李九如 李銘坤 陳巨輝

摘 要：為了研究鼓泡流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)Fushimi等人的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，建立了合理的TBCFB氣化爐氣固兩相流動(dòng)系統(tǒng)模型，基于歐拉雙流體模型，以ANSYS嵌套的FLUENT17.0，作為數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)平臺(tái)，模擬TBCFB（三級(jí)流化床）氣化爐系統(tǒng)中鼓泡流化床氣固兩相流動(dòng)過(guò)程及分析其流動(dòng)特性。結(jié)果主要分為3部分：鼓泡床表觀速度對(duì)流動(dòng)質(zhì)量有重要影響，速度越低，越有利于床內(nèi)氣泡與床料充分接觸;比較不同高度，不同配比兩種顆粒溫度變化特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)床層高度越高，顆粒溫度越大;顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

關(guān)鍵詞：鼓泡流化床;雙流體模型;氣固兩相流;數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.008

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）04-0047-06

Abstract：In order to study the gas-solid two-phase flow characteristics in bubbling fluidized bed reactor， the numerical simulation method， the Fushimi， to simulate the process of cold experiments， we set up reasonable TBCFB gasifier model of gas-solid two-phase flow， based on eulerian two-fluid model， nested FLUENT17.0 with ANSYS， as the basis of numerical simulation platform， the simulation TBCFB （level 3 fluidized bed gasifier bubbling fluidized bed gas-solid two-phase flow in the system process and analyze the flow characteristics. The results are mainly divided into three parts： the surface velocity of the bubbling bed has an important influence on the flow quality， and the lower the speed， the more favorable the bubbles in the bed are in contact with the bed material. It is found that the higher the height of the bed is， the higher the particle temperature is. The particle concentration increases， the particle temperature decreases， and vice versa.

Keywords：bubbling fluidized bed; two-fluid model; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

0 引 言

能源是人類(lèi)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。煤、石油、天然氣等化石燃料是不可再生能源的利用技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，多種多樣的新能源也已經(jīng)走進(jìn)大眾視野，但是煤炭的使用任然占大比重[2]。

這些化石燃料主要以燃燒為主，燃燒給環(huán)境帶來(lái)的危害是全世界性質(zhì)的，煤炭在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生二氧化硫、一氧化碳、煙塵、放射性飄塵、氮氧化物、二氧化碳等，這些有害物質(zhì)不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，而且會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，例如誘導(dǎo)人機(jī)體癌變等一系列令人觸目驚心的問(wèn)題。

潔凈煤技術(shù)（CCT）[3]成為增加煤炭的使用率，抑制其燃燒產(chǎn)物對(duì)大氣的污染，維持全世界各國(guó)能源連續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)。潔凈煤技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外減少環(huán)境問(wèn)題的主要技術(shù)之一，也是高新技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)關(guān)鍵方向。煤炭氣化作為發(fā)展?jié)崈艏夹g(shù)的重要手段之一，其中，在流化床上進(jìn)行煤炭氣化的方式以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為如今國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，顯然對(duì)于流化床試驗(yàn)裝置的研究炙手可熱[4-6]。

1 氣固兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 雙流體模型

Jackson等[7]為了求解局部平均的N-S[8]方程，建立并采取了“雙流體模型”。雙流體模型[9-12]遵循歐拉-歐拉方程，多相介質(zhì)連續(xù)不斷地分布于其所占據(jù)的整個(gè)空間，并且介質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù)在空間和時(shí)間上是可微連續(xù)的。雙流體模型是因?yàn)閷㈩w粒相作為“擬流體”，故可以較完整地描述顆粒相間的各種湍流輸運(yùn)作用[13]。并且可以通過(guò)顆粒壓力和顆粒黏性來(lái)描述顆粒間的彼此作用。顆粒相的計(jì)算方式與流體相相同，采取相同的形式與求解方法，可以采取相同形式的流體力學(xué)守恒方程表示。

4 結(jié) 論

通過(guò)建立“雙流體”模型完成TBCFB系統(tǒng)氣固兩相流動(dòng)過(guò)程模擬，分析鼓泡流化床內(nèi)流動(dòng)特性。

1）鼓泡流化床表觀氣體速度對(duì)流動(dòng)質(zhì)量有重要影響，速度越低，有利于床內(nèi)氣泡與床料充分接觸，對(duì)進(jìn)一步進(jìn)行熱態(tài)氣化反應(yīng)意義重大。

2）通過(guò)比較床內(nèi)三個(gè)不同高度上硅砂和尼龍膜顆粒溫度分布，發(fā)現(xiàn)床層高度越高，顆粒溫度越大，意味著速度脈動(dòng)強(qiáng)烈，且顆粒溫度分布隨高度增加越平緩，在鼓泡流化床進(jìn)料口處湍動(dòng)能十分大。

3）同一高度尼龍膜的顆粒溫度比硅砂的顆粒溫度大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)槟猃埬ち酱笥诠枭?。比較三種配比下顆粒溫度變化，隨著尼龍膜體積分?jǐn)?shù)增加，同一高度尼龍膜顆粒溫度增加，硅砂顆粒溫度降低。

4）此外顆粒溫度與顆粒濃度存在關(guān)系，硅砂和尼龍膜顆粒濃度增加，其顆粒溫度降低，反之增加。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）