張世豪*

（河南理工大學(xué) 工商管理學(xué)院）

0 引言

循環(huán)流化床（CFB）內(nèi)部氣固流動特性受關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的特點(diǎn)[1-2]。因此，探究關(guān)鍵工藝參數(shù)對其氣固流動特性的影響是提高反應(yīng)器物料利用率、降低能源消耗的關(guān)鍵途徑。

梳理相關(guān)文獻(xiàn)[3-8]后發(fā)現(xiàn)，研究者們對循環(huán)流化床氣固流動特性的探究重點(diǎn)大都集中在參數(shù)變量對反應(yīng)器傳熱、壓降變化或侵蝕的影響等方面，并未對顆粒體積分?jǐn)?shù)和溫度效應(yīng)進(jìn)行深入探究，系統(tǒng)性地針對多參數(shù)變量交互作用進(jìn)行分析的更是屈指可數(shù)。相關(guān)數(shù)值模擬大多以主反應(yīng)器為主要研究對象，將入口和出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化定量設(shè)計。而實際上，循環(huán)流化床是由多單元組成的完整循環(huán)回路，各單元間的氣固流動相互耦合，僅單一地對主反應(yīng)器進(jìn)行模擬仿真并不能準(zhǔn)確揭示其流動規(guī)律。

因此，為了準(zhǔn)確探究工藝參數(shù)及其交互作用對循環(huán)流化床顆粒體積分?jǐn)?shù)與溫度的綜合效應(yīng)，本文利用Fluent 軟件對循環(huán)流化床進(jìn)行全回路模擬。在已確定的關(guān)鍵工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，選取入口氣速Vg、顆粒直徑Dp和物料藏量Mp作為關(guān)鍵變量，總結(jié)各參數(shù)變量與顆粒體積分?jǐn)?shù)、溫度的顯著性關(guān)系。此研究結(jié)果可作為提升循環(huán)流化床物料循環(huán)利用率、降低反應(yīng)器內(nèi)部能量損耗的有效途徑，進(jìn)而為循環(huán)流化床的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模型及條件

1.1 模型設(shè)計

本文參照文獻(xiàn)[9]中的冷流循環(huán)流化床試驗裝置，建立全回路循環(huán)流化床物理模型,如圖1 所示。整個裝置由提升管、旋風(fēng)分離器、下降管和返料閥等部件組成。提升管高為8.4 m，內(nèi)徑為0.3 m；旋風(fēng)分離器直徑為0.6 m（能夠分離的最小粒徑為50μm）；立管高度為5 m，內(nèi)徑為0.2 m。其中返料閥的流通面積為0.2 m×0.2 m，返料管傾斜段與提升管夾角為45°；斜管底部進(jìn)料口內(nèi)徑為0.2 m。提升管底部和返料閥底部均設(shè)有一定量的物料，流化介質(zhì)為空氣，物料為煤粉，煤粉顆粒在提升管底部進(jìn)行流化。隨后運(yùn)動至提升管頂部后經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離后堆積于下降管中，并在返料閥中形成封料；返料閥中的物料持續(xù)返回至提升管底部，從而實現(xiàn)整個反應(yīng)器的物料循環(huán)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用歐拉雙流體模型對循環(huán)流化床氣固兩相流動特性進(jìn)行表征。在模擬操作中，將流化介質(zhì)空氣作為氣相，粉煤顆粒視為固相并采用互相貫穿的連續(xù)體進(jìn)行處理。根據(jù)文獻(xiàn)[10]選取數(shù)學(xué)模型方程對反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相流體力學(xué)變化進(jìn)行求解。

1.3 模型設(shè)置及邊界條件

采用一致粒徑的粉煤顆粒作為固相，設(shè)置顆?；謴?fù)系數(shù)為0.9，顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.55。U 型返料閥存有的物料可以防止躥氣，流化氣和返料氣進(jìn)口設(shè)為速度邊界條件，氣體出口處設(shè)定為壓力出口邊界條件。固體顆?；葡禂?shù)為0.000 1，壁面處氣體采用無滑移邊界條件，所計算的流體域為整個循環(huán)流化床回路。此外，為保證模擬的真實性，進(jìn)而對全模型采用三面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示，模擬過程物理量與參數(shù)設(shè)置情況可見表1。

表1 數(shù)值模擬過程物理屬性和參數(shù)設(shè)置

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2 模型分析與驗證

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

網(wǎng)格尺寸影響模擬的流動過程，進(jìn)而影響反應(yīng)器流場中的流體動力學(xué)和動力學(xué)特性。選擇合適的網(wǎng)格尺寸既可以較好的表征反應(yīng)器內(nèi)氣固流體力學(xué)行為，又可以提高模擬效率。本文設(shè)置了3種分辨率的網(wǎng)格，詳見表2。

表2 網(wǎng)格對比信息

圖3 為3 種網(wǎng)格分辨率在相同條件下運(yùn)行，循環(huán)流化床反應(yīng)器提升管截面軸向顆粒體積分?jǐn)?shù)分布的對比示意圖。從圖3 可以看出，網(wǎng)格尺寸對提升管顆粒濃度有一定影響。網(wǎng)格2 和3 計算的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布曲線基本重合，而網(wǎng)格1 計算的顆粒濃度存在一定差異，尤其在提升管中上區(qū)間與另外兩個網(wǎng)格差異較大。分析認(rèn)為，這是由于表格1 的分辨率太低，導(dǎo)致提升管局部流動信息缺失。綜上，隨著網(wǎng)格分辨率的提高，模型對反應(yīng)器內(nèi)部氣固流動規(guī)律的表征也更加準(zhǔn)確。考慮到仿真效率和模擬準(zhǔn)確性，本文采用網(wǎng)格2 的尺寸，后文結(jié)果均是在該網(wǎng)格尺寸下計算所得。

圖3 不同網(wǎng)格尺寸下提升管軸向顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

2.2 模型驗證

圖4 為實驗[9]與模擬結(jié)果的比較情況。其中圖4為相同參數(shù)設(shè)定情況下，提升管軸向時均顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布情況。圖5 為相同藏量下，提升管頂部的表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)隨表觀氣速的變化規(guī)律。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，模擬所得顆粒體積分?jǐn)?shù)值與實驗數(shù)值近似一致，各項數(shù)據(jù)及變化規(guī)律高度吻合，模擬產(chǎn)生的誤差較小。因此，該模型可以準(zhǔn)確描述循環(huán)流化床氣固流動規(guī)律。

圖4 仿真與實驗顆粒體積分?jǐn)?shù)對比

圖5 不同氣速下仿真與實驗顆粒體積分?jǐn)?shù)對比

3 結(jié)果與討論

3.1 顆粒粒徑的影響

不同粒徑條件下，CFB 反應(yīng)器顆粒體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖6 所示。觀察圖6 可發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑增大，反應(yīng)器中各組顆粒體積分?jǐn)?shù)也逐漸增加，但變化幅度逐漸下降，當(dāng)Dp=120μm，Vg=6 m/s 時，反應(yīng)器內(nèi)的顆粒含量最低。分析認(rèn)為，這是顆粒粒徑太小、固有勢能太低所導(dǎo)致，進(jìn)而在較高氣速下，其運(yùn)動狀態(tài)較容易被改變，在反應(yīng)器中停留時間太短便進(jìn)入旋風(fēng)分離裝置與氣流一同帶離反應(yīng)器。反應(yīng)器溫度變化如圖7 所示。由圖7 可知，隨著粒徑增大，反應(yīng)器內(nèi)溫度呈現(xiàn)先降低隨后逐漸增加的U 型趨勢。當(dāng)Vg=6 m/s時，反應(yīng)器時均溫度取得最大值。觀察發(fā)現(xiàn)對于溫度變化，其在Dp=220μm附近區(qū)間時存在一個極小值，分析認(rèn)為：在120～220μm區(qū)間時，隨著粒徑增大，反應(yīng)器內(nèi)顆粒團(tuán)聚物增多，降低了顆粒與各相間的接觸幾率，反應(yīng)器中固相顆粒與各相間的相互作用減弱，因而各相相互作用所產(chǎn)生的能量最少。隨著粒徑逐漸增大，固相顆粒的接觸面積也相應(yīng)變大，其與各相間的接觸、碰撞概率變大，故而釋放的能量逐漸增多。

圖6 粒徑對顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響

圖7 粒徑對反應(yīng)器溫度的影響

3.2 入口氣速的影響

在不同的入口氣速條件下，CFB 反應(yīng)器顆粒體積分?jǐn)?shù)變化如圖8 所示。觀察圖8 后發(fā)現(xiàn)，隨著入口氣速增加，各試驗組反應(yīng)器中顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，最后趨于某一特定區(qū)間。這是因為隨著入口氣速的增加，固相流化顆粒的速度也隨之增加，隨氣體一并分離出的顆粒增加，顆粒在反應(yīng)器中停留的時間減少，從而使得反應(yīng)器中固相顆粒濃度降低，從而導(dǎo)致整個反應(yīng)器內(nèi)氣固傳質(zhì)效率降低。反應(yīng)器的溫度變化如圖9 所示。觀察圖9 后發(fā)現(xiàn)，隨著氣速增加，反應(yīng)器時均溫度呈逐步上升趨勢但增幅逐漸降低。分析認(rèn)為：隨著氣速的提高，顆粒與顆粒、顆粒與管壁和氣相與固相之間的摩擦、碰撞加劇，所釋放的能量增加，導(dǎo)致反應(yīng)器時均溫度上升；變化幅度逐漸降低是因為隨著氣速的增加，反應(yīng)器內(nèi)粒子由碰撞為主的流動轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w為主的流動，碰撞隨之減少，導(dǎo)致增幅逐漸下降。

圖8 氣速對顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響

圖9 氣速對反應(yīng)器溫度的影響

3.3 物料藏量的影響

在不同藏量情況下，CFB 反應(yīng)器內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)變化如圖10 所示。由圖10 可以觀察到：隨著藏量增加,各組反應(yīng)器顆粒含量呈現(xiàn)先升高后逐漸下降的非線性變化規(guī)律。分析認(rèn)為：這是由于本實驗初始物料量遠(yuǎn)大于實驗值而導(dǎo)致的結(jié)果偏差。在物料藏量為100～150 kg 時，初始物料增加，使得反應(yīng)器中初始顆粒密度升高、顆粒的停留時間變大，從而導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)提高。然而，隨著初始物料持續(xù)增加，反應(yīng)器中自由流動的顆粒數(shù)量不斷增加，各粒子團(tuán)開始形成，阻礙了氣固兩相的正常流動，使得反應(yīng)器中固體顆粒含量下降。因此，分析發(fā)現(xiàn)藏量過高并不利于反應(yīng)器內(nèi)的氣固流動。反應(yīng)器內(nèi)溫度變化如圖11 所示。觀察圖11 可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器的時均溫度隨著藏量的增加先升高而后逐步降低。結(jié)合上述分析，初始階段自由流動的顆粒增多，使得各相間相互運(yùn)動的概率變大，因碰撞、摩擦所產(chǎn)生的能量也逐漸增加。隨著粒子團(tuán)的形成，自由流動粒子的數(shù)量減少，各相之間的相互作用降低，反應(yīng)器溫度下降。

圖10 物料藏量對顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響

圖11 物料藏量對反應(yīng)器溫度的影響

4 結(jié)論

通過模擬循環(huán)流化床全回路數(shù)值和分析關(guān)鍵工藝參數(shù)，探究了顆粒粒徑、入口氣速和物料藏量3 個關(guān)鍵工藝參數(shù)對反應(yīng)器顆粒體積分?jǐn)?shù)與溫度的綜合效應(yīng)。

（1）全回路數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確地反映了各工藝參數(shù)對顆粒體積分?jǐn)?shù)與溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒體積分?jǐn)?shù)隨著顆粒粒徑和入口氣速的增加而提高；反應(yīng)器溫度隨著入口氣速的增大而提高；而物料藏量對顆粒體積分?jǐn)?shù)和溫度影響均不顯著。

（2）通過定量分析發(fā)現(xiàn)，顆粒粒徑和入口氣速的組合對顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響最為顯著，但小于顆粒粒徑和入口氣速對顆粒體積分?jǐn)?shù)的單獨(dú)作用。3 個變量中，僅入口氣速對時均溫度有顯著影響，其余變量對時均溫度的影響不顯著。在循環(huán)流化床的實際應(yīng)用中，可考慮調(diào)控顆粒粒徑和入口氣速來提高原材料的利用率。同時，可通過設(shè)定適當(dāng)?shù)娜肟跉馑賮斫档头磻?yīng)器運(yùn)行階段對外部能源的依賴。

（3）關(guān)鍵工藝參數(shù)與循環(huán)流化床反應(yīng)器關(guān)鍵性能指標(biāo)有著必要聯(lián)系，對反應(yīng)器的平穩(wěn)高效運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。后續(xù)研究可以從能量變化、壓力波動和傳熱等方向入手，進(jìn)一步探索關(guān)鍵工藝參數(shù)與循環(huán)流化床反應(yīng)器各性能指標(biāo)之間的關(guān)系，為循環(huán)流化床反應(yīng)器的放大利用、節(jié)能增效提供關(guān)鍵理論指導(dǎo)。