氣體分布板對制粒流化床流化質量的影響

劉訓濤, 劉福燦, 沙宇峰, 劉金輝

(1.黑龍江科技大學 機械工程學院, 哈爾濱 150022; 2.哈爾濱納諾機械設備有限公司, 哈爾濱 150078)

0 引 言

在國內能源轉型和碳中和背景下,流化床在能源、化工、制藥、污水處理等領域的應用得到進一步拓展,通過流化床可以讓固體顆粒呈現流化狀態,促進顆粒間的有效混合[1-4]。尤其在工業制粒過程中,流化床發揮著越來越重要的作用。制粒過程中流化床內部的氣固兩相返混劇烈,傳熱、傳質效率較高,流化后混合顆粒的顆粒粒度均勻,流動性、壓縮成形性好。氣體分布板作為制粒流化床的重要組成部件之一,既起著支撐物料的作用,又承擔著均勻分布氣體,調整氣流方向、大小的作用,能夠改善流化床內氣體分布,創造一個良好的起始流化條件,形成一個好的氣固接觸環境。朱沈瑾等[5]針對錐形非均勻分布板流化床進行數值模擬計算。Li等[6]設計了一個帶有一個中央進氣口和六個輔助進氣口的錐形分配器,即使在較低的表觀氣速下,死區現象也得到了很好地抑制,有效地改善了流態化質量。魏新利等[7]利用Fluent數值模擬軟件對流化床進行流場模擬,重點討論布風板正方形和正三角形布孔排列形式和三種開孔直徑下對流態的影響。Li等[8]采用減速法研究了空氣分布器結構對片狀顆粒流化特性的綜合影響。李少華等[9]應用CFD軟件Fluent對流化床爐內布風板進行流場模擬,研究在一定的開孔率下不同的布風板開孔布置與不同開孔直徑下對流化床冷態流場與布風板壓降的影響。

雖然專家學者對流化床分布板進行了大量的研究,但是實際工作中,仍然存在一定量由氣體分布板引起的顆粒循環流動的均勻性差,產生偏流等問題。在壁面處,由于物料黏性和氣體分布不均,還會存在一定的渦旋和循環死區,導致顆粒流化效果差,制粒效率低,筆者應用CFD-DEM方法探究分布板均勻分布和非均勻分布排列形式和三種開孔直徑下對流化床內部流場的影響,得到流化過程顆粒和氣體的動態特性。

1 顆粒動力學模型

由于流化床內氣固兩相流動的復雜性,數值模擬中通常采用顆粒軌道模型或雙流體模型進行計算[10-11]。其中,雙流體模型又稱歐拉-歐拉法(Euler-Euler),著眼于空間,以流場中每一空間位置為描述對象,描述這些位置上流體的物理屬性隨時間的變化狀態。因此,被廣泛應用于研究流化床內氣相和固相流動的復雜的流體力學行為。采用雙流體模型仿真模擬三種氣體分布板下流化床內部的氣固兩相流動狀態,其質量守恒方程和動量守恒方程[12]如下。

當氣相時,質量守恒方程為

(1)

當固相時,質量守恒方程為

(2)

式中:εg——氣體體積分數,%;

ρg——氣體密度,kg/m3;

vg——氣體速度,m/s;

εs——顆粒體積分數;

ρs——顆粒密度,kg/m3;

vs——顆粒速度,m/s。

動量方程基于動量守恒原理,氣相與固相的動量守恒方程進行構建。

當氣相時

β(vs-vg)+?εgτg+ρgεgg。

(3)

當固相時

εs?τs+β(vg-vs)+ρsεsg,

(4)

式中:vg——氣體速度向量;

vs——固體速度向量;

τg——氣體剪應力向量;

τs——固體剪應力向量;

g——重力加速度向量;

β——相間摩擦系數(氣固相間曳力系數);

?ps——固體壓力梯度;

?pg——氣體壓力梯度。

顆粒接觸力模型選用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型[13],該模型可精確得出顆粒在彈性碰撞下所受的剪切應力,采用軟球線性碰撞模型,將碰撞過程簡化,用一個彈簧、滑移器和阻尼器的組合模型來描述,如圖1所示。

圖1 流化顆粒線彈性碰撞模型

當兩個顆粒碰撞時,其法向疊合量為

?=R1+R2-|r1-r2|,

(5)

式中:R1、R2——球形顆粒半徑,mm;

r1、r2——球心位置矢量。

合力和合力矩通過顆粒碰撞過程中切向接觸力和法向接觸力的疊加進行計算。顆粒與壁面的接觸與顆粒間的碰撞過程相同,因此在計算顆粒與壁面之間的作用力時將壁面假設置成顆粒。顆粒間的法向接觸力為Fn,其表達式為

式中:E*——等效彈性模量,MPa;

E1、E2——顆粒彈性模量,MPa;

R*——等效顆粒半徑,mm;

μ1、μ2——顆粒泊松比。

顆粒碰撞時的切向接觸力Ft,其表達為

Ft=-Stδ,

式中:St——切向剛度,N/m;

δ——切向疊合量,mm;

G1、G2——顆粒的彈性剪切模量,MPa。

2 氣體分布板結構對流化效果的影響

2.1 仿真初始參數的設置

運用Solidworks軟件建立流化床三維模型,采用六面體網格對模型進行劃分,如圖2所示。為了避免其他因素對氣固流化床流場計算結果造成影響,保證生成網格的質量,將網格增長率設置為1.1,網格尺寸為71.42 mm。劃分后的網格的單元數量為1 392 892,節點數為258 178。

圖2 流化床模型尺寸

在工程實際中,流化床內部填充的固體顆粒往往是不規則形狀,而且顆粒的直徑大小也不相同。為了簡化計算,假設模擬過程中采用的固體顆粒為理想的單顆粒球體,粒徑均勻一致。流化氣體為常溫、常壓下空氣,氣流沿進氣面均勻分布,密度保持一致,不會隨著壓強的變化而改變,為不可壓縮流體。模擬的過程中氣體速度呈線性增長,初始時刻氣體的速度為0 m/s,0.5 s后氣體速度趨于穩定,穩定狀態下氣體速度為10 m/s。氣體速度的函數表達為

IF(t≤0.5[s],t/1[s]*-10[m/s],-5[m/s])。

流化床初始床層填充高度為16.5 mm,填充顆粒的直徑為1.4 mm,顆粒初始速度為0 m/s,床層空隙率為46%。設定求解器的步長為0.001,步數為3 000,每一步最大迭代次數20。參數設置見表1。

表1 流化床參數

為了研究氣體分布板開孔參數對制粒流化效果的影響,在開孔率10.15%的條件下給出了3-5-9(A型)、5-5-9(B型)、5-3-9(C型)三種氣體分布板,氣體分布板的開孔尺寸,A、B、C型分布板的內圈直徑分別為3、5、5 mm,外圈直徑分別為5、5、3 mm,孔間距均為9 mm。不同分布板開孔示意如圖3所示。采用單一變量方法來進行模擬分析,通過保持入口進氣速度、顆粒屬性和顆粒初始填充高度不變,研究不同氣體分布板流化床的流場特征和顆粒體積分數分布規律。

圖3 不同分布板開孔方式示意

2.2 流化床氣固兩相流瞬態值模擬

采用EDEM軟件與Fluent軟件進行聯合仿真,在Fluent中通過求解流體力學方程,可以獲得流化床中氣體速度和壓力等參數,在EDEM中通過離散單元法對顆粒的運動與碰撞進行計算,可以獲得顆粒間的相互作用力、顆粒的位置和速度等參數。

2.2.1 不同分布板下顆粒分布變化情況

在相同送風條件、相同初始床層高度、不同型號的氣體分布板下,流化床中心截面(y=0)固體顆粒由啟動到穩定工況時的分布情況,如圖4所示。

圖4 不同分布板下顆粒隨時間變化情況

由圖4a、b可見,在氣體速度尚未達到穩定狀態時,t=0.5 s時,分布板A與分布板B中的顆粒在氣體的作用下逐步進入湍流狀態,流化床層高度較為均勻,床層表面跳動幅度不大,顆粒均勻分布啟動階段分布板A中流化床層表面高度高于分布板B。分布板C中心部位的顆粒率先涌出床層,靠近內壁附近的顆粒響應較慢。

在流化過程中,2.0 s以后分布板A中的顆粒開始周期性的運動,分布板B與分布板C在1.5 s時顆粒達到穩定狀態,相比于分布板B與分布板C,分布板A中顆粒到達穩定狀態的時間較晚。在流化床穩定運行時,分布板A與分布板B中的顆粒沿著流化床中心軸圍繞內壁做周期性旋轉運動,分布板C中的顆粒由中心部位流化至最大高度,然后沿壁面部位回落至床層中,并不斷循環此過程。

分布板A中的顆粒大多集中在z=0.4 m以下的區域,與分布板C相比,床層內部顆粒比較集中,流化過程中床層高度無法達到一個穩定值,床層最大高度存在周期性的變化。在一個變化周期中,床層膨脹比的最大值為9.6,最小值為23.7,可以認為此時顆粒在床層中并未能夠進行充分流化,在靠近流化床內壁的位置出現明顯的顆粒堆積現象。布設分布板B時,顆粒集中分布在z=0.4 m以下的區域,與分布板A相比,在床層膨脹階段,顆粒的膨脹高度較分布板A增加,進入穩定階段,顆粒同樣存在周期性運動,顆粒的周期性運動的形式改變,呈現振蕩運動。布設分布板C時,顆粒均勻分布在z=0.6 m以下的區域,顆粒的軸向濃度變化較小,床內顆粒無明顯的堆積現象,與分布板A、B相比,床層內部顆粒運動穩定,沒有明顯的震蕩現象。

2.2.2 不同氣體分布板下流化床內部流場分布

在流化床內部顆粒進入穩定運行階段時,選取顆粒一個循環運動周期,分析不同氣體分布板的氣體跡線分布規律,一個周期內流化床中心截面(y=0)氣體跡線如圖5所示。

圖5 一個周期內流化床中心截面氣體跡線

由圖5可知,布設氣體分布板A時,氣體軌跡在底部分布比較均勻,隨著高速氣體穿過分布板不斷向上運動,氣體的方向發生偏轉,逐漸偏向于流化床右側氣體出口的位置,氣體的軌跡變得混亂,形成環流。在z=0.2～0.4 m的位置,氣體軌跡變得復雜,局部形成環流區域,環流區域的位置和面積不固定,隨著時間不斷發生變化,流場的穩定性較差。

氣體分布板的開孔形式為B時,氣體生成的環流區域面積較大,環流區域出現在較低的位置。布設分布板C時,氣體在z=0.3～0.1 m的位置,氣體跡線對稱性較好,軸向速度較大。隨著高度增加,氣體逐漸向四周擴散,床層內部未出現明顯的環流,在z=0.7 m的位置,氣體軌跡開始均勻分布,氣體速度降低。氣體分布板的內圈直徑擴大時,氣體產生的環流區域的位置逐漸降低,當外圈直徑縮小時,氣體向中間部位集中,有利于改善流化床內部的氣體的流動,有利于加強顆粒在流化床內的均勻分布。

2.2.3 不同氣體分布板下固體顆粒動力學特性

流化床內中心截面(y=0)載體顆粒軸向速度分布云圖見圖6。規定沿z軸正向為軸向速度的正值。布設分布板A時,床層內部形成偏心環流,顆粒最大速度為0.825 m/s,最小速度為-0.825 m/s。速度分布在床層內部不均勻,右側大部分區域為正向速度,左下角小部分區域為負值,床層水平速度梯度較大,加劇了顆粒之間的碰撞與摩擦,容易導致產生過粉碎現象,可能會堵塞流化床頂部濾袋。

圖6 中心截面顆粒軸向速度云圖

不同分布板z軸高度下床層顆粒的徑向速度分布如圖7所示。

圖7 不同床層下氣體分布板對顆粒徑向速度的影響

布設分布板B時,床層內部環流的幅值較高,顆粒速度較高的區域集中在流化床左下角區域,在右下角的位置顆粒速度較低,且顆粒多向下運動,容易在此處產生顆粒堆積現象。床層內部顆粒的最大速度為0.793 m/s,最小速度為-1.598 m/s,顆粒速度沿軸向與徑向變化較小,床層內部無過大的速度產生。布設分布板C時,顆粒在流化床內形成明顯的對稱環流,形成向上的主流區和壁面附近的顆粒下落區,主流區顆粒的最大速度為1.987 m/s,下落區顆粒的速度為-1.419 m/s。兩側區域的流速差有利于主流區與環流區顆粒的相互摻雜和交換,環流區內的固體顆粒能夠得到及時地補充,有利于氣體和顆粒之間傳質作用的發生。

從圖7a可以看出,于分布板A上方z=0.05 m處,流化床內徑向顆粒速度分布呈現左側高右側低的趨勢。對于分布板B,流化床內徑向顆粒速度分布呈現右側高左側低的趨勢中心區域速度最低。對于分布板C,在x=-0.025～0.025 m處,流化床內顆粒速度存在一定波動,在x=-0.025～-0.075 m與x=0.025～0.075 m處,顆粒的速度分布呈現先下降后上升的趨勢,在靠近邊壁位置,顆粒速度為0,整體流化速度的對稱性較好。

從圖7b可以看出,在z=0.1 m的高度上分布板B顆粒速度顯著降低,顆粒速度在0 ～0.5 m/s之間波動,整體速度分布呈現出兩側高中間低的變化趨勢,顆粒處于主流化區域,顆粒速度的對稱性增強。對于分布板C,流化床中間區域的顆粒速度增加,在三種分布板中,中間區域達到最大值。在兩側位置,顆粒速度仍呈現先下降后上升的趨勢。對于分布板A,隨著軸向高度增加至z=0.1 m,床層內的顆粒速度分布趨勢與z=0.05 m相比沒有太大的改變。

從圖7c可以看出,在z=0.15 m高度時,對于分布板A,顆粒速度與z=0.1 m時具有相似的變化趨勢,顆粒速度左側高右側低,波動范圍較小,且顆粒的速度顯著減小。布設分布板B的流化床內的顆粒流化高度已經達到極限,僅有極少數的顆粒存在,顆粒的速度趨近于0。對于分布板C,顆粒的速度仍呈現中間高兩邊低的趨勢。從圖8a～c可知,分布板開孔形式的不同,對顆粒的流化效果影響不同。對于均勻孔徑的開孔方式,顆粒呈現非對稱性流化狀態,床層內部的顆粒速度集中分布于壁面附近,顆粒能達到的最大高度較低。對于分布板A與C非均勻開孔的方式,隨著軸向高度的增加,床層內部的顆粒速度分布變化比較小,顆粒能達到較大的高度。

3 結 論

不同的氣體分布板結構會影響流化床內氣固兩相的流動特性。改變開孔直徑與開孔方式,將會直接影響床層內部的氣體的流向,同時顆粒的分布狀態與動力學特性也會隨之改變,進而影響流化床的流化效果。

(1)布設分布板C時,流化床內的顆粒運行狀態穩定,顆粒與氣體的摻雜更加充分,有利于增強氣體對顆粒的流化作用。布設分布板A與B時,流化床內的顆粒呈現周期性的運動,顆粒多聚集在壁面附近,不利于氣固兩相充分混合。

(2)布設分布板A與分布板B的流化床內部產生位置不穩定氣體環流,顆粒不能達到均勻分布的狀態,分布板C內部氣體分布較為集中,有利于顆粒的快速達到流化狀態。

(3)布設分布板C時,顆粒在流化床內形成明顯的對稱環流,有利于氣體和顆粒之間傳質作用的發生。分布板A與分布板B的流化床內部產生偏心環流區,顆粒之間劇烈摩擦,容易產生過粉碎現象。

(4)均勻孔徑開孔的分布板,床層內部的顆粒呈現非對稱的流化狀態,顆粒多集中在內壁附近。非均勻開孔方式的分布板,床層內部的顆粒速度變化較小,能達到較高的位置。