流化床气固流动二维数值模拟

黄世苗

(南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江), 广东 湛江 510420)

20 世纪70 年代末, 流化床燃烧技术以其独特的燃烧方式,高效的燃料利用手段开始进入商用阶段[1]。 由于循环流化床燃烧技术拥有传统燃烧方式所不具有的高效燃烧的特点, 大大降低的污染物排放以及运行成本, 并且适用于多种燃料燃烧, 对燃料种类不敏感以及对负荷变化的适应性强, 因此作为一项新的较为环保清洁的火力发电技术, 其拥有其他锅炉不具有的独特优势[2]。 现在循环流化床锅炉设备在世界范围上进入了产业化阶段, 并已经广泛应用于多种行业, 如电力行业、 石油开发、 化工行业、 工业及生活废弃物的能源化利用等[3]。

流化床燃烧技术, 即燃料在 “流动” 的状态下进行燃烧。流化床一般以一定粒度和数量的砂粒作为媒体, 促使燃料流态化, 因此对砂粒组成的床层进行流动特性的研究对探讨燃料燃烧、 流动以及传热十分重要。 固体床料处于流态化, 固体燃料颗粒在气流的和砂粒的共同作用下发生较大的掺混与扰动, 此时颗粒在炉膛中由于与其他固体颗粒距离较远, 可以与空气充分接触, 因此燃烧相较于固定床更加充分, 燃尽时间也相应缩短[4]。

本文将通过FLUENT 软件对床层冷态流态化进行二维数值模拟, 获得不同表观气速下床层颗粒的浓度分布以及流动状况, 并在此基础上讨论各个气速下的气固流动特性, 并对颗粒运动状况进行分析, 以定性得到固体颗粒对壁面的磨损情况。

1 模拟对象

本文模拟所需参数由50 MW 以生物质作为主要供能物质的循环流化床锅炉系统提供, 对某一以生物质作为燃料的电厂中的HX220/9.8-IV1 型纯烧生物质的循环流化床锅炉进行二维建模, 并在此基础上对炉膛中尤其是密相区的气体及固体两相的流动特性进行数值模拟[5]。 锅炉的外形尺寸及相关参数由表1 给出。

表1 锅炉外形尺寸及相关参数Table 1 Boiler overall dimensions and related parameters

双相流模型将固体相近似看做与流体相类似的连续相, 并且假设固体相与空气之间存在相互掺混。 控制方程为:

2 模型建立

本文主要分析床层在炉膛中尤其是密相区中的由静止到流态化状态的整个流动过程, 因此在此次模拟中不需考虑上层布置的受热面对于气固两相流的流场所产生的影响, 对炉膛区域进行几何模型建立时未考虑受热面管路的布置。 节点数目为24800, 为使计算结果跟准确且减小内存占用, 可将网格划分区域分为密相区和稀相区, 对此进行模拟并观察流场的变化以及个条件对流场的影响, 数值模拟的网格划分如图1 所示。 气相段和固相段的参数选取由表2 给出。

表2 气相段和固相段的参数设置Table 2 Parameter settings of gas phase and solid phase

图1 循环流化床锅炉炉膛结构示意图及网格划分Fig.1 Schematic diagram of the furnace structure and grid division of a circulating fluidized bed boiler

模拟中壁面处为无滑移边界条件, 对于欧拉多相流, 气固两相之间的湍流计算采用k-ε 模型, 设定wen-yu 模型决定两相之间相互作用的曳力, 该模型适用于次相体积分数明显低于主相的稀疏相流动。 调整一二次风的风速, 得到不同表观气速, 分析床层在不同速度气流的作用下的流动状态。

3 结果与讨论

根据不同风速下的床层颗粒的体积份额的分布及其随气体的流动状况, 可将床层的流动状态按照表观气速逐渐增大分为鼓泡床、 湍动床、 快速床和气力输送状态。

当一二次风风速较低, 表观气速为临界流化速度的2 至3倍时, 床层运动具有鼓泡床的特性。 固体颗粒主要集中在炉膛底部, 但在其内部存在体积分数较小的位置, 可以看做是一次风在流经床层时形成的气泡。 按照临界流化状态所需的表观气速为1.2 m/s 计算, 调整一次风及二次风的风速使表观气速达到3 m/s 左右, 模拟得到的不同时刻(从左到右分别为1 s、 2 s、3 s、 4 s)床层颗粒的体积分数分布如图2 所示。 床层中不断涌现气泡, 类似水沸腾的表现, 因此鼓泡床也可以叫做沸腾床。

图2 不同时刻鼓泡流化床床层颗粒体积份额Fig.2 The volume fraction of particles in the bubbling fluidized bed at different times

当送风风速加大, 达到颗粒的湍动流化速度, 但又小于颗粒的终端速度时, 床层在气流的作用下高度升高, 床层的状态被称为湍动流化床。 此时由从底部布风板送入的一次风产生的气泡由于较快汇合然后以较快的速度通过床层, 床层颗粒运动更加剧烈, 所以无法观察到气泡的具体形态。 床层处于湍动流态化时, 固体床层与上方自由空域的截面模糊, 床层逐渐分成密相区和上方的稀相区。 对湍动床的模拟得到的不同时刻床层颗粒的体积分数分布如图3 所示。

图3 不同时刻湍动流化床床层颗粒体积份额Fig.3 The volume fraction of particles in a turbulent fluidized bed at different times

表观气速略大于颗粒终端速度时, 稀相区的床层颗粒会被气流吹出, 此时炉膛下部有明显的密相区, 床层颗粒多数依旧处于该区域, 而随高度增大, 开始出现浓度较小的颗粒分布。此时由于颗粒会随气流吹出炉膛, 若要观察到稳定的快速流态化, 需要在密相区进行床层颗粒的补给。 由于本次模拟时间较短, 被吹出的床层颗粒较少, 因此未进行相应的补充。 对快速流化床的模拟得到的不同时刻床层颗粒的体积分数分布如图4所示。

图4 不同时刻快速流化床床层颗粒体积份额Fig.4 The volume fraction of particles in the fast fluidized bed at different times

表观气速进一步增大, 密相区和稀相区的区别进一步减小, 此时就形成了气力输送。 对稀相输送床的模拟得到的不同时刻床层颗粒的体积分数分布如图5 所示。 气力输送装置广泛应用于铸造、 化工、 医药、 粮食等行业。 气力输送可以根据床层补充的情况分为密相输送和稀相输送。 当床层补充量适中,颗粒的分布与快速流化床相似, 分为密相区和稀相区; 当床层补充充足时, 整个快速床全部转变为密相区, 可称为密相输送床; 当床层补充量十分少时, 整个快速床相应的就转变为稀相区, 此时的快速床即为稀相输送床。 本次模拟由于未设置床层颗粒的补充, 且模拟时间较短, 因此通过结果可以得到从固定床发展为稀相输送床的床层流动情况。

图5 不同时刻稀相输送床床层颗粒体积份额Fig.5 The volume fraction of particles in the dilute phase transport bed at different times

4 结 论

采用欧拉多相流模型和颗粒动力学理论相结合, 通过FLUENT 软件对二维冷态流化床进行了数值模拟, 并得到了不同时间上的床层颗粒体积份额的分布。 通过对不同气速下床层流动状态的定性描述得到, 随着表观气速不断增大, 床层分为鼓泡床、 湍动床、 快速床和气力输送四个状态, 并由模拟结果观察到床层颗粒在各个气速下均有不同程度的贴壁流动的现象, 对炉膛内壁面会造成不同程度的磨损。 炉膛在热态运行时磨损及腐蚀现象均加剧, 因此应在前后墙渐扩段以及后墙过渡区加强防磨保护。