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        翅片結(jié)構(gòu)對灰渣顆?;旌闲?yīng)的影響

        2022-01-13 09:18:44何慶中廖伯權(quán)
        中國粉體技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:彎角灰渣翅片

        何 濤,王 佳,何慶中,廖伯權(quán)

        (四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 宜賓 644007)

        目前,循環(huán)流化床(circulating fluidized bed,CFB)鍋爐正朝著大容量、大型化方向發(fā)展,導(dǎo)致鍋爐排渣量越來越大,底渣處理成為制約CFB鍋爐發(fā)展的重要因素之一[1]。滾筒內(nèi)冷渣管作為CFB鍋爐系統(tǒng)的重要組成部分,承擔(dān)著連續(xù)排渣、底渣冷卻和余熱回收的功能,其可靠性是鍋爐正常運(yùn)行的重要保障。滾筒內(nèi)冷渣管內(nèi)高溫顆粒間的混合過程極其復(fù)雜,灰渣顆粒的混合運(yùn)動(dòng)過程直接影響顆粒間、顆粒和內(nèi)渣管內(nèi)壁間(簡稱粒壁間)的熱量傳遞。

        針對顆粒間混合效應(yīng)方面的研究主要集中在化工領(lǐng)域。張立棟等[2]以離散元接觸模型與導(dǎo)熱模型相結(jié)合的方法,研究了抄板對外熱式回轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)單分散顆粒系統(tǒng)的混合及傳熱特性。侯志超[3]通過建立顆粒間、粒壁間的液橋力模型,模擬了螺帶混合機(jī)中的顆粒流動(dòng)與混合過程,經(jīng)二元顆粒的混合流動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型結(jié)果。孟京源[4]以正交實(shí)驗(yàn)的方法分析了偏心距、轉(zhuǎn)速、滾筒對回轉(zhuǎn)裝置內(nèi)顆粒體系混合運(yùn)動(dòng)的影響,驗(yàn)證了顆粒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)休止角與顆粒所受合力、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。李建[5]研究了回轉(zhuǎn)干餾爐內(nèi)油頁巖顆粒與高溫頁巖灰顆粒在不同抄板形式、油頁巖粒徑、填充率(灰渣顆粒體積與冷軋管體積之比)等工況下的混合特性,得出了影響混合速度與混合效果的原因。Xiao等[6]研究了小型滾筒內(nèi)顆粒的混合運(yùn)動(dòng)過程,通過對數(shù)值結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析驗(yàn)證了DEM數(shù)值模擬的有效性。

        另外,國內(nèi)外文獻(xiàn)大多針對CFB鍋爐滾筒內(nèi)圓柱型冷渣管研究其轉(zhuǎn)速、填充率以及抄板結(jié)構(gòu)等因素對顆?;旌闲?yīng)的影響,但鮮見針對六棱柱型冷渣管的顆粒混合效應(yīng)問題的研究。

        本文中借助EDEM軟件,對灰渣顆粒在CFB鍋爐多管組合式滾筒內(nèi)六棱柱型冷渣管的混合效應(yīng)進(jìn)行分析,研究不同翅片結(jié)構(gòu)對冷渣管內(nèi)灰渣顆?;旌闲?yīng)的影響規(guī)律;搭建實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證EDEM模擬結(jié)果;經(jīng)對比分析確定冷渣管的最優(yōu)翅片結(jié)構(gòu),為灰渣顆粒在冷渣管中的傳熱研究提供參考。

        1 EDEM建模

        1.1 幾何模型的建立

        在EDEM軟件中,建立的多管組合式滾筒內(nèi)六棱柱型冷渣器的三維幾何模型如圖1所示。由圖可見,六棱柱型冷渣管繞圓柱形滾筒中心均勻布置,冷渣管布置分為內(nèi)、外2層,內(nèi)層4根、外層8根,內(nèi)、外層冷渣管繞滾筒中心軸旋轉(zhuǎn),各冷渣管角速度相同,故將冷渣管截取一小段進(jìn)行模擬研究。灰渣粒徑為4 mm,填充率為30%,滾筒轉(zhuǎn)速為6 r/min。

        (a)主視圖(b)剖視圖圖1 多管組合式滾筒內(nèi)六棱柱型冷渣器的三維幾何模型Fig.1 Three-dimensionalgeometricmodelofhexagonalcoldslagtubeinmulti-tubecombineddrum

        六棱柱型冷渣管內(nèi)的翅片布局如圖2所示。由圖可見,在冷渣管中分別設(shè)置了無翅片、直翅片、直角翅片、大彎角翅片4種結(jié)構(gòu)形式;渣管壁厚為10 mm;六棱柱冷渣管的邊長為200 mm,每條邊上均勻布置2個(gè)翅片。冷渣管中3種翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示,翅片厚度均為5 mm。

        (a)無翅片(b)直翅片(c)直角翅片(d)大彎角翅片圖2 冷渣管的翅片布局Fig.2 Finlayoutofcoldslagtube

        (a)直翅片(b)直角翅片(c)大彎角翅片圖3 翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 Structureparametersoffins

        1.2 物理模型的建立

        灰渣顆粒與冷渣管的材料的特性參數(shù)如表1所示[7-8],材料接觸系數(shù)如表2所示[9]。

        表1 材料的特性參數(shù)

        表2 材料接觸參數(shù)

        1.3 顆粒運(yùn)動(dòng)過程分析

        灰渣顆粒運(yùn)動(dòng)過程示意圖如圖4所示。由圖可見,直線KH代表冷渣管內(nèi)顆粒料床表面,顆粒集中在黃色活動(dòng)區(qū)和藍(lán)色靜止區(qū),2個(gè)區(qū)域由虛擬邊界曲線KPH分隔。當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí),靜止區(qū)中的顆粒做剛體運(yùn)動(dòng),從左下方H點(diǎn)附近上升至右上方K點(diǎn)附近,在此過程中,顆粒相對靜止,沒有發(fā)生混合過程;在灰渣顆粒與管壁的接觸、碰撞作用下,上邊界曲線PK附近靜止區(qū)的顆粒開始進(jìn)入活動(dòng)區(qū),進(jìn)入顆粒混合過程,并平行于料床表面向左下方H點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng),這時(shí)顆粒具有較高的運(yùn)動(dòng)速度;在下邊界曲線HP附近,顆粒脫離活動(dòng)區(qū),重新進(jìn)入靜止區(qū)中。周而往復(fù),逐漸完成顆粒間的混合過程。

        圖4 灰渣顆粒運(yùn)動(dòng)過程示意圖

        1.4 顆粒動(dòng)力學(xué)分析

        使用Hertz Mindlin粒子接觸模型來模擬灰渣顆粒間的相互作用,其法向力和切向力都具有阻尼分量,具體描述了阻尼系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)的相關(guān)性;切向摩擦力遵循庫倫摩擦定律,滾動(dòng)摩擦力通過接觸恒定定向恒矩模型來實(shí)現(xiàn)[10-11]。

        根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律來描述每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)和受力情況。假設(shè)i、j為2個(gè)相互接觸的顆粒,顆粒接觸模型示意圖如圖5所示。由圖可知,ri、rj分別為顆粒i、j的半徑,m;kn、kt分別為顆粒間法向、切向彈性系數(shù);ηn、ηt分別為顆粒間法向、切向彈性阻尼系數(shù);δ為法向位移(δn)和切向位移(δt)的矢量和。

        圖5 顆粒接觸模型示意圖

        假設(shè)mi、mj分別為顆粒i、j的質(zhì)量,kg;m*為顆粒i、j的等效質(zhì)量,kg;r*為兩接觸顆粒的等效半徑,m;vi、vj分別為顆粒i、j的泊松比;Ei、Ej分別為顆粒i、j的楊氏模量,GPa;Gi、Gj分別為顆粒i、j的剪切模量,GPa;E*、G*分別為顆粒與顆粒、顆粒與壁面碰撞時(shí)形成的等效楊氏模量和等效剪切模量,GPa。這些物理量之間的關(guān)系式為

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        阻尼比(β)為恢復(fù)系數(shù)(x)的函數(shù),其關(guān)系式為

        (7)

        則有

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        單個(gè)顆粒的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可描述為

        (12)

        (13)

        1.5 混合效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)

        在離散元方法模擬計(jì)算過程中,系統(tǒng)可記錄所有顆粒的運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)參數(shù),為評價(jià)方法的實(shí)現(xiàn)提供了可行性。評價(jià)不同時(shí)刻滾筒內(nèi)灰渣顆粒體系的混合情況的混合指數(shù)(M)[12]的計(jì)算公式為

        (14)

        式中:2種類型顆粒間的有效接觸次數(shù)為C12;相同類型顆粒間的接觸為無效接觸,接觸次數(shù)分別記為為C11、C22。M值越大,可混合程度越高,混合越均勻。

        另外,滾筒內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)均具有明顯的周期性特征[13]?;诶窭嗜辗椒╗14],對單個(gè)顆粒i的運(yùn)動(dòng)軌跡、粒子回轉(zhuǎn)半徑(Ri)、線速度(Vi)等運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析,來進(jìn)一步說明單個(gè)粒子的循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性。其中,Ri為粒子距冷渣管回轉(zhuǎn)中心的瞬時(shí)距離,Vi為運(yùn)動(dòng)軌跡上的線速度,可用顏色云圖表征其大小。因此,本文中采用M和單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡分析2種指標(biāo)評價(jià)混合效應(yīng)。

        2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        冷渣管顆?;旌闲?yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置如圖6所示。由圖可見,圖6(a)—6(d)分別為單根冷渣管外形以及無翅片、直翅片、大彎角翅片3種結(jié)構(gòu)形式的冷渣管。通過對粒徑約為4 mm的白色灰渣顆粒進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn),采用示蹤顆粒觀察顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,驗(yàn)證示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的觀察結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果是否一致,驗(yàn)證模擬分析冷渣管結(jié)構(gòu)對混合效應(yīng)影響的有效性。由于滾筒轉(zhuǎn)速一般較低,采用帶傳動(dòng)即可滿足實(shí)驗(yàn)需要。

        (a)單根冷渣管外形(b)無翅片(c)直翅片(d)大彎角翅片圖6 冷渣管顆?;旌闲?yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置Fig.6 Experimentalverificationdeviceforparticlemixingeffectofcoldslagtube

        3 結(jié)果與討論

        3.1 翅片結(jié)構(gòu)對混合指數(shù)的影響

        不同翅片結(jié)構(gòu)時(shí)顆粒混合指數(shù)隨混合時(shí)間變化的曲線如圖7所示。由圖可以看出,無翅片與直翅片、直角翅片與大彎角翅片的混合指數(shù)曲線幾乎重合,即4種冷渣管的混合指數(shù)曲線主要表現(xiàn)為2種變化趨勢?;以w粒的混合運(yùn)動(dòng)過程分為快速混合階段和穩(wěn)定混合階段,在快速混合階段,4種翅片結(jié)構(gòu)時(shí)混合指數(shù)均呈線性增長,但增長的幅度有所不同,直角翅片與大彎角翅片的混合指數(shù)增長更劇烈,且出現(xiàn)下降的波動(dòng)較??;20 s時(shí)無翅片、直翅片、直角翅片、大彎角翅片的M值分別為0.38、0.41、0.43、0.46;4種翅片顆粒體系達(dá)到穩(wěn)定混合階段的時(shí)間不同,其中結(jié)構(gòu)為直角翅片和大彎角翅片時(shí)在30 s后顆粒體系達(dá)到穩(wěn)定混合階段,無翅片和結(jié)構(gòu)為直翅片時(shí)需60 s;達(dá)到穩(wěn)定混合階段后,4種混合指數(shù)曲線均在小范圍內(nèi)上下波動(dòng),M值總體穩(wěn)定在0.45~0.47。綜上,直角翅片和大彎角翅片的混合指數(shù)高,達(dá)到穩(wěn)定混合時(shí)間短。

        圖7 不同翅片結(jié)構(gòu)時(shí)顆?;旌现笖?shù)隨混合時(shí)間變化的曲線

        3.2 單個(gè)灰渣顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

        采用直角翅片和大彎角翅片結(jié)構(gòu)時(shí)冷渣管內(nèi)的單個(gè)取樣粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示,圖中點(diǎn)A、B、C及D、E、F分別表示某粒子在2種不同結(jié)構(gòu)、不同時(shí)刻的不同位置。

        (a)直角翅片(b)大彎角翅片圖8 2種不同結(jié)構(gòu)翅片時(shí)冷渣管內(nèi)的單個(gè)取樣粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Trajectoryofasinglesampleparticleincoldslagtubeundertwokindsoffitstructures

        由圖8可見,逃逸出冷渣管內(nèi)顆粒料床表面的粒子可增加顆粒間的有效接觸數(shù),相應(yīng)地M值會(huì)增加,更有利于提高混合效應(yīng)。這2種翅片在顆粒提升高度和提升次數(shù)方面有所不同,直角翅片的顆粒提升高度較大,顆粒能與壁面產(chǎn)生較長時(shí)間的接觸,在顆粒料床表面外能做更長距離的轉(zhuǎn)移,即顆粒從料床一端跨過回轉(zhuǎn)中心掉落到另一端,以更大速度落回料床,對料床內(nèi)顆粒形成能量沖擊,造成料床局部范圍內(nèi)顆粒的快速混合;大彎角翅片的顆粒提升次數(shù)較多,雖然被提升的高度比直角翅片的低,每次被提升時(shí)在料床表面外與壁面的接觸也更短,顆粒被翅片轉(zhuǎn)移的距離也更小,但相同時(shí)間內(nèi)直角翅片的顆粒被提升4次時(shí),大彎角翅片的可提升6次,因此大彎角翅片的單個(gè)顆粒和翅片接觸的累積時(shí)間有可能更長。

        不同翅片結(jié)構(gòu)時(shí)取樣粒子回轉(zhuǎn)半徑和線速度隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示。由圖可見,無翅片時(shí)取樣粒子的最大粒子線速度(Vmax)為0.64 m/s,直翅片的Vmax提高了79.6%,直角翅片的Vmax提高了232.81%,大彎角翅片的Vmax提高了179.68%。這是由于直角翅片彎角更小,在較高位置時(shí)仍對顆粒有較好的包裹性,使顆粒能運(yùn)動(dòng)到較高的位置,這也使得單個(gè)直角翅片所能攜帶的顆粒量更少。圖中點(diǎn)A、B、C、D、E、F分別表示某粒子在不同時(shí)刻的最大線速度,直角翅片和大彎角翅片冷渣管內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡變化幅度較大,直角翅片時(shí)顆粒線速度為0.49~2.1 m/s,最小回轉(zhuǎn)半徑為49.4~116.6 mm;大彎角翅片時(shí)顆粒線速度為0.39~1.7 m/s,最小回轉(zhuǎn)半徑為23.6~61.9 mm。不同翅片時(shí)取樣粒子回轉(zhuǎn)半徑和線速度隨時(shí)間呈脈沖樣波動(dòng),但不同翅片的脈沖段波動(dòng)幅度差異較大,直角翅片和大彎角翅片表現(xiàn)尤為明顯。顆粒的線速度越大,動(dòng)能也就越大,高動(dòng)能顆粒的沖擊作用會(huì)增強(qiáng)顆?;顒?dòng)區(qū)的混合效應(yīng),因此,就整體顆粒提升效應(yīng)而言,大彎角翅片結(jié)構(gòu)可以更穩(wěn)定和均勻地連續(xù)提升顆粒。

        (a)無翅片(b)直翅片(c)直角翅片(d)大彎角翅片圖9 不同翅片結(jié)構(gòu)時(shí)取樣粒子回轉(zhuǎn)半徑和線速度隨時(shí)間變化的曲線Fig.9 Curvesofgyrationradiusandlinearvelocityofsampledparticleswithdifferentfinsasafunctionoftime

        3.3 灰渣顆粒的混合狀態(tài)

        在混合時(shí)間分別為10、20、40 s時(shí),不同翅片結(jié)構(gòu)的灰渣顆?;旌蠣顟B(tài)如圖10所示。由圖可見,隨著混合時(shí)間的增大,黑色和黃色顆粒的混合效應(yīng)越來越好;混合時(shí)間為40 s時(shí),紅圈區(qū)域內(nèi)為顆粒在管壁棱角處的混合狀態(tài),黑色顆粒的占有比例按無翅片、直翅片、直角翅片、大彎角翅片順序依次增大,即局部混合效應(yīng)逐漸增強(qiáng),說明大彎角翅片所攜帶的顆粒量最多,在相同時(shí)間內(nèi),大彎角翅片結(jié)構(gòu)下顆粒體系的混合效應(yīng)最強(qiáng)。

        10s20s40s(a)無翅片10s20s40s(b)直翅片10s20s40s(c)直角翅片10s20s40s(d)大彎角翅片圖10 不同翅片結(jié)構(gòu)時(shí)的灰渣顆粒混合狀態(tài)Fig.10 Mixedstateofashparticleswithdifferentfinstructures

        4 結(jié)論

        運(yùn)用EDEM軟件,對灰渣顆粒在CFB鍋爐多管組合式滾筒內(nèi)六棱柱型冷渣管的混合效應(yīng)進(jìn)行了分析,研究不同翅片結(jié)構(gòu)對冷渣管內(nèi)灰渣顆?;旌闲?yīng)的影響規(guī)律,并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        1)翅片可以縮短顆粒體系達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的混合時(shí)間,提高顆粒間的混合效率。在快速混合階段,無翅片及3種翅片結(jié)構(gòu)的混合指數(shù)均呈線性增長?;旌蠒r(shí)間為20 s時(shí),無翅片、直翅片、直角翅片、大彎角翅片的M值分別為0.38、0.41、0.43、0.46;達(dá)到穩(wěn)定混合階段后,4種翅片狀態(tài)的M值總體穩(wěn)定在0.45~0.47;直角翅片和大彎角翅片時(shí)混合指數(shù)高,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的混合時(shí)間僅為30 s,比無翅片和直翅片時(shí)縮短了50%。

        2)直角翅片和大彎角翅片冷渣管內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡變化幅度較大,直角翅片時(shí)顆粒線速度為0.49~2.1 m/s,最小回轉(zhuǎn)半徑為49.4~116.6 mm;大彎角翅片時(shí)顆粒線速度為0.39~1.7 m/s,最小回轉(zhuǎn)半徑為23.6~61.9 mm。就整體顆粒提升效應(yīng)而言,大彎角翅片結(jié)構(gòu)可以更穩(wěn)定和均勻地連續(xù)提升顆粒。

        3)無翅片、直翅片、直角翅片、大彎角翅片的顆?;旌闲?yīng)逐漸增強(qiáng),在相同時(shí)間內(nèi),大彎角翅片所攜帶的顆粒量最多,大彎角翅片結(jié)構(gòu)下顆粒體系的混合效應(yīng)最強(qiáng)。

        綜上,多管組合式滾筒內(nèi)六棱柱型冷渣器采用大彎角翅片結(jié)構(gòu)時(shí),灰渣顆粒的混合效應(yīng)最佳。

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