依據(jù).

表2 4組計(jì)算工況Tab.2 Four groups of calculation conditions

3 結(jié)果及分析

3.1 4組工況計(jì)算結(jié)果比較

圖5(a)—(e)分別是靜態(tài)床層和4組不同工況下流化了5 s后得到的z=0.049 62 m截面上顆粒體積份額分布云圖.其中x,y,z分別為長(zhǎng)度、高度和厚度方向;u為流化速度.

圖5 z=0.049 62 m截面顆粒體積份額圖Fig.5 Particle volume share at the section when z=0.049 62 m

從圖5(b)可以看出,當(dāng)流化速度為0.84 m/s時(shí),床層幾乎沒(méi)有氣泡出現(xiàn),處于散式流化狀態(tài),與圖5(a)比較可知,此時(shí)的床層高度比靜態(tài)床層高,說(shuō)明在該流化速度下顆粒的平均體積份額由初始狀態(tài)的0.56下降到0.388～0.42之間,床層的膨脹比也較大.當(dāng)流化速度為0.96 m/s時(shí),在風(fēng)孔出口處形成許多細(xì)密的小氣泡,但小氣泡未能進(jìn)一步長(zhǎng)大并上升,所以在床層中未出現(xiàn)明顯的氣泡(氣泡的分界為εs≤0.1,即床層中顆粒體積份額小于等于0.1處可視為氣泡),此時(shí)床層處于散式流化和聚式流化的臨界狀態(tài).當(dāng)流化速度為1.14 m/s時(shí),風(fēng)孔出口處形成的小氣泡合并長(zhǎng)大并上升,床層中開(kāi)始出現(xiàn)少量的氣泡,床層表面則有大量的大氣泡,此時(shí)屬于鼓泡床.

當(dāng)流化速度為0.96 m/s和1.14 m/s時(shí),由圖5(c)和(d)可知床層仍具有較大的膨脹比.當(dāng)流化速度繼續(xù)增加到1.36 m/s時(shí),由圖5(e)可見(jiàn),床層中有大量的氣泡,這些氣泡大且均勻,大多呈圓形,均勻地分布于截面上.此時(shí)由于床層顆粒受到氣泡的擠壓,使床層中局部地方的顆粒體積份額上升,明顯高于初始體積份額0.56,但是這一擠壓正好抵消了氣泡所占的體積,所以床層并沒(méi)有發(fā)生明顯的膨脹,但在稀相區(qū)顆粒的濃度較高.

通過(guò)對(duì)4組工況的流化效果比較可知,當(dāng)流化速度較低時(shí),床層中沒(méi)有形成氣泡,此時(shí)處于散式流化狀態(tài).隨著流化速度的增加,床層中逐漸出現(xiàn)氣泡,流化狀態(tài)逐漸由散式流化轉(zhuǎn)變?yōu)榫凼搅骰?即變成了鼓泡床.

當(dāng)流化速度達(dá)到1.14 m/s和1.36 m/s時(shí),稀相區(qū)有大量顆粒被流化風(fēng)帶走,理論上中等粒徑的粒子是不應(yīng)被流化風(fēng)帶走的,所以流化風(fēng)速不能超過(guò)1.14 m/s.綜合4組工況的流化效果,流化速度為0.84 m/s時(shí)的流化效果不如0.96 m/s時(shí)好,所以,流化速度為0.96 m/s時(shí),流化效果最佳.

3.2 篩分機(jī)的氣泡特性

由上述4組工況的流化效果對(duì)比可知,流化速度為1.36 m/s時(shí),氣泡最多,因而最具有代表性,故以工況4為例來(lái)研究篩分機(jī)的鼓泡特性.模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6 u=1.36 m/s時(shí)不同截面的氣泡分布Fig.6 The bubble distribution at different sections when u=1.36 m/s

圖6(a)—(c)顯示了x軸方向不同截面上氣泡的分布情況.圖6(a)的大氣泡靠著壁面;圖6(b)的大氣泡距壁面有一定的距離;圖6(c)的大氣泡在床層的正中間位置(右邊界為對(duì)稱面).由此可見(jiàn),篩分機(jī)的鼓泡是隨機(jī)的.

圖6(d)—(f)顯示了z軸方向不同截面上氣泡的分布情況.其中,圖6(d)所示截面上氣泡數(shù)量最多且分布均勻,因?yàn)樵摻孛嫖挥趦上噜忥L(fēng)管間,這里的局部流化風(fēng)量較大,所以能形成較多的氣泡.且該截面上的氣泡在布風(fēng)板附近形成后開(kāi)始上升,這些氣泡大多近似圓形.由于篩分機(jī)沒(méi)有內(nèi)部構(gòu)件,氣泡在上升過(guò)程中不斷合并,速度也逐漸增大,因而氣泡攜帶的顆粒也具有較大的速度.圖6(e)所示截面位于風(fēng)帽處,即風(fēng)管的頂部,該處獲得的流化風(fēng)量較少,故氣泡較稀疏.圖6(f)所示的截面位于風(fēng)管和壁面之間,這里的局部風(fēng)量?jī)H為圖6(d)所示截面處的一半,所以該截面上在風(fēng)孔出口處形成的氣泡由于缺乏動(dòng)力難于上升,因而其床層中的氣泡最少.可見(jiàn),篩分機(jī)的鼓泡具有不均勻性.

4 結(jié) 論

采用ANSYS FLUENT 14.5的Eulerian多相流模型,基于壓力的PC-SIMPLE算法,以兩相流體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ),數(shù)值模擬了篩分機(jī)內(nèi)單粒徑顆粒氣固兩相流動(dòng).數(shù)值模擬的結(jié)果表明,在本文模擬邊界參數(shù)條件下(粒徑1.54 mm),流化速度為0.96 m/s時(shí)的流化效果最好,流化速度高于0.96 m/s的兩個(gè)工況模擬都出現(xiàn)了顆粒揚(yáng)析被帶走的情況;篩分機(jī)的鼓泡具有隨機(jī)性和不均勻性.

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(編輯:董 偉)

Numerical Simulation on Bubble Features in Fluidized Bed Type Screening Machine

LILing1, HUIJianming2, YANGDongwei1, GENGQiuhong2, YUHongling1
(1.School of Energy and power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Wuxi En Technology Co Ltd.,Wuxi 214400,China)

Aiming at the characteristics of bubbling and sieving of coal in fluidized bed type sieving machine,based on a Eulerian multiphase flow model,the gas-solid flow of single particle size in sieving machine was studied by numerical simulation.The solid phase volume share distribution on a cross section and the distribution of bubbles on different cross sections in sieving machine were acquired.In order to identify the optimum fluidization velocity,four working conditions with different inlet gas velocity were designed.According to the simulation results of the four groups, the optimum fluidization velocity(u=0.96 m/s)was concluded.By comparing the fluidization effect of the four groups,it is found the number of bubbles is the largest when fluidization velocity is 1.36 m/s,so this working condition is the most representative to study the bubbling characteristics.The results show that the bubble in sieving machine is of randomness and nonuniformity.

sieving machine;numerical simulation;particle;bubbling

TK 173

A

1007-6735(2015)05-0500-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.015

2014-06-25

李玲(1990-),女,碩士研究生.研究方向:節(jié)能技術(shù).E-mail:lilingusst@163.com

郁鴻凌(1953-),男,教授.研究方向:節(jié)能技術(shù).E-mail:yuzhenyk@163.com