內循環(huán)流化床氣固流動數值模擬與試驗研究.pdf

1、內循環(huán)流化床在城市固體廢棄物焚燒領域具有獨特的優(yōu)勢.本文采用離散單元法(DEM)數值模擬與臺架試驗相結合的方法,系統(tǒng)研究了流化床內的氣體、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理.可視化觀測、物料分層及其停留時間分布等試驗研究則是正確認知流化現(xiàn)象、檢驗數學模型合理與否的第一手段、合理實施工業(yè)應用的依據. 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數值預報；氣體通過床層的流動行為與流量分配、顆粒的微觀運動特征；非均勻布風內循環(huán)流化床內氣泡運動的可視化分析、顆粒流動規(guī)律及其動態(tài)混合過程的定量評價、物料換熱過程的數值模擬；多組分內循環(huán)流化床內的分層現(xiàn)象與停留時間分布的試驗研究. 采用CCD可視化試驗詳細驗證了DEM模擬結果.對比分析顯示,數值模擬成功預報了氣泡的形成、分離、長大、爆炸等過程.顆粒受力分析表明:在擴散氣流曳力

3、和壓力梯度力作用下,射流點處顆粒被外推,初始氣泡空穴形成,并且逐步長大.隨著時間的推進,底部顆粒所受壓力梯度力方向逐漸由向外擴張轉變?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板進入床層.模擬所得氣泡周期與試驗結果十分接近.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,氣泡的產生和通過頻率也越高；高射流風速下,高頻小幅波動也有所增加. DEM計算過程中,空隙率直接依賴于當地顆粒密度,尾跡的有無則隨

4、氣泡的進展而變.因此,模擬所得氣泡周圍壓力分布與文獻試驗結果更為一致:氣泡上下兩端等壓線并不對稱,并且內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,氣泡相和乳化相之間存在強烈的氣體交換.DEM模擬直觀描述了氣泡內外的流線特征；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的本質特征；氣體流線整體排布較為規(guī)則,床內氣體表現(xiàn)為層流流動. 依據DEM模擬結果,量化考察了床內的流量分配特征

5、.統(tǒng)計顯示,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,超過臨畀流化風量的過量流量氣流通過氣泡捷徑導入上部乳化相,而不是生成更多的氣泡.流化風速增加,更多的過量氣流進入床內乳化相,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,將超過臨界狀態(tài)的過量流量完全劃歸其中某一項則有失恰當. 利用顆粒速度場、加速度

6、場、可視化觀測圖片等數據信息,本文還研究了床內的顆粒運動特征.(1)在床層內部,顆粒圍繞上升氣泡向下運動；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.風速較高時,尾跡離開床層主體,進入自由空間,出現(xiàn)尾

7、跡噴射.射流風速進一步加快,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,左側渦流呈順時針方向,右側為逆時針；而在爆炸過程中,自由空間內的局部氣體旋流方向出現(xiàn)逆轉.上述局部循環(huán)的轉換周期與氣泡相同. 可視化觀測發(fā)現(xiàn),由于床層厚度不均,非均勻布風、傾斜布風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、表明床內物料存在定向循環(huán)流動.分析認為,高風速區(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速區(qū)運動,許多顆粒被帶到低風速區(qū).低風速區(qū)的顆粒為填補高風速區(qū)的氣泡離開后留下的空隙將向下移動.另外,采用傾斜布風板設計,低風速區(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顆粒的大尺度橫向循環(huán)流動.顆粒循環(huán)流量統(tǒng)計表明,高風速區(qū)風速加快,氣泡攜帶顆粒的作用得到加強,內部循環(huán)增強；低風速區(qū)風速的影響作用與此相反,合

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

10、烈,內部顆粒循環(huán)沿軸向貫穿整個床層,軸向混合具有明顯的對流特征.均勻布風時,徑向氣泡特性較為均勻,其橫向運動受到限制,內部顆粒循環(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.傾斜布風板、非均勻布風時,左右兩側間的時均顆粒流量遠高于水平布風板、均勻布風工況.由于大尺度橫向顆粒循環(huán)流動,左右兩側區(qū)域內的物料存在強烈的對流交換,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.均勻布風時,受活動范圍限制,顆粒局限于同當地氣相進行對流換熱,其溫度分布在較大程度上受當地風溫的影響.內循環(huán)流化床內的定向顆粒循環(huán)運動,增強了物料的橫向擴散能力,顆粒在高低風速區(qū)交替換熱,溫度分布有較強的整體平衡恢復能力.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雜多變的特點,進行了多組分內循

12、環(huán)流化床的混合、分離特性試驗研究.分層取樣試驗結果表明,較大高風速區(qū)風速范圍內,大塊示蹤物軸向濃度分布基本保持不變.低風速區(qū)風速的增加,該區(qū)主體顆粒相運動狀態(tài)由下移為主轉變?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.增加低風速區(qū)的