垃圾衍生燃料流化床摻混流動過程數(shù)值研究

王力軍，謝欣，李延吉

垃圾衍生燃料流化床摻混流動過程數(shù)值研究

王力軍，謝欣，李延吉

（沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽110136）

基于計算流體力學(xué)方法，采用歐拉雙流體模型對垃圾衍生燃料（RDF）流化床內(nèi)的顆粒摻混流動過程進(jìn)行三維數(shù)值研究。由于燃料顆粒與床料顆粒的密度與直徑均有一定差異，因此分別考慮各組分顆粒性質(zhì)，各組分間相互作用以及氣固兩相間作用來建立計算模型。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變表觀氣體速度，入口流態(tài)化速度對顆粒摻混有顯著影響。

流化床；垃圾衍生燃料；計算流體力學(xué)；摻混；雙組分顆粒

流化床內(nèi)顆粒的流動過程對床內(nèi)工業(yè)過程，尤其是燃燒和換熱過程有著重要影響。在燃燒過程中，垃圾衍生燃料（RDF）顆粒與床料顆粒進(jìn)行摻混，其混合程度直接影響著燃燒和換熱效率，以及污染物排放等。氣泡在流化床摻混過程中起到主要動力作用。當(dāng)氣泡穿過懸浮相上升，在夾帶一部分顆粒在尾部形成尾渦。近壁處的顆粒運動趨勢向下而中心的氣泡運動趨勢向上，由此發(fā)生了軸向摻混。與此同時，固體顆粒也同時進(jìn)行著徑向摻混過程，這是因為氣泡由于相互作用和鄰近氣泡的聚合而在床表面上進(jìn)行了橫向運動[1-2]。

大量學(xué)者對此也進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究。Huang等用實驗的方法，研究了納米顆粒流化床中的固體軸向和徑向摻混的過程[3-4]。Xu和Yu將離散相方法和流體相耦合，通過解決Navier-Stokes方程和牛頓第二定律來獲得單顆粒的運動軌跡[5]。DEM模型也廣泛應(yīng)用于研究在特定條件下顆粒的摻混行為[6-7]。在雙組份固體顆粒的研究中，學(xué)者模擬了不同直徑和密度顆粒的混合過程，給出了較為完善的多維顆粒分布狀況。其結(jié)果表明，單組份顆粒的平均粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對床內(nèi)顆粒的混合與分離特性有十分重要的影響[8-11]。Gao等[12]對湍動床中雙組份顆粒的流動特性進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究。描述了Geldart A/B/D 3種類型顆粒的混合和分離過程。研究表明，當(dāng)氣速較低時，兩種組份的顆粒會出現(xiàn)分離現(xiàn)象；氣速增大時，顆粒在密相區(qū)混合程度較好；進(jìn)一步增加氣流速度，小顆粒會離開密相區(qū)，再次出現(xiàn)分離現(xiàn)象。

Mostafazadeh等通過二維數(shù)值模擬方法，研究了氣固流化床中的摻混過程，并與Huilin[13]的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較且符合良好，通過不同粒徑和密度的顆粒比較，得出了恢復(fù)系數(shù)對摻混過程的影響[1]。顆粒摻混的過程主要包括3個階段：宏觀階段、微觀階段和穩(wěn)定階段。其混合質(zhì)量混合指數(shù)來描述，它包括兩個參數(shù)：平衡狀態(tài)混合度和達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時間。混合質(zhì)量隨著與氣體速度的增加而增加，隨雙組份混合物的顆粒密度差增大而減小。此外，在徑向和軸向方向上的混合率由混合物成分的濃度保持基本平衡的時間來衡量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿軸向摻混的過程比徑向的速度慢，并且在兩個方向上，具有較小組分密度差的顆粒組份表現(xiàn)出更高的混合率和較好的均勻性[14]。Sharma等使用歐拉-歐拉模型研究了表觀氣體速度，生物質(zhì)的密度和粒度對混合物的摻混和分離行為的影響。當(dāng)表觀氣體速度增加后，氣泡尺寸增加而導(dǎo)致了兩種顆粒更好的摻混特性。顆粒密度也有著顯著的影響，但粒徑對生物質(zhì)顆粒在床層中分布的影響不大。同時還進(jìn)行了不同的氣固曳力系數(shù)、壁邊界條件和顆粒-顆粒恢復(fù)系數(shù)的影響研究。結(jié)果顯示，顆粒-壁面以及顆粒-顆粒相互作用參數(shù)的選擇，對混合物的流體力學(xué)行為的影響相當(dāng)大[15]。

流化床實際運行過程中的惰性床料一般為石英砂顆粒，燃料顆粒一般會在密相區(qū)進(jìn)行燃燒反應(yīng)，不會被氣流夾帶到稀相區(qū)。燃料顆粒與床料的軸向和徑向混合狀況對燃燒效率和換熱效率有很大影響。實驗證明，當(dāng)氣體速度增大時，顆粒的擴散系數(shù)也隨之增加，氣泡尾渦夾帶的粒子量也增多。大粒徑和高密度的顆粒徑向擴散系數(shù)較小，這是由于其阻力較大而引起的。在床高方向上，擴散系數(shù)是呈現(xiàn)增長趨勢的，這是由于氣泡沿著床高運動時不斷增大，隨后速度也會增加，所夾帶的顆粒量增多。

1 模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

流化床進(jìn)料選擇連續(xù)進(jìn)料方式，螺旋給料器設(shè)置在高500 mm處側(cè)面。給料口三維建模中加入進(jìn)料口計算域，進(jìn)料口垂直于流化床，直徑為40 mm。整體網(wǎng)格仍采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，見圖1。

圖1 流化床加料口局部網(wǎng)格剖分

2 計算條件

采用有限控制容積積分法建立離散方程，控制容積界面物理量均采用二階迎風(fēng)格式；氣相湍流模型應(yīng)用Realizable k-ε方程。體積分?jǐn)?shù)瞬時計算采用時間的一階迎風(fēng)格式，時間步長為0.000 5 s。氣相速度-壓力耦合仍采用SIMPLE算法。氣相壁面無滑移，固相壁面部分滑移。固相-固相曳力方程采用Syamlal-O’Brien-symmetric模型，固-固交換系數(shù)其中，e1s為恢復(fù)系數(shù)，Cfr1s為第l和第s固相間摩擦系數(shù)，C為顆粒直徑。其他計算參數(shù)見表1。

在此研究中，石英砂用作RDF流化床燃燒所用床料。在加料口部位加入燃料顆粒。兩種均看做是單一粒徑的球形顆粒。預(yù)設(shè)堆積床料的初始體積分?jǐn)?shù)為0.55，5 s后加入燃料顆粒，顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.3。計算設(shè)置床料顆粒為phase-2，RDF燃料顆粒為phase-3；其平均粒徑的密度見表1。為研究氣體表觀速度的影響，分別設(shè)置為0.5 m/s和0.75 m/s。

表1 部分計算參數(shù)設(shè)置

3 計算結(jié)果與分析

圖2為不同氣速下兩種組份瞬時顆粒濃度分布對比，可以觀察到床內(nèi)兩種顆粒的分布情況和流動結(jié)構(gòu)。每個圖中分別顯示了石英砂床料顆粒（phase-2）和RDF顆粒（phase-3）的體積濃度。可以明顯看出，顆粒流態(tài)化狀態(tài)較為穩(wěn)定，兩種顆粒分布趨勢大體相同。進(jìn)料口設(shè)置在圖中左側(cè)壁面，因此顆粒濃度略高于右側(cè)。

由于兩種顆粒粒徑相差較大，因此在流態(tài)化特性上存在著非常大的差異。這種差異主要是因為顆粒受力程度不同，一般來說大粒徑顆粒即phase-3所受重力要大于曳力，因此在底部區(qū)域分布相對于上部區(qū)域較濃，當(dāng)所受重力和曳力相等時顆粒將處于自由沉降狀態(tài)。而phase-2由于粒徑較小，所受到的表面力要大很多，因此形成了較多較大的團(tuán)聚區(qū)域。大量顆粒團(tuán)聚，使得顆粒-顆粒接觸面積增加而顆粒-氣體接觸面積減少，隨之而造成顆粒團(tuán)所受曳力減小。所以當(dāng)速度增加至0.75 m/s時，流化質(zhì)量明顯改變。顆粒分布區(qū)域增大，并且團(tuán)聚濃度也較0.5 m/s時降低。

當(dāng)t=12 s時，phase-3濃度較低，其運動的平均自由程超過了流動特征尺度，顆粒碰撞遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于phase-2，這時的傳遞過程懸浮傳遞為主導(dǎo)，顆粒分布相對較為均勻。隨著時間增加，phase-3逐漸增加而過渡到密集相，在特征尺度內(nèi)顆粒間碰撞大大增加，顆粒通過瞬時碰撞和受曳力作用產(chǎn)生動量傳遞。顆粒自身重力等作用與流場作用互相影響，逐漸形成動態(tài)的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。當(dāng)顆粒濃度進(jìn)一步增大時，摩擦作用將占有主導(dǎo)地位，顆粒相作用將大于流體相作用。

圖2 不同氣速下兩種組份瞬時顆粒濃度分布

圖3為3個高度上各組份顆粒濃度和軸向速度時均值的徑向分布曲線。

圖3 不同位置處顆粒濃度和軸向速度的徑向時均分布

從圖3可以看出，濃度較高的phase-2均呈現(xiàn)出一定的環(huán)流特性，即近壁區(qū)顆粒濃度高于核心區(qū)，以及近壁區(qū)顆粒向下運動的運動狀態(tài)。在較低位置處，顆粒濃度較低，受流場作用力較小因此分布比較均勻。隨著高度的增加，近壁區(qū)顆粒受到的流體作用力較小，并且由于氣泡的排擠作用形成了逆向返混。然而氣流速度的增加增強了曳力作用，使得近壁區(qū)較濃顆粒運動更為劇烈，因此雙組份顆粒的軸向摻混要好于低氣速條件。

4 結(jié)論

在流化床中，較高顆粒摻混程度可以保證床層溫度均勻。而顆粒摻混程度受到多種因素的影響，其中顆粒粒度密度和流化速度均可以改變顆粒混合的質(zhì)量。在計算結(jié)果中，小而重的顆粒的平均分布高度要略低于粗而輕的顆粒，重顆粒在床下部空隙率較低，因此流體流速較大，會將輕顆粒夾帶至床層上部。

流態(tài)化速度對顆粒摻混特性也有著重要影響。顆粒摻混的根本動力是顆粒運動差異。氣固流體在流化床中心部位形成稀相向上運動，在近壁區(qū)域形成密相向下運動。不同區(qū)域的相對運動越劇烈，顆粒的摻混程度就越高。

[1]Norouzi H，Mostoufi N，Mansourpour Z，et al.Characterization of Solids Mixing Patterns in Bubbling Fluidized Beds[J]. Chemical Engineering Research and Design，2011，89(6): 817-826.

[2]Rhodes M，Wang X，Nguyen M，et al.Study of Mixing in Gas-fluidizedBedsUsingaDemModel[J].Chemical Engineering Science，2001，56(8):2 859-2 866.

[3]Huang C，Wang Y，Wei F.Solids Mixing Behavior in a Nanoagglomerate Fluidized Bed[J].Powder Technology，2008，182(3):334-341.

[4]Shen L，Zhang M，Xu Y.Solids Mixing in Fluidized Beds[J]. Powder Technology，1995，84(3):207-212.

[5]Xu B，Yu A.Numerical Simulation of the Gas-solid Flow in a Fluidized Bed By Combining Discrete Particle Method with Computational Fluid Dynamics[J].Chemical Engineering Science，1997，52(16):2785-2809.

[6]Zhang Y，Jin B，Zhong W，et al.Dem Simulation of Particle MixinginFlat-bottomSpout-fluidBed[J].Chemical Engineering Research and Design，2010，88(5):757-771.

[7]Wu C，Zhan J.Numerical Prediction of Particle Mixing BehaviorinaBubblingFluidizedBed[J].Journalof Hydrodynamics，Ser.B，2007，19(3):335-341.

[8]Cooper S，Coronella CJ.Cfd Simulations of Particle Mixing in a Binary Fluidized Bed[J].Powder Technology，2005，151(1):27-36.

[9]Huilin L，Gidaspow D.Hydrodynamics of Binary Fluidization in a Riser:Cfd Simulation Using Two Granular Temperatures [J].Chemical Engineering Science，2003，58(16):3 777-3 792.

[10]Huilin L，Yurong H，Gidaspow D.Hydrodynamic Modelling of Binary Mixture in a Gas Bubbling Fluidized Bed Using theKineticTheoryofGranularFlow[J].Chemical Engineering Science，2003，58(7):1 197-1 205.

[11]Chiba S，Nienow A，Chiba T，et al.Fluidised Binary MixturesinWhichtheDenserComponentMayBe Flotsam[J].Powder Technology，1980，26(1):1-10.

[12]Gao J，Lan X，F(xiàn)an Y，et al.Hydrodynamics of Gas-solid Fluidized Bed of Disparately Sized Binary Particles[J]. Chemical Engineering Science，2009，64(20):4 302-4 316.

[13]Huilin L，Yurong H，Gidaspow D，et al.Size Segregation of Binary Mixture of Solids in Bubbling Fluidized Beds[J]. Powder Technology，2003，134(1):86-97.

[14]Ren B，Shao Y，Zhong W，et al.Investigation of Mixing Behaviors in a Spouted Bed with Different Density Particles Using Discrete Element Method[J].Powder Technology，2012，222(0):85-94.

[15]Sharma A，Wang S，Pareek V，et al.Cfd Modeling of Mixing/segregationBehaviorofBiomassandBiochar ParticlesinaBubblingFluidizedBed[J].Chemical Engineering Science，2014，106(0):264-274.

Numerical analysis on the RDF mixing process with bed material in fluidized bed

WANG Lijun,XIE Xin,LI Yanji
（Collage of Energy and Environment,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China）

Numerical study on the mixing process of Refuse Derived Fuel(RDF)and bed material in the fluidized bed was carried out based on computational fluid dynamics(CFD)by Eulerial-Eulerian two-fluid model.The particles' characteristics and the interactions between two components and two phases were considered for a certain distinctions exist between the fuel and bed material particles to build the calculating model.The effect of the superficial gas velocity on the mixing extent was researched.

fluidized bed;refuse derived fuel;computational fluid dynamics;mixing;two-component particles

TK09；X799

A

1674-0912（2015）06-0028-04

2015－04－27）

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973）（2011CB201506）

王力軍（1963-），男，遼寧開原人，博士后，副教授，專業(yè)方向：燃燒流動模擬與仿真。