循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟_图文

1、第 41卷第 3期 2010年 5月 锅 炉 技 术BOIL ER TECHNOLO GYVol. 41, No. 3May. ,2010 收稿日期 :2009205221作者简介 :王建军 (19712 , 男 , 博士 , 副教授 , 主要从事流态化、 多相流分离的研究。 文章编号 : CN3121508(2010 0520021206循环流化床锅炉炉膛内气固两相流的数值模拟王建军 1, 李东芳 2, 姬广勤 1, 金有海 1(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 ;

2、双流体模型 ; 气固两相流 ; 数值模拟摘 要 : 利用 CFD 软件 Fluent , ( 流的宏观流动特性进行了数值模拟。 准确性。 通过定性与定量分析 , , 核” 流动结构及颗粒轴向速度 中心处向上 , , 沿轴向炉膛中下部区域及沿 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 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 : T K 227. 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 1-2及鼓泡床 3-4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 ,

3、 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 5-6。 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 12 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

4、应用颗 粒动力学理论 , 气相采用 -s 湍流模型 。对于压 力 -速度耦合 , 采用 Phase Coupled SIM PL E算图 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 QU IC K 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 0. 245mm , 颗粒密度 =2300kg/m 3, 堆积密度 =1367kg/m 3。(1 入口边界条件 :气固两相的入

5、口在计算中均采用均匀的速度入口边界条件 , 一次风进口u 0=2. 0m/s , 二次风入口处 u sec =2. 86m/s , 采用-s 模型 , 模型参数设置见文献 8。(2 出口边界条件 :出口处采用压力出口边 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J ackson 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

6、粒堆积 , 以便于形成循环系统 , 颗粒堆积静止高度 h =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 。22. 1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 9。 张瑞英 10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。p =1. 1335p g (1- h +0. 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

7、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 。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

8、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 -核结 构 沿床 层高度 方 向 , 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

9、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 。同时在二次风口区图 4 炉膛内颗粒速度场分布22 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 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

10、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 为时间样本 。图 5固含率分布 , , 在近 壁处固含率高的 -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

11、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 。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

12、在返料口附 近 (h =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 =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 得床层孔隙率增加 。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 5中的结论 是一致的 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 y =1m ,2m ,3m ,

13、主 要是考虑二次风位置 y =0. 9m 以上到炉膛出口 y =3. 75m 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 。图 7 不同炉膛高度处颗粒时均轴向速度分布32 锅 炉 技 术

14、 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 =1. 0m 处 , 由于二次风的影响 , 以及在 y =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-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

15、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 ; 气速增 大 ,;, 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

16、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 =3m 处 。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 U

17、g 的减小或颗粒循环速率 G s 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 U g 和 G s 的影响 相对比较显著 。图 10为在不同操作气速及质量循环流率条 42 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 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 10(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

18、化。在 炉 膛 下 部 区 域 y =1. 02. 0m 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 , 小。 , 分区域 , 随着气速的增加而增加 , 而在顶部区域 y =3m 处 , 随着气速的增加而减小。这与黎小 波 11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

19、, 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 , 所以 , 而在炉 , 边壁处颗 , 颗粒速度 图 10 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

20、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

21、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 。5226 锅 炉 技 术 第 41 卷 ( 1 通过定性与定量分析 , 得到颗粒固含率 2

22、 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. 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 白丁荣 ,金涌 ,俞芷青 ,等 . 快速流化床截面平均空隙率轴向 沿炉膛

23、轴向呈典型的上稀下浓及沿径向方向呈 环 - 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 U g 的减小或颗粒循环速率 Gs 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 U g 和 Gs 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

24、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 分布及其影响因素 J . 化学反应工程与工艺 , 1990 ,6 (1 :63 - 71. 技术研究与应用 J . 化学工程 ,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