，

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.中科院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

氣固流化床[1]中的分布板區(qū)對(duì)整個(gè)流化床的氣固流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)過程具有重要的影響。對(duì)分布板的研究目前主要有兩大類。

一類是針對(duì)射流深度的研究。如陳偉博等用攝像法研究了二維流化床和錐形分布板上的射流，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著孔速和孔徑的增加，射流深度增大、顆粒運(yùn)動(dòng)區(qū)增大、死區(qū)高度減小[2]，相同氣速下，0°(水平)分布板上的射流深度大于45°和60°分布板[3]。洪若瑜等給出了具有錐形分布板的射流流化床中濃密氣固兩相流動(dòng)的多相流體力學(xué)基本方程組，發(fā)現(xiàn)射流是由于氣體的曳力引起顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，且射流穿透深度隨床層的表觀氣速增加而增加[4]。另一類是針對(duì)各種分布板構(gòu)型對(duì)流化床的影響研究。朱沈瑾等采用雙流體模型對(duì)二維流化床進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)錐形分布板流化床內(nèi)氣固混合特性隨著分布板傾斜角度的增加得到了加強(qiáng)，因此推薦采用20°～30°的分布板傾斜角度[5]。李占勇等的核桃殼顆粒(2～2.8 mm)流態(tài)化試驗(yàn)結(jié)果表明狹縫型分布板相對(duì)于傳統(tǒng)多孔分布板提高床層在膨脹率約提高了5%最小流化速率約降低了8%[6]。林廣周等在流化床下管箱安裝分布板，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可有效改善換熱管束內(nèi)顆粒分布的均勻性[7]。董淑芹等研究了3種不同開孔率時(shí)分布板的顆粒濃度分布和分布板壓降，發(fā)現(xiàn)分布板壓降隨開孔率的增大而減小，開孔率為0.46%時(shí)分布板徑向固含率分布曲線波動(dòng)最小、氣固分布最均勻[8]。王濤等采用雙流體模型在布風(fēng)板開孔率為3.86%時(shí)對(duì)6種不同布孔方式的流化床進(jìn)行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)布風(fēng)板上大小孔間隔排布的流化床(E型布風(fēng)板流化床)內(nèi)產(chǎn)生的氣泡相對(duì)較小且分散性較好，流化效果最好[9]。鄧小秋等用有限元法進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)開孔對(duì)分布板的最大等效應(yīng)力影響小于5%，對(duì)分布板等效應(yīng)力分布影響較大[10]。張少峰等用圖像采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得了顆粒的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)增大分布板的開孔率可在很大程度上減小管束中固含率的不均勻度[11]。

綜上所述，分布板的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)流化床的顆粒分布、射流深度等都有重要影響。目前關(guān)于分布板進(jìn)氣方向的研究還較少，本研究采用MP-PIC方法(barracuda軟件)[12-13]探討多段氣化爐中分布板進(jìn)氣方向?qū)︻w粒分布的影響。

1 計(jì)算方法

MP-PIC采用歐拉法描述氣相運(yùn)動(dòng)，用拉格朗日法描述顆粒相運(yùn)動(dòng)。

(1)氣相方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(2)固相方程

運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

(4)

式中ps為固相壓力：

(5)

(3)曳力模型

曳力模型描述氣固兩相間的相互作用，采用的曳力模型[14]如下：

(6)

(7)

其中，β為相間動(dòng)量傳遞系數(shù)；CD0為單顆粒標(biāo)準(zhǔn)曳力系數(shù)；Re為顆粒雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑。

2 物理模型及計(jì)算條件

2.1 物理模型

氣化爐反應(yīng)器三維構(gòu)體及網(wǎng)格如圖1。圖1(a)顯示了氣化爐反應(yīng)器的三維構(gòu)體，主要包括底部鼓泡床、過渡段、上部快速床、旋風(fēng)分離器、回料管、顆粒入口和氣相入口結(jié)構(gòu)。

圖1 氣化爐反應(yīng)器三維構(gòu)體及網(wǎng)格Fig.1 3D structure and grid of the multi-stage gasifier reactor

采用Barracuda軟件對(duì)氣化爐進(jìn)行模擬，用Cut-Cell進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最細(xì)的中心進(jìn)氣管在底部有一個(gè)彎管結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行極大的扭曲，降低網(wǎng)格質(zhì)量。因此劃分網(wǎng)格時(shí)，這部分及以下的結(jié)構(gòu)被舍去，由于舍去的部分非常小，對(duì)整體的模擬結(jié)果的影響可以忽略。最終生成的網(wǎng)格如圖1(b)、(c)所示。

2.2 計(jì)算條件

圖2是顆粒粒徑分布信息，實(shí)際計(jì)算中按此分布投放顆粒。顆粒的平均直徑采用Sauter平均粒徑表示為0.562 mm。其中mf為各粒徑所占百分?jǐn)?shù)。

圖2 顆粒粒徑分布Fig.2 Particle size distribution

模擬所采用的物性參數(shù)及操作條件的所有參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)及操作條件

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 基本工況

基本工況時(shí)分布板進(jìn)氣方向與水平夾角為45°(δ=45°)。圖3為基本工況時(shí)氣化反應(yīng)器和旋風(fēng)分離器中心截面上的固相速度矢量分布。由圖3(a)可見，氣化反應(yīng)器中固相速度在中心較高，在兩側(cè)較低，運(yùn)動(dòng)方向大體上是中心向上，兩側(cè)向下。中部料面以上區(qū)域，氣泡破裂，顆粒以較大的速度被拋擲到空域中，然后從兩側(cè)落下。由圖3(b)可見，顆粒到達(dá)快速床頂端時(shí)，出口位于側(cè)壁，流向也隨之改變，由于右端的出口管徑縮小，氣流速度急劇變大，固相顆粒速度也隨之變大。隨后固相顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在重力的作用下下移、旋轉(zhuǎn)、穩(wěn)定下落。

圖3 中心截面處固相速度矢量圖Fig.3 Particle velocity vector at the center section

3.2 分布板進(jìn)氣方向?qū)α鲃?dòng)特性的影響

為了研究分布板進(jìn)氣方向?qū)饣癄t反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響，在基本工況的基礎(chǔ)上，分別對(duì)分布板進(jìn)氣方向?yàn)?°(δ=0°)和90°(δ=90°)兩個(gè)工況進(jìn)行了模擬對(duì)比。

圖4為分布板進(jìn)氣方向不同時(shí)整個(gè)氣化床反應(yīng)器在0 ～ 25 s間的瞬態(tài)顆粒分布圖?？傮w來看，顆粒主要分布在鼓泡床下部和底部環(huán)管中，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)逐漸形成物料循環(huán)；環(huán)管中的氣流速度較高，顆粒濃度相對(duì)較低，濃度分布范圍較大；鼓泡床中氣速較低，顆粒濃度也相對(duì)較高、分布較均勻；鼓泡床中床層的膨脹高度約為1 m，物料進(jìn)入快速床中形成快速流化現(xiàn)象。由于管徑變小，風(fēng)速也隨之不斷增大，顆粒隨之能夠在提升管內(nèi)順暢地循環(huán)流化。從25 s的瞬時(shí)圖可以看出，顆粒濃度沿著快速床在高度方向上逐漸減小。對(duì)比不同分布板進(jìn)氣方向可知：整體來看，分布板開孔與水平方向夾角變化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。從圖上可以看出，大約從10 s開始產(chǎn)生差別。分布板開孔與水平方向夾角越大，顆粒在回料管中到達(dá)的位置越靠下，說明物料越快進(jìn)入快速床。 這種差別在15 s時(shí)更加明顯(如圖中實(shí)線圈出部分所示)。約20 s時(shí)，所有工況都形成了全循環(huán)，因此20 s后各工況顆粒濃度分布差別較小。這也說明改變進(jìn)氣方向?qū)Τ尚魏蟮牧骰螒B(tài)影響較小。

圖4 不同時(shí)刻顆粒濃度(εs)分布圖-分布板進(jìn)氣方向不同F(xiàn)ig.4 Distribution of particbe density (εs) at different time-with different inlet directions for the distributor

圖5為分布板進(jìn)氣方向不同時(shí)截面顆粒濃度沿軸向分布。由圖5可知，改變分布板進(jìn)氣方向，軸向顆粒濃度分布在快速床變化不大，主要在分布板上下(0 m處)稍有差異。隨著分布板進(jìn)氣方向與水平夾角的減小，鼓泡床下部(2.0 m以下)，顆粒濃度逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)氣流從水平方向進(jìn)氣時(shí)，向上的氣流分量較少，導(dǎo)致顆粒在此聚集，濃度有所增大。

圖5 時(shí)均軸向顆粒濃度分布-分布板不同進(jìn)氣方向Fig.5 Average axial particle concentration distribution with different inlet directions of the distributor

圖6為分布板不同進(jìn)氣方向時(shí)各特征截面時(shí)均通量云圖。由圖6可見，在鼓泡床下部(H=0.25 m)，分布板進(jìn)氣與水平方向夾角越小，固相顆粒通量越大，這與圖5的結(jié)論一致。而鼓泡床上部(H=4.0 m)和快速床上部(H=17.5 m)截面處，分布板進(jìn)氣與水平方向夾角越大，固相顆粒通量越大。這是因?yàn)闅饬鲝呢Q直方向進(jìn)氣時(shí)，向上的氣流分量較大。在曳力的作用下，顆粒被氣流夾帶迅速向鼓泡床上方流動(dòng)，因此鼓泡床上部和快速床上部顆粒濃度有所增大。

分布板進(jìn)氣方向不同時(shí)模擬所得旋風(fēng)分離器分離效率見表2。由表可知，僅半徑1 216 μm以下的顆粒會(huì)進(jìn)入旋風(fēng)分離器。對(duì)所有粒徑段顆粒，分離效率都在98%以上。總體來說，分布板進(jìn)氣方向?qū)πL(fēng)分離效率影響不大，所有粒徑段顆粒均表現(xiàn)出良好的分離效率。隨著分布板進(jìn)氣與水平方向夾角減小，旋風(fēng)分離器效率稍有增大，這是因?yàn)榉植及暹M(jìn)氣為水平方向時(shí)，進(jìn)入旋風(fēng)分離器的顆粒略有減少。

表2 不同分布板進(jìn)氣方向時(shí)的旋風(fēng)分離器效率

4 結(jié)論

對(duì)三維多段氣化爐中分布板不同進(jìn)氣方向進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：

1)不同分布板開孔與水平方向夾角對(duì)流化形態(tài)影響較小，只有細(xì)微差別。分布板開孔與水平方向夾角越大，物料越快進(jìn)入快速床，越容易形成流態(tài)化狀態(tài)。

2)改變分布板進(jìn)氣方向，主要對(duì)分布板(0 m處)處的軸向顆粒濃度分布影響較低寺，姨軸向顆粒濃度分布在快速床影響較小。隨著分布板進(jìn)氣方向與水平夾角的減小，鼓泡床下部(2.0m以下)顆粒濃度增大。

3)在鼓泡床下部(H=0.25 m)，分布板進(jìn)氣與水平方向夾角越小，固相顆粒通量越大。而鼓泡床上部(H=4.0 m)和快速床上部(H=17.5 m)截面處，分布板進(jìn)氣與水平方向夾角越大，固相顆粒通量越大。

4)分布板進(jìn)氣方向?qū)πL(fēng)分離效率影響不大，所有粒徑段顆粒均表現(xiàn)出良好的分離效率。

圖6 各特征截面時(shí)均通量云圖-分布板不同進(jìn)氣方向Fig.6 Nephograms of the average flux of each feature section in different inlet directions of the distributor