狹縫型分布板流化床提高核桃殼顆粒的流化效果

李占勇，王少鐵，王 娟，張建國

（1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點試驗室，天津 300222）

狹縫型分布板流化床提高核桃殼顆粒的流化效果

李占勇1,2，王少鐵1，王 娟1，張建國1,2

（1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點試驗室，天津 300222）

為了提高Geldart D類大顆粒物料在流化床中的流化效果，該文設計了一種結構簡單的狹縫型氣體分布板，進行了核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流態化試驗，結果表明狹縫型分布板比傳統多孔分布板提高床層膨脹率約5%，降低最小流化速率約8%。在歐拉-歐拉法的雙流體模型和顆粒動力學理論基礎上，建立流化床內氣固兩相流的數學模型并對模型進行驗證，模擬值與試驗值的誤差在8%以內。利用數學模型對2種分布板流化床內大顆粒流化過程進行數值模擬，比較了2種分布板結構對流化床內床層壓降、床層膨脹率、顆粒相體積分數及氣固兩相的流化速度的影響。模擬結果表明：狹縫型分布板的“V”型氣流通道結構，使得氣流易于集束向上運動，形成大氣泡對床層造成擾動，從而增大床層壓降波動幅度，提高床層膨脹率，并在流化床內形成4個小環流，促進氣體相和顆粒相之間的混合，使得核桃殼顆粒流化均勻。該研究為大顆粒物料處理過程中流化床分布板的設計和選用提供參考。

流態化；模型；設計；氣體分布板；大顆粒；模擬

0 引言

流化床具有高效的傳熱傳質、均勻的溫度場、較大的處理量以及能夠實現連續性操作等優點，已得到人們越來越多的關注，并且在能源、化工等工業領域得到廣泛應用。根據Geldart[1]的研究，氣固流化床中，粗顆粒和細顆粒的流態化特性有明顯的差異，從而根據顆粒的密度和直徑將流態化的顆粒分為A、B、C、D 4類，其中A、B兩類顆粒易于流化，而C類顆粒由于粒子間的黏著力，流化狀況差。D類顆粒指過粗顆粒或噴動用顆粒，平均粒度在0.6 mm以上，由于粒徑較大，臨界流化速度也較大，難以流化，且流化時容易產生極大氣泡或出現節涌現象，使操作過程難以穩定進行。

近年來，隨著對生物質利用的重視，運用流態化技術對大顆粒物料（如生物質）進行干燥[2]、燃燒[3]、氣化[4-7]、熱解[8]等的研究和應用逐漸興起。為了提高流態化技術對大顆粒物料進行處理的適應性，研究者們從流化床形式（有無振動）、氣體操作參數（氣體速度、溫度等）、流化床的床體結構和內構件以及流化輔助方式（在大顆粒中添加其他易流化顆粒、采用脈動輔助流化等）等方面進行了試驗研究。楊國華等[9]以粒度分布較廣的大顆粒為對象，研究了大顆粒振動流化床的空氣動力學特性，得出了大顆粒振動流化床的三層結構特征，并探討了振動對大顆粒流化床的流化參數的影響規律。李曉光等[10]以黃豆、綠豆及小米模擬水泥生料球，探討了大顆粒流化過程中的鼓泡及節涌現象，并通過床層內壓力脈動的測定研究了大顆粒流化床的流化質量，認為粒度分布是影響流化質量的重要因素。Hilal 等[11]研究了分布板類型、分布板幾何尺寸和床徑對最小流化速度的影響，結果表明，最小流化速度隨孔斜角的增大而減小。王萍等[12]降低了錐形氣體分布器的安裝高度并在錐形進氣管的底部圓周上均勻開設6個120 mm×60 mm的方孔，通過對氣體分布器安裝位置的調整和錐形進氣管底部的改動，有效地改善了反應器底部氣流的分布，縮小并消除了低速區域，使氣流能夠較均勻地進入流化床層，固體顆粒沉積現象得到有效改善。W?odzimierz[13]設計了適應于生物質干燥的新型氣體分布板。Sachin等[14]針對流化床干燥器設計了有效的氣體分布裝置。此外，李占勇等[15-16]通過添加小顆粒以改善大顆粒的流化特性，并且采用脈動氣流輔助該雙組分體系顆粒的混合。

同時，由于大顆粒兩相流動的特殊性及試驗方法的局限性，造成難以真正掌握大顆粒流化床內氣固兩相運動特性的本質，許多研究者采用數值模擬手段對大顆粒流化過程進行仿真研究。Assari等[17]用粒徑為3 mm的顆粒進行模擬與試驗，研究了氣體進口速度和溫度對床內含濕量、顆粒溫度等的影響，得出模擬與試驗的結果能夠較好的吻合。Kawaguchi等[18]和Tsuji等[19]對二維流化床中節涌、鼓泡以及快速流化過程中床內絮狀物的形成和解體等現象進行了模擬研究，模擬結果與定性的試驗分析較吻合，但是與實際情況還存在著一定的差距。Sharma等[20]采用歐拉法研究了三維氣固流化床內的脫泡時間和速度場分布情況，模擬計算結果與試驗測量值之間的誤差在10%之內。Ahuja等[21]研究了表觀氣速、床內有無管道及布風方式對大顆粒流動的影響。還有部分學者對生物質流化床的反應過程進行了試驗和數值模擬研究[22-23]。

分布裝置是流化床的重要組成部分，其工作性能直接影響流化床內氣固兩相的混合流動和化學反應過程。然而，目前關于流化床分布板結構和分布板種類開發的研究還相對較少。本研究的目的是開發一種結構簡單、制造加工容易、氣體分布均勻的狹縫型流化床氣體分布板，用以提高D類顆粒在流化床中的流化性能。以核桃殼為試驗物料，進行狹縫型分布板和傳統多孔型分布板時核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流化動力學特性試驗，研究狹縫型分布板提高大顆粒物料的流化效果。建立流化床內氣固兩相數學模型并進行數值模擬，以研究狹縫型分布板結構提升大顆粒流化效果的機理。以期為大顆粒物料處理過程中流化床分布板的設計和選用提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置流程圖如圖1a所示，最主要部分為矩形流化床（自制，尺寸285 mm×190 mm×700 mm）。羅茨風機（YJ3LR，美國，Gardner Denver）的標定最大輸出為420 m3/h，產生的氣體由閥門調節控制流量，經過轉子流量計（LZB型，流量0～600 m3/h，中國，天津市五環儀表廠）測定顯示流量后進入流化床。U型管壓差計（BY-U型，中國天津市塘沽玻璃儀器廠）用來測量床層壓降，U型管一端接在分布板上方，另一端接在流化床頂部無顆粒區（如圖1a），壓差計的讀數即為床層壓降。床層膨脹高度采用目測法，流化床床體上有安裝標尺，試驗過程中通過多次測量讀取床層高度的波動范圍，求取波動的平均值及上下偏差，以減小測量的誤差值。

本文用到的狹縫型分布板由多塊角鋼焊接而成，形狀類似瓦楞結構（如圖1b所示），根據開孔率5.6%[24]計算（本次設計的狹縫型氣體分布版的開孔率為5.6%）得角鋼間的狹縫寬度為2 mm，狹縫個數為8條，均勻分布于分布板上。作為對比的傳統多孔板的開孔率同為5.6%，開孔呈正四邊形均勻分布，孔徑2 mm，孔數966個。

1.2 試驗物料

本文所采用的固體顆粒是農業廢棄物核桃殼，經粉碎后為片狀顆粒，用泰勒標準篩（8～10目）進行篩選分離，選取篩分直徑2～2.8 mm之間的顆粒（屬于Geldart D類顆粒）進行試驗。

圖1 矩形流化床試驗裝置圖Fig.1 Experimental devices of rectangular fluidized bed

1.3 試驗結果

初始時分別將狹縫型角鋼分布板和傳統多孔型分布板接入流化床，裝入質量8.5 kg（床層高度均約為200 mm）粒徑2～2.8 mm的核桃殼顆粒，打開風機，調節流量控制閥，使流量從120逐漸增大到220 m3/h，每次增加10 m3/h，在不同流量下觀察床層的變化情況并讀取記錄U型管壓差計的讀數，重復試驗3次，求取平均值和標準差。

床層膨脹率是指通入氣體后物料層所達到的最大高度與靜止狀態下物料層高度的比值，它可以反映物料的流化狀況或物料的流化劇烈程度。圖2為不同分布板時床層壓降和床層膨脹率隨表觀氣速的變化，由圖可知，在不同氣速下，狹縫型分布板的床層膨脹率均大于傳統多孔型分布板，且隨著表觀氣速的增大，兩者之間的差值先增大后逐漸減小，在氣速為0.875 m/s時達到最大。當表觀氣速為1.128 m/s時，傳統多孔型分布板的床層膨脹率為1.49，而相同條件下，狹縫型分布板流化床內的床層膨脹率約為1.56，床層膨脹率提高約5%；表明狹縫型氣體分布版更有利于物料的流化和混合。同時，根據最小流化速度確定方法，由圖2可知，傳統分布板的最小流化速度為0.83 m/s，而狹縫型流化床的最小流化速度約為0.77 m/s，核桃殼顆粒最小流化速度降低約8%。因此可以得出，在相同條件下，物料在較低的氣速下就能在狹縫型分布板流化床內實現流化，而且流化程度更劇烈，這不僅有利于物料充分混合，同時也更加節能。

2 模擬研究

試驗結果表明，相比傳統多孔型分布板，狹縫型分布板更有利于D類大顆粒流化。為了探求狹縫型分布板促進顆粒流化的原因，本文建立了流化床內氣固兩相流計算流體力學（CFD）模型，分別模擬多孔型分布板和狹縫型分布板下流化床內氣固兩相流行為并對其進行比較。

圖2 不同分布板床層壓降和床層膨脹率隨表觀氣速的變化Fig.2 Variation of bed pressure drop and expansion ratio with superficial gas velocity for different distributors

2.1 數學模型

為了模擬流化床內氣固兩相的流體動力學行為，本文采用基于歐拉-歐拉法的雙流體模型，將顆粒假設為類似流體的連續擬流體，并結合顆粒動力學理論對該過程進行模擬求解。對氣體相采用標準κ-ε湍流模型進行描述，顆粒相采用顆粒動力學理論模型進行描述。關于二流體模型的描述詳見Vikrant[25]和Goldschmidt[26]，顆粒動力學理論模型的描述詳見文獻[27-28]。

2.2 計算區域

本文使用商業軟件FLUENT 6.3.2?對所設計的流化過程進行計算機模擬研究，物理模型的建立及網格的劃分是在其前處理器Gambit程序中進行的。另外基于流化床寬度與顆粒直徑之比達到79，遠大于20的原因，為了便于計算，本文將流化床簡化為二維模型。圖3為狹縫型分布板流化床的物理模型，傳統多孔型分布板與此類似。物理模型的橫向長度和軸向高度分別為285和700 mm。初始時靜置床層高度H0為200 mm，固體顆粒體積分數為0.6，氣體分布板下方設有高度為100 mm的氣體分布室，用以保證氣體由床層底部均勻通入流化床內，流化床內無任何內構件。

2.3 邊界條件

氣體進口為速度入口（velocity inlet），出口為壓力出口（pressure outlet），床體壁面及分布板板面設為無滑移壁面邊界條件（non-slip wall）。

在流化床進氣口（流化床底部），氣體流量從120 m3/h增加到220 m3/h，每次增加10 m3/h，則有

式中U為氣體表觀氣速，m/s；Q為氣體流量，m3/h；L為流化床長度，mm；W為流化床寬度，mm?？傻脷怏w入口速度由0.615逐漸增加到1.128 m/s。氣體速度僅垂直于進氣面向上，經過氣體分布室后均勻地通過狹縫型分布板。在入口處，固體顆粒的體積分數為0。

圖3 狹縫型分布板流化床物理模型Fig.3 Physical model of slotted gas distributor fluidized bed

出口邊界設為壓力出口邊界條件，大小為一個標準大氣壓（絕對壓強101 325 Pa），在出口處，各項梯度均為0，即滿足

式中T為溫度，℃；ν為黏度，Pa·s；ρ為密度g/cm3；ε為空隙率，無因次。

2.4 核桃殼顆粒的物理特性

試驗過程中所用物料為粒徑（篩分直徑）2～2.8 mm的核桃殼顆粒，為了簡化計算，模擬過程中將顆粒等效為直徑2.4 mm的球形顆粒。顆粒的密度[29]和最大松填充體積分數用浸液法測得，顆粒黏度采用顆粒動力學理論模型進行處理，從理論上推導顆粒相黏性特性及顆粒相應力方程[30-31]。流化氣體為常溫（25℃）下的空氣，氣固兩相的相關物性參數見表1。

表1 核桃皮顆粒及流化氣體的物性參數Table 1 Parameters for walnut shell particles and fluidizing gas

2.5 求解控制

由于所研究的問題屬于氣固兩相流，本文選用歐拉多相流模型來計算兩相的動力學行為[32]。選用非穩態隱式求解器，標準κ-ε湍流模型，采用壓力速度耦合的SIMPLE算法進行求解計算。時間步長設置為0.0001 s，動量方程、湍動能以及湍流耗散均采用二階迎風格式進行離散[33]。

2.6 數學模型驗證

本文通過比較模擬和試驗結果以驗證模型的精度。驗證試驗條件為：狹縫型分布板流化床，靜置床層高度約200 mm，核桃殼顆粒粒徑2～2.8 mm，氣體流量從120 m3/h逐漸增大到220 m3/h，每次增加10 m3/h。圖4所示為狹縫型分布板流化床內床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗值對比情況。由圖4可知，隨著氣速的增大，床層壓降先不斷增大后維持相對平穩，在固定床狀態，由于顆粒充填的關系試驗值略大于模擬值，進入流化狀態后，模擬值與試驗值基本一致。在表觀氣速約為0.77 m/s后，床層開始松動，之后隨著表觀氣速的增大，床層膨脹率也會不斷增大。床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗值的誤差均在8%以內，表明模擬值能夠反映床層壓降隨氣速的變化規律并預測床層膨脹高度的演變趨勢。在對傳統多孔分布板流化特性進行模擬研究時，只是床體結構發生變化，并不影響模型的選擇及其計算的精度，故該結論也適用于傳統多孔型分布板。

圖4 床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的試驗值與模擬值對比Fig.4 Experimental value and simulation value comparison of bed pressure drop and bed expansion radio with superficial gas velocity

3 模擬結果及分析

本節主要比較在表觀氣速為1.128 m/s下，核桃殼顆粒在狹縫型和多孔型分布板流化床內的流化特性的數值模擬結果，主要從床層壓降、床層膨脹率、顆粒相體積分數及氣固兩相的速度等方面進行對比分析，以探討狹縫型分布板在提高顆粒流化性能的作用和機理。其中，顆粒體積分數為流化床單位體積內顆粒所占體積比例。

3.1 床層壓降波動

圖5所示為表觀氣速U=1.128 m/s時流化5～14 s（取樣頻率為0.1 s）內不同分布板流化床內床層壓降隨時間的變化情況。進氣5 s后，2種分布板流化床內固體顆粒均進入了穩定的流化狀態。由圖5可知，2種分布板流化床的床層壓降均隨時間進行不規律的周期波動，且平均床層壓降均在1 250 Pa左右，但狹縫型分布板流化床內床層壓降的波動振幅要大于傳統分布板流化床。在5～14 s內，傳統多孔型分布板流化床床層壓降波動約為5.5個周期，而狹縫型分布板流化床內床層壓降波動約為7.5個周期，即狹縫型分布板內顆粒的波動頻率更高。流化床床層壓降波動主要是因為床內氣泡的產生、并聚和破碎等過程對床層壓降產生周期性的影響，如圖6a所示。狹縫型分布板流化床內氣泡的運動更激烈，因而狹縫型流化床壓降波動頻率和幅度大。

圖5 不同分布板流化床內床層壓降波動Fig.5 Pressure drop fluctuations of different fluidized beds

3.2 顆粒相體積分數分布

圖6a、6b表示表觀氣速為1.128 m/s時進氣9～11 s 內2種分布板流化床內顆粒相體積分數（顆粒濃度）的瞬時分布云圖。顆粒相體積分數較低的區域就意味著氣體相體積分數較高，即有氣泡正在通過該區域。由圖6a、6b可看出流化床內氣泡形成、并聚和破裂等過程。氣泡一般都在分布板上方形成，多為共生，即在同一時刻的相同床層高度生成多個氣泡，氣泡在上升過程中將周圍顆粒吸入氣泡并帶動顆粒向上運動（床層中的氣泡均含有一定量的顆粒），小氣泡逐漸并聚成大氣泡，并最終在床層表面發生破裂。結合圖5可知，氣泡形成、并聚和破裂等過程引起了床層壓降的波動。圖5中，在9～11 s內，狹縫型分布板流化床的床層壓降有2個較明顯的波動周期，圖6a、6b中可以看到狹縫型分布板流化床內2個完整的氣泡生成、并聚和破裂過程，而此時傳統孔板流化床的床層壓降和氣泡運動過程都不是很明顯。當氣泡在床層表面破裂時，床層壓降處于壓降波動曲線的波谷，如狹縫型分布板流化床在9.6和10.2 s時，傳統多孔分布板在9.8 s時。此后隨著新的氣泡產生，床層壓降又會迅速的上升，如此反復，隨著氣泡的形成及破裂，床層壓降發生著周期性的變化，但變化幅度和頻率有所不同。

圖6c、6d表示表觀氣速為1.128 m/s時2種分布板流化床內不同床層高度上的顆粒體積分數（顆粒濃度）的橫向分布情況（5～14 s內的平均值），其中H(mm)為床層高度。結合圖6a、6b可知，顆粒濃度隨床層高度的增加逐漸減小，在低床層區域（如H=100 mm處），顆粒濃度隨時間變化的平均值與初始濃度差距不大，但在一些區域由于氣泡的產生，顆粒平均濃度在橫向位置有所波動。在床層中高部（如H=200 mm處），在某些時刻會出現明顯的稀相和密相區分，如狹縫型分布板9.8～10.2 s內，氣泡通過區域的顆粒體積分數會明顯下降。顆粒平均濃度低于初始濃度，且在橫向位置有所波動，但狹縫型分布板的波動幅度要小于傳統多孔型分布板，說明在5～14 s內，顆粒在狹縫型分布板流化床內混合的更均勻。在床層高度為300 mm處，傳統多孔型分布板流化床內幾乎沒有顆粒存在了，但狹縫型分布板流化床內還可以看到小量的顆粒，且顆粒集中在床體中心位置處，這說明狹縫型分布板流化床內顆粒能達到的最大高度要高于傳統多孔型分布板，即狹縫型分布板的床層膨脹率更大，與試驗結果一致。

圖7表示的是表觀氣速為1.128 m/s時兩種分布板流化床內不同位置處顆粒相體積分數（顆粒濃度）隨時間的波動情況，其中X(mm)為床層橫向位置。由圖可知，在低床層區域（如H=100 mm處），靠近壁面的位置（X/L=0.15）處，傳統多孔型分布板流化床內的顆粒濃度幾乎不隨時間發生變化，而狹縫型分布板流化床內顆粒濃度會隨著時間進行波動；床層中心部位（X/L=0.5處）處，狹縫型分布板和傳統多孔型分布板流化床內的顆粒濃度都在進行著周期性的波動，傳統多孔型分布板的波動頻率大，但狹縫型分布板流化床內的波動幅度大。在床層中高（如H=200 mm處）區域，靠近壁面位置（X/L=0.15）處，兩種分布板流化床內的顆粒濃度都在進行著周期性的波動，且狹縫型分布板流化床內得波動幅度更大；床層中心部位（如X/L=0.5處）與低床層區域波動情況類似，即狹縫型分布板和傳統多孔型分布板流化床內的顆粒濃度都在進行著周期性的波動，傳統多孔型分布板的波動頻率大，但狹縫型分布板流化床內的波動幅度更大。以上分析表明，傳統多孔型分布板流化床內顆粒濃度的變化主要集中在床體中心區域，而狹縫型分布板流化床內顆粒濃度的變化比較分散。相比于傳統多孔型分布板，狹縫型分布板有利于流化床內靠近壁面區域顆粒的流化，使床內顆粒濃度的變化更加均勻，減少靠近壁面區域死角和滯留區的形成。

圖7 不同分布板流化床內不同位置處顆粒相體積分數隨時間的波動情況Fig.7 Fluctuation of particle volume fraction of different positions in different fluidized beds

3.3 氣固兩相速度分布情況

以分布板為基準，對表觀氣速為1.128 m/s時氣固兩相瞬時速度分布情況進行了分析，如圖8所示。

圖8a給出了9 s（9 s時兩種分布板流化床內的床層壓降都接近波峰）時不同分布板流化床內顆粒在各個位置上的速度矢量圖。由圖8a可知，在床層底部（分布板上方），顆粒相的速度矢量方向總體向上，在床層表面處及床體壁面附近，顆粒相的速度矢量方向總體向下，顆粒的流型呈現出一種灣流的特征，包含多個回流，這有利于顆粒相與氣體相之間更好的混合[33]。此時，在狹縫型分布板流化床內可以清晰的看到4個小的環流，分布在床層的四個角上，而傳統多孔型分布板流化床內則有所不同，流化床內以床層橫向中心位置為對稱軸形成兩個對稱的較大環流。環流中心區域一般為氣泡通過區，顆粒體積分數較低，而此時圖6a、6b中9 s時環流位置處在狹縫型分布板流化床內中可以看到4個氣泡，傳統多孔型分布板流化床內可以看到2個氣泡，兩圖觀察到的情況相符。

圖8b給出了9 s時不同分布板流化床內氣體在各個位置上的速度矢量圖。由圖8b可知，氣體流經分布板之后，狹縫型分布板的V型氣流通道結構限制了氣流向四周擴散，因而形成氣流噴射，高速氣流向上運動并帶動床內固體顆粒實現流化。而在多孔分布板流化床內，氣流通過圓孔后，向四周擴散，造成速度下降。因此，相比于傳統多孔型分布板，狹縫型分布板的V型結構更有利于氣流的集束，使氣體通過狹縫后垂直向上運動，氣流向上穿透能力高。狹縫型分布板的氣流集束向上運動，一方面使得在流化床底部區域就形成小氣泡（如圖6a、6b），對顆粒床進行擾動和混合，同時在床層中部小氣泡合并形成大氣泡，更能松動顆粒床，提高床層膨脹率；另一方面，在靠近流化床壁面處，氣流集束向上運動使得壁面壓迫作用相對較弱，多孔板上氣流分布均勻（如圖8b)，隨著氣泡運動而形成4個小環流，床層流化更均勻。與狹縫型對比，多孔板上氣流過早擴散，一方面，氣泡在流化床中部形成，氣泡擾動床層作用不如狹縫型；另外，壁面壓迫作用較強，使得氣流向流化床床層中心集聚，造成兩個大環流，均勻性也不如狹縫型。

圖8 流化9 s時不同分布板流化床內氣固兩相各位置上的速度矢量圖（U=1.128 m·s-1）Fig.8 Velocity vectors distribution of particle and gas phase at t=9 s for different gas distributors（U=1.128 m·s-1）

4 結論

本文針對用標準角鋼制作的狹縫型氣體分布板，以核桃殼為試驗物料，對設置狹縫型分布板和傳統多孔型分布板時核桃殼顆粒（2～2.8 mm）的流化動力學特性進行試驗和模擬對比分析。結果表明：

1）床層壓降及床層膨脹率隨氣速變化的模擬值與試驗值的誤差均在8%以內，表明模擬值能夠反映床層壓降隨氣速的變化規律并預測床層膨脹高度的演變趨勢。

2）狹縫型分布板比傳統多孔分布板提高床層膨脹率約5%，降低最小流化速率約8%。

3）相比于傳統多孔型分布板，狹縫型分布板流化床壓降波動頻率和幅度較大，床層膨脹率更高。床內顆粒濃度的變化比較分散，有利于流化床內靠近壁面區域顆粒的流化，減少靠近壁面區域死角和滯留區的形成。

4）狹縫型分布板的“V”型氣流通道結構，使得氣流易于集束向上運動，形成大氣泡對床層造成擾動，從而增大床層壓降波動幅度，提高床層膨脹率，并在流化床內形成4個小環流，促進氣體相和顆粒相之間的混合，使得核桃殼顆粒流化均勻。

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Fluidization effect of walnut shell particles in fluidized bed with slotted gas distributor

Li Zhanyong1,2, Wang Shaotie1, Wang Juan1, Zhang Jianguo1,2
(1. College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for Light Industry & Food Machinery and Equipment, Tianjin 300222, China)

Gas distributor is a key component in fluidized beds. Various gas distributors for practical application have been successfully developed and studied in depth. Fluidization of coarse particles is still a challenge for good gas-solid contacting. In this study, a slotted gas distributor with simple structure was proposed for the fluidized bed processing coarse particles. The fluidization characteristics of the Geldart D type large particles (2-2.8 mm walnut shell) were investigated experimentally in a 285 mm × 190 mm × 700mm fluidized bed with the slotted gas distributor whose opening rate was 5.6%. The experimental results were compared with the ones obtained from the traditional perforated distributor. It was found that the bed expansion ratio increased by about 5% and the minimum fluidization velocity reduced by about 8% when using the slotted gas distributor, indicating that the slotted gas distributor had better fluidization characteristics for the large-sized particles. To explain the better fluidization performance of the slotted gas distributor, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed based on the Eulerian-Eulerian model, the particle kinetic theory, the standard k-ε turbulence model and the SIMPLE algorithm. The CFD model was used to simulate the behaviors of the gas particle flow in the fluidized bed of walnut shell particles with slotted gas distributor or traditional perforated distributor, and the results of experiment and simulation were agreed well. The simulations were conducted under such operation conditions: The physical two-dimensional model of the rectangular fluidized bed was 285 mm × 700 mm with slotted gas distributor or traditional perforated distributor in which the opening rate was 5.6%. Particles packed in the fluidized bed had the volume fraction of 0.6 and the height of the bed was 200 mm. The superficial gas velocity of inlet was selected as operation parameter, which ranged from 0.615 to 1.128 m/s. The simulation results were compared on the bed pressure fluctuations due to bubble formation, the coalescence and eruption, the maximum bed expansion radio, the transient particle volume fraction distribution, the gas/particle velocity vector distribution and so on between the fluidized beds of these two distributors. It was observed that small bubbles first formed close to the gas distributor, coalesced when rising up, and finally erupted near the bed surface, which resulted in periodic fluctuations of bed pressure with different amplitudes and frequencies. Compared with the traditional perforated distributor, the frequency and amplitude of the bed pressure drop fluctuation caused by the slotted gas distributor were bigger and the bed expansion ratio was higher. The change of the particle concentration in the bed was scattered in the fluidized bed with slotted gas distributor, which was beneficial to the fluidization of particles near the bed wall. Also, the dead zone and recirculation area formed near the wall area were reduced. The V-shaped structure of the slotted gas distributor generated strong upward flow jets. The strong jets could deeply reach the material particle bed and easily bring the formation of bigger bubbles. The bigger bubbles caused more intensive disturbance inside the material bed, and thereby the bed pressure drop fluctuation and the bed expansion ratio were improved. Four small circulations were observed to form within the fluidized bed with slotted gas distributor, which was beneficial to the better mixing of gas and particle. Therefore, coarse particles of walnut shell can be well fluidized with the slotted gas distributor. The study provides a reference for the design and selection of fluidized bed distributor in the process of coarse particle processing in fluidized bed.

fluidization; models; design; gas distributor; coarse particles; simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032

TH69; TS04

A

1002-6819(2016)-09-0225-08

李占勇，王少鐵，王 娟，張建國. 狹縫型分布板流化床提高核桃殼顆粒的流化效果[J]. 農業工程學報，2016，32(9)：225－232.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032 http://www.tcsae.org

Li Zhanyong, Wang Shaotie, Wang Juan, Zhang Jianguo. Fluidization effect of walnut shell particles in fluidized bed with slotted gas distributor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 225－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.032 http://www.tcsae.org

2015-10-09

2016-03-19

天津市人才引進與科技合作計劃國際科技合作項目（14RCGFGX00850）；國家農業科技成果轉化項目（2014GB2A100526）

李占勇，男，博士，教授。研究方向：干燥、流態化、熱解技術及設備。天津 天津科技大學，300222。Email：zyli@tust.edu.cn