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超臨界水循環流化床兩相流動特性的數值模擬
時間:2019-05-14 08:43:19

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煤炭是中國的主要能源,而以燃燒為主的煤炭傳統利用方式是中國產生大面積霧霾的主要原因。西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室前期開發了超臨界水鼓泡流化床氣化反應器,具有反應物快速升溫摻混,氣化效率高等優點。超臨界水循環流化床是在超臨界水鼓泡流化床基礎上進一步發展而來的新型煤氣化制氫反應器概念,旨在提高反應器的處理能力和運行效率。超臨界水循環流化床既具有前期超臨界水鼓泡流化床的優點,同時又具有循環流化床反應器的優勢,是一種非常有應用前景的新型煤氣化制氫反應器。

(來源:微信公眾號“循環流化床發電”  ID:xhlhcfd  作者:張航)

目前雖然已有學者對傳統循環流化床進行了全面研究并獲得了許多具有重要參考價值意義的設計和運行準則,但超臨界水循環流化床運行在高溫高壓的超臨界水工況下,其流動特性相對于傳統循環流化床有明顯區別。反應器內多相流動特性規律是影響反應器內傳熱傳質和化學反應的最重要的基本因素,也是超臨界水循環流化床研究的重要基礎課題。由于超臨界水循環流化床工作在超臨界工況下,目前通過實驗手段獲得其內部詳細流動特性較為困難且資源耗費高。隨著計算科學的快速發展,數值模擬逐漸成為多相流動動力學特性研究的主要方法之一。本文目的是通過開展數值模擬研究對超臨界循環流化床提升管內兩相流動特性進行全面了解,并基于數值模擬研究結果對超臨界水流循環化床反應器設計運行提供理論指導。

本文在歐拉雙流體模型和顆粒動力學理論的基礎上,建立氣固循環流化床和超臨界水循環流化床提升管中的兩相連續方程、動量方程等控制方程,對兩種循環流化床提升管內的兩相流動進行數值模擬。首先考慮不同曳力模型及層流和湍流模型對氣固循環流化床提升管數值模擬結果的影響,然后將超臨界水循環流化床提升管中的兩相流動特性與氣固循環流化床進行比較。并研究表觀流速對超臨界水循環流化床提升管中固相體積分數、顆粒軸向速度的影響。

1數值模擬方法

1.1控制方程

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式中,下標i代表氣相和固相。

嚴格的動量守恒方程還應包括升力、虛擬質董力等。但由于升力和虛擬質量力與曳力相比很小,可以忽略。

曳力模型中常用的有Gidaspow曳力模型和基于循環流態化的不均勻流動結構特征的EMMS曳力模型。

一般來說提升管內的流動為湍流,當考慮湍流帶來的影響時,需要用湍流模型來封閉控制方程,本文采用使用得比較廣泛的標準k-e方程。

1.2物理模型

本文采用的物理模型是文獻中的大尺度循環流化床的提升管部分。圖1給出了循環流化床中提升管的縱截面示意圖。床高14.2m,床直徑0.2m。均勻氣流以5.2r?s-1的速度從提升管下部的布風板沿袖向進入床體。同時有兩股氣固流以0.476m?s-1的速度從提升管的兩個對稱側面入口沿徑向進入床體,入口寬度為0.1m,入口中心線距離布風板0.3m,且此氣固流中固相體積分數為0.4。氣體和顆粒從寬度為0.1m的兩個對稱出口流出,出口中心線距離提升管頂部0.3m。固體顆粒采用FCC顆粒,直徑為7.6xl0-5m,密度為1712kg?m-3。本文首先對氣固循環流化床提升管進行模擬,并與Knolton的實驗數據進行對比。然后采用此結構對超臨界水循環流化床提升管中的兩相流動特性進行模擬。

1.3網格劃分

主要采用矩形網格對圖1幾何體進行劃分。忽略湍流的數值模擬采用的網格的中間部分如圖2(a)所示,節點在徑向和柚向方向均勻分布。徑向有18個網格,軸向有536個網格,即計算區域共9648個網格。時間步長為4xl0-4s??悸峭牧韉氖的D獠捎玫耐竦鬧屑洳糠秩繽?(b)所示,節點在徑向為不均勻分布,第一個節點距離壁面2.2xl0-3m,并以1.2的比例在徑向增長,徑向最大長度為0.01m,徑向共有28個網格。在軸向有288個網格,即計算區域共8064個網格。時間步長為3xl0-4s。

1.4邊界條件和初始條件

1.4.1邊界條件

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2)壁面邊界條件由于壁面的形狀與物理性質與顆粒相比差異較大,顆粒與壁面碰撞恢復系數與顆粒間的碰撞恢復系數應該不同。根據Gidaspow的研究,一般假定壁面顆粒碰撞恢復系數低于顆粒間碰撞恢復系數,因為顆粒間的碰撞更加接近完全彈性碰撞。因此將顆粒間碰撞恢復系數設為0.99,顆粒與壁面的碰撞恢復系數設為0.95。

將氣相的邊界條件設為無滑移邊界條件,固相的邊界條件設為部分滑移邊界條件,反射系數設為0.002。

1.4.2初始條件

系統初始為空床,溫度設為等溫的300K,壓力為0.1MPa,顆粒溫度為1x10-5m2?s-2??掌拿芏任?.16kg?m-3,黏度為1.84xl0-5kg?m-1s-1,采用的超臨界水的密度為87.379kg.m-3,黏度為3.517xl0-5kg?m-1.s-1。

2結果及討論

2.1模型驗證

圖3給出了距離布風板3.9m處床層的固相密度計算值和實驗數據。其中模擬數據分為4個部分:湍流、EMMS曳力模型;湍流、Gidaspow曳力模型;層流、EMMS曳力模型;層流、Gidaspow曳力模型。從圖中可以發現湍流、EMMS曳力模型以及層流、EMMS曳力模型的模擬值與實驗數據都體現出在提升管中心區顆粒濃度較低,在近壁面處顆粒濃度相對較高的特點,即環核流動結構。而在其他模型中此環核結構并不明顯。另外,雖然湍流、EMMS曳力模型以及層流、EMMS曳力模型均呈現出環核流動結構,但后者的模擬值更加接近實驗值。一般來說,循環流化床提升管中的流動為湍流,其雷諾數較高,但是除非湍流模型中的經驗常數準確,能正確描述湍流流動,否則使用湍流模型帶來的誤差甚至要大于使用層流模型帶來的誤差。此外,由于k-e方程由流體發展起來的,若對顆粒相也使用湍流方程,得到的結果的準確性也值得商榷.這些原因導致忽略湍流反而得到的結果要準確。

另外,可以發現,層流、EMMS曳力模型數值模擬的近壁面處的固相密度結果比實驗結果要小。Zhang和Arastoopour發現,在混合物中粒徑較大的顆粒要比粒徑較小的更容易在近壁面處集聚,但是在數值模擬中采用的只是單一粒徑的顆粒,這顯然會使近壁面處的固相密度模擬值小于實驗數據。此外根據質量守恒定律,這會導致提升管中心區顆粒濃度要高于實驗數據,圖3也呈現了這種現象。

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圖4給出了距離布風板3.9m處床層的顆粒質量流量的數值模擬結果和實驗數據。如圖所示,層流、EMMS曳力模型的模擬值與實驗數據較為接近,提升管中心處的顆粒質量流量較高而近壁面處的顆粒質量流量較低,由于提升管存在環核結構,說明近壁面處顆粒速度低于中心處的顆粒速度。此外可以發現,近壁面處的顆粒向下運動。近壁面處向下流動的顆粒和提升管中心向上流動的顆粒形成了內循環的流動結構。

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鑒于圖3、4的結果,采用層流、EMMS曳力模型對超臨界水循環流化床提升管進行數值模擬。

2.2超臨街水循環流化床與氣固循環流化床顆粒運動對比

圖5比較了在表觀流速均為5.2m?s-1時的氣固循環流化床和超臨界水循環流化床提升管距離布風板3.9m處床層的固相密度分布。從圖5中可以看出,超臨界水循環流化床中的兩相流動同樣存在環核流動結構。但是在超臨界水循環流化床中,中心處和近壁面處的濃度梯度要遠小于氣固循環流化床。此外,對于相同位置處,超臨界水循環流化床中的固相體積分數要小于氣固循環流化床,這種差距在近壁面處尤其明顯。

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圖6比較了在表觀流速均為5.2m?s-1時氣固循環流化床和超臨界水循環流化床提升管高度3.9m處床層的顆粒質量流量分布。從圖6中可以看出,超臨界水循環流化床中近壁面處同樣存在內循環的流動結構。此外超臨界水循環流化床沿徑向的顆粒質量流量比氣固循環流化床要小,可能是由于超臨界水循環流化床中的固相體積分數要更小造成的。

2.3表觀流速對超臨界水循環流化床流動特性的影響

2.3.1固相密度

圖7表示在相同的物料循環量下,床層距離布風板3.9m處,不同的表觀流速下的固相密度徑向分布。從圖7可以看出,其他條件不變的情況下,當表觀流速逐漸增大時,固體體積分數逐漸減小。這是因為,進口顆粒流量恒定,而單位時間內離開出口的顆粒量也恒定,因而隨著表觀流速的增加,顆粒的速度也增加,進而使得固體體積分數減小。此外,可以發現近壁面處的環形區域變薄,可能是由于表觀流速的增加不利于顆粒在近壁面處聚集。

2.3.2顆粒軸向速度

圖8表示在相同的循環量下,床層距離布風板3.9m處不同的表觀流速情況下的顆粒軸向速度的徑向分布.從圖8可以看出,顆粒速度隨著表觀流速的增大而增大。此外,雖然顆粒速度隨著表觀流度的增大而增大,但不同區域顆粒速度增長的幅度并不相同。提升管中心處顆粒速度增加的幅度要大于近壁面處增加的幅度,即顆粒速度的徑向梯度增大。這可能是由于氣體速度呈現中心處速度較高而近壁面處速度較低的速度分布規律,氣體速度沿徑向分布的不均勻導致不同位置的曳力不同,進而使得不同位置顆粒速度增加的幅度存在中心高而近壁面處低的差異。

3結論

本文采用數值模擬方法對氣固循環流化床提升管以及超臨界水循環流化床提升管的顆粒軸向速度、固相體積分數和質量流量等特性進行研究,并得到了表觀流速對以上流化特性的影響,結論如下:

1)氣固循環流化床提升管中,EMMS曳力模型模擬結果的準確度要高于Gidaspow曳力模型,很好地體現了提升管中氣固流動的不均勻結構;忽略揣流得到的結果要準確。循環流化床提升管存在中心處顆粒濃度較低、流速較快,而近壁面處顆粒濃度較高、流速較慢的環核結構。

2)超臨界水循環流化床提升管中同樣存在著環核流動結構。但超臨界水循環流化床中心處和近壁面處的顆粒濃度梯度要遠小于氣固循環流化床。此外,對于相同徑向位置處,固相體積分數要小于氣固循環流化床,這種差距在近壁面處尤其明顯。

3)隨著表觀流速增加,超臨界水流化床提升管發生以下變化:床層內固相體積分數減小,近壁面處的環形區域變??;顆粒軸向速度增大且提升管中心處顆粒速度增加的幅度要大于近壁面處。


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