硫粉流化沸騰燃燒器內部流場影響因素分析

陳家權，楊凱波，巫佳鋒，勞黎明

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

在制糖工業中，SO2被用來吸附雜質和澄清糖汁，有著很重要的作用。目前SO2制備的主要方法是熔硫法[1]，即先將硫磺融化成液體狀，再由液硫泵和噴射器噴入燃燒腔燃燒。但是高溫液硫流量不易控制，而且會腐蝕設備，熔硫設備價格較高，升華硫遇冷堵塞管道的問題時有發生，這樣導致制取SO2效率下降，生產成本提高。

流化床燃燒器被廣泛用于工業和農業生產中，不少學者對其也進行了大量的相關研究[2-8]，流化床燃燒器具有清潔率高，燃料適應性較強，燃燒效率高，燃燒溫度均勻等優勢，如果將流化床燃燒器用于硫磺的燃燒制取SO2，這樣就不需要熔硫器、液硫泵和高溫噴射器等，結構更加簡單。影響流化床燃燒的因素有很多，本文使用FLUENT仿真軟件對流化沸騰燃燒器內部流場進行模擬仿真，探究分析影響燃燒器內部流場的因素，其結果對工業中硫粉流化沸騰燃燒器的設計和使用有一定的指導意義。

1　仿真模型的建立

1.1　物理模型

流化沸騰燃燒器一般由四部分組成：布風系統、流化床、燃燒系統、進料排渣系統。在本文的研究中主要是分析對硫粉流化的影響條件，故燃燒系統和進料排渣系統不予考慮，如圖1所示，為流化沸騰器流化裝置。根據實際加工和實驗條件，如圖2所示，為本文流化沸騰爐的尺寸圖和三維模型圖，風室為直徑為200 mm，高度為200 mm的圓柱，布風板的厚度為20 mm，流化室的高度為800 mm左右，整個模型高度為1 000 mm.

圖1　流化沸騰器流化裝置

圖2　流化沸騰器的尺寸圖和三維模型

1.2　數學模型

1.2.1湍流模型

湍流模型關系著模擬仿真的準確性，對于本文的數值模擬，采用標準的標準k-ε模型是較為合適的，標準k-ε模型的微分方程為：

湍動能方程：

耗散率方程：

其中，Gk為由平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb為由浮力影響引起的湍動；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率影響參數；μt為湍流粘性系數，可以表示為：μt=Gμρ；其他相關參數為默認常數。

1.2.2氣固兩相流模型

流化沸騰燃燒器中氣體和硫粉流動本質上是處理氣固兩相流問題，在FLUENT中Eulerian模型、Mixture模型和顆粒軌道模型比較適合兩相流中有混合流動的情況，如果固相的體積分數大于10%，只能選用Eulerian模型或Mixture模型。如果兩相流密度相差過大，而且顆粒的分布較為均勻，采用Eulerian模型較為合適[9-11]。因此，本文選用歐拉模型。

下面是標準k-ε雙方程模型的微分方程組：

其中，vi是i方向的平均速度；μ是氣體的粘性系數；μT是湍流的粘性系數；μeff= μT+ μ；Fj是 j方向的外力；k為湍流脈動動能，ε=Cdk3/2/l為湍流動能的耗散率。

1.2.3網格劃分與邊界條件

網格的劃分也是仿真計算特別重要的一個環節，網格的質量直接關系到仿真的準確性，由于流化沸騰器布風板通風孔的存在，劃分結構化網格較復雜，故采用混合網格，將通氣孔部分畫為非結構網格，其余部分畫為結構網格，整體網格如圖3所示，網格單元總數為22 932個，整體網格質量為0.4，達到計算要求。

圖3　整體網格劃分

進口邊界：風室下端為速度入口，流體為空氣，常溫，密度為1.225 kg/m3；出口邊界：壓強出口，常溫常壓；壁面條件：無滑移邊界，不考慮壁面的摩擦。

2　仿真結果分析

2.1　布風板開孔率對流化的影響

布風板開孔率（K）是指布風板上面空氣流通孔面積與流化沸騰爐總橫截面積的比值。對于本文的仿真模擬，由于孔徑過小的孔不易劃分網格，故選取較低開孔率的情況分析，分析比較布風率為20%、25%和30%的氣固混合情況。布風板截面如圖4所示，仿真條件如表1所示。

圖4　不同開孔率布風板氣孔分布圖

表1　仿真條件

如圖5所示為流化沸騰燃燒器y=0面氣體速度分布，可以看到布風板開孔率越大，空氣的流場就越均勻，硫粉的分布也就能越均勻，氣固混合效果也就越好，但是在Fluent模擬分析中，如果孔徑越小，劃分網格很困難，因此選取布風板空氣通孔大小為20 mm，開孔率為30%的布風板作為仿真模擬條件之一。

圖5　y=0面氣體速度分布

2.2　表觀速度對流化的影響

表觀速度是風室中氣流的速度。根據粉體物料的流化原理，表觀速度如果不相同，流化效果相異，如果表觀速度較小，硫粉就會靜止在流化床底部，流化床就變為固定床，如果表觀速度過大，流化床則變為氣力輸送，因此必須控制好表觀速度。假設表觀速度分別為 0.34、0.44、0.56、0.64、0.8（m/s），在此條件下探究表觀速度對流化的影響，其余仿真條件與表1相同。

圖6為不同表觀速度下y=0面上硫粉分布云圖，從圖可知，表觀流速對粉料的流化影響很大。表觀流速從0.34~0.8 m/s時，硫粉沿流化室縱向空間逐漸增大，硫粉運動空間增大，當表觀速度為0.34~0.56 m/s時，流化室上部硫粉的體積分數比較少，為0.15左右，氣固比較大，適合硫粉的升華燃燒，超過0.56 m/s時，部分硫粉開始聚集在流化室的上端，上部硫粉濃度增大，體積分數可以達到0.4以上，氣固比減小，不利于硫粉的燃燒。因此需要嚴格的控制表觀速度，表觀速度過小不能流化，過大則會導致硫粉分布不均勻，影響流化床上部硫粉的升華和燃燒。

圖6　不同表觀速度下y=0面硫粉分布云圖

2.3　床料初始厚度對流化的影響

流化室中床料的厚度也是影響流化效果的重要因素，如果床料較少，則不能達到流化沸騰燃燒器的最大工作效率，但是如果床料過多，則會導致硫粉在流化室分布不均勻，影響硫粉的燃燒。假設床料的厚度分別為0.1 m，0.15 m，0.2 m和0.3 m，其余仿真條件與表1相同，探究床料初始厚度對流化的影響。

如圖7所示，為不同床料厚度下y=0面硫粉分布云圖，可以看到，床料厚度增加，硫粉流化高度隨之增加，床料厚度為0.1 m時，硫粉流化高度為200 mm，床料厚度為0.3 m時，硫粉流化高度為500 mm；燃燒室上部氣固比變小，硫粉的體積分數達到了0.5，流化效果不理想，不利于燃燒。流化效果較好的床料厚度為0.15~0.2 m左右。

圖7　不同床料厚度下y=0面硫粉分布云圖

2.4　硫粉粒徑對流化的影響

不同粒徑的硫粉對流化同樣會產生不同的影響，現假設硫粉的粒徑分別為0.1 mm，0.5 mm，1 mm，在此條件下探究硫粉粒徑對于流化的影響，其余仿真條件與表1相同。

如圖8所示，為不同粒徑下硫粉的體積分數圖。可以看到，硫粉粒徑對沸騰流化影響較大，顆粒大小的變化導致顆粒平衡狀態發生變化，顆粒越大，流化越困難，當粒徑為0.1 mm時，硫粉還可以正常流化，流化高度為300 mm左右，當硫粉的粒徑為0.5 mm時，硫粉靜止不動，成為了固定床，故硫粉正常流化時的粒徑應小于0.1 mm.

圖8　不同粒徑y=0面硫粉分布云圖

3　結論

通過上文對流化沸騰燃燒器內部流場的仿真分析和實驗研究，可以看到表觀流速、床料厚度、硫粉粒徑和布風板開孔率及孔徑大小對流化沸騰器內部流場均有影響：

（1）表觀速度要控制在0.34~0.56 m/s，此時流化高度為0.3~0.5 m，流化床上部分硫粉體積分數為0.15左右，氣固比增大，適合硫粉的升華和燃燒。

（2）床料厚度要控制在0.1~0.2 m，硫粉厚度增加會使流化困難，會使流化床頂部空間的硫粉濃度增加，體積分數可以達到0.5，氣固比減小，不利于硫粉的升華和燃燒。

（3）硫粉粒徑最適應不大于0.1 mm，如果粒徑增大，流化難度增大，流化床就變味固定床。

（4）布風板的開孔率越大，孔徑越小越有利于硫粉的流化，風室的壓強會越穩定，流化室內部的硫粉流化效果也更好。