1、第 41卷第 3期 2010年 5月 鍋 爐 技 術BOIL ER TECHNOLO GYVol. 41, No. 3May. ,2010 收稿日期 :2009205221作者簡介 :王建軍 (19712 , 男 , 博士 , 副教授 , 主要從事流態化、 多相流分離的研究。 文章編號 : CN3121508(2010 0520021206循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流的數值模擬王建軍 1, 李東芳 2, 姬廣勤 1, 金有海 1(1. 中國石油大學 (華東 機電工程學院 , 山東 東營 257061; 2. 海洋石油工程股份有限公司 ,河北 塘沽 300451關鍵詞 : 循環流化床鍋爐 ;

2、雙流體模型 ; 氣固兩相流 ; 數值模擬摘 要 : 利用 CFD 軟件 Fluent , ( 流的宏觀流動特性進行了數值模擬。 準確性。 通過定性與定量分析 , , 核” 流動結構及顆粒軸向速度 中心處向上 , , 沿軸向爐膛中下部區域及沿 同時 , 操作條件對顆粒軸向速度的影響都表現為中心區域顆粒向 邊壁處的氣固兩相流動規律還有待于進一步研究。 中圖分類號 : T K 227. 1 文獻標識碼 : A0 前 言 目前 , 對于循環流化床內的氣固兩相流主要 集中在對循環流化床反應器 1-2及鼓泡床 3-4的 研究 。 循環流化床鍋爐爐膛內和循環流化床反 應器內的氣固兩相流動特性有一定的差別 ,

3、 不僅 體現在燃燒室的高徑比 , 循環系統中采用的顆粒 循環流率 , 床料的特性 , 而且循環流化床鍋爐有 二次風的加入 , 對循環流化床鍋爐內氣固兩相流 的研究并不多 5-6。 本文以歐拉雙流體模型和顆 粒動力學理論為基礎采用 CFD 軟件 Fluent 研究 對循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流動特性的 影響進行數值模擬 。1 計算模型及數值方法1. 1幾何模型及計算條件 圖 1為整個循環流化床鍋爐循環系統幾何 模型及網格模型 , 模型按照工業裝置 12 1縮小 得到 。 沿流化床的徑向為 X 方向 , 沿爐膛的高度 方向為 Y 方向 。 1. 2計算方法 本文中選用歐拉雙流體模型 7, 固相

4、應用顆 粒動力學理論 , 氣相采用 -s 湍流模型 。對于壓 力 -速度耦合 , 采用 Phase Coupled SIM PL E算圖 1 循環流化床鍋爐二維模型及爐膛區域網格法 。 速度的求解被相耦合 , 但是用分離的方式 , 采用多重網格方案同時地求解各相速度分量形 成的矢量方程 。空隙率選用 QU IC K 格式 , 以提 高計算精度 , 使得相之間界面清晰 。其余項選用 二階迎風格式 。計算中氣相介質為常溫空氣 , 固相介質為石 英砂顆粒 , 顆粒平均直徑為 0. 245mm , 顆粒密度 =2300kg/m 3, 堆積密度 =1367kg/m 3。(1 入口邊界條件 :氣固兩相的入

5、口在計算中均采用均勻的速度入口邊界條件 , 一次風進口u 0=2. 0m/s , 二次風入口處 u sec =2. 86m/s , 采用-s 模型 , 模型參數設置見文獻 8。(2 出口邊界條件 :出口處采用壓力出口邊 鍋 爐 技 術 第 41卷界條件 , 出口處設定為標準大氣壓 。顆粒的出口邊界條件設置為連續性邊界條件 。(3 壁面邊界條件 :顆粒采用 Johnson 和J ackson 部分滑移邊界條件 , 通過引入不同的鏡面反射系數及顆粒與壁面的恢復系數 , 對顆粒在邊壁附近的運動進行描述 。氣相在壁面處為無滑移邊界 , 該處速度為零 。(4 初始邊界條件 :初始計算時 , 設立管處有顆

6、粒堆積 , 以便于形成循環系統 , 顆粒堆積靜止高度 h =1. 2m , 堆積密度為 0. 63; 在計算區域的其余部分均為氣體所充滿 。22. 1料量和氣固之間的動量交換。 床層壓降的計算能用于判斷數值模型計算的準確性 9。 張瑞英 10等提出循環流化床的床層壓降的計算公式 , 發現床層壓降與顆粒固含率基本成線性關系。 該計算公式沒有考慮床層邊壁顆粒向下流動的影響。p =1. 1335p g (1- h +0. 0047(1本文也只選取了核心區域的數值來計算床層截面平均空隙率 。圖 2所示為數值計算值與理論分析值的對比結果 。如圖所示 , 沿爐膛從底部到頂部 , 床層壓降先急劇下降 , 隨

7、后逐漸減小至恒定值 。 從圖中可以看出兩者吻合較好 , 證實了本次數值計算的可靠性 。圖 2 軸向壓降的模擬值與文獻 11值的對比2. 2氣固兩相瞬時流場分布 圖 3為不同特征時刻循環流化床鍋爐爐膛內顆粒固含率的分布 。由圖可直觀地看到 , 在計算的初始階段 , 顆粒在床層底部顆粒并不是均勻彌散分布的 , 而是部分顆粒會形成不規則形狀的團聚物 , 在床層內不斷的聚合與解體 , 同時與氣體發生強烈的混合 。未形成團聚物的顆粒很容易被氣流攜帶懸浮上升到床層的上部 ,部分顆粒團聚物由于其形態發生變化 , 使其迎 風面積增加 , 也會被氣流帶著上升 。其中一部 分顆粒會被氣流攜帶出爐膛 , 進入旋風分

8、離器 進行外循環 。隨著時間的推移 , 顆粒會懸浮于 整個爐膛內 。在爐膛上部稀相段 , 沿床層徑向 方向 , 顆粒也存在團聚現象 , 且容易發生在邊壁 處 , 因此顆粒固含率在邊壁處較高 , 中心處低 , 呈現典型 的環 -核結 構 沿床 層高度 方 向 , 圖 3 不同時刻爐膛內顆粒固含率的瞬時分布 圖 4為爐膛內顆粒速度場全貌圖及沿軸向 不同區域的局部放大圖 。由圖可知 , 顆粒在爐膛 內中心氣速比較高 , 邊壁區域氣速較低 , 并且由 局部圖可看出 , 顆粒呈現在中心區域向上流動 , 在邊壁處向下流動的內循環流動結構 。這種內 循環結構沿爐膛高度方向的中部懸浮段比較明 顯 。 在爐膛頂

9、部 , 由于出口結構的約束作用 , 顆 粒在該處做折轉運動 , 部分顆粒與爐膛頂部相撞 后 , 被反彈沿邊壁向下運動 , 形成內循環物料 。 在爐膛底部 , 可看到沿邊壁下落的顆粒在到達床 層底部之后 , 會被一次風加速 , 折轉向上運動 , 形 成爐膛內循環的流動特性 。同時在二次風口區圖 4 爐膛內顆粒速度場分布22 第 3期 王建軍 , 等 :循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流的數值模擬 域 , 氣固兩相的混合比較強烈 , 二次風的擾動使 得沿二次風口一側邊壁下落的顆粒運動發生改 變 , 因此改善了氣固之間沿床層軸向與徑向上的 混合 。 因此 , 這部分顆粒很難到達床層底部 , 會 在一次風

10、和二次風的作用下 , 改變運動方向折轉 向上運動 , 可以看出二次風對顆粒沿軸向向上運 動會有加速的作用 , 同時會阻止顆粒到達下部密 相區 , 減小底部密相區的燃燒負荷 。2. 3顆粒時均流動規律 對氣固兩相流場進行非穩態計算 , 計算時間 持續到 35s 以獲得穩定的結果 , 并取最后 20s 為時間樣本 。圖 5固含率分布 , , 在近 壁處固含率高的 -核” 流動結構 :在爐膛中心 區域 , 顆粒固含率較小且分布比較均勻 , 并沿軸 向變化較小 ; 而在爐膛邊壁區 , 顆粒固含率則明 顯高于核心區且隨著半徑的增大而增大 , 在壁面 處達到最大值 。同時 , 隨著爐膛高度的增加 , 顆

11、粒固含率無論是在中心區域還是邊壁區域都是 逐漸減小的 , 但邊壁處顆粒固含率降低較為明 顯 , 而且中心區域與邊壁區域的顆粒固含率差也 會減小 , 即顆粒固含率沿徑向分布趨于均勻 。也 正如圖 3中看到的爐膛內呈明顯的上稀下濃的 分布狀況 。 在二次風進口附近 , 由于二次風的橫 向作用致使進風口對面的壁面上顆粒固含率比 進風口側壁面上顆粒固含率高 , 但隨著高度的增 加 , 氣固混合愈加均勻 , 顆粒固含率分布 趨于 平緩 。圖 5 不同爐膛高度處顆粒時均固含率分布圖 圖 6是顆粒固含率沿床層高的軸向分布 。 從圖中可知 , 顆粒固含率總體呈現上稀下濃的分 布規律 。 顆粒固含率的最大值出現

12、在返料口附 近 (h =0. 3m 處 。這主要是由于二次風的加入在該處外循環物料的返回固含率比較高 。隨著 床層高度的增加 , 顆粒固含率在 h =0. 3m 0. 7m 的范圍內又迅速下降 , 即存在一個快速轉變 區 , 主要是因為在該區域由于二次風的加入 , 使 得床層孔隙率增加 。隨后床層中上部顆粒固含 率逐漸減小且趨于均勻 , 占據大部分床層 。在二 次風上部區域的稀相段 , 顆粒固含率沿軸向的分 布是呈單調指數分布的 5中的結論 是一致的 圖 6 顆粒固含率沿床高的軸向分布圖 圖 7為不同爐膛高度處 , 顆粒時均軸向速度分布 。 選取軸向 3個截面 y =1m ,2m ,3m ,

13、主 要是考慮二次風位置 y =0. 9m 以上到爐膛出口 y =3. 75m 以下爐膛高度范圍內 , 顆粒的流動特 征 。 從圖中可以看出 , 在各個位置上 , 顆粒的軸 向速度分布相似 , 均為在中心區域為正 , 在邊壁 處為負 , 這意味著顆粒的運動形式為中心處向 上 、 近壁面處向下的內循環流動結構 。這與文獻 5研究的規律相符 。在該操作條件下 , 沿爐膛 高度方向 , 中心區域顆粒的上行速度基本隨著爐 膛高度的增加而增加 , 同時曲線由分布平緩變成 拋物線分布趨勢 。在邊壁處 , 顆粒下行速度隨著 爐膛高度的增加而減小 。圖 7 不同爐膛高度處顆粒時均軸向速度分布32 鍋 爐 技 術

14、 第 41卷 圖 8為不同爐膛高度截面處顆粒徑向速度分布 , 在爐膛稀相段 , 顆粒徑向速度分布呈 “倒 S ”型分布 , 表明顆粒在環形區域和核心區域之間的運動方向 , 顆粒由核心區域向環形區域運動 , 而后形成絮狀物向下運動 。如圖所示 , 顆粒在徑向大部分區域內 , 是向左側邊壁 (即 X 軸負方向 運動的 。 在 y =1. 0m 處 , 由于二次風的影響 , 以及在 y =3. 0m 處 , 由于爐膛上部出口結構的影響 ,都增加了顆粒沿徑向的運動趨勢 ; 說明沿爐膛高度中部懸浮段 , 顆粒沿徑向的運動趨勢不大 , “環-核” 流動結構是比較穩定的 。圖 8 不同爐膛高度處顆粒時均徑向

15、速度分布2. 4操作條件對顆粒流動特性的影響 通過改變操作氣速以及顆粒循環流率 , 研究顆粒宏觀流動特性 , 主要從顆粒沿床層軸向與徑向的非均勻流動特性來分析 。圖 9為不同操作氣速及質量循環流率下的 顆粒時均固含率徑向分布 。由圖 9(a 為一定顆 粒循環流率下 , 改變操作氣速 , 爐膛軸向截面上 顆粒固含率徑向分布規律 。由圖可知 :隨著操作 氣速的增大 , 床層截面平均固體顆粒固含率下 降 , 顆粒固含率的徑向分布相對趨于均勻 , 即邊 ; 氣速增 大 ,;, 基本處于稀相氣力輸送 的狀態 , 同時顆粒固含率沿床層高度方向基本保 持不變 。圖 9(b 為一定操作氣速下 , 改變顆粒循環

16、流 率 , 爐膛軸向截面上顆粒固含率徑向分布規律 。 顆粒循環流率越大 , 整個截面上顆粒固含率越 大 。 在爐膛中下部區域 , 顆粒循環流率對邊壁處 的顆粒固含率影響要顯著于對中心處的影響 。 在爐膛上部區域 , 顆粒循環流率增大使得整個截 面沿徑向顆粒固含率都呈現明顯增大趨勢 , 這主 要是因為出口結構的影響 , 使得到達爐膛頂部 的顆粒回流量增加 , 出口結構的影響區域延伸至 y =3m 處 。圖 9 不同操作條件下 , 顆粒時均固含率徑向分布 由圖 9可見 , 在不同的操作條件下 , 顆粒固含率沿徑向都呈現中心低 , 邊壁高的的分布規律 。 雖然爐膛各個截面顆粒固含率均隨表觀氣速 U

17、g 的減小或顆粒循環速率 G s 的增大而增加 ,但在爐膛不同高度處 , 不同徑向區域的顆粒固含率對操作條件變化的敏感程度不同 。操作條件 改變 , 主要體現在對爐膛中下部區域的影響比較 大 , 同時邊壁區的顆粒固含率受 U g 和 G s 的影響 相對比較顯著 。圖 10為在不同操作氣速及質量循環流率條 42 第 3期 王建軍 , 等 :循環流化床鍋爐爐膛內氣固兩相流的數值模擬 件下 , 不同爐膛高度截面上的顆粒軸向速度沿徑 向的分布規律。圖 10(a 表明隨著操作氣速增 大 , 爐膛內任一截面的顆粒速度增加。中心區域 顆粒向上運動的速度增大的效果要顯著于邊壁處 向下運 動 速 度 的 變

18、化。在 爐 膛 下 部 區 域 y =1. 02. 0m 高度范圍內 , 顆粒加速能力增強 , 中 心區域向上運動的速度增大 , 顆粒的加速效果顯 著。 這主要是由于在保持一次風率不變的條件 下 , 增大一次風速 , 二次風速也會增加 , 因此提高 了二次風對顆粒的再次加速作用。 隨著高度的增 加 , 二次風作用減弱 , 小。 , 分區域 , 隨著氣速的增加而增加 , 而在頂部區域 y =3m 處 , 隨著氣速的增加而減小。這與黎小 波 11的結論不完全相符。分析原因可能是由于 :氣速提高 , 顆粒的橫向擴散率增加 , 顆粒向邊壁處 運動的趨勢增強 ; 在床層下部區域 , 顆粒固含率比 較大

19、, 操作氣速使顆粒在邊壁區域的聚集效應更 加明顯 , 顆粒所受重力和曳力都增加 , 但對于大的 , 所以 , 而在爐 , 邊壁處顆 , 顆粒速度 圖 10 不同操作條件下 , 時均顆粒軸向速度徑向分布 由圖 10(b 可知 , 隨著顆粒循環流率的增加 ,不同徑向區內顆粒速度受影響的程度不同 。同 樣表現為中心區域顆粒的向上速度增大的效果 要顯著于邊壁處向下運動速度的變化 。在中心 區域 , 顆粒向上的運動速度隨著顆粒循環流率的 增加而增大 , 這是由于顆粒循環流率的增加 , 爐 膛內截面顆粒固含率增加 , 在床層中心區域局部 氣速增大 , 因此氣固曳力增加 , 顆粒向上的速度 增加 。 而邊壁

20、處向下的顆粒速度 , 在床層大部分 區域 , 隨著顆粒循環流率的增加而增加 , 在頂部 區域 , 影響不顯著 。這是因為 :邊壁區局部氣速 減小 , 氣固曳力減小 , 同時由于顆粒固含率增加 , 顆粒更容易團聚 , 重力作用給顆粒的影響也會使 顆粒向下的速度增加 , 在爐膛頂部區域顆粒充分 發展 , 顆粒聚集效應減弱 , 因此變化不明顯 。同 時 , 顆粒質量循環流率越大 , 在爐膛內更容易形 成邊壁 下 行 顆 粒 流 , 即 邊 壁 流 的 延 伸 長 度 也越長 。在不同的操作條件下 , 爐膛內顆粒軸向速 度沿徑 向 基 本 呈 現 中 心 區 域 向 上 , 且 速 度 值 大 , 邊

21、壁 區 域 向 下 , 且 速 度 值 小 的 分 布 趨 勢 。 同時操作條件對顆粒軸向速度的影響都 表現 為中心區域顆粒的向上速度變化的效果 要顯 著于邊壁處向下運動速度 的變 化 。邊壁 處的 下行顆粒流由于該區域內復雜的氣固相 互作 用及顆粒團聚的影響使得其規律還有待 于進 一步研究 。3 結 論 結合顆 粒動力 學理 論 , 采 用雙 流體模 型 , 對爐膛內氣固兩相流的宏觀流動特性的 影響 進行數值模擬 。將爐膛壓降 沿軸向 的分 布規 律與理論值對比 , 驗證了本次數值模擬計算的 準確性 。5226 鍋 爐 技 術 第 41 卷 ( 1 通過定性與定量分析 , 得到顆粒固含率 2

22、 吳東垠 ,李吉武 , 許暉 . 水煤漿燃燒技術在勝利油田的應用 J . 工業鍋爐 ,2005 (3 :23 - 26. 3 D. Gidaspow , R. Bezburuah , J . Ding. Hydrodynamics of cir2 culating fluidized beds C . Fluidization V II proceedings of t he 7t h engineering Foundation conference on fluidization , 1992 :75 - 82. 4 白丁榮 ,金涌 ,俞芷青 ,等 . 快速流化床截面平均空隙率軸向 沿爐膛

23、軸向呈典型的上稀下濃及沿徑向方向呈 環 - 核流動分布 。顆粒速度在中心區域較高且 向上 ,邊壁區速度值較低且向下的內循環流動 結構 。 ( 2 爐膛各個截面處 , 顆粒固含率均隨表觀 氣速 U g 的減小或顆粒循環速率 Gs 的增大而增 加 ,但在爐膛不同高度處 , 不同徑向區域的顆粒 固含率對操作條件變化的敏感程度不同 。操作 條件改變 ,主要體現在對爐膛中下部區域的影響 比較大 ,同時邊壁區的顆粒固含率受 U g 和 Gs 的 影響相對比較顯著 。 ( 3 操作條件對顆粒軸向速度的影響都表 現為中心區域顆粒的向上速度變化的效果要顯 著于邊壁處向下運動速度的變化 。邊壁處下降 流的變化還有

24、待于進一步研究 。 參考文獻 : 1 姜秀民 ,馬玉峰 ,崔志剛 ,等 . 水煤漿流化懸浮高效潔凈燃燒 分布及其影響因素 J . 化學反應工程與工藝 , 1990 ,6 (1 :63 - 71. 技術研究與應用 J . 化學工程 ,2006 ,34 (1 :62 - 65. (1. College of Mechanical and Elect rical Engineering ,China U niversity of Pet roleum ( East China ,Dongying 257061 ,China ; Off shore Oil Engineering Co , L td.

25、 , Tanggu 300451 , China 2. field ; numerical simulatio n field was performed fo r a circulating fluidized bed boiler . Co mpariso n of t he simulated p ressure drop wit h t he t heoretical value test s t he validatio n of t his numerical simulatio n. Thro ugh t he qualitative and quantitative analy

26、sis , it is analyzed t hat t he particle pat tern t hat t he particle movement is upward in t he core zo ne and down in t he annulus zo ne. In additio n , under different operating co nditio n , particle volume f ractio n dist ributio n is affected p ro minently at t he lower2middle zo ne alo ng t h

27、e axial directio n and at t he wall area alo ng t he radial directio n. Furt hermore , t he effect of operating co nditio n o n t he particle velocit y reflect s t hat t he changing of upward particle velocit y at t he core area is f urt her investigatio n. more o bvio us t han at t he wall area . T

28、he gas2solid flow pat tern at t he wall area needs Abs t ra c t : U sing t he CFD sof t ware Fluent , based o n t he t wo2fluid model co mbining wit h co ncent ratio n dist ributio n show s a co re2annular flow f rame where t he solid is denser in t he annular regio n t han core regio n and t he particle ax