內(nèi)循環(huán)流化床氣固流動數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、內(nèi)循環(huán)流化床在城市固體廢棄物焚燒領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢.本文采用離散單元法(DEM)數(shù)值模擬與臺架試驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)研究了流化床內(nèi)的氣體、顆粒流動特性.基于對顆粒相的離散處理,本文利用氣固速度場、顆粒加速度場、壓力場、壓力波動等特征信息量化分析了流化過程機(jī)理.可視化觀測、物料分層及其停留時間分布等試驗(yàn)研究則是正確認(rèn)知流化現(xiàn)象、檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型合理與否的第一手段、合理實(shí)施工業(yè)應(yīng)用的依據(jù). 本課題研究主要包括:流化過程的CCD (Cha

2、rge Couple Device)可視化觀測與DEM數(shù)值預(yù)報(bào)；氣體通過床層的流動行為與流量分配、顆粒的微觀運(yùn)動特征；非均勻布風(fēng)內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)氣泡運(yùn)動的可視化分析、顆粒流動規(guī)律及其動態(tài)混合過程的定量評價、物料換熱過程的數(shù)值模擬；多組分內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)的分層現(xiàn)象與停留時間分布的試驗(yàn)研究. 采用CCD可視化試驗(yàn)詳細(xì)驗(yàn)證了DEM模擬結(jié)果.對比分析顯示,數(shù)值模擬成功預(yù)報(bào)了氣泡的形成、分離、長大、爆炸等過程.顆粒受力分析表明:在擴(kuò)散氣流曳力

3、和壓力梯度力作用下,射流點(diǎn)處顆粒被外推,初始?xì)馀菘昭ㄐ纬?并且逐步長大.隨著時間的推進(jìn),底部顆粒所受壓力梯度力方向逐漸由向外擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚶锸湛s,顆粒涌入空穴底部；空穴最終以氣泡的形式脫離布風(fēng)板進(jìn)入床層.模擬所得氣泡周期與試驗(yàn)結(jié)果十分接近.壓力信號頻譜快速傅立葉變換fFFT)分析發(fā)現(xiàn),入口射流速度越快,氣泡的產(chǎn)生和通過頻率也越高；高射流風(fēng)速下,高頻小幅波動也有所增加. DEM計(jì)算過程中,空隙率直接依賴于當(dāng)?shù)仡w粒密度,尾跡的有無則隨

4、氣泡的進(jìn)展而變.因此,模擬所得氣泡周圍壓力分布與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果更為一致:氣泡上下兩端等壓線并不對稱,并且內(nèi)部存在一定的壓力梯度.氣相速度場直觀表明,氣泡為低阻空間,具有短路效應(yīng),氣泡相和乳化相之間存在強(qiáng)烈的氣體交換.DEM模擬直觀描述了氣泡內(nèi)外的流線特征；流線基本與等壓線呈垂直交叉分布,合理反映了流體選擇最小阻力途徑行進(jìn)的本質(zhì)特征；氣體流線整體排布較為規(guī)則,床內(nèi)氣體表現(xiàn)為層流流動. 依據(jù)DEM模擬結(jié)果,量化考察了床內(nèi)的流量分配特征

5、.統(tǒng)計(jì)顯示,在超過臨界流化狀態(tài)的過量氣體流量中,可見氣泡流量、穿流流量、乳化相中的過量流量分別占7﹪、36﹪、57﹪.穿流作用下,超過臨畀流化風(fēng)量的過量流量氣流通過氣泡捷徑導(dǎo)入上部乳化相,而不是生成更多的氣泡.流化風(fēng)速增加,更多的過量氣流進(jìn)入床內(nèi)乳化相,而兩相理論則假定乳化相流量保持在臨界流化狀不變.可見氣泡流動、穿透氣流與乳化相氣體流動彼此密切相關(guān),將超過臨界狀態(tài)的過量流量完全劃歸其中某一項(xiàng)則有失恰當(dāng). 利用顆粒速度場、加速度

6、場、可視化觀測圖片等數(shù)據(jù)信息,本文還研究了床內(nèi)的顆粒運(yùn)動特征.(1)在床層內(nèi)部,顆粒圍繞上升氣泡向下運(yùn)動；它們在氣泡底部"迎面"碰撞,顆粒上拋,并保持一定的容積,形成尾跡；另外,氣泡下方顆粒受射流作用進(jìn)入氣泡,也是尾渦來源之一.(2)在床層上部空間,氣泡攜帶顆粒行至床面時呈現(xiàn)不同的彈射現(xiàn)象,主要包括:穹彈射、尾渦彈射、射流彈射.穹爆炸為單氣泡爆炸的基本特征；此時,曳力約為壓差作用的6倍.風(fēng)速較高時,尾跡離開床層主體,進(jìn)入自由空間,出現(xiàn)尾

7、跡噴射.射流風(fēng)速進(jìn)一步加快,氣泡連續(xù)生成,形狀拉長、穿透床層,出現(xiàn)高頻、高能顆粒射流噴射過程.(3)(u-u<,mf>)矢量場和流線顯示,氣泡爆炸前床層上部空間存在兩個局部旋流,左側(cè)渦流呈順時針方向,右側(cè)為逆時針；而在爆炸過程中,自由空間內(nèi)的局部氣體旋流方向出現(xiàn)逆轉(zhuǎn).上述局部循環(huán)的轉(zhuǎn)換周期與氣泡相同. 可視化觀測發(fā)現(xiàn),由于床層厚度不均,非均勻布風(fēng)、傾斜布風(fēng)板流化床中的氣泡在上升過程中還發(fā)生一定的橫向偏移；DEM顆粒速度矢量場直觀

8、表明床內(nèi)物料存在定向循環(huán)流動.分析認(rèn)為,高風(fēng)速區(qū)為氣泡活躍區(qū),氣泡在上升過程中將向阻力較小的低風(fēng)速區(qū)運(yùn)動,許多顆粒被帶到低風(fēng)速區(qū).低風(fēng)速區(qū)的顆粒為填補(bǔ)高風(fēng)速區(qū)的氣泡離開后留下的空隙將向下移動.另外,采用傾斜布風(fēng)板設(shè)計(jì),低風(fēng)速區(qū)下部的稠密顆粒相在自重作用下具有更為顯著的下移趨勢.這樣就形成了流化床內(nèi)顆粒的大尺度橫向循環(huán)流動.顆粒循環(huán)流量統(tǒng)計(jì)表明,高風(fēng)速區(qū)風(fēng)速加快,氣泡攜帶顆粒的作用得到加強(qiáng),內(nèi)部循環(huán)增強(qiáng)；低風(fēng)速區(qū)風(fēng)速的影響作用與此相反,合

9、理匹配高低風(fēng)速具有重要的意義. 引入Ashton混合指數(shù),并結(jié)合示蹤顆粒場變化信息,詳細(xì)討論了流化床內(nèi)的微觀混合過程.研究發(fā)現(xiàn),床內(nèi)物料混合過程大致可歸納為快速對流混合、緩慢擴(kuò)散混合、局部剪切混合三種微觀機(jī)理.在很大程度上,顆粒循環(huán)尺度決定了物料的混合方式.與文獻(xiàn)試驗(yàn)對比分析表明,Ashton混合指數(shù)評價所得混合時間尺度具有實(shí)際意義. 對于水平布風(fēng)板、均勻供風(fēng)流化床,床內(nèi)氣泡攜帶顆粒上升運(yùn)動顯著,重力作用下顆粒軸向返混強(qiáng)

10、烈,內(nèi)部顆粒循環(huán)沿軸向貫穿整個床層,軸向混合具有明顯的對流特征.均勻布風(fēng)時,徑向氣泡特性較為均勻,其橫向運(yùn)動受到限制,內(nèi)部顆粒循環(huán)在徑向方向限于氣泡周圍區(qū)域,橫向區(qū)域間的顆粒交換能力較弱,徑向混合則以擴(kuò)散方式為主.相同條件下,軸向混合速度約為徑向混合速度的3.5倍.傾斜布風(fēng)板、非均勻布風(fēng)時,左右兩側(cè)間的時均顆粒流量遠(yuǎn)高于水平布風(fēng)板、均勻布風(fēng)工況.由于大尺度橫向顆粒循環(huán)流動,左右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的物料存在強(qiáng)烈的對流交換,物料橫向混合速度顯著加快

11、,與軸向混合幾乎相同. 建立了DEM流化床傳熱模型,其中考慮到了氣固對流換熱與顆粒碰撞傳熱過程.均勻布風(fēng)時,受活動范圍限制,顆粒局限于同當(dāng)?shù)貧庀噙M(jìn)行對流換熱,其溫度分布在較大程度上受當(dāng)?shù)仫L(fēng)溫的影響.內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)的定向顆粒循環(huán)運(yùn)動,增強(qiáng)了物料的橫向擴(kuò)散能力,顆粒在高低風(fēng)速區(qū)交替換熱,溫度分布有較強(qiáng)的整體平衡恢復(fù)能力.顆粒溫度場分布對氣體溫度場分布的依賴程度顯著降低. 文章最后還針對垃圾成分復(fù)雜多變的特點(diǎn),進(jìn)行了多組分內(nèi)循

12、環(huán)流化床的混合、分離特性試驗(yàn)研究.分層取樣試驗(yàn)結(jié)果表明,較大高風(fēng)速區(qū)風(fēng)速范圍內(nèi),大塊示蹤物軸向濃度分布基本保持不變.低風(fēng)速區(qū)風(fēng)速的增加,該區(qū)主體顆粒相運(yùn)動狀態(tài)由下移為主轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰旌蠟橹?大塊物濃度分布發(fā)生顯著變化.與其他物性相比較而言,大塊示蹤物密度是影響其軸向濃度分布特性的主要因素. 大塊物料的平均停留時間先是隨高風(fēng)速區(qū)流化速度增加而減小、隨后顯著回升；對于排渣過程而言,存在一個最有利的流化速度梯度的控制范圍.增加低風(fēng)速區(qū)的