鼓泡床密相区多组分床料扩散的CPFD模拟

2021-02-03陈鸿伟刘玉强刘博朝梁锦俊贾建东宋杨凡王睿坤

华北电力大学学报(自然科学版) 2021年1期

陈鸿伟，刘玉强，刘博朝，梁锦俊，贾建东，宋杨凡，王睿坤

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

0 引言

我国是能源消费大国，每年煤炭消耗量巨大。煤炭主要消费在火力发电、冶铁、化工和建材行业，其中火力发电占比最大，达到50%以上。然而，大规模利用煤炭资源也导致环境污染和全球变暖等问题愈发严重。2016年12月，国家发改委印发《煤炭工业发展“十三五”规划》，氮氧化物、硫化物，重金属和粉尘排放问题得到了前所未有的重视。流化床锅炉作为一种清洁、高效的燃烧设备，具有燃烧效率高、燃料适应性广、排放污染物较低以及负荷适应能力强的优点[1]。在燃烧过程中，流化风携带大量固体颗粒进入炉膛上部，按照炉膛内颗粒浓度自下向上将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区。密相区是气固两相最先接触的区域，与上部快速流化区域不同，密相区内颗粒浓度大，混合剧烈，呈鼓泡状态[2-4]。如果床料混合不均匀，将直接导致局部严重缺氧，炉膛燃烧恶化。密相区的混合情况直接影响燃烧和反应速率，所以密相区颗粒混合和扩散一直是学者关注的问题。本文研究密相区床料扩散规律，为锅炉设计提供参考。

沈来宏分析了鼓泡流化床内颗粒混合机理，将颗粒混合过程分为，上下运动的尾迹相、乳化相和横向扩散的乳化相[5]。Leckner等人认为，低流速下仅产生大的单个气泡，高流速下气泡从底部延伸到床层表面，定性地反映了密相区颗粒混合情况[6]。张贤等采用示踪颗粒法重点研究了不同宽筛分粒径对横向扩散系数的影响，认为相同条件下，宽筛分颗粒扩散能力低于窄筛分颗粒，所得横向扩散系数在0.000 2～0.003之间[7]。李斌等模拟了不同床宽、不同位置进风对颗粒横向、竖向速度的影响[8]。Philipp等用干冰示踪剂研究流化床底部区域径向的固体浓度分布，实验发现，颗粒地横向扩散能力明显弱于轴向扩散能力[9]。杜奇在冷态实验台上使用热示踪粒子，研究颗粒扩散的影响因素，发现随着给煤口高度、风速的增加，颗粒横向扩散系数随之增大[10]。

由于实验条件和测量方法的限制，目前主要研究流化风速、床宽等，对静止床料量以及床料种类研究较少。特别是床料种类，不同种类的床料由于密度不同、成分不同，相互掺混扩散能力也不同，对床内气固流动产生影响。本文采用计算颗粒流体力学(computational particle fluid dynamics，CPFD)方法模拟密相区多组分床料扩散。CPFD采用欧拉-拉格朗日方法，其中流体相采用欧拉法和三维时均N-S方程，针对颗粒相采用拉格朗日方法和MP-PIC(Multi-Phase Particle-in-Cell)多相模型，能够精确地模拟颗粒的组分、粒径、运动轨迹和相互作用。CPFD采用粒子云模型，将相同属性(如密度、粒径、化学组成)的真实颗粒组成“颗粒团”，从而减少计算量，快速准确地模拟出结果。

1 数学模型

MP-PIC方法[11]流体相采用欧拉法，颗粒相使用拉格朗日法并与流体相方程耦合，达到在三维空间内求解颗粒、流体的目的。

模型中主要使用的控制方程，对于气固两相流

θp+θf=1

(1)

式中：θp为颗粒相体积分数；θf为流体相的体积分数。流体相的连续性方程：

(2)

式中：ρf为流体相密度；uf为流体相速度，流体相动量方程为

(3)

式中：p为流体相压力；F为流体相宏观应力张量；τ为单位体积内流体相和颗粒相的动量交换率。颗粒相的动量方程表示为

(4)

式中：up为颗粒速度；ρp颗粒密度；τp为颗粒法向应力。相间曳力模型：

(5)

式中：rp为颗粒半径，其中

Re<1 000

(6)

Re≥1 000

(7)

连续粒子应力模型为

(8)

式中：ps为常数，1 Pa；β的取值通常在2～5；θcp为堆积密度；ε是一个数量级10-7的数。

2 参数设置及工况设计

本文针对密相区及其上部进行模拟，选取较为典型的长方体作为鼓泡床模型。模型尺寸为158 mm(长)×158 mm(宽)×400 mm(高)。在设置网格时，进行无关性验证。网格数量太少时，计算精度不能满足预期要求；网格数量太多时，占用的计算资源过多，耗时太长。最终本文选用10 mm精度结构化网格，网格质量较好。根据Liang等人的研究，选取 Wen-Yu/Ergun曳力模型可以较好地模拟气固之间作用力[12]。计算中，初始状态在重力作用下自然堆积，堆积孔隙率取0.61。经过筛分后，床料设置如表1所示。

表1 床料设置

气化流速umf共选取5种，分别为0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 m/s，初始石英砂高度为80 mm，稻壳和压缩木屑的选取量均为石英砂质量的0、2%、4%和6%，主要模拟多种固体床料在不同风速下流动状态。

3 模拟状态讨论

3.1 流动状态分析

在床层膨胀稳定后，选取3 s时的流动状态进行分析。图1为石英砂在0.4、0.45、0.5、0.55、0.6 m/s风速条件下流动状态图。从图中可以看出，风速不同流动状态也不同。在0.4 m/s风速下，产生的气泡较小、数量较少，整个鼓泡床的膨胀高度也较小。在0.5 m/s风速下，可以观察到气泡的体积增大，床层膨胀高度增加，流化床密相区颗粒体积分数沿床高分布较均匀，下层流化较好，中层气泡相夹杂颗粒较少，上层堆积体积分数较大，稀相区的占比明显增多。0.6 m/s流化状态较复杂，气泡上升速度加快，气泡与气泡之间出现集聚。密相区分布大量气泡，床层混乱程度增加。在气泡形成、上升移动和集聚破碎的过程中，都会促进床料混合，风速越大，混合的程度越大。刘典福等通过数字图像处理技术观察流化床中气泡形状，气泡在底部形成，逐渐上升凹陷，受到颗粒撞击变形直至破裂，促进床料混合[13]，描述基本一致。

图1 纯石英砂5种风速下流化形态图

3.2 不同种类床料对颗粒混合情况的影响

生物质的种类也会对床层流动、混合产生影响。图2显示纯石英砂和加入不同质量分数压缩木屑、稻壳在3 s左右的颗粒体积分数云图。从图中可以看出，三种质量分数的床料流动状态是相似的。压缩木屑的密度远大于稻壳，同等条件下流化所需的曳力更大。压缩木屑的膨胀高度略小于稻壳，颗粒体积分数略大于稻壳。在截面处出现体积较大的气泡，纯石英砂和稻壳体积分数较均匀，而压缩木屑密相区上层体积分数很大，且膨胀高度也明显低于稻壳。

图2 不同生物质密相区流动状态

相同质量分数下，压缩木屑与稻壳相比，产生的气泡数量更少，气泡体积更大。由于密度的差异，压缩木屑更难被流化，气泡在上升过程中集聚，到达床层表面时破裂，将部分颗粒抛射到床层上方。当大的气泡之间发生碰撞，存在少量气体以短路的形式穿过床层。此时气泡的体积和床层膨胀程度变化不大[14]。顾佳雯等使用稻壳、锯花、花生壳和蔗渣生物质进行流化实验，同样以大气泡为主，气泡破碎带动大颗粒生物质扩散混合[15]。

3.3 生物质物料量对扩散的影响

图3表示3 s时加入不同质量分数生物质的密相区颗粒粒径图。石英砂的粒径为200～300 μm，而生物质的粒径为500～600 μm，可以根据粒径的大小判断物质种类。图3(a)为不同质量分数稻壳的粒径图。生物质质量分数的增加，直接增大了床层高度。同时床层总质量也在增加，床层所需要的最小临界流化风速增大。风速没有改变，但床层所需的曳力增大，最终膨胀程度减小。稻壳的密度为700 kg/m3远小于石英砂的2 200 kg/m3，在流化过程中，生物质被带到床层的最上部，发生明显的分层现象。由于密度较低，在密相区上方的稀相区，大部分为生物质颗粒。图3(b)为不同质量分数压缩木屑的粒径图。生物质的增加没有明显的改变流化状态。由于压缩木屑的密度为1 200 kg/m3接近石英砂的密度，混合较好，未出现明显分层。在实际流化床中，生物质应尽可能均匀地与床料混合，增大接触面积。良好地混合有利用加快反应速率，促进生物质反应完全。

图3 含不同质量分数生物质的密相区颗粒粒径图

图4显示三种质量分数下，稻壳和压缩木屑的颗粒体积分数横向分布图。当生物质种类相同时，6%质量分数的生物质体积分数大于4%和2%质量分数的生物质。因为质量分数不同，床层重量有明显差异，达到同样流化状态所需要的曳力也不同。从图4可以看出，6%质量分数的生物质体积分数相对较大，证明床层膨胀情况较弱，颗粒堆积较为紧密。4%和2%质量分数的生物质相对较小，表明膨胀程度较强，床层沸腾剧烈。6%质量分数的生物质与4%质量分数的生物质体积分数差距较大，而4%和2%差异不明显，个别位置甚至出现2%质量分数的生物质体积分数更大的情况。同时，6%质量分数的生物质体积分数波动较小，整体膨胀较为均匀，而4%和2%质量分数的生物质体积分数波动很大，床层横向混合程度差异较大。从整体来看，整个图形呈“W”型，有两个峰值和三个谷值，体积分数变化也较大。Javad等人建立了水动力模型，在三个位置的径向颗粒体积分数同样呈现波动状态[3]。

图4 密相区颗粒体积分数横向分布图

通过比较图4的(a)和(b)两幅图，也发现一些差异。虽然两幅图整体都呈“W”型，但稻壳更为贴近，压缩木屑的“W”不是很明显。在两幅图中，6%质量分数的生物质体积分数均为最大，在(b)中，6%生物质变化幅度更小，波动情况也更弱。但2%和4%质量分数的生物质变化幅度更大，床层不均匀性更强。

3.4 颗粒横向扩散系数讨论

颗粒横向扩散系数是衡量密相区扩散混合情况的一个重要参数[16]，本文采用示踪粒子法进行模拟。在起始点(x0,y0,z0)注入N个理想示踪剂颗粒，每个示踪剂的瞬时位移可表示为

X=x(t)-x0

(9)

N个示踪粒子在t时刻的平均瞬时位移为

(10)

在t时刻颗粒横向位移的方差为

(11)

颗粒的横向扩散系数可以表示为

(12)

在流动状态稳定后，选取三个时间段颗粒数据计算横向扩散系数，再取平均值。图5为纯石英砂和不同质量分数生物质的横向扩散系数Dx的计算结果。

图5 扩散系数与流化风速关系

颗粒地混合主要是由于气泡尾涡中夹带有细小或低密度颗粒，在气泡上升过程中进入大颗粒之间的间隔所致；同时，气泡上升后在流化床中又会在局部留下新的空穴，此空穴马上会被上部和周围颗粒填充，也会促进颗粒混合[17]。流化风速增加，气泡产生的速度和体积越来越大，在其上升过程排挤颗粒的能力越来越强；当气泡上升到床层表面时，气泡抛射能力也较强。因此，扩散能力随流化风速的增加而增强，横向扩散系数也随之增大。

三种情况中，纯石英砂的横向扩散系数是最小的。在添加生物质后，由于床层质量增加，气泡体积变大，上升速度更快，对床层的扰动能力更强，促使更多颗粒横向移动，加大了横向扩散系数。并且，生物质质量越多，床层横向扩散能力越强。

压缩木屑和稻壳相比密度更大，气泡上升过程中，压缩木屑颗粒质量较大所受到的阻力也较大，所以扩散系数相比稻壳略小一些。在流化风速增大后，压缩木屑和稻壳扩散系数差别不大，主要是流化风速已经能够满足整个床层完全流化，颗粒的数量和密度影响不大。

本文通过文献调研，判断横向扩散系数计算结果是否准确。学者们针对不同的实验模型和采用不同的实验方法，得到了不同数量级的扩散系数，大都在10-4～10-1数量级。本文模拟得到的扩散系数范围在0.006～0.011之间，而胡南等人利用热示踪粒子测量石英砂的扩散系数在0.002～0.008，较为接近前人研究成果[18]。国内外众多学者在冷态试验台上研究了流化风速和横向扩散系数的关系，得到的结论为：流化风速增加，颗粒横向扩散系数也会增大，与本文模拟所得结论一致。