技术 | 超临界水循环流化床两相流动特性的数值模拟-北极星火力发电网

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煤炭是中国的主要能源，而以燃烧为主的煤炭传统利用方式是中国产生大面积雾霾的主要原因。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室前期开发了超临界水鼓泡流化床气化反应器，具有反应物快速升温掺混，气化效率高等优点。超临界水循环流化床是在超临界水鼓泡流化床基础上进一步发展而来的新型煤气化制氢反应器概念，旨在提高反应器的处理能力和运行效率。超临界水循环流化床既具有前期超临界水鼓泡流化床的优点，同时又具有循环流化床反应器的优势，是一种非常有应用前景的新型煤气化制氢反应器。

（来源：微信公众号“循环流化床发电” ID：xhlhcfd 作者：张航）

目前虽然已有学者对传统循环流化床进行了全面研究并获得了许多具有重要参考价值意义的设计和运行准则，但超临界水循环流化床运行在高温高压的超临界水工况下，其流动特性相对于传统循环流化床有明显区别。反应器内多相流动特性规律是影响反应器内传热传质和化学反应的最重要的基本因素，也是超临界水循环流化床研究的重要基础课题。由于超临界水循环流化床工作在超临界工况下，目前通过实验手段获得其内部详细流动特性较为困难且资源耗费高。随着计算科学的快速发展，数值模拟逐渐成为多相流动动力学特性研究的主要方法之一。本文目的是通过开展数值模拟研究对超临界循环流化床提升管内两相流动特性进行全面了解，并基于数值模拟研究结果对超临界水流循环化床反应器设计运行提供理论指导。

本文在欧拉双流体模型和颗粒动力学理论的基础上，建立气固循环流化床和超临界水循环流化床提升管中的两相连续方程、动量方程等控制方程，对两种循环流化床提升管内的两相流动进行数值模拟。首先考虑不同曳力模型及层流和湍流模型对气固循环流化床提升管数值模拟结果的影响，然后将超临界水循环流化床提升管中的两相流动特性与气固循环流化床进行比较。并研究表观流速对超临界水循环流化床提升管中固相体积分数、颗粒轴向速度的影响。

1数值模拟方法

1.1控制方程

式中，下标ｉ代表气相和固相。

严格的动量守恒方程还应包括升力、虚拟质董力等。但由于升力和虚拟质量力与曳力相比很小，可以忽略。

曳力模型中常用的有Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型和基于循环流态化的不均匀流动结构特征的ＥＭＭＳ曳力模型。

一般来说提升管内的流动为湍流，当考虑湍流带来的影响时，需要用湍流模型来封闭控制方程，本文采用使用得比较广泛的标准k－ｅ方程。

1.2物理模型

本文采用的物理模型是文献中的大尺度循环流化床的提升管部分。图1给出了循环流化床中提升管的纵截面示意图。床高14.2ｍ，床直径0.2ｍ。均匀气流以5.2ｒ˕ｓ-1的速度从提升管下部的布风板沿袖向进入床体。同时有两股气固流以0.476ｍ˕ｓ-1的速度从提升管的两个对称侧面入口沿径向进入床体，入口宽度为0.1ｍ，入口中心线距离布风板0.3ｍ，且此气固流中固相体积分数为0.4。气体和颗粒从宽度为0.1ｍ的两个对称出口流出，出口中心线距离提升管顶部0.3ｍ。固体颗粒采用ＦＣＣ颗粒，直径为7.6ｘｌ0-5ｍ，密度为1712ｋｇ˕ｍ－3。本文首先对气固循环流化床提升管进行模拟，并与Ｋｎｏｌｔｏｎ的实验数据进行对比。然后采用此结构对超临界水循环流化床提升管中的两相流动特性进行模拟。

1.3网格划分

主要采用矩形网格对图1几何体进行划分。忽略湍流的数值模拟采用的网格的中间部分如图2(ａ)所示，节点在径向和柚向方向均匀分布。径向有18个网格，轴向有536个网格，即计算区域共9648个网格。时间步长为4ｘｌ0-4ｓ。考虑湍流的数值模拟采用的网格的中间部分如图2(ｂ)所示，节点在径向为不均匀分布，第一个节点距离壁面2.2xｌ0-3ｍ，并以1.2的比例在径向增长，径向最大长度为0.01ｍ，径向共有28个网格。在轴向有288个网格，即计算区域共8064个网格。时间步长为3ｘｌ0-4ｓ。

1.4边界条件和初始条件

1.4.1边界条件

2)壁面边界条件由于壁面的形状与物理性质与颗粒相比差异较大，颗粒与壁面碰撞恢复系数与颗粒间的碰撞恢复系数应该不同。根据Ｇｉｄａｓｐｏｗ的研究，一般假定壁面颗粒碰撞恢复系数低于颗粒间碰撞恢复系数，因为颗粒间的碰撞更加接近完全弹性碰撞。因此将颗粒间碰撞恢复系数设为0.99，颗粒与壁面的碰撞恢复系数设为0.95。

将气相的边界条件设为无滑移边界条件，固相的边界条件设为部分滑移边界条件，反射系数设为0.002。

1.4.2初始条件

系统初始为空床，温度设为等温的300Ｋ，压力为0.1ＭＰａ，颗粒温度为1x10-5ｍ2˕ｓ-2。空气的密度为1.16ｋｇ˕ｍ-3，黏度为1.84ｘｌ0-5ｋｇ˕ｍ-1ｓ-1，采用的超临界水的密度为87.379ｋｇ.ｍ-3，黏度为3.517ｘｌ0-5ｋｇ˕ｍ-1.ｓ-1。

2结果及讨论

2.1模型验证

图3给出了距离布风板3.9ｍ处床层的固相密度计算值和实验数据。其中模拟数据分为4个部分：湍流、ＥＭＭＳ曳力模型；湍流、Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型；层流、ＥＭＭＳ曳力模型；层流、Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型。从图中可以发现湍流、ＥＭＭＳ曳力模型以及层流、ＥＭＭＳ曳力模型的模拟值与实验数据都体现出在提升管中心区颗粒浓度较低，在近壁面处颗粒浓度相对较高的特点，即环核流动结构。而在其他模型中此环核结构并不明显。另外，虽然湍流、ＥＭＭＳ曳力模型以及层流、ＥＭＭＳ曳力模型均呈现出环核流动结构，但后者的模拟值更加接近实验值。一般来说，循环流化床提升管中的流动为湍流，其雷诺数较高，但是除非湍流模型中的经验常数准确，能正确描述湍流流动，否则使用湍流模型带来的误差甚至要大于使用层流模型带来的误差。此外，由于k－ｅ方程由流体发展起来的，若对颗粒相也使用湍流方程，得到的结果的准确性也值得商榷.这些原因导致忽略湍流反而得到的结果要准确。

另外，可以发现，层流、ＥＭＭＳ曳力模型数值模拟的近壁面处的固相密度结果比实验结果要小。Ｚｈａｎｇ和Ａｒａｓｔｏｏｐｏｕｒ发现，在混合物中粒径较大的颗粒要比粒径较小的更容易在近壁面处集聚，但是在数值模拟中采用的只是单一粒径的颗粒，这显然会使近壁面处的固相密度模拟值小于实验数据。此外根据质量守恒定律，这会导致提升管中心区颗粒浓度要高于实验数据，图3也呈现了这种现象。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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