王海艷，郝振華，王志雨，房倚天

(1.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030001;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

多段分級(jí)轉(zhuǎn)化流化床氣化爐(MFB)是一種新型流化床煤氣化技術(shù)，由鼓泡射流流化床與快速流化床通過(guò)變徑漸縮段耦合而成。MFB下部處于鼓泡流態(tài)化區(qū)，大顆粒煤粉顆粒在此進(jìn)行氣化反應(yīng)，在中心射流區(qū)團(tuán)聚成球，并通過(guò)選擇性灰分離裝置實(shí)現(xiàn)干法排灰過(guò)程[1]。為提高帶出半焦細(xì)粉轉(zhuǎn)化率，將原有擴(kuò)大段改為快速流化床，使顆粒處于快速流態(tài)化區(qū)以便改變氣固接觸狀況，通過(guò)提高循環(huán)比增加固體濃度和細(xì)粉停留時(shí)間，并提高快速床反應(yīng)溫度，進(jìn)而提高半焦細(xì)粉碳轉(zhuǎn)化率。此外上部快速床還可部分進(jìn)煤，利用鼓泡流態(tài)化區(qū)高溫煤氣顯熱，進(jìn)行煤的熱解。如果熱解、氣化在同一流化床中進(jìn)行，產(chǎn)生的揮發(fā)組分、輕烴類(lèi)氣體以及氫氣會(huì)對(duì)半焦的氣化產(chǎn)生抑制[2,3]。而MFB將煤的氣化和熱解過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)煤的分級(jí)轉(zhuǎn)化，從而提高了碳的轉(zhuǎn)化率。因此，MFB實(shí)際上為鼓泡流動(dòng)和快速流動(dòng)形態(tài)共存的可以實(shí)現(xiàn)煤的分級(jí)轉(zhuǎn)化的一種新型粉煤氣化技術(shù)。

多種流態(tài)形式的耦合技術(shù)已有研究，梁萬(wàn)才等[4]研究了灰熔聚流化床和氣流床技術(shù)耦合的兩段式煤氣化爐，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)流動(dòng)形態(tài)較復(fù)雜，一、二段反應(yīng)區(qū)連接的喉口使?fàn)t內(nèi)形成返混區(qū)和局部回流區(qū)域。王德武等[5]將快速床與氣固環(huán)流床耦合，發(fā)現(xiàn)快速床出口存在一個(gè)顆粒約束返混區(qū)。Gan等[6]研究了底部變徑的新型快速床，發(fā)現(xiàn)床內(nèi)同時(shí)存在多種流型，底部擴(kuò)徑段為濃度徑向分布較均勻的密相床，上部為稀相床，下部流型對(duì)上部影響不大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及顆粒動(dòng)理學(xué)模型[7]、氣固曳力模型[8,9]等的不斷發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）成為考察流化床內(nèi)氣固兩相流動(dòng)行為的重要途徑。張鍇等[10]采用雙流體模型模擬了Geldart B類(lèi)物料的鼓泡流動(dòng)特性，模擬結(jié)果與經(jīng)典理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，表明該模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性。湯顏菲等[11]運(yùn)用顆粒動(dòng)理學(xué)理論與Gidaspow曳力模型模擬快速床內(nèi)的稀疏氣固流動(dòng)，計(jì)算得到了較合理的顆粒軸向及徑向濃度分布。本工作將在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上采用雙流體模型對(duì)MFB內(nèi)的氣固流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究，主要分析在鼓泡和快速流動(dòng)形態(tài)耦合作用下，MFB內(nèi)整體以及局部濃度變化規(guī)律，為MFB的設(shè)計(jì)、操作以及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental appratus1-jetting fluidized bed;2-reducing pipe;3-riser;4-bag filter;5-secondary cyclone;6 primary cyclone;7-storage;8-standpipe;9-non-mechanicalvalve;10-butterfly valve;11-rootsblower;12-compressor

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)在冷態(tài)多段分級(jí)轉(zhuǎn)化流化床中完成的，裝置如圖1所示。裝置主體由下部鼓泡射流流化床和上部快速床提升管組成。射流流化床內(nèi)徑300 mm，高1.5 m；快速床內(nèi)徑為150 mm，高8 m。它們之間通過(guò)縮徑漸縮段連接。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，截面壓降和局部固體濃度采用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研制的壓力傳感器和PC6D型顆粒濃度測(cè)定儀測(cè)定，實(shí)驗(yàn)值取多次測(cè)量的平均值。

2 氣固兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

歐拉雙流體模型認(rèn)為固相和流體相是共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)，兩相流動(dòng)用Navier-Stokes方程描述。李靜海等[12]研究發(fā)現(xiàn)，曳力是顆粒與流體間相互作用的最基本形式，其他形式的相間作用在一定條件下可以忽略。為了封閉方程，固相壓力和粘度采用顆粒動(dòng)理學(xué)理論計(jì)算，氣固相互作用則采用Gidaspow曳力模型實(shí)現(xiàn)。

氣固兩相質(zhì)量守恒方程

氣固兩相動(dòng)量守恒方程

其中

顆粒湍流動(dòng)能守恒方程

其中

曳力模型

其中

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算參數(shù)

取MFB床內(nèi)0～5.0 m區(qū)域（圖1虛線框部分），構(gòu)建三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。初始時(shí)刻鼓泡床內(nèi)填充一定量的均勻球形固體顆粒，床內(nèi)氣相和固相初始速度均為零。入口按實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置兩相的速度及體積分?jǐn)?shù)。頂部采用壓力出口邊界條件，在壁面處，氣相采用無(wú)滑移邊界條件，固相采用Sinclair和Jackson[13]提出的考慮顆粒與壁面的碰撞和顆粒與壁面的簡(jiǎn)單摩擦作用的壁面邊界條件?？障堵什捎肣UICK離散格式，其它方程選擇二階迎風(fēng)格式，采用Standard湍流模型，采用SIMPLE算法在多相流中的擴(kuò)展版PC-SIMPLE算法。其它參數(shù)設(shè)置如表1所示。采用非穩(wěn)態(tài)隱式求解，0.000 5 s的時(shí)間步長(zhǎng)推進(jìn)，直至計(jì)算收斂。為保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定性，計(jì)算持續(xù)50 s，取后30 s為時(shí)間平均樣本分析。

表1 實(shí)驗(yàn)和模擬參數(shù)Table 1 Parameters for experiments and simulations

3.2 MFB整體濃度分布

當(dāng)ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時(shí)MFB內(nèi)30 s到30.5 s時(shí)間內(nèi)縱截面顆粒瞬時(shí)體積濃度云圖如圖2所示。由圖可見(jiàn)，小氣泡在錐形分布板上方形成，且沿床層上升過(guò)程中，發(fā)生聚并。MFB床下部平均濃度較高(αs＞0.20)，呈現(xiàn)明顯的鼓泡流動(dòng)形態(tài)。氣體經(jīng)變徑漸縮段加速后，MFB床內(nèi)上部顆粒濃度分布表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不均勻性：邊壁濃度高(αs＞0.12)、中心區(qū)域濃度低(αs＜0.04)，并形成了一個(gè)明顯的氣體通道。MFB床上部(H＞2.5 m)呈現(xiàn)明顯的快速流動(dòng)形態(tài)，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象相符。

圖2 顆粒瞬時(shí)濃度分布圖（縱截面）Fig.2 Distribution of instantaneous concentrations of solid

當(dāng)ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時(shí)，MFB內(nèi)時(shí)均濃度軸向分布模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示。右邊的線表示MFB的結(jié)構(gòu)示意圖，H為2.5 m是回料口位置。由圖可以看出，在回料口以上的MFB床內(nèi)濃度呈指數(shù)型分布?；亓峡谝韵拢℉=1.9～2.5 m）部分其濃度自下而上逐漸增加，不同于傳統(tǒng)的快速床濃度分布（見(jiàn)圖右上角），從而使MFB床內(nèi)鼓泡流動(dòng)區(qū)域、變徑漸縮段、快速床底部三部分軸向濃度總體上呈“C”型分布。由此可見(jiàn)，對(duì)于兩種流型的耦合，其軸向濃度分布并非兩種流態(tài)形式的簡(jiǎn)單疊加，變化過(guò)程較為復(fù)雜，在實(shí)際設(shè)計(jì)和操作當(dāng)中應(yīng)充分理解其內(nèi)在規(guī)律。圖中同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為接近。

圖3 時(shí)均顆粒濃度軸向分布Fig.3 Axial distribution of solid concentrations

3.3 MFB快速床稀相段顆粒濃度分布

ug為4.4 m/s、Gs為60 kg/(m2·s)時(shí)，快速床內(nèi)的時(shí)均徑向濃度分布的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較如圖4所示。由圖可見(jiàn)快速床內(nèi)徑向濃度分布呈現(xiàn)中心稀(0.02＜αs＜0.04)、邊壁濃(αs＞0.10)的環(huán)-核流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征。在中心區(qū)域模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但在邊壁區(qū)域有一定的差異，最大相對(duì)誤差達(dá)到24%，這是因?yàn)樵谶叡趨^(qū)域顆粒濃度高，出現(xiàn)了顆粒團(tuán)聚物，而基于平均化的Gidaspow曳力模型未充分考慮顆粒聚團(tuán)的影響，致使邊壁區(qū)域的模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)值差異增大。

圖4 顆粒時(shí)均濃度徑向分布Fig.4 Radial distribution of solid concentrations

模擬得到的操作條件對(duì)顆粒濃度的影響如圖5和圖6所示。由圖可以看出，快速床呈現(xiàn)顆粒濃度呈現(xiàn)中心低（αs=0.02～0.04）、邊壁濃（αs＞0.10）的不均勻分布。由圖可以看出，在不同的徑向范圍內(nèi)，由于中心區(qū)（r/R＜0.2）和邊壁區(qū)(r/R＞0.8)的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所不同，顆粒濃度隨Gs和（或）ug的變化幅度不同：中心區(qū)顆粒聚集不明顯，氣固流動(dòng)發(fā)展充分，從而受Gs和（或）ug的影響較小。而邊壁區(qū)，顆粒濃度較高，聚集傾向更明顯，維持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)耗能較多，因此受Gs和（或）ug的影響較大。

圖5 循環(huán)速率對(duì)顆粒濃度的影響Fig.5 Solid concentrations as a function of circulation rates

圖6 表觀氣速對(duì)顆粒濃度的影響Fig.6 Solid concentrations as a function of gas velocity

3.4 快速床下段回料口附近顆粒濃度分布

模擬得到的回料口附近截面顆粒運(yùn)動(dòng)及分布情況如圖7所示。由速度矢量圖可以看出，循環(huán)物料進(jìn)入快速床后小部分顆粒被上升的氣流夾帶向上運(yùn)動(dòng)，大部分顆粒在斜向下的動(dòng)量作用下沖向另一側(cè)的邊壁，形成偏流。由瞬時(shí)濃度分布圖可見(jiàn)，顆粒濃度在中心處很低（αs＜0.05），邊壁處較高，顆粒濃度分布不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)料口一側(cè)的顆粒濃度明顯低于另一側(cè)。且顆粒濃度在入口處（H=2.5m）偏流現(xiàn)象最為嚴(yán)重，沿軸向向兩端逐漸減弱。

圖7 回料口附近截面顆粒濃度和速度分布Fig.7 Distribution of solid concentrations and solid velocity

ug為4.4 m/s，Gs為60 kg/(m2·s)操作條件下，回料口截面（H=2.5m）處的顆粒濃度隨時(shí)間的波動(dòng)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 顆粒瞬時(shí)濃度隨時(shí)間的變化Fig.8 Variations of instantaneous concentration of solid

由圖8可以看出，不同的徑向位置處（r/R：無(wú)因次半徑）的顆粒濃度平均值隨r/R的增大而增大，由中心至邊壁區(qū)域，截面濃度平均值在0.046～0.086內(nèi)變化。由圖9可以看出，在同一截面上，不同位置的濃度波動(dòng)相差較大，r/R為0.0～0.95時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.025～0.075內(nèi)逐漸增大，即r/R越大，濃度波動(dòng)越大。標(biāo)準(zhǔn)偏差的徑向分布和濃度的分布趨勢(shì)是相一致的。濃度越大，氣固相互作用越強(qiáng)烈，波動(dòng)也越大，偏離平均值的程度也越大。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)偏差的徑向分布Fig.9 Radial distribution of standard deviations

3.5 過(guò)渡漸縮段的顆粒濃度分布

過(guò)渡漸縮段將下部鼓泡射流床和上部快速床相連接，使床徑由0.3 m減小為0.15 m，氣體表觀速度迅速增大，快速床下落的顆粒被高速的氣體夾帶上升，因而此區(qū)域顆粒濃度較低(αs＜0.01)。但是伴隨著氣泡在床面的崩破，會(huì)發(fā)生顆粒彈濺現(xiàn)象，彈濺現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)對(duì)操作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[15]，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也觀察到了這一現(xiàn)象的存在。

圖10表示一個(gè)彈濺過(guò)程內(nèi)過(guò)渡漸縮段內(nèi)的顆粒濃度變化情況。由圖可以看出，顆粒發(fā)生彈濺，會(huì)使過(guò)渡段內(nèi)的顆粒濃度迅速增大(αs＞0.1)，彈濺過(guò)程結(jié)束后，此區(qū)域的濃度重新恢復(fù)到一個(gè)較低的狀態(tài)。在煤粉氣化過(guò)程中，射流床中顆粒溫度較高，彈濺到邊壁的顆粒如果濃度過(guò)高，可能會(huì)發(fā)生結(jié)渣，這對(duì)氣化是很不利的，因此實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)充分考慮顆粒彈濺帶來(lái)的影響。

圖10 顆粒瞬時(shí)濃度分布（過(guò)渡漸縮段）Fig.10 Distribution of instantaneous concentrations of solid

4 結(jié)論

a）采用雙流體模型對(duì)MFB內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近，結(jié)果顯示回料口下段顆粒濃度呈“C”型分布，回料口上段顆粒濃度成指數(shù)型分布，表明兩種流型的耦合，其軸向濃度分布并非兩種流態(tài)形式的簡(jiǎn)單疊加，其變化過(guò)程較為復(fù)雜。

b）考察了快速床稀相段顆粒濃度的徑向分布，結(jié)果表明，在中心區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，邊壁區(qū)誤差較大，最大達(dá)到24%。徑向各位置的顆粒濃度隨ug的減小，Gs的增加而增加，邊壁區(qū)增加幅度更為明顯，對(duì)操作條件的變化敏感性更強(qiáng)。

c）考察了回料口附近顆粒濃度的分布情況，結(jié)果表明，固體物料通過(guò)回料口進(jìn)入后，在快速床內(nèi)形成偏流，回料口一側(cè)的濃度顯著低于另一側(cè)，這種不對(duì)稱(chēng)分布沿軸向逐漸減弱。

d）考察了回料口(H=2.5 m)處顆粒濃度的波動(dòng)情況。結(jié)果表明，同一截面上，不同位置的濃度波動(dòng)相差也較大，r/R為0.0～0.95時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.025～0.075內(nèi)逐漸增大，即越靠近邊壁，波動(dòng)越劇烈。

e）考察了過(guò)渡漸縮段內(nèi)的顆粒濃度的變化情況。結(jié)果表明，過(guò)渡漸縮段顆粒濃度較低(αs＜0.01)，但顆粒彈濺現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)使顆粒濃度迅速增加(αs＞0.1)，實(shí)際操作中應(yīng)充分考慮彈濺對(duì)氣化過(guò)程的影響。

符號(hào)說(shuō)明

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