何燕，吳龔鵬，陳偉

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

流化床反應(yīng)器內(nèi)活性焦流動(dòng)特性的模擬研究

何燕，吳龔鵬，陳偉*

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

本文基于雙流體模型，對(duì)二維流化床反應(yīng)器內(nèi)活性焦在不同操作條件下的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低氣速高進(jìn)料量條件下的管內(nèi)壓降最大，反應(yīng)器內(nèi)壓降隨管內(nèi)固相容積份額的增加而增加?；钚越乖诜磻?yīng)器內(nèi)的軸向固含率呈現(xiàn)出下濃上稀分布，證明了流化床內(nèi)固相分布的不均勻特性。顆粒軸向平均速度受表觀氣速影響較大，流化床底部的顆粒速度較低，在氣體夾帶作用下沿床高方向逐漸增大。因此，設(shè)置合理的操作參數(shù)(表觀氣速和固體循環(huán)量)，對(duì)提高流化床內(nèi)的氣固反應(yīng)效率具有重要意義。

流化床；活性焦；數(shù)值模擬；干法脫硫

循環(huán)流化床作為一種高效反應(yīng)器，因其具有較高的傳質(zhì)傳熱等特點(diǎn)，自出現(xiàn)以來(lái)一直備受關(guān)注[1]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，循環(huán)流化床技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于催化裂化[2-4]、煤燃燒和氣化[5-6]、生物質(zhì)氣化[7]等諸多領(lǐng)域，并且在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位。面對(duì)當(dāng)前日益惡化的空氣污染狀況，凈化燃煤電廠煙氣成為一種減少空氣污染的有效途徑，循環(huán)流化床技術(shù)被應(yīng)用于其中。

硫氧化物是煙氣中的主要污染物之一，當(dāng)其被大量排放到大氣中時(shí)會(huì)形成酸雨，造成大面積腐蝕，對(duì)生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)、生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的濕法脫硫技術(shù)因脫硫效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大中型電廠，取得了不錯(cuò)的效果。但是，其耗水量大、脫硫副產(chǎn)物難處理、成本高等缺點(diǎn)也限制了該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，對(duì)于干旱缺水地區(qū)，這些問(wèn)題更加突出[8]。因此，煙氣循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?；钚越垢煞摿蚣夹g(shù)具有脫硫反應(yīng)溫度低、不消耗水資源、脫硫副產(chǎn)物為高價(jià)值產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[9]。相較于固定床和移動(dòng)床活性焦脫硫工藝，基于流化床技術(shù)的流態(tài)化反應(yīng)器可以使煙氣與活性焦更好接觸，從而提高活性焦的吸附容量。山東大學(xué)馬春元教授課題組已經(jīng)開展了流化床反應(yīng)器活性焦干法脫硫的相關(guān)工作，并初步證明了該技術(shù)的可行性[10]。

需要指出的是，活性焦流態(tài)化吸附脫硫技術(shù)尚不成熟，如何進(jìn)一步提高脫硫吸附效率是當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)。由于流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)極其復(fù)雜且受到實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法的限制，數(shù)值模擬作為研究氣固兩相流動(dòng)的一種有效方法得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)對(duì)離散相處理方法的不同，用于數(shù)值模擬的多相流模型可分為歐拉雙流體模型和拉格朗日顆粒軌道模型。雙流體模型只需要消耗相對(duì)較小的計(jì)算機(jī)資源就可以得到比較可靠的模擬結(jié)果，被研究者廣泛使用。

由于對(duì)流化床內(nèi)活性焦流動(dòng)行為的模擬鮮有報(bào)道，本文采用歐拉雙流體模型，在氣相 k-ε湍流模型和顆粒動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，考慮氣相對(duì)固體顆粒的曳力作用，對(duì)活性焦在流化床內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了模擬研究。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本文基于二維模型進(jìn)行模擬，模型只包含了循環(huán)流化床提升管段部分。模擬過(guò)程中，氣相以一定的速度從流化床底部進(jìn)入，固相以一定的速度和濃度從管底部一側(cè)進(jìn)入管內(nèi)，在氣相輸送作用下氣固兩相發(fā)生強(qiáng)烈混合并從流化床頂部流出，建立的二維幾何模型及劃分的網(wǎng)格如圖1所示。

網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值解的收斂性和準(zhǔn)確性有重要影響。為了能夠較為準(zhǔn)確地模擬氣固兩相流體動(dòng)力學(xué)特征，一般將網(wǎng)格大小控制在粒徑的10～100倍為宜[11]。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，網(wǎng)格的單元尺寸選擇為2.5 mm，采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格類型，對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。

圖1 二維幾何模型及網(wǎng)格圖Fig.1 2D geometry model and mesh graph

1.2 理論模型

模擬中選用帶有標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的k-ε湍流模型來(lái)描述氣相流動(dòng)的湍流特性，采用歐拉顆粒流模型來(lái)描述顆粒相的運(yùn)動(dòng)。氣固兩相之間的動(dòng)量傳遞主要是通過(guò)曳力實(shí)現(xiàn)的，之前文獻(xiàn)中已經(jīng)給出多種理論計(jì)算模型，由于本文模擬工況屬于密相流動(dòng)，稀相流動(dòng)曳力模型已不適用，因此選用能夠計(jì)算密相流動(dòng)條件下氣固之間相互作用的Gidaspow曳力模型，Gidaspow曳力模型被許多研究者證明具有較高的準(zhǔn)確性，所以本文選用該模型計(jì)算曳力系數(shù)。相關(guān)理論控制方程總結(jié)如下：

連續(xù)性方程：

(1)

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

(4)

湍流控制方程：

(5)

(6)

顆粒擬溫度控制方程：

(7)

曳力系數(shù)計(jì)算公式：

(8)

(9)

1.3 邊界條件和求解設(shè)置

表1 床料物性及操作參數(shù)

設(shè)置合理的邊界條件可以加速收斂及提高模擬準(zhǔn)確性。空氣入口處設(shè)置為速度入口邊界條件，活性焦入口通過(guò)設(shè)置顆粒速度和濃度控制顆粒循環(huán)流量，流化床出口處采用壓力出口，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，初始狀態(tài)下管內(nèi)固相容積份額為零。模擬過(guò)程中的物料性質(zhì)和模擬工況列在表1中，其中，入口固相容積份額是根據(jù)給定的顆粒循環(huán)量及固相入口處的風(fēng)速計(jì)算出來(lái)的。

壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量方程和固相體積份額方程分別用二階迎風(fēng)格式和QUICK格式進(jìn)行離散求解，收斂殘差值設(shè)置為10-4。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.000 1 s，數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)分別設(shè)為距離顆粒入口0.06 、0.3 、1.2 、2.2 、3.2 、4.1、4.6 、4.9 m的位置上，為了消除模擬初始階段的影響，模擬數(shù)據(jù)采用5～10 s的平均值。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 氣固流動(dòng)混合分布

圖2 入口容積份額為0.3時(shí)不同風(fēng)速下的固相分布云圖Fig.2 Contour plots of solid phase distribution under different gas velocity with the same inlet solid volume fraction of 0.3

圖2a是在固相入口容積份額為0.3條件下，風(fēng)速大小為3 m/s時(shí)隨時(shí)間變化的氣固兩相分布云圖。其中，紅色表示顆粒濃度高而藍(lán)色意味著顆粒濃度低。從圖中可以看出，活性焦從入口處進(jìn)入管內(nèi)后在空氣攜帶作用下迅速向上運(yùn)動(dòng)，氣固混合強(qiáng)烈，呈現(xiàn)出明顯的湍動(dòng)特征，隨著時(shí)間增加管內(nèi)活性焦?jié)舛戎饾u增大并達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由于風(fēng)速偏低，大量活性焦顆粒進(jìn)入管內(nèi)后不能被及時(shí)帶出，導(dǎo)致管內(nèi)顆粒濃度整體較大，出現(xiàn)一定程度的貼壁行為。沿流化床高度方向，活性焦分布并不均勻，出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚特征，在上升過(guò)程中返混較為嚴(yán)重，以致出現(xiàn)局部濃度高的現(xiàn)象。

相較于3 m/s的情況，圖2b中風(fēng)速大小為6.5 m/s時(shí)管內(nèi)顆粒呈現(xiàn)出明顯的下濃上稀分布特征，風(fēng)速較大使得顆粒停留時(shí)間變短，管內(nèi)固相容積份額變小，大的顆粒團(tuán)聚變成更加分散的小顆粒團(tuán)簇，形成了快速流態(tài)化的流動(dòng)狀態(tài)。由于空氣流速變大，靠近顆粒入口處貼壁現(xiàn)象更加明顯，同時(shí)，可以觀察到邊壁處固體顆粒濃度高、中心處顆粒濃度稀的環(huán)核型分布特征。

2.2 壓力分布

圖3 風(fēng)速和入口固相容積份額對(duì)流化床中壓力分布的影響Fig.3 Impact of gas velocity and inlet solid volume fraction on pressure distribution of fluidized bed

圖3表示了管內(nèi)壓力沿高度方向的變化趨勢(shì)。從圖3a中可以看到壓力值隨高度的增加逐漸降低，在靠近顆粒入口位置上的壓降明顯比靠近出口處的壓降大，這是因?yàn)榱骰驳撞款w粒濃度大，從而導(dǎo)致空氣阻力增加。在同一高度截面上，壓力值隨風(fēng)速增大依次變小，且各工況下的壓力差值在流化床底部達(dá)到最大而在出口處接近于零。可以看出固體顆粒循環(huán)量對(duì)管內(nèi)壓降影響是很大的，風(fēng)速為3.5 m/s的工況下管內(nèi)固相濃度較高，空氣夾帶顆粒向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中阻力增大，總壓降也是最大的；而對(duì)于風(fēng)速為6.5 m/s的情況，空氣受到的阻力較小，所以總壓降也是三種工況中最低的。

圖3b中，壓力值沿高度方向的變化趨勢(shì)相對(duì)陡峭，即單位高度上的壓降變大。由于固相入口處顆粒容積份額增加，不同表觀氣速下的管內(nèi)總壓降相對(duì)于容積份額為0.2的情況均增大，其中氣速為3.5 m/s時(shí)的壓降增值最大。由此可以得出，在通過(guò)增加管內(nèi)顆粒濃度的方法來(lái)提高氣固反應(yīng)效率時(shí)，應(yīng)該兼顧固相濃度增大會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓阻增加這一影響因素。

2.3 顆粒濃度分布

圖4 風(fēng)速和入口固相容積份額對(duì)流化床中固相濃度分布的影響Fig.4 Impact of gas velocity and inlet solid volume fraction on solid concentration distribution of fluidized bed

圖4是不同工況下管內(nèi)軸向顆粒濃度分布的模擬結(jié)果。從圖4a中可以看到，管內(nèi)整體固相容積份額隨表觀氣速的增大而減小。此外，沿軸向方向顆粒濃度分布很不均勻，在流化床底部是濃相狀態(tài)而在上部則是稀相狀態(tài)，呈現(xiàn)典型的下濃上稀非均相分布；且這種固相分布特征隨表觀氣速的增大而變得明顯，這是因?yàn)楸碛^氣速增大，堆積在入口處的顆粒在氣流作用下加速過(guò)程所需要距離縮短造成的。同時(shí)可以看出表觀氣速對(duì)底部入口段的固含率影響較大而對(duì)頂部區(qū)域的固含率影響較小，這可能與流化床上部處于快速流態(tài)化的狀態(tài)有關(guān)。

在圖4b中，由于顆粒循環(huán)量的增加，管內(nèi)整體固相容積份額增大，沿軸向的固相濃度分布趨于均勻，這是因?yàn)楣軆?nèi)顆粒濃度增加，顆粒在入口附近大量堆積使得底部固相濃度趨于飽和狀態(tài)，濃相高度增加，同時(shí)氣固兩相間的動(dòng)量傳遞程度增加，造成上部顆粒返混停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致底部和頂部的顆粒濃度差距減弱。在較高顆粒循環(huán)率條件下，隨表觀氣速增大，沿軸向的固含率變化減??；而在3.5 m/s工況下，軸向固相分布整體均勻，這是因?yàn)轭w粒在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)湍動(dòng)狀態(tài)，氣流剛好能夠?qū)㈩w粒帶出管內(nèi)，使得顆粒在管頂部大量團(tuán)聚。上述現(xiàn)象也印證了Bi等[13]提出的高密度循環(huán)流化床的特征，即增加固體循環(huán)量和表觀氣速有助于改善顆粒濃度分布的均勻性。

2.4 顆粒速度分布

圖5 風(fēng)速和入口固相容積份額對(duì)流化床中顆粒軸向速度分布的影響Fig.5 Impact of gas velocity and inlet solid volume fraction on particle axial velocity distribution of fluidized bed

圖5是不同截面上顆粒軸向平均速度的分布情況。可以看到，顆粒軸向速度分布并不均勻，這意味著速度與濃度分布有密切的相關(guān)性。顆粒在流化床底部的速度較低，沿高度方向逐漸增大直至相對(duì)平穩(wěn)。因此我們可以將顆粒沿軸向的速度大致分為三個(gè)區(qū)域，即底部的加速區(qū)域、中間段的過(guò)渡區(qū)以及頂部的平穩(wěn)區(qū)域。在底部的加速段內(nèi)，顆粒進(jìn)入管內(nèi)后在氣流的夾帶作用下通過(guò)動(dòng)量傳遞瞬間加速獲得一向上的初速度，接著在上升過(guò)程中顆粒速度繼續(xù)增加，到達(dá)流化床上部時(shí)顆粒流動(dòng)得到了充分發(fā)展，顆粒速度的變化幅度趨于平緩。

在同一表觀氣速下，隨著顆粒循環(huán)量的增加，顆粒軸向速度分布的不均勻性增加，這表明在高循環(huán)量條件下管內(nèi)顆粒達(dá)到充分發(fā)展流動(dòng)所需要的距離增大，這主要是由高濃度的顆粒減弱了氣固之間的作用力，顆粒向上運(yùn)動(dòng)的加速度變小造成的。同時(shí)顆粒速度具有一定的波動(dòng)，這說(shuō)明循環(huán)量增大使得管內(nèi)顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的碰撞和團(tuán)聚行為加劇。在圖5b中，風(fēng)速為3.5 m/s和5.0 m/s時(shí)，管內(nèi)顆粒量增加導(dǎo)致上升過(guò)程中受到空氣的曳力作用減小，出現(xiàn)聚團(tuán)返混行為，以致在流化床頂部的速度變小。對(duì)于同一顆粒循環(huán)量，隨著表觀氣速的增大，顆粒速度大小也整體提高，這是因?yàn)楸碛^氣速增加，氣流攜帶顆粒能力增強(qiáng)，顆粒團(tuán)聚作用減弱，從而獲得更大的能量向上加速運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

本文采用雙流模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方法考察了流化床反應(yīng)器內(nèi)活性焦顆粒在不同操作條件下的流動(dòng)特征，得出以下結(jié)論：

(1)活性焦顆粒在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在軸向上呈現(xiàn)出明顯上稀下濃的指數(shù)分布，在徑向上呈現(xiàn)一定的邊壁濃中間稀的環(huán)核結(jié)構(gòu)流型。

(2)管內(nèi)壓降代表著流態(tài)化過(guò)程中的能耗大小，流化床內(nèi)總壓降隨著顆粒循環(huán)量的增加而增大，因此，簡(jiǎn)單地通過(guò)增大物料循環(huán)量的途徑來(lái)提高反應(yīng)強(qiáng)度是不可行的。

(3)顆粒循環(huán)量和表觀氣速作為流化床反應(yīng)器非常關(guān)鍵的操作參數(shù)，對(duì)截面上顆粒的濃度和平均軸向速度均有較大的影響。管內(nèi)整體固相容積份額隨著顆粒循環(huán)量的增大而增大，隨著表觀氣速的增大而減??；軸向平均速度隨著顆粒循環(huán)量的增大而減小，隨表觀氣速的增大而增大。

(4)顆粒軸向速度和濃度存在一定的相關(guān)性。顆粒速度增加，停留時(shí)間變短，會(huì)造成管內(nèi)的固相容積份額變??；顆粒濃度增加，返混和團(tuán)聚特性明顯，造成顆粒軸向平均速度變小。

(5)顆粒速度和濃度是描述流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)過(guò)程的重要參數(shù)，對(duì)氣固接觸反應(yīng)效率起著重要作用，所以，通過(guò)合理調(diào)節(jié)流化床反應(yīng)器的操作參數(shù)，改善流化床內(nèi)氣固兩相分布，對(duì)提高活性焦脫硫效率具有重要意義。

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Simulationstudyonhydrodynamicsofactivatedcokeinfluidizedbedreactor

HEYan,WUGong-peng,CHENWei*

(CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061China)

∶The numerical simulation was employed to investigate hydrodynamics of activated coke of two-dimension fluidized bed under different operation conditions, based on the two-fluid model. Results show that the pressure drop of fluidized bed is up to maximum with low gas velocity and high solid flux, and it increases gradually with the increase of solid volume fraction. Axial solid concentration of activated coke at the bottom of fluidized bed is denser than that at the top, which verifies the heterogeneous distribution of particles. Axial averaged velocity of particles is easily subject to gas velocity, which is low at the bottom of fluidized bed and increases with the increase of bed height due to gas entrainment. Therefore, reasonable operation conditions (such as gas velocity and solid circulating flux) are significant for improving gas-solid reaction efficiency of fluidized bed.

∶fluidized bed; activated coke; numerical simulation; dry desulfurization

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.010

2017-08-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFB0602901-4)

何燕(1973—)，女，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)闊煔馕廴疚镌搭^治理。

*通信作者，陳偉。E-mail：cw_19344616@aliyun.com

TK09

A

1002-4026(2017)06-0058-07