李占勇，王少鐵，王 娟，張建國(guó)

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300222）

狹縫型分布板流化床提高核桃殼顆粒的流化效果

李占勇1,2，王少鐵1，王 娟1，張建國(guó)1,2

（1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300222）

為了提高Geldart D類(lèi)大顆粒物料在流化床中的流化效果，該文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的狹縫型氣體分布板，進(jìn)行了核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流態(tài)化試驗(yàn)，結(jié)果表明狹縫型分布板比傳統(tǒng)多孔分布板提高床層膨脹率約5%，降低最小流化速率約8%。在歐拉-歐拉法的雙流體模型和顆粒動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，建立流化床內(nèi)氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬值與試驗(yàn)值的誤差在8%以內(nèi)。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)2種分布板流化床內(nèi)大顆粒流化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，比較了2種分布板結(jié)構(gòu)對(duì)流化床內(nèi)床層壓降、床層膨脹率、顆粒相體積分?jǐn)?shù)及氣固兩相的流化速度的影響。模擬結(jié)果表明：狹縫型分布板的“V”型氣流通道結(jié)構(gòu)，使得氣流易于集束向上運(yùn)動(dòng)，形成大氣泡對(duì)床層造成擾動(dòng)，從而增大床層壓降波動(dòng)幅度，提高床層膨脹率，并在流化床內(nèi)形成4個(gè)小環(huán)流，促進(jìn)氣體相和顆粒相之間的混合，使得核桃殼顆粒流化均勻。該研究為大顆粒物料處理過(guò)程中流化床分布板的設(shè)計(jì)和選用提供參考。

流態(tài)化；模型；設(shè)計(jì)；氣體分布板；大顆粒；模擬

0 引言

流化床具有高效的傳熱傳質(zhì)、均勻的溫度場(chǎng)、較大的處理量以及能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性操作等優(yōu)點(diǎn)，已得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，并且在能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)Geldart[1]的研究，氣固流化床中，粗顆粒和細(xì)顆粒的流態(tài)化特性有明顯的差異，從而根據(jù)顆粒的密度和直徑將流態(tài)化的顆粒分為A、B、C、D 4類(lèi)，其中A、B兩類(lèi)顆粒易于流化，而C類(lèi)顆粒由于粒子間的黏著力，流化狀況差。D類(lèi)顆粒指過(guò)粗顆?；驀妱?dòng)用顆粒，平均粒度在0.6 mm以上，由于粒徑較大，臨界流化速度也較大，難以流化，且流化時(shí)容易產(chǎn)生極大氣泡或出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象，使操作過(guò)程難以穩(wěn)定進(jìn)行。

近年來(lái)，隨著對(duì)生物質(zhì)利用的重視，運(yùn)用流態(tài)化技術(shù)對(duì)大顆粒物料（如生物質(zhì)）進(jìn)行干燥[2]、燃燒[3]、氣化[4-7]、熱解[8]等的研究和應(yīng)用逐漸興起。為了提高流態(tài)化技術(shù)對(duì)大顆粒物料進(jìn)行處理的適應(yīng)性，研究者們從流化床形式（有無(wú)振動(dòng)）、氣體操作參數(shù)（氣體速度、溫度等）、流化床的床體結(jié)構(gòu)和內(nèi)構(gòu)件以及流化輔助方式（在大顆粒中添加其他易流化顆粒、采用脈動(dòng)輔助流化等）等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。楊國(guó)華等[9]以粒度分布較廣的大顆粒為對(duì)象，研究了大顆粒振動(dòng)流化床的空氣動(dòng)力學(xué)特性，得出了大顆粒振動(dòng)流化床的三層結(jié)構(gòu)特征，并探討了振動(dòng)對(duì)大顆粒流化床的流化參數(shù)的影響規(guī)律。李曉光等[10]以黃豆、綠豆及小米模擬水泥生料球，探討了大顆粒流化過(guò)程中的鼓泡及節(jié)涌現(xiàn)象，并通過(guò)床層內(nèi)壓力脈動(dòng)的測(cè)定研究了大顆粒流化床的流化質(zhì)量，認(rèn)為粒度分布是影響流化質(zhì)量的重要因素。Hilal 等[11]研究了分布板類(lèi)型、分布板幾何尺寸和床徑對(duì)最小流化速度的影響，結(jié)果表明，最小流化速度隨孔斜角的增大而減小。王萍等[12]降低了錐形氣體分布器的安裝高度并在錐形進(jìn)氣管的底部圓周上均勻開(kāi)設(shè)6個(gè)120 mm×60 mm的方孔，通過(guò)對(duì)氣體分布器安裝位置的調(diào)整和錐形進(jìn)氣管底部的改動(dòng)，有效地改善了反應(yīng)器底部氣流的分布，縮小并消除了低速區(qū)域，使氣流能夠較均勻地進(jìn)入流化床層，固體顆粒沉積現(xiàn)象得到有效改善。W?odzimierz[13]設(shè)計(jì)了適應(yīng)于生物質(zhì)干燥的新型氣體分布板。Sachin等[14]針對(duì)流化床干燥器設(shè)計(jì)了有效的氣體分布裝置。此外，李占勇等[15-16]通過(guò)添加小顆粒以改善大顆粒的流化特性，并且采用脈動(dòng)氣流輔助該雙組分體系顆粒的混合。

同時(shí)，由于大顆粒兩相流動(dòng)的特殊性及試驗(yàn)方法的局限性，造成難以真正掌握大顆粒流化床內(nèi)氣固兩相運(yùn)動(dòng)特性的本質(zhì)，許多研究者采用數(shù)值模擬手段對(duì)大顆粒流化過(guò)程進(jìn)行仿真研究。Assari等[17]用粒徑為3 mm的顆粒進(jìn)行模擬與試驗(yàn)，研究了氣體進(jìn)口速度和溫度對(duì)床內(nèi)含濕量、顆粒溫度等的影響，得出模擬與試驗(yàn)的結(jié)果能夠較好的吻合。Kawaguchi等[18]和Tsuji等[19]對(duì)二維流化床中節(jié)涌、鼓泡以及快速流化過(guò)程中床內(nèi)絮狀物的形成和解體等現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果與定性的試驗(yàn)分析較吻合，但是與實(shí)際情況還存在著一定的差距。Sharma等[20]采用歐拉法研究了三維氣固流化床內(nèi)的脫泡時(shí)間和速度場(chǎng)分布情況，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值之間的誤差在10%之內(nèi)。Ahuja等[21]研究了表觀氣速、床內(nèi)有無(wú)管道及布風(fēng)方式對(duì)大顆粒流動(dòng)的影響。還有部分學(xué)者對(duì)生物質(zhì)流化床的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[22-23]。

分布裝置是流化床的重要組成部分，其工作性能直接影響流化床內(nèi)氣固兩相的混合流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。然而，目前關(guān)于流化床分布板結(jié)構(gòu)和分布板種類(lèi)開(kāi)發(fā)的研究還相對(duì)較少。本研究的目的是開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工容易、氣體分布均勻的狹縫型流化床氣體分布板，用以提高D類(lèi)顆粒在流化床中的流化性能。以核桃殼為試驗(yàn)物料，進(jìn)行狹縫型分布板和傳統(tǒng)多孔型分布板時(shí)核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流化動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)，研究狹縫型分布板提高大顆粒物料的流化效果。建立流化床內(nèi)氣固兩相數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究狹縫型分布板結(jié)構(gòu)提升大顆粒流化效果的機(jī)理。以期為大顆粒物料處理過(guò)程中流化床分布板的設(shè)計(jì)和選用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置流程圖如圖1a所示，最主要部分為矩形流化床（自制，尺寸285 mm×190 mm×700 mm）。羅茨風(fēng)機(jī)（YJ3LR，美國(guó)，Gardner Denver）的標(biāo)定最大輸出為420 m3/h，產(chǎn)生的氣體由閥門(mén)調(diào)節(jié)控制流量，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB型，流量0～600 m3/h，中國(guó)，天津市五環(huán)儀表廠）測(cè)定顯示流量后進(jìn)入流化床。U型管壓差計(jì)（BY-U型，中國(guó)天津市塘沽玻璃儀器廠）用來(lái)測(cè)量床層壓降，U型管一端接在分布板上方，另一端接在流化床頂部無(wú)顆粒區(qū)（如圖1a），壓差計(jì)的讀數(shù)即為床層壓降。床層膨脹高度采用目測(cè)法，流化床床體上有安裝標(biāo)尺，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)多次測(cè)量讀取床層高度的波動(dòng)范圍，求取波動(dòng)的平均值及上下偏差，以減小測(cè)量的誤差值。

本文用到的狹縫型分布板由多塊角鋼焊接而成，形狀類(lèi)似瓦楞結(jié)構(gòu)（如圖1b所示），根據(jù)開(kāi)孔率5.6%[24]計(jì)算（本次設(shè)計(jì)的狹縫型氣體分布版的開(kāi)孔率為5.6%）得角鋼間的狹縫寬度為2 mm，狹縫個(gè)數(shù)為8條，均勻分布于分布板上。作為對(duì)比的傳統(tǒng)多孔板的開(kāi)孔率同為5.6%，開(kāi)孔呈正四邊形均勻分布，孔徑2 mm，孔數(shù)966個(gè)。

1.2 試驗(yàn)物料

本文所采用的固體顆粒是農(nóng)業(yè)廢棄物核桃殼，經(jīng)粉碎后為片狀顆粒，用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩（8～10目）進(jìn)行篩選分離，選取篩分直徑2～2.8 mm之間的顆粒（屬于Geldart D類(lèi)顆粒）進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 矩形流化床試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental devices of rectangular fluidized bed

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

初始時(shí)分別將狹縫型角鋼分布板和傳統(tǒng)多孔型分布板接入流化床，裝入質(zhì)量8.5 kg（床層高度均約為200 mm）粒徑2～2.8 mm的核桃殼顆粒，打開(kāi)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)流量控制閥，使流量從120逐漸增大到220 m3/h，每次增加10 m3/h，在不同流量下觀察床層的變化情況并讀取記錄U型管壓差計(jì)的讀數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)3次，求取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

床層膨脹率是指通入氣體后物料層所達(dá)到的最大高度與靜止?fàn)顟B(tài)下物料層高度的比值，它可以反映物料的流化狀況或物料的流化劇烈程度。圖2為不同分布板時(shí)床層壓降和床層膨脹率隨表觀氣速的變化，由圖可知，在不同氣速下，狹縫型分布板的床層膨脹率均大于傳統(tǒng)多孔型分布板，且隨著表觀氣速的增大，兩者之間的差值先增大后逐漸減小，在氣速為0.875 m/s時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)表觀氣速為1.128 m/s時(shí)，傳統(tǒng)多孔型分布板的床層膨脹率為1.49，而相同條件下，狹縫型分布板流化床內(nèi)的床層膨脹率約為1.56，床層膨脹率提高約5%；表明狹縫型氣體分布版更有利于物料的流化和混合。同時(shí)，根據(jù)最小流化速度確定方法，由圖2可知，傳統(tǒng)分布板的最小流化速度為0.83 m/s，而狹縫型流化床的最小流化速度約為0.77 m/s，核桃殼顆粒最小流化速度降低約8%。因此可以得出，在相同條件下，物料在較低的氣速下就能在狹縫型分布板流化床內(nèi)實(shí)現(xiàn)流化，而且流化程度更劇烈，這不僅有利于物料充分混合，同時(shí)也更加節(jié)能。

2 模擬研究

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)多孔型分布板，狹縫型分布板更有利于D類(lèi)大顆粒流化。為了探求狹縫型分布板促進(jìn)顆粒流化的原因，本文建立了流化床內(nèi)氣固兩相流計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，分別模擬多孔型分布板和狹縫型分布板下流化床內(nèi)氣固兩相流行為并對(duì)其進(jìn)行比較。

圖2 不同分布板床層壓降和床層膨脹率隨表觀氣速的變化Fig.2 Variation of bed pressure drop and expansion ratio with superficial gas velocity for different distributors

2.1 數(shù)學(xué)模型

為了模擬流化床內(nèi)氣固兩相的流體動(dòng)力學(xué)行為，本文采用基于歐拉-歐拉法的雙流體模型，將顆粒假設(shè)為類(lèi)似流體的連續(xù)擬流體，并結(jié)合顆粒動(dòng)力學(xué)理論對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬求解。對(duì)氣體相采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進(jìn)行描述，顆粒相采用顆粒動(dòng)力學(xué)理論模型進(jìn)行描述。關(guān)于二流體模型的描述詳見(jiàn)Vikrant[25]和Goldschmidt[26]，顆粒動(dòng)力學(xué)理論模型的描述詳見(jiàn)文獻(xiàn)[27-28]。

2.2 計(jì)算區(qū)域

本文使用商業(yè)軟件FLUENT 6.3.2?對(duì)所設(shè)計(jì)的流化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，物理模型的建立及網(wǎng)格的劃分是在其前處理器Gambit程序中進(jìn)行的。另外基于流化床寬度與顆粒直徑之比達(dá)到79，遠(yuǎn)大于20的原因，為了便于計(jì)算，本文將流化床簡(jiǎn)化為二維模型。圖3為狹縫型分布板流化床的物理模型，傳統(tǒng)多孔型分布板與此類(lèi)似。物理模型的橫向長(zhǎng)度和軸向高度分別為285和700 mm。初始時(shí)靜置床層高度H0為200 mm，固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.6，氣體分布板下方設(shè)有高度為100 mm的氣體分布室，用以保證氣體由床層底部均勻通入流化床內(nèi)，流化床內(nèi)無(wú)任何內(nèi)構(gòu)件。

2.3 邊界條件

氣體進(jìn)口為速度入口（velocity inlet），出口為壓力出口（pressure outlet），床體壁面及分布板板面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界條件（non-slip wall）。

在流化床進(jìn)氣口（流化床底部），氣體流量從120 m3/h增加到220 m3/h，每次增加10 m3/h，則有

式中U為氣體表觀氣速，m/s；Q為氣體流量，m3/h；L為流化床長(zhǎng)度，mm；W為流化床寬度，mm?？傻脷怏w入口速度由0.615逐漸增加到1.128 m/s。氣體速度僅垂直于進(jìn)氣面向上，經(jīng)過(guò)氣體分布室后均勻地通過(guò)狹縫型分布板。在入口處，固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0。

圖3 狹縫型分布板流化床物理模型Fig.3 Physical model of slotted gas distributor fluidized bed

出口邊界設(shè)為壓力出口邊界條件，大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（絕對(duì)壓強(qiáng)101 325 Pa），在出口處，各項(xiàng)梯度均為0，即滿足

式中T為溫度，℃；ν為黏度，Pa·s；ρ為密度g/cm3；ε為空隙率，無(wú)因次。

2.4 核桃殼顆粒的物理特性

試驗(yàn)過(guò)程中所用物料為粒徑（篩分直徑）2～2.8 mm的核桃殼顆粒，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬過(guò)程中將顆粒等效為直徑2.4 mm的球形顆粒。顆粒的密度[29]和最大松填充體積分?jǐn)?shù)用浸液法測(cè)得，顆粒黏度采用顆粒動(dòng)力學(xué)理論模型進(jìn)行處理，從理論上推導(dǎo)顆粒相黏性特性及顆粒相應(yīng)力方程[30-31]。流化氣體為常溫（25℃）下的空氣，氣固兩相的相關(guān)物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 核桃皮顆粒及流化氣體的物性參數(shù)Table 1 Parameters for walnut shell particles and fluidizing gas

2.5 求解控制

由于所研究的問(wèn)題屬于氣固兩相流，本文選用歐拉多相流模型來(lái)計(jì)算兩相的動(dòng)力學(xué)行為[32]。選用非穩(wěn)態(tài)隱式求解器，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，采用壓力速度耦合的SIMPLE算法進(jìn)行求解計(jì)算。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.0001 s，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能以及湍流耗散均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散[33]。

2.6 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

本文通過(guò)比較模擬和試驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證模型的精度。驗(yàn)證試驗(yàn)條件為：狹縫型分布板流化床，靜置床層高度約200 mm，核桃殼顆粒粒徑2～2.8 mm，氣體流量從120 m3/h逐漸增大到220 m3/h，每次增加10 m3/h。圖4所示為狹縫型分布板流化床內(nèi)床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比情況。由圖4可知，隨著氣速的增大，床層壓降先不斷增大后維持相對(duì)平穩(wěn)，在固定床狀態(tài)，由于顆粒充填的關(guān)系試驗(yàn)值略大于模擬值，進(jìn)入流化狀態(tài)后，模擬值與試驗(yàn)值基本一致。在表觀氣速約為0.77 m/s后，床層開(kāi)始松動(dòng)，之后隨著表觀氣速的增大，床層膨脹率也會(huì)不斷增大。床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗(yàn)值的誤差均在8%以內(nèi)，表明模擬值能夠反映床層壓降隨氣速的變化規(guī)律并預(yù)測(cè)床層膨脹高度的演變趨勢(shì)。在對(duì)傳統(tǒng)多孔分布板流化特性進(jìn)行模擬研究時(shí)，只是床體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并不影響模型的選擇及其計(jì)算的精度，故該結(jié)論也適用于傳統(tǒng)多孔型分布板。

圖4 床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.4 Experimental value and simulation value comparison of bed pressure drop and bed expansion radio with superficial gas velocity

3 模擬結(jié)果及分析

本節(jié)主要比較在表觀氣速為1.128 m/s下，核桃殼顆粒在狹縫型和多孔型分布板流化床內(nèi)的流化特性的數(shù)值模擬結(jié)果，主要從床層壓降、床層膨脹率、顆粒相體積分?jǐn)?shù)及氣固兩相的速度等方面進(jìn)行對(duì)比分析，以探討?yīng)M縫型分布板在提高顆粒流化性能的作用和機(jī)理。其中，顆粒體積分?jǐn)?shù)為流化床單位體積內(nèi)顆粒所占體積比例。

3.1 床層壓降波動(dòng)

圖5所示為表觀氣速U=1.128 m/s時(shí)流化5～14 s（取樣頻率為0.1 s）內(nèi)不同分布板流化床內(nèi)床層壓降隨時(shí)間的變化情況。進(jìn)氣5 s后，2種分布板流化床內(nèi)固體顆粒均進(jìn)入了穩(wěn)定的流化狀態(tài)。由圖5可知，2種分布板流化床的床層壓降均隨時(shí)間進(jìn)行不規(guī)律的周期波動(dòng)，且平均床層壓降均在1 250 Pa左右，但狹縫型分布板流化床內(nèi)床層壓降的波動(dòng)振幅要大于傳統(tǒng)分布板流化床。在5～14 s內(nèi)，傳統(tǒng)多孔型分布板流化床床層壓降波動(dòng)約為5.5個(gè)周期，而狹縫型分布板流化床內(nèi)床層壓降波動(dòng)約為7.5個(gè)周期，即狹縫型分布板內(nèi)顆粒的波動(dòng)頻率更高。流化床床層壓降波動(dòng)主要是因?yàn)榇矁?nèi)氣泡的產(chǎn)生、并聚和破碎等過(guò)程對(duì)床層壓降產(chǎn)生周期性的影響，如圖6a所示。狹縫型分布板流化床內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)更激烈，因而狹縫型流化床壓降波動(dòng)頻率和幅度大。

圖5 不同分布板流化床內(nèi)床層壓降波動(dòng)Fig.5 Pressure drop fluctuations of different fluidized beds

3.2 顆粒相體積分?jǐn)?shù)分布

圖6a、6b表示表觀氣速為1.128 m/s時(shí)進(jìn)氣9～11 s 內(nèi)2種分布板流化床內(nèi)顆粒相體積分?jǐn)?shù)（顆粒濃度）的瞬時(shí)分布云圖。顆粒相體積分?jǐn)?shù)較低的區(qū)域就意味著氣體相體積分?jǐn)?shù)較高，即有氣泡正在通過(guò)該區(qū)域。由圖6a、6b可看出流化床內(nèi)氣泡形成、并聚和破裂等過(guò)程。氣泡一般都在分布板上方形成，多為共生，即在同一時(shí)刻的相同床層高度生成多個(gè)氣泡，氣泡在上升過(guò)程中將周?chē)w粒吸入氣泡并帶動(dòng)顆粒向上運(yùn)動(dòng)（床層中的氣泡均含有一定量的顆粒），小氣泡逐漸并聚成大氣泡，并最終在床層表面發(fā)生破裂。結(jié)合圖5可知，氣泡形成、并聚和破裂等過(guò)程引起了床層壓降的波動(dòng)。圖5中，在9～11 s內(nèi)，狹縫型分布板流化床的床層壓降有2個(gè)較明顯的波動(dòng)周期，圖6a、6b中可以看到狹縫型分布板流化床內(nèi)2個(gè)完整的氣泡生成、并聚和破裂過(guò)程，而此時(shí)傳統(tǒng)孔板流化床的床層壓降和氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程都不是很明顯。當(dāng)氣泡在床層表面破裂時(shí)，床層壓降處于壓降波動(dòng)曲線的波谷，如狹縫型分布板流化床在9.6和10.2 s時(shí)，傳統(tǒng)多孔分布板在9.8 s時(shí)。此后隨著新的氣泡產(chǎn)生，床層壓降又會(huì)迅速的上升，如此反復(fù)，隨著氣泡的形成及破裂，床層壓降發(fā)生著周期性的變化，但變化幅度和頻率有所不同。

圖6c、6d表示表觀氣速為1.128 m/s時(shí)2種分布板流化床內(nèi)不同床層高度上的顆粒體積分?jǐn)?shù)（顆粒濃度）的橫向分布情況（5～14 s內(nèi)的平均值），其中H(mm)為床層高度。結(jié)合圖6a、6b可知，顆粒濃度隨床層高度的增加逐漸減小，在低床層區(qū)域（如H=100 mm處），顆粒濃度隨時(shí)間變化的平均值與初始濃度差距不大，但在一些區(qū)域由于氣泡的產(chǎn)生，顆粒平均濃度在橫向位置有所波動(dòng)。在床層中高部（如H=200 mm處），在某些時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)明顯的稀相和密相區(qū)分，如狹縫型分布板9.8～10.2 s內(nèi)，氣泡通過(guò)區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)會(huì)明顯下降。顆粒平均濃度低于初始濃度，且在橫向位置有所波動(dòng)，但狹縫型分布板的波動(dòng)幅度要小于傳統(tǒng)多孔型分布板，說(shuō)明在5～14 s內(nèi)，顆粒在狹縫型分布板流化床內(nèi)混合的更均勻。在床層高度為300 mm處，傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)幾乎沒(méi)有顆粒存在了，但狹縫型分布板流化床內(nèi)還可以看到小量的顆粒，且顆粒集中在床體中心位置處，這說(shuō)明狹縫型分布板流化床內(nèi)顆粒能達(dá)到的最大高度要高于傳統(tǒng)多孔型分布板，即狹縫型分布板的床層膨脹率更大，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7表示的是表觀氣速為1.128 m/s時(shí)兩種分布板流化床內(nèi)不同位置處顆粒相體積分?jǐn)?shù)（顆粒濃度）隨時(shí)間的波動(dòng)情況，其中X(mm)為床層橫向位置。由圖可知，在低床層區(qū)域（如H=100 mm處），靠近壁面的位置（X/L=0.15）處，傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)的顆粒濃度幾乎不隨時(shí)間發(fā)生變化，而狹縫型分布板流化床內(nèi)顆粒濃度會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行波動(dòng)；床層中心部位（X/L=0.5處）處，狹縫型分布板和傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)的顆粒濃度都在進(jìn)行著周期性的波動(dòng)，傳統(tǒng)多孔型分布板的波動(dòng)頻率大，但狹縫型分布板流化床內(nèi)的波動(dòng)幅度大。在床層中高（如H=200 mm處）區(qū)域，靠近壁面位置（X/L=0.15）處，兩種分布板流化床內(nèi)的顆粒濃度都在進(jìn)行著周期性的波動(dòng)，且狹縫型分布板流化床內(nèi)得波動(dòng)幅度更大；床層中心部位（如X/L=0.5處）與低床層區(qū)域波動(dòng)情況類(lèi)似，即狹縫型分布板和傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)的顆粒濃度都在進(jìn)行著周期性的波動(dòng)，傳統(tǒng)多孔型分布板的波動(dòng)頻率大，但狹縫型分布板流化床內(nèi)的波動(dòng)幅度更大。以上分析表明，傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)顆粒濃度的變化主要集中在床體中心區(qū)域，而狹縫型分布板流化床內(nèi)顆粒濃度的變化比較分散。相比于傳統(tǒng)多孔型分布板，狹縫型分布板有利于流化床內(nèi)靠近壁面區(qū)域顆粒的流化，使床內(nèi)顆粒濃度的變化更加均勻，減少靠近壁面區(qū)域死角和滯留區(qū)的形成。

圖7 不同分布板流化床內(nèi)不同位置處顆粒相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的波動(dòng)情況Fig.7 Fluctuation of particle volume fraction of different positions in different fluidized beds

3.3 氣固兩相速度分布情況

以分布板為基準(zhǔn)，對(duì)表觀氣速為1.128 m/s時(shí)氣固兩相瞬時(shí)速度分布情況進(jìn)行了分析，如圖8所示。

圖8a給出了9 s（9 s時(shí)兩種分布板流化床內(nèi)的床層壓降都接近波峰）時(shí)不同分布板流化床內(nèi)顆粒在各個(gè)位置上的速度矢量圖。由圖8a可知，在床層底部（分布板上方），顆粒相的速度矢量方向總體向上，在床層表面處及床體壁面附近，顆粒相的速度矢量方向總體向下，顆粒的流型呈現(xiàn)出一種灣流的特征，包含多個(gè)回流，這有利于顆粒相與氣體相之間更好的混合[33]。此時(shí)，在狹縫型分布板流化床內(nèi)可以清晰的看到4個(gè)小的環(huán)流，分布在床層的四個(gè)角上，而傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)則有所不同，流化床內(nèi)以床層橫向中心位置為對(duì)稱軸形成兩個(gè)對(duì)稱的較大環(huán)流。環(huán)流中心區(qū)域一般為氣泡通過(guò)區(qū)，顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，而此時(shí)圖6a、6b中9 s時(shí)環(huán)流位置處在狹縫型分布板流化床內(nèi)中可以看到4個(gè)氣泡，傳統(tǒng)多孔型分布板流化床內(nèi)可以看到2個(gè)氣泡，兩圖觀察到的情況相符。

圖8b給出了9 s時(shí)不同分布板流化床內(nèi)氣體在各個(gè)位置上的速度矢量圖。由圖8b可知，氣體流經(jīng)分布板之后，狹縫型分布板的V型氣流通道結(jié)構(gòu)限制了氣流向四周擴(kuò)散，因而形成氣流噴射，高速氣流向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)床內(nèi)固體顆粒實(shí)現(xiàn)流化。而在多孔分布板流化床內(nèi)，氣流通過(guò)圓孔后，向四周擴(kuò)散，造成速度下降。因此，相比于傳統(tǒng)多孔型分布板，狹縫型分布板的V型結(jié)構(gòu)更有利于氣流的集束，使氣體通過(guò)狹縫后垂直向上運(yùn)動(dòng)，氣流向上穿透能力高。狹縫型分布板的氣流集束向上運(yùn)動(dòng)，一方面使得在流化床底部區(qū)域就形成小氣泡（如圖6a、6b），對(duì)顆粒床進(jìn)行擾動(dòng)和混合，同時(shí)在床層中部小氣泡合并形成大氣泡，更能松動(dòng)顆粒床，提高床層膨脹率；另一方面，在靠近流化床壁面處，氣流集束向上運(yùn)動(dòng)使得壁面壓迫作用相對(duì)較弱，多孔板上氣流分布均勻（如圖8b)，隨著氣泡運(yùn)動(dòng)而形成4個(gè)小環(huán)流，床層流化更均勻。與狹縫型對(duì)比，多孔板上氣流過(guò)早擴(kuò)散，一方面，氣泡在流化床中部形成，氣泡擾動(dòng)床層作用不如狹縫型；另外，壁面壓迫作用較強(qiáng)，使得氣流向流化床床層中心集聚，造成兩個(gè)大環(huán)流，均勻性也不如狹縫型。

圖8 流化9 s時(shí)不同分布板流化床內(nèi)氣固兩相各位置上的速度矢量圖（U=1.128 m·s-1）Fig.8 Velocity vectors distribution of particle and gas phase at t=9 s for different gas distributors（U=1.128 m·s-1）

4 結(jié)論

本文針對(duì)用標(biāo)準(zhǔn)角鋼制作的狹縫型氣體分布板，以核桃殼為試驗(yàn)物料，對(duì)設(shè)置狹縫型分布板和傳統(tǒng)多孔型分布板時(shí)核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流化動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)和模擬對(duì)比分析。結(jié)果表明：

1）床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗(yàn)值的誤差均在8%以內(nèi)，表明模擬值能夠反映床層壓降隨氣速的變化規(guī)律并預(yù)測(cè)床層膨脹高度的演變趨勢(shì)。

2）狹縫型分布板比傳統(tǒng)多孔分布板提高床層膨脹率約5%，降低最小流化速率約8%。

3）相比于傳統(tǒng)多孔型分布板，狹縫型分布板流化床壓降波動(dòng)頻率和幅度較大，床層膨脹率更高。床內(nèi)顆粒濃度的變化比較分散，有利于流化床內(nèi)靠近壁面區(qū)域顆粒的流化，減少靠近壁面區(qū)域死角和滯留區(qū)的形成。

4）狹縫型分布板的“V”型氣流通道結(jié)構(gòu)，使得氣流易于集束向上運(yùn)動(dòng)，形成大氣泡對(duì)床層造成擾動(dòng)，從而增大床層壓降波動(dòng)幅度，提高床層膨脹率，并在流化床內(nèi)形成4個(gè)小環(huán)流，促進(jìn)氣體相和顆粒相之間的混合，使得核桃殼顆粒流化均勻。

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Fluidization effect of walnut shell particles in fluidized bed with slotted gas distributor

Li Zhanyong1,2, Wang Shaotie1, Wang Juan1, Zhang Jianguo1,2
(1. College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for Light Industry & Food Machinery and Equipment, Tianjin 300222, China)

Gas distributor is a key component in fluidized beds. Various gas distributors for practical application have been successfully developed and studied in depth. Fluidization of coarse particles is still a challenge for good gas-solid contacting. In this study, a slotted gas distributor with simple structure was proposed for the fluidized bed processing coarse particles. The fluidization characteristics of the Geldart D type large particles (2-2.8 mm walnut shell) were investigated experimentally in a 285 mm × 190 mm × 700mm fluidized bed with the slotted gas distributor whose opening rate was 5.6%. The experimental results were compared with the ones obtained from the traditional perforated distributor. It was found that the bed expansion ratio increased by about 5% and the minimum fluidization velocity reduced by about 8% when using the slotted gas distributor, indicating that the slotted gas distributor had better fluidization characteristics for the large-sized particles. To explain the better fluidization performance of the slotted gas distributor, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed based on the Eulerian-Eulerian model, the particle kinetic theory, the standard k-ε turbulence model and the SIMPLE algorithm. The CFD model was used to simulate the behaviors of the gas particle flow in the fluidized bed of walnut shell particles with slotted gas distributor or traditional perforated distributor, and the results of experiment and simulation were agreed well. The simulations were conducted under such operation conditions: The physical two-dimensional model of the rectangular fluidized bed was 285 mm × 700 mm with slotted gas distributor or traditional perforated distributor in which the opening rate was 5.6%. Particles packed in the fluidized bed had the volume fraction of 0.6 and the height of the bed was 200 mm. The superficial gas velocity of inlet was selected as operation parameter, which ranged from 0.615 to 1.128 m/s. The simulation results were compared on the bed pressure fluctuations due to bubble formation, the coalescence and eruption, the maximum bed expansion radio, the transient particle volume fraction distribution, the gas/particle velocity vector distribution and so on between the fluidized beds of these two distributors. It was observed that small bubbles first formed close to the gas distributor, coalesced when rising up, and finally erupted near the bed surface, which resulted in periodic fluctuations of bed pressure with different amplitudes and frequencies. Compared with the traditional perforated distributor, the frequency and amplitude of the bed pressure drop fluctuation caused by the slotted gas distributor were bigger and the bed expansion ratio was higher. The change of the particle concentration in the bed was scattered in the fluidized bed with slotted gas distributor, which was beneficial to the fluidization of particles near the bed wall. Also, the dead zone and recirculation area formed near the wall area were reduced. The V-shaped structure of the slotted gas distributor generated strong upward flow jets. The strong jets could deeply reach the material particle bed and easily bring the formation of bigger bubbles. The bigger bubbles caused more intensive disturbance inside the material bed, and thereby the bed pressure drop fluctuation and the bed expansion ratio were improved. Four small circulations were observed to form within the fluidized bed with slotted gas distributor, which was beneficial to the better mixing of gas and particle. Therefore, coarse particles of walnut shell can be well fluidized with the slotted gas distributor. The study provides a reference for the design and selection of fluidized bed distributor in the process of coarse particle processing in fluidized bed.

fluidization; models; design; gas distributor; coarse particles; simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032

TH69; TS04

A

1002-6819(2016)-09-0225-08

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10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032 http://www.tcsae.org

Li Zhanyong, Wang Shaotie, Wang Juan, Zhang Jianguo. Fluidization effect of walnut shell particles in fluidized bed with slotted gas distributor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 225－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032 http://www.tcsae.org

2015-10-09

2016-03-19

天津市人才引進(jìn)與科技合作計(jì)劃國(guó)際科技合作項(xiàng)目（14RCGFGX00850）；國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014GB2A100526）

李占勇，男，博士，教授。研究方向：干燥、流態(tài)化、熱解技術(shù)及設(shè)備。天津 天津科技大學(xué)，300222。Email：zyli@tust.edu.cn