颗粒下行速度

第41卷第3期20l0年5月锅炉技术B0ILERTECHN0IOGYVo1.
41,No.
3May.
,2010文章编号:CN31—1508(2010)05—0021—06循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟王建军,李东芳.
,姬广勤,金有海(1.
中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061;2.
海洋石油工程股份有限公司,河北塘沽300451)关键词:循环流化床锅炉;双流体模型;气固两相流;数值模拟摘要:利用CFD软件Fluent,基于颗粒动力学理论的双流体模型对循环流化床锅炉(CFBB)炉膛内气固两相流的宏观流动特性进行了数值模拟.
将炉膛压降沿轴向的分布规律与理论值对比,验证了本次数值模拟计算的准确性.
通过定性与定量分析,得到炉膛内颗粒固含率呈中心高,边壁低的"环一核"流动结构及颗粒轴向速度中心处向上,边壁处向下的内循环流动形式.
另外,改变操作气速与质量循环流率,沿轴向炉膛中下部区域及沿径向边壁区颗粒固含率分布的影响比较显著.
同时,操作条件对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒向上速度变化的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化.
边壁处的气固两相流动规律还有待于进一步研究.
中图分类号:TK227.
1文献标识码:A0前言目前,对于循环流化床内的气固两相流主要集中在对循环流化床反应器I】]及鼓泡床[3的研究.
循环流化床锅炉炉膛内和循环流化床反应器内的气固两相流动特性有一定的差别,不仅体现在燃烧室的高径比,循环系统中采用的颗粒循环流率,床料的特性,而且循环流化床锅炉有二次风的加入,对循环流化床锅炉内气固两相流的研究并不多_5].
本文以欧拉双流体模型和颗粒动力学理论为基础采用CFD软件Fluent研究对循环流化床锅炉炉膛内气固两相流动特性的影响进行数值模拟.
1计算模型及数值方法1.
1几何模型及计算条件图1为整个循环流化床锅炉循环系统几何模型及网格模型,模型按照工业装置l2:1缩小得到.
沿流化床的径向为X方向,沿炉膛的高度方向为y方向.
1.
2计算方法本文中选用欧拉双流体模型[7],固相应用颗粒动力学理论,气相采用一5湍流模型.
对于压力一速度耦合,采用PhaseCoupledSIMPLE算击250图1循环流化床锅炉二维模型及炉膛区域网格法.
速度的求解被相耦合,但是用分离的方式,采用多重网格方案同时地求解各相速度分量形成的矢量方程.
空隙率选用QUICK格式,以提高计算精度,使得相之间界面清晰.
其余项选用二阶迎风格式.
计算中气相介质为常温空气,固相介质为石英砂颗粒,颗粒平均直径为o.
245mm,颗粒密度10:2300kg/m.
,堆积密度p一1367kg/m.
.
(1)人口边界条件:气固两相的人口在计算中均采用均匀的速度人口边界条件,一次风进口"0—2.
0m/s,二次风人口处===2.
86m/s,采用K--s模型,模型参数设置见文献[83.
(2)出口边界条件:出口处采用压力出口边收稿日期:200905—21作者简介:王建军(1971一),男,博士.
副教授,主要从事流态化、多相流分离的研究.
22锅炉技术第41卷界条件,出口处设定为标准大气压.
颗粒的出口边界条件设置为连续性边界条件.
(3)壁面边界条件:颗粒采用Johnson和Jackson部分滑移边界条件,通过引入不同的镜面反射系数及颗粒与壁面的恢复系数,对颗粒在边壁附近的运动进行描述.
气相在壁面处为无滑移边界,该处速度为零.
(4)初始边界条件:初始计算时,设立管处有颗粒堆积,以便于形成循环系统,颗粒堆积静止高度h一1.
2m,堆积密度为0.
63;在计算区域的其余部分均为气体所充满.
2计算结果及分析2.
1压降分布研究循环流化床内压降直接反映了固体颗粒的载料量和气固之间的动量交换.
床层压降的计算能用于判断数值模型计算的准确性].
张瑞英等提出循环流化床的床层压降的计算公式,发现床层压降与颗粒固含率基本成线性关系.
该计算公式没有考虑床层边壁颗粒向下流动的影响.
户一1.
1335pg(1--e)^+O.
0047(1)本文也只选取了核心区域的数值来计算床层截面平均空隙率.
图2所示为数值计算值与理论分析值的对比结果.
如图所示,沿炉膛从底部到顶部,床层压降先急剧下降,随后逐渐减小至恒定值.
从图中可以看出两者吻合较好,证实了本次数值计算的可靠性.
床高,m图2轴向压降的模拟值与文献[11]值的对比2.
2气固两相瞬时流场分布图3为不同特征时刻循环流化床锅炉炉膛内颗粒固含率的分布.
由图可直观地看到,在计算的初始阶段,颗粒在床层底部颗粒并不是均匀弥散分布的,而是部分颗粒会形成不规则形状的团聚物,在床层内不断的聚合与解体,同时与气体发生强烈的混合.
未形成团聚物的颗粒很容易被气流携带悬浮上升到床层的上部,部分颗粒团聚物由于其形态发生变化,使其迎风面积增加,也会被气流带着上升.
其中一部分颗粒会被气流携带出炉膛,进入旋风分离器进行外循环.
随着时间的推移,颗粒会悬浮于整个炉膛内.
在炉膛上部稀相段,沿床层径向方向,颗粒也存在团聚现象,且容易发生在边壁处,因此颗粒固含率在边壁处较高,中心处低,呈现典型的环一核结构.
同时沿床层高度方向,颗粒在宏观上可表现为在炉膛内颗粒固含率上稀下浓的分布趋势.
t=6.
5St=9.
5St=15.
5st=20.
5st=-25.
5s图3不同时刻炉膛内颗粒固含率的瞬时分布图4为炉膛内颗粒速度场全貌图及沿轴向不同区域的局部放大图.
由图可知,颗粒在炉膛内中心气速比较高,边壁区域气速较低,并且由局部图可看出,颗粒呈现在中心区域向上流动,在边壁处向下流动的内循环流动结构.
这种内循环结构沿炉膛高度方向的中部悬浮段比较明显.
在炉膛顶部,由于出口结构的约束作用,颗粒在该处做折转运动,部分颗粒与炉膛顶部相撞后,被反弹沿边壁向下运动,形成内循环物料.
在炉膛底部,可看到沿边壁下落的颗粒在到达床层底部之后,会被一次风加速,折转向上运动,形成炉膛内循环的流动特性.
同时在二次风口区炉膛顶部悬浮段下部密相区局部放大图全貌图图4炉膛内颗粒速度场分布器裟555——第3期王建军,等:循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟23域,气固两相的混合比较强烈,二次风的扰动使得沿二次风口一侧边壁下落的颗粒运动发生改变,因此改善了气固之间沿床层轴向与径向上的混合.
因此,这部分颗粒很难到达床层底部,会在一次风和二次风的作用下,改变运动方向折转向上运动,可以看出二次风对颗粒沿轴向向上运动会有加速的作用,同时会阻止颗粒到达下部密相区,减小底部密相区的燃烧负荷.
2.
3颗粒时均流动规律对气固两相流场进行非稳态计算,计算时间持续到35S以获得稳定的结果,并取最后20s作为时间样本.
图5是炉膛不同高度处颗粒时均固含率分布,表明在炉膛上部稀相段,颗粒分布呈现在中心区域固含率低且分布比较均匀,在近壁处固含率高的"环一核"流动结构:在炉膛中心区域,颗粒固含率较小且分布比较均匀,并沿轴向变化较小;而在炉膛边壁区,颗粒固含率则明显高于核心区且随着半径的增大而增大,在壁面处达到最大值.
同时,随着炉膛高度的增加,颗粒固含率无论是在中心区域还是边壁区域都是逐渐减小的,但边壁处颗粒固含率降低较为明显,而且中心区域与边壁区域的颗粒固含率差也会减小,即颗粒固含率沿径向分布趋于均匀.
也正如图3中看到的炉膛内呈明显的上稀下浓的分布状况.
在二次风进口附近,由于二次风的横向作用致使进风口对面的壁面上颗粒固含率比进风口侧壁面上颗粒固含率高,但随着高度的增加,气固混合愈加均匀,颗粒固含率分布趋于平缓.
{褂钿围图5不同炉膛高度处颗粒时均固含率分布图图6是颗粒固含率沿床层高的轴向分布.
从图中可知,颗粒固含率总体呈现上稀下浓的分布规律.
颗粒固含率的最大值出现在返料口附近(一0.
3m)处.
这主要是由于二次风的加入在该处外循环物料的返回固含率比较高.
随着床层高度的增加,颗粒固含率在h一0.
3m~0.
7m的范围内又迅速下降,即存在一个快速转变区,主要是因为在该区域由于二次风的加入,使得床层孑L隙率增加.
随后床层中上部颗粒固含率逐渐减小且趋于均匀,占据大部分床层.
在二次风上部区域的稀相段,颗粒固含率沿轴向的分布是呈单调指数分布的.
这与文献[5]中的结论是一致的.
僻抽圈氍图6颗粒固含率沿床高的轴向分布图图7为不同炉膛高度处,颗粒时均轴向速度分布.
选取轴向3个截面一1ITI,2m,3Ill,主要是考虑二次风位置Y一0.
9m以上到炉膛出口Y一3.
75ITI以下炉膛高度范围内,颗粒的流动特征.
从图中可以看出,在各个位置上,颗粒的轴向速度分布相似,均为在中心区域为正,在边壁处为负,这意味着颗粒的运动形式为中心处向上、近壁面处向下的内循环流动结构.
这与文献[5]研究的规律相符.
在该操作条件下,沿炉膛高度方向,中心区域颗粒的上行速度基本随着炉膛高度的增加而增加,同时曲线由分布平缓变成抛物线分布趋势.
在边壁处,颗粒下行速度随着炉膛高度的增加而减小.
2.
01.
51.
O0.
50.
0一O.
5—1.
0—1.
5-2.
O一2.
50.
000100.
2O03O040朋In图7不同炉膛高度处颗粒时均轴向速度分布24锅炉技术第41卷图8为不同炉膛高度截面处颗粒径向速度分布,在炉膛稀相段,颗粒径向速度分布呈"倒S"型分布,表明颗粒在环形区域和核心区域之间的运动方向,颗粒由核心区域向环形区域运动,而后形成絮状物向下运动.
如图所示,颗粒在径向大部分区域内,是向左侧边壁(即X轴负方向)运动的.
在Y一1.
0m处,由于二次风的影响,以及在一3.
0m处,由于炉膛上部出口结构的影响,都增加了颗粒沿径向的运动趋势;说明沿炉膛高度中部悬浮段,颗粒沿径向的运动趋势不大,"环一核"流动结构是比较稳定的.
{图8不同炉膛高度处颗粒时均径向速度分布2.
4操作条件对颗粒流动特性的影响通过改变操作气速以及颗粒循环流率,研究颗粒宏观流动特性,主要从颗粒沿床层轴向与径向的非均匀流动特性来分析.
图9为不同操作气速及质量循环流率下的颗粒时均固含率径向分布.
由图9(a)为一定颗粒循环流率下,改变操作气速,炉膛轴向截面上颗粒固含率径向分布规律.
由图可知:随着操作气速的增大,床层截面平均固体颗粒固含率下降,颗粒固含率的径向分布相对趋于均匀,即边壁处与核心区域的颗粒固含率差减小;气速增大,炉膛底部颗粒固含率在边壁处减小的程度比较显著;在炉膛中部和上部区域,颗粒固含率变化不明显.
主要是由于颗粒沿高度方向已经到达了炉膛的充分发展段,基本处于稀相气力输送的状态,同时颗粒固含率沿床层高度方向基本保持不变.
图9(b)为一定操作气速下,改变颗粒循环流率,炉膛轴向截面上颗粒固含率径向分布规律.
颗粒循环流率越大,整个截面上颗粒固含率越大.
在炉膛中下部区域,颗粒循环流率对边壁处的颗粒固含率影响要显著于对中心处的影响.
在炉膛上部区域,颗粒循环流率增大使得整个截面沿径向颗粒固含率都呈现明显增大趋势,这主要是因为出口结构的影响,使得到达炉膛顶部的颗粒回流量增加,出口结构的影响区域延伸至Y一3m处.
0.
0oO.
100.
2O0.
300.
40X/mO0oO.
1O0.
20O.
3O0.
40X/m(a)不同气速工况0.
O00.
100.
2O03O0.
40X/m匿薰篷图9不同操作条件下,颗粒时均固含率径向分布由图9可见,在不同的操作条件下,颗粒固含率沿径向都呈现中心低,边壁高的的分布规律.
虽然炉膛各个截面颗粒固含率均随表观气速【,g的减小或颗粒循环速率G的增大而增加,但在炉膛不同高度处,不同径向区域的颗粒固含率对操作条件变化的敏感程度不同.
操作条件改变,主要体现在对炉膛中下部区域的影响比较大,同时边壁区的颗粒固含率受【,g和G.
的影响相对比较显著.
图1O为在不同操作气速及质量循环流率条m∞OO0OOOO∞、∞第3期王建军,等:循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟25件下,不同炉膛高度截面上的颗粒轴向速度沿径向的分布规律.
图lo(a)表明随着操作气速增大,炉膛内任一截面的颗粒速度增加.
中心区域颗粒向上运动的速度增大的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化.
在炉膛下部区域一1.
0~2.
01TI高度范围内,颗粒加速能力增强,中心区域向上运动的速度增大,颗粒的加速效果显著.
这主要是由于在保持一次风率不变的条件下,增大一次风速,二次风速也会增加,因此提高了二次风对颗粒的再次加速作用.
随着高度的增加,二次风作用减弱,中心颗粒速度增加的趋势减小.
而边壁环形区颗粒向下的速度,在炉膛大部一2·O一6分区域,随着气速的增加而增加,而在顶部区域一3m处,随着气速的增加而减小.
这与黎小波Ⅲ的结论不完全相符.
分析原因可能是由于:气速提高,颗粒的横向扩散率增加,颗粒向边壁处运动的趋势增强;在床层下部区域,颗粒固含率比较大,操作气速使颗粒在边壁区域的聚集效应更加明显,颗粒所受重力和曳力都增加,但对于大的颗粒团重力的增加值要大于曳力的增加量,所以使得颗粒在边壁处向下运动的趋势增强,而在炉膛顶部区域颗粒充分发展,固含率变小,边壁处颗粒团聚效应减弱,气固曳力占主导作用,颗粒速度减小.
这方面研究还有待于进一步研究.
萎8o一8.
o—O00.
100.
2O0.
300.
40X/mO.
oo0.
100.
200.
300.
40X/m0.
O00100.
200.
300.
40X/m4.
08.
o一0.
O00.
1002O0.
300.
40.
V/m0.
O00.
100.
200.
300.
400.
O00.
100.
200.
300.
40X'/m3f/m(b】不同质量循环流率工况图1O不同操作条件下,时均颗粒轴向速度径向分布由图10(b)可知,随着颗粒循环流率的增加,不同径向区内颗粒速度受影响的程度不同.
同样表现为中心区域颗粒的向上速度增大的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化.
在中心区域,颗粒向上的运动速度随着颗粒循环流率的增加而增大,这是由于颗粒循环流率的增加,炉膛内截面颗粒固含率增加,在床层中心区域局部气速增大,因此气固曳力增加,颗粒向上的速度增加.
而边壁处向下的颗粒速度,在床层大部分区域,随着颗粒循环流率的增加而增加,在顶部区域,影响不显著.
这是因为:边壁区局部气速减小,气固曳力减小,同时由于颗粒固含率增加,颗粒更容易团聚,重力作用给颗粒的影响也会使颗粒向下的速度增加,在炉膛顶部区域颗粒充分发展,颗粒聚集效应减弱,因此变化不明显.
同时,颗粒质量循环流率越大,在炉膛内更容易形成边壁下行颗粒流,即边壁流的延伸长度也越长.
在不同的操作条件下,炉膛内颗粒轴向速度沿径向基本呈现中心区域向上,且速度值大,边壁区域向下,且速度值小的分布趋势.
同时操作条件对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒的向上速度变化的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化.
边壁处的下行颗粒流由于该区域内复杂的气固相互作用及颗粒团聚的影响使得其规律还有待于进一步研究.
3结论结合颗粒动力学理论,采用双流体模型,对炉膛内气固两相流的宏观流动特性的影响进行数值模拟.
将炉膛压降沿轴向的分布规律与理论值对比,验证了本次数值模拟计算的准确性.
26锅炉技术第41卷(1)通过定性与定量分析,得到颗粒固含率沿炉膛轴向呈典型的上稀下浓及沿径向方向呈环一核流动分布.
颗粒速度在中心区域较高且向上,边壁区速度值较低且向下的内循环流动结构.
(2)炉膛各个截面处,颗粒固含率均随表观气速【,的减小或颗粒循环速率G的增大而增加,但在炉膛不同高度处,不同径向区域的颗粒固含率对操作条件变化的敏感程度不同.
操作条件改变,主要体现在对炉膛中下部区域的影响比较大,同时边壁区的颗粒固含率受和G的影响相对比较显著.
(3)操作条件对颗粒轴向速度的影响都表现为中心区域颗粒的向上速度变化的效果要显著于边壁处向下运动速度的变化.
边壁处下降流的变化还有待于进一步研究.
参考文献:[1]姜秀民,马玉峰,崔志刚,等.
水煤浆流化悬浮高效洁净燃烧技术研究与应用[J1.
化学工程,2006,34(1):62—65.
E2]吴东垠,李吉武,许晖.
水煤浆燃烧技术在胜利油田的应用[J].
工业锅炉,2005(3):23—26.
[3]D.
Gidaspow,R.
Bezburuah,J.
Ding.
Hydrodynamicsofcir—culatingfluidizedbeds[C].
FluidizationVIIproceedingsofthe7thengineeringFoundationconferenceonfluidization,1992:75—82.
[4]白丁荣,金涌,俞芷青,等.
快速流化床截面平均空隙率轴向分布及其影响因素口].
化学反应工程与工艺,1990.
6(1):63~71.
[5]DingJ,GidaspowD.
Abubblingfluidizationmodelusingki—netictheoryofgranularflow[J].
AIChEJ,1990,36(4):523—538.
L6]杨太阳,王安仁,张锁江.
气固鼓泡流化床的流动特性数值模拟[J].
计算机与应用化学,2005.
22(3):206—210.
[73FluentInc.
.
Fluent6.
2User'SGuide[M].
2005.
[83王福军.
计算流体动力学分析——cFD软件原理与应用[M].
北京:清华大学出版社,2004:215—216.
[91祁海鹰,由长福,徐旭常.
稠密气固两相流动欧拉数值模拟的理论与实践[C].
Fluent第一届中国用户大会.
[103张瑞英,罗国华,刘建生,等.
快速流化床压降之研究[J1.
化学反应工程与T艺,I990,6(2):24—28.
[11]漆小波.
循环化床提升管气固两相流动力学研究[D].
成都:四JII大学,2003.
NumericalSimuIatiORoftheGas.
solIdFlowinCirculatingFluidizedBedBoilerWANGJian—jun,LIDong—fang,JIGuang—qin,JINYou—hai(1.
CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Dongying257061,China;2.
OffshoreOilEngineeringCo,Ltd.
,Tanggu30045i,China)Keywords:CirculatingFluidizedBedboiler;two~fluidmodel;gas—solidtwo—phaseflowfield;numericalsimulationAbstract:UsingtheCFDsoftwareFluent,basedonthetWO—fluidmodelcombiningwiththekinetictheoryofgranularflow,thenumericalsimulationofgas—solidtwo—phaseflowfieldwasperformedforacirculatingfluidizedbedboiler.
Comparisonofthesimulatedpressuredropwiththetheoreticalvalueteststhevalidationofthisnumericalsimulation.
Throughthequalitativeandquantitativeanalysis,itisanalyzedthattheparticleconcentrationdistributionshowsacore—annularflowframewherethesolidisdenserintheannularregionthancoreregionandtheparticleaxialvelocityshowstheinternalcirculationpatternthattheparticlemovementiSupwardinthecorezoneanddownintheannuluszone.
Inaddition,underdifferentoperatingcondition,particlevolumefractiondistributionisaffectedprominentlyatthelower—middlezonealongtheaxialdirectionandatthewallareaalongtheradialdirection.
Furthermore,theeffectofoperatingconditionontheparticlevelocityreflectsthatthechangingofupwardparticlevelocityatthecoreareaismoreobviousthanatthewallarea.
Thegas—solidflowpatternatthewallareaneedsfurtherinvestigation.