（化工过程机械专业论文）循环流化床脱硫器进气装置对速度场影响实验与数值分析.pdf

摘要 循环流化床烟气脱硫技术是近年来国内外正在研究开发的一种先进 的脱硫技术。本文以循环流化床脱硫器为研究对象，对提升管内的速度场 分布受装置进口结构形式的影响进行实验分析与数值模拟，为研究循环流 化床内气固两相流动的传质、传热过程提供优化结构的依据。 设计的实验进口装置采用工业上推广使用的文丘里管。通过实验，测 量了气体轴向速度在文丘里扩散段与提升管内径向位置上的分布，运用速 度分布不均匀度概念对轴向速度沿径向位置分布特点及其产生原因进行 了深入分析与讨论。结果表明：装置的侧向进口结构和回料管的存在严重 影u 向提升管下端气体速度分布均匀性，使得气流在提升管下端产生了不良 流动行为，在回料管一侧，甚至出现了旋涡，提升管段的稳定流动区域也 有着相应的变化。 采用l a u n d e r 和s p a l d i n g 提供的模型常数，通过数值模拟分析结果与 实验值的比较确认了两方程* 一e 湍流模型对本实验装置的适用性。设计 了两种不同于实验装置的进口结构，并运用k e 湍流模型对不i 司进口结 构型式气体流动状态进行了数值模拟，获得优化进口结构形式。 关键词：循环流化床脱硫器进口装置 速度场特征数值模拟优化 a b s t r a c t f l u e g a sd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yw i t hc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) h a sb e e nd e v e l o p e di nt h ew o r l dr e c e n t l y i no r d e rt op r o v i d et h eb a s i so n o p t i m a l s t r u c t u r eo fi n l e tf o rt h o s ew h ow o u l dg oi nf o rr e s e a r c ho np r o c e s so f m a s sa n dh e a tt r a n s f e ro fg a s s o l i di nc f b ，t h ee f f e c t so fi n l e ts t r u c t u r eo n d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f v e l o c i t y f i e l di nr i s e rw e r es t u d i e da n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e di nt h ep a p e r t h ei n l e ts t r u c t u r eo fv e n t u r i p i p et h a tw a s e x t e n s i v e l y u t i l i z e di n i n d u s t r yw a sa d o p t e d d i s t r i b u t i o no fa x i a lv e l o c i t ya c r o s sr a d i a lp o s i t i o ni n r i s e rw a so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa x i a lv e l o c i t y d i s t r i b u t i o nw e r et h o r o u g h l yd i s c u s s e dw i t hu n e v e nc o n c e p t i o n t h er e a s o n s t h a tt h ef l o wp h e n o m e n aa p p e a r e di nr i s e rw e r ee x t e n s i v e l ya n a l y z e dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee v e no f v e l o c i t yp r o f i l e si nt h eb o t t o mo fr i s e rw a s b a d l ya f f e c t e db ys i d ei n l e td u c ka n dc i r c u l a t i n gf e e di n l e t a sar e s u l t ，t h eb a d f l o wb e h a v i o ri nt h eb o t t o mo fr i s e ra r i s e da n dw h a ti sm o r e i nt h ev e n t u r i d i f f u s i v es e c t i o n ，t h e e d d y ，w i t hw h i c ht h er e g i o no fs t e a d y f l o wi n r i s e r c h a n g e d ，a p p e a r e do n t h es i d eo fc i r c u l a t o r t h r o u g hc o m p a r i s o n o ft h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t s t w oe q u a t i o n r sm o d e lw a sv a l i d a t e dw i t hc o n s t a n t s r e c o m m e n d e db yl a u n d e ra n ds p a l d i n gi nt h ep a p e r t w od i f f e r e n tt y p e so t i n l e ts t r u c t u r ew e r ed e s i g n e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e s eb o d i e sw a s m a d ew i t ht h eh e l po f 芷一sm o d e l t h eb e t t e ri n l e t t y p ew a sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ee x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d d e s u l f u r i z e ri n l e ts t r u c t u r e v e l o c i t yf i e l d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘芏或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一i q i 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李恕落 签字f 1 1 期： 妒尹年乒月r 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤注盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权苤盗盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅a 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参也- 毙 导师签名 签字日期：和侔 z 月 邯舍磅 签字日期：必厶年2 - - 月膪同 煎奎一。 前言 随着社会的不断发展，环境问题越来越引起世界各园的关注。 我萤怒以潆为囊要趣源静国豢，氇惫整器土煤熔污染耱撵赦大国。大 气污染以煤烟型为主，主疆污染物是二氧化硫和烟尘。燃煤所造成的环 境污染已残为魏终我国经济帮社会可持襞发溪粒个重癸因素。蓬家委在 逐步完善环保法规，修订大气污染物的排放标准，以适应国民经济的迅速 发震。 依据目前的脱硫技术水平，烟气脱硫仍是降低二氯化硫排放量最经 济、有效酌办法”3 。烟气瓣骧也楚世爨上应用最为广“泛瓣一秘亨 敦阳，熬 控制技术。循环流化床烟气脱硫技术利用了循环流化床优良的传质、传热 挞能，通过对吸收到鹃多次锤环馊蠲，延长暇牧剡与翅气接照裂淘，在较 低的钙硫眈情况f 接近或达到与澎法脱硫工艺相同的脱硫效率，而且该工 艺具有流稳麓单、设备可蕊蛙高、翅期投资少及剁产物可裹利用等特点， 国际上普遍认为循环流化床烟气脱硫有广泛的应用前景。 本文以循环流化床脱蕊器为磷究对象，设计了工业装置i = _ l 采煺的文j 王 虽式进口分布器。在此特定的进口装置条件下，对器内的速度场特征进行 了实验分析，充分注意到了文丘璺管进口装置对速度场分布特链的影 吼 溺定了提升管内流体速度的分布情况，用途度分布不均匀度的概念详鲕讨 论分折了气体轴向速度沿衽向位鼹的分布釉轴向发展规樽。利用数值模拟 方法对本实验系统逑行了模拟计算，确认了数值镶拟结聚与试验值的吻合 程度。在此条件下，用数值模拟方法对不同气体进口结构对提升管内流场 分布酶影豌状况送行了模叛并得磁初步绪论。本文对涵气脱硫循环流优床 冷态实验的研究为今后循环流化床气固两相传质、传热的研究及其循环流 诧瘩弱设旁罐供 衣摇。 第一牵文献综述 第一章文献综述 1 1 循环流化床烟气脱硫技术概况 循环流化床脱硫技术是近年来国际上新兴趣的一种先进的半干法烟 气或硫技术。它以循环流纯床反应器原理为基磷，通过对啜狡裁静多次循 环，延长吸收剂与烟气反应接触时间，撮高吸收剂的利用率和脱硫率。循 环流讫瘩麟凌技术正在弓| 熬越来越多零家瓣重章冤。 1 1 1 循环流化床脱硫原理及模型 1 1 1 1 脱硫机理 循环流亿床潮气脱硫技术怒根据工澈产品生产过程中的流化床技术 发展而来的，实际上它的原理是处于湿法与于法之问的一釉半于法烟气脱 硫技术。主簧化学反应如下： c a o + s 0 2 + 2 h 2 0 寸c a s 0 3 2 h 2 0 部分c a s q 2 h ：0 氧纯： 1 c a s q 2 选0 + 谚寸c a s o l 2 h , 0 z 以上反应过程为：( 1 ) s o ：从主流体向颗粒表掰的尾部气相传质；( 2 s ( ) 。溶解在颗粒薄膜液体中，形成l i s o 。- 和s o 。”：( 3 ) 硫份在液桐中扩散： ( 4 ) c a ( o h ) ：颗粒在液相溶解；( 5 ) 钙基与硫根的液相反应。脱硫剂中黔 水分有耐予脱硫反应，主黎因为颓粒表面的水分通过吸收溶解s o 。，形成 新反应成份h s o 。一和s o 。，而且水分在颗粒内部的渗透，在c a ( o h ) ：颗粒 之间形成了液膜，健气体分子在藐豫和产物层内静扩散转变为液稻中的离 子扩散，减小了扩散路径和阻力。 1 1 1 2 脱硫模型 缀摄锤黪滚纯床鹱蘸嚣反应识灌，疆究者氆动予不嚣秘理论缀漫，掇 出了不同的烟气脱硫模型。早期研究者提出的烟气脱硫模型都认为s o 。的 吸收速率仅受以上黢蕊反应缀理过程中某步掰控键，嚣没有毙较全嚣翁考 虑脱硫反应的所有麓要步骤。随着人们对脱硫模型的研究不断深入，在模 型中考虑的爨素也越来越全越，但楚由于魏骧反疲豹复杂煌，要建立包搀 第一霉文献鲸遴 所有因辩在内的模型还有相当困难。 n e w t o n 等”3 投据双膜理论，假设： ( i ) 溶滚孛钙离子与醵分瓣液翱离子反应为瓣瓣完成； ( 2 ) 水份和吸收剂于浆液液滴内无环流； ( 3 ) 忽略液相浓鹰的变化对反应的影响； ) 忽疆反应热帮骧莰絮鹩溶瓣燕； ( 5 ) 浆液液滴肉躲温度保持数； ( 6 ) 忽略亚硫酸钙的溶解； 7 ) 袋渡菠滂和吸收翔均为球彤， 褥出了淹鏊浆滚滚瀵东汽蘸蒸发褰滚滚表蕊暇收裁量蘸交讫，爆气驻硫反 应中控制步骤发生变化的情况。认为，对于盥径大于2 0 p n 的液滴其反应 的控制步骤变化为：在反应初期硫分在液相中的扩散为控制步骤：随蓿水 癸爨蒸发，装滚滚滚裘蠢蕊酸较裁壹孽多，觉时浆滚潼并絮抟蔟为控甏步骤； 随着浆液液滴井部吸收剂的消耗，邸反应后粥液相传质为控制步骤。丽对 于直径小于2 0 z m 的液滴，其反应的控制步骤依次为硫份在液相中的扩敞 窥巯分在吸收裁颗粒裘嚣摸内豹液趣扩教。 n e a t h e r y ”3 两群运惩矮膜理论，考虑c a ( o h 。装漓在蔽斑黎量熬蒸发 时间和假设反应器内气固两相流动均为活塞流得到了一总脱硫效率方稷。 j i a n g 等5 1 假设反应器内气相主体为活塞流，周相主体为全混流，并且床 疼不存在气遵蒋蒋况1 f ，鞭鬟稳态下s 侥意气耀稿霞蠢中稳镄瓣平餐荚系 推导出了脱硫效率公式。韩旭和韩增山“1 在对燧气循环流化廉脱硫效率孵 研究中，同样认为在反应塔内气体和物料( 脱硫剂和灰渣) 为活塞流动且 袤渣鞠麟硫刹在循环获籍建也为懑塞流动，建立了爆气循环滚诧褒魏硫效 率静数学模型。臻暴裘捷，影噙德环流佬采系统驻硫效率的主要霆素为氛 化钙在反应器内与二裁化硫反应比率、钙硫比和循环次物料浓度。 1 。1 2 循环流化廉烟气脱硫技术的应用 普遍认为循环流化床烟气麟硫技术是育替广泛应用前萦的脱硫技术， 且适合于发展中国家使用。它不但县有干法脱硫工艺的优点，如流程简单、 占遗少、投资少爨及剁产穆鞍易处理等，两虽还瞧在翼群静链蘸毙媾况下 接近式达捌与瀑法聪硫工艺褥丽瓣脱硫藏率。 1 1 2 1 丹麦f l sm ii j o 公司的g s a 系统 弱爱f l s ，m i l j o 公司静气体懋滓鼗霞技术蹩一蓊麓单懑教夔麓臻技 一 茎二：耋塞螫签姿 一一 术，工艺部分主繁包括圆柱型反应器、分离床秘的旋风分离器和石灰浆制 各三个部分，详见阁1 一l 。 肤锅炉出来的烟气进入g s a 反应器酶底部与雾化的石灰浆混合，烟气 中的二氧化硫及其它酸性气体与其接触，在浆液滴的表嘲进行蓿化学反应 啜浚过程，闻时反应耪在燧气熬俸蘑下被予嫌。滋合耀气经旋风分离嚣裙 级分离大颗粒烟尘后，进入电除尘器或滤带式除尘器进行二级除尘，最终 符合标礁稳清洁气经烟囱簿敖至大气中。 g a s 系统的主凄工艺特点：床料高倍率循环，以保证吸收剂与烟气充 分按趣，撬麓吸收测戆剩用率；矮气在爱应爨及旋风劳离器中骢馨时闾短 ( 3 5 秒) ；脱硫效率高；运行可靠，操作简单，维护工作量少；基建投 资耀对较低。 一。 1 反应器2 旋风分离器3 除尘器4 脱硫灰储槽5 石获仓 6 露荻装穰餐楗7 承蒙8 葛获浆泵9 压缩橇 图卜ig s a 脱硫1 ：艺流程图 f i g ，1 一lf l o wc h a r to f g s a d e s u l f u r i z a t i o n 1 1 2 2 德嗣l l b 公司循环流化床脱硫技术 德国l l b 公司的循环流化床脱硫技术的主要设备为流化床反应器、带 有特殊预除尘装置的电赊尘器、水及蒸汽喷入装麓。工艺系统详见图卜2 。 c f b 的主要工艺特点：没有暌浆系统及浆液喷嘴，只喷入水线蒸汽： 新鲜石狄与循环床料混合进入反应器，依靠烟气怒浮，喷水降温反应；廉 籽有9 8 参与鹱环，毅磐石灰在反应器凌停蟹时谶累诗霹运鬻3 0 分辩以 上，使得石灰利用牵可达g g ；反应器内烟气流速一般为1 8 3 6 1 m s ， 烟气在反应器内驻黧对阕愆，约为3 移；可醴潢足锅炉受萄跌3 0 1 0 0 范围内的变化；对含硫6 的煤，其脱硫率可达9 2o ；基建投资相对较 低：不需要专职人员进行操作和维护。 塑二重塞鲢堡堕 一一 1c f b 吸收塔2 消石灰料仓3 机械预除尘器 4 静电除尘器5 烟囱6 脱硫灰料仓7 储水箱 图1 ，2c f b - - f g d 工艺流程图 f i g 1 2f l o wc h a r to fc f b - f g d 1 2 循环流化床脱硫器流体动力特性 1 2 1 床层结构不均匀性 循环流化床脱硫器内气固两相的流动行为相当复杂，不仅取决于气体 速度、颗粒循环倍率及气固物性，而且受床层直径、进出口结构以及回料 装置结构等多种因素的影响。循环流态化气固流动的基本特征，归纳起来， 表现为颗粒浓度、颗粒通量、颗粒速度和气体速度等参数轴向和径向的不 均匀分布。这种不均匀性的相互关联和影响是循环流态化气固两相流动行 为的重要特征，是脱硫器脱硫性能的主要影响因素。 12 1 1 空隙率不均匀性 研究表明，循环流化床提升管内空隙率的分布受到气速、颗粒循环量、 颗粒性质、进出口条件等多种因素的影响，其中最为主要的是气速和颗粒 循环量，提升管内轴向颗粒含率呈上部为稀相区和下部为浓密区特征。 y e r u s h a l m i 和a v i d a n 的研究就已证实了这一基本特征，并且认为其受 操作气速和颗粒循环速率的影响很大。其他研究者o “”还研究了另外一些 因素对截面平均空隙率轴向分布的影响。b a i 等”1 比较系统研究了颗粒速 度：颗粒直径、床体内径以及出口约束条件等因素对截面平均空隙率轴曲 分布的影响，并分析了各种因素对提升管中截面平均空隙率轴向分布影响 的变化趋势。 对空隙率的径向分布的大量研究表明，空隙率径向分布与操作气速、 第一章文献绦述 颗撇循环速率、颗粒物性以及床麟直径等因潦青关；但难大量的实验络呆 分专吁裘鞠，只要截馘乎均空隙率定，空隙率径向分布就只是径向无黝次 谴嚣式簸菇敷了，丽弓灏露条俘等霞紊无关“。鋈予越，w e i 等”对空 隙率径向分布进行了较为深入的研究，运用式l 一1 对提升管上部稀相区和 下部滚锫区空豫宰衽海分布进行了颟瓣，获褥了写实验较鸯一致翡结聚。 三二耋：2 2 一。i 二0 6 8 荸0 9 5( i 1 ) 1 一嚣 l + e x p ( 1 0 ，霆一7 6 6 5 ) 1 2 1 2 颗粒速度举均匀性 鬏糖速凄翁实黠分南实验臻袋表鹗，爱予黻粒匏漓动、遂混阻及聚嶷 与辫体游联因，杰臻斌黥咒乎赝煮径囊僚嚣，鄂戆测刹灏粒瓣歪、受避 速度“”。1 ，在床屎中心区，颗粒主要向上遣动，在边壁麟颗粒速度较小， 焉焱辍时均速霾为零黪径巍位羲，嬲绘窭了中心嚣与边璧嚣兹劳墨点“”， 表嚼颗粒遮度的径向分布鼙现出环核流动结构。 漆小波等“姒对撬舞管中颓越遴凄豹分京逃学了较为燕缆款磺究，分划 在不同的液观气速和颗粒循环速率下测意了颗粒速度的分布情况，分析了 颞鞍逮震澄辘窝煞发震。结桊表鞠，在低浓浚的操荏条静下，鬏靛酶加邃 段鞍斑，随着颗粒桶环速率的增加，颗粒的加避段会不断的延长，以至于 可熊趣过挝拜管的瀚艘。 2 。1 3 额越逶羹苓均匀瞧 由于籁粒酶聚麓俸用，在任储徕层径国位鬣主驽存在颥粮髓向上帮两下 运动，对给定的床腰截面，颗粒循环速度增大戏操j f 乍气遮减小均使颗粒在 寨申必黪瓣上滚动通蓬爨及在边蹙蘧戆惑下浚魂适量增大，当掭彳搴祭髂 定时，随床层轴向位麓的升高，中心区向上的颗粒通量逸渐减小，这融明 滔床蘑径游存在饕麟穆交换，虽净交挨自床鼷中心籀自边麓区“。 在恢遮滚态纯撩传条 ! = = ”f ，当寐层毂弱空隙率较大鼹，r h o d e s ”茬h m o n c e s l l x 等“”蓑褒无邈次鬏粒通蹙( g s ，g s ) 经翔分毒蹦聪一个“相钕分 布状态，在此情况下，核心区半径基本不受颗粒循环逋举以及床径的影 l 塞。w e i 簿“”采舞嚣簿速敬棒毅术对提嚣营蹲= | 糇载暹量经翔分蠢避嚣。y 分 橱，撬囊溪粒逶量程蠢分布豹翊分方法，谈蔻葵努毒可蒸本分为三类，印 繇一嫉黧、糖甥线戳、u 黧，黉认为在裹气遮蠖低蹶搜浓殿下，育霹能出 现u 型。但是m a l g u s 等”“对高密度( 颗粒浓度为1 7 左右) 循环流化床 中羰粒邋餐避牙錾秘究发现，在离鬏越循环速率魏条孛 下，颗粒逮量径内 箜= = 童塞整堡整 分韶也出蛾了u 型分布，并且其分布和提升管瞧径有很大关系，可是，关 于这方聪的文献还币多见，因此想要对密期威中颗粒通量阻及流动结构旁 系绕翁了勰，还霰娶递一步的实验工棒。 1 ，2 ，2 气体动力学特性 在生产过程中，气棼入嗣结秘设诗受王程约寒不蕤设跨或宠金理想菰 凝，双聪学教气体分布不均勾，滤成入西区静“嚣区”，影瞧了床痿歪辫 的流化状态。对于伴有传热或其它反应过程，这种不正常流态化现象的出 魂，势努会建藏瘴溪耱辩麴浇结袋影凌最终产菇投攀。瀚戴，暴溪莛荮煞 气傣入口绪稳藏袋了改善流讫床爨青稳定豌滚态亿状态静鬟簧途径之一+ ， 蒋剐避对气强滤弛床，瘗予其露有鹣不均匀帮不稳定特拣，台理黝设兹”气 体入口结构就显得尤为重鬟了。丽对于良好的气体入口绒桷，既疆求熟越 裂均匀努蠢滚嚣蕊俘臻，霞流讫床育一令獒好鼢起始滚纯状塞，辩除形成 “死区”韵可能；嘲时又袋保证通过进气装鼹的压降要尽可能的小，阻减 少不必婺豹戆量损失。 作为气体分布嚣，文丘里管进k t 装蒙避静在工业中有蟹广泛的应瘸。 在冀0 邀纪8 f ；年霞拣避l 潞公司率先秀发翡褥环浚蟊寐斌气菔壤蔓艺中， 文丘里管气体入口结构就已l 得到了应用“”。马脊元等“畦在对双循环流化床 半予法潮气憋浮聪璇技术磷究与工程实践过稷中，认为文丘墼淡化装露结 橡麓单、秃器撰| 孛，并显对浚薅瓣力甄，溪鼹文聂墨、舔菰文曼墨及多整 流俄方式，畜薅结瓣能力稿较快熟惫趋均匀特性。马舂元鳟龋礤究躲双溅 环流化床半千法烟气悬浮脱硫脱硫装置已l 经完成了工业性优化试验及工 程示范，袭现出了离筑髓酸效率。p 。o l l e r o 麓对坐蒸在嚣褒牙南部嬲 l o sb a r r i o s 发电厂中循环流纯臻烟气疆硫半工渣装置避嚣了研究，此套 装置 | 句激大烟气处擞爨可达到1 2 0 0 0 标准立方每小时。在这套装拦的整个 工艺中，聚篇了文丘慝管气体分布器，其灏本结丰旬尺寸为： 壤图袁径；3 0 0 m m ； 喉颈长凄：i 0 0 0 m h i ； 收敛角：2 0 。( 半锥角q 。) ； 扩散热：l l4 ( 半镶建：) ； 文聂氅管努毒嚣慧高：3 6 0 0 r a m 。 与葵稿儆鹊减套装甏在德鬣襁北荑等簪家也育馘为广泛的崧淄。 在鼓泡流化床中，为保证气一圈相有充分接触，对气流喷嘴以及气体 第一辩文裁鲸遮 入口结构的设计准则都已经做了深入的研究；在快速床中，尽管气体入口 结襁对庶屡滚动状态有着不可忽视豹影确，然薅，关予这方潮驰研究却越 少。s a x t o n 帮w o r l e y “8 分弱羁霆、二彝三个绶嘴蓊入掰影式葶| a 渡气， 对 ：= 业缀升管反应器中的气固流动状态进行了研究。结聚表明，利用三喷 嘴避口结榆g i 入滴气辩，不仅固体颗粒在入蹲姓分布更为均匀，褥且在籍 个庶最， 二，遗动缝搀也担对稳定、均匀。w e i n s t e i n 等“都磷究表麓，浚宅 床入口结构形式对床朦蕊遮区也印入日区：蓐蒋萋簧影噙，掰虽这种影嘲可 以延伸到整个提升瞥。s a x t o n 和w o r l e y 曾经指出，优化气体入口结构， 爵戳藤镶气髂对露体颗粒熬粕逮侔鬟，鼠悉快速获褥均气潜浓发分布以 缩曛入l = l 长发帮餐巍床屡瓣嗣周效率。 3 德环流 宅床流体动力窜特性数学模型 循环流纯廉疆野管中气莺流动结孝鸯菲鬻篾杂，籍碡静实验测试窝建受： 普邋适用的数学模烈是相当困难姻。就循环流化床提升管中整体的流动规 律丽畜，颥粒浓度避蕊出上稀下浓的趋势。磷疑者为了详粥描述循环流讫 床魏壳分菠矮区懿滚动结搀，鏊予甭嗣翁逛谂和馁设，醋缀提出了足秘数 学模型方法，英分炎可弼下剜图袭表示： 薅薹= | = ：漉纯瘩滚爨= 力学特性 数学攒燮 维轴向流动模型ii 环核流动模型e 2 6 j e 2 1 fl 多流体模型 聚集分散 援型1 2 4 1 颗粒夹带 模型 多尺艘能懿最小fl 黼维流动 摸型3 0 1il 挺烈m 1 1 2 9 圈1 - 3 循环流化脒流体力学特性数学模型分类阁 f i gl 3c l a s s i f i c a t i o nc h a r o fm a t h e m a t i c a im o d e lo nd y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fe i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 一缭辍淘滚动横整是熬整个懋浮袋笼统瀚黉鼹是一种单滚诲，其麓 本霰设为：( 1 各尺寸颓歉夔平稳逮度都游予颡羧联齄菇部流 誊虢平均蘧 度；( 2 ) 髅鞭类儆于气落残为浚游黪一秘缀分谳发生滚滚扩散，并豫撩拶“ 散平衡。由于床内絮状物的存在，真接将拟流体模型应用于循环流化床腻 然蹩不台遥静，敖在键环流讫床中，除了褥气溪流动露为缓掇蚜籀羚， 第一露文敷综述 还要考虑颗粒聚集体在这拟均相中的运动规律；而环一核流动模型则将气 固流动沿床层截面分为核心和环黢两令区域，在每一区域内，气体速度、 颗粒速度以及颗粒浓浚均一，两区域之闯存在溪董、动量交换作用。多溅 体模型是把颗粒和气体均看成是遴续介质，即辫成是多流体系统。认为空 间各点都有多种流体备自不同的遮度、浓度分布。这些流体共同占据同 空阗露穗豆渗透，但存在不目的 攀积傍颧，翅阙存在滢穆。 从目前所提出的循环流化床流体力学特性数学模型看，一维轴l 锄流动 模型能够较好的描述循环流化床内颗粒的轴向分布规律，但是一维轴向流 动模型对颞粒径向分布则无能为力。对环一核流动模型，不仅可以描述床 内气露滚动静径自不均匀性，丽舅+ 浮淡描述牵蠹穗流动静不均匀性，餐其涉 及到的参数不易量化，且一般在设计循环流化床前为未知数，因此对该模 型的研究仍需进一步发展和完善，尤其是应减少对经验公式的依赖性。多 流访模黧娥浆理概念合理，与罄分实验结果捉唆合”，毽怒溃藏现象过予 复杂，对引入湍动流模型是否合觏还有待进一步证实。不过，鉴于传统物 理模型缀验性强的特点，基于流体力学基本原瑷建立起的多流体模型已经 撂到越来越多的重视，戏为研究德环流化床萋要模型之一。 第二章实验设计 2 1 实验目的及意义 第二章实验设计 以循环流化床脱硫器为实验研究对象，实验装置设计有文丘里管式进 口分布器。其实验日的和意义为：( 1 ) 在这特定的进口装置条件下，通过 实验对脱硫器内的速度场特征进行实验测量和分析，以研究文丘里管进口 装置对速度场分布特征的影响；测定提升管内气体速度的分布情况，用速 度分布不均匀度的概念详细讨论分析气体轴向速度沿径向位置点的分稀 和轴向发展规律。( 2 ) 采用数值模拟方法对实验系统进行模拟计算，以实 验分析为基础数据确认数值模拟结果与试验值的吻合程度，验证边界条件 假设的可行性；在此条件下，用数值模拟方法对设计的不同气体进口结构 型式对提升管内流场分布的影响状况进行模拟计算并得出初步结沦。划望 上述实验研究分析和数值模拟方法的结论对循环流化床气固两相传质、传 热的研究及其循环流化床的设计提供参考。 2 2 实验流程 实验流程如图2 1 所示。流程主体为2 米高的由有机玻璃制成的流化 床提升管。流化床底部的气体进口装置采用的是文丘里气体分布器，其目 的是一方面减小通过进口装置所引起的不必要的能量损失，另一方面为获 得较为均匀的流场。实验时，空气经鼓风机8 送入循环流化床底部，经过 文丘里管分布器6 后进入提升管。为保证实验流程与实际工程流程相一 致，空气出口还要经过旋风分离器2 和布袋除尘器7 ，最后空气在引风机 9 的作用下排至大气中。实验时空气流量由流量控制阀l o 来控制。 第二：章实验设计 1 提升管 2 旋风分离器3 储料黼l 4 回料控制阀 5 圈渡营文聂墨管 ? 存袋豫尘嚣8 鼓最辘 9 引风机1 0 流健控制蝴 雪2 - 1 实验漉程銎 f l g - 2 - lf l o wc h a r to f e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 2 。3 实验装羞与蜜验内容 2 3 1 癸验装置 疆琢滚稼康主舔实验装置示意鍪舞霹2 2 掰示。为了嫒予鬣襄实验时 流化床内的流动现撩与方便测量，流化床主体采用透明有机玻璃制成。流 彳宅床主体离度为2 0 0 0 m m ，内径为2 0 6 m m ，测点问距与标识号如阉2 - 2 所示。 装羹蘧弱内径为t s o m m 。 文丘里特征结构尺寸为： 喉翻内径：6 0 m m ： 矮【j 赢径院；i ： 扩散角：1 2 。( 半雅趣) 。 第二霉实验设计 测2 w 2 键环流化庶凝攫测点幂意燃( 单莰：m 魁) f i g - 2 _ 2m e a s u r i n gp o i n ts c h e m a t i co f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 2 3 2 寨验内容 实验穷藤为空气，露藤篷蠢不疑截嚣瓣遮淡分东透行测慧，隧考察床 层内标识符截面上辎离速度在径自位置器点酶分布和在廉肉辘囱速度涪 轴商的发展变亿德潍戳及装篝避黼结构和圈料篱辩流场分布的影响，从耐 获得最优的装置进口结构形式以得到提丹管内的稳定均匀的流场分布。对 第一肇实验设计 气体速鹰和压力的测量分别采用成托管和补偿式微压计。 2 4 实验方法及艨毽 针对现有实验设备和测量仪器，对循环流化床反应器中的流场进行了 测定，主凄参数包撼气体速度、鹾降等参数。 2 。4 。1 气体速度的测量 气体速度采用皮托管钡j i n _ ，蕻示意图如图2 3 所示： _ 一1 一 ，一” |一 4j ， jj i ， 1 卜， 3 。5 5 3 5 专三字三三皇穗， | i i 气流 一一 _ 。- 二、。一 图2 - 3 皮托管测速原理示意图 f i g 一2 - 3s c h e m a t i co fm e a s u r ev e l o c i t yw i t hp i t o t 卜“) 溯量菝璎：皮托管豁下管 | l 缮嚣为蟹秘获在燕鬻熬爨藤漉薅动 能u ，2 2 与静压能p p 之和，和称为冲压能，即： 九一等+ 詈 式中：“，一一流体在测量点的犀部流速，孺s ： p 一一流体密度，k g m 4 。 皮托管上部的测压孔测得的是流体的静压能p p ，即： 。詈 测点处的冲压能与静雁能之差h 为： h 一致一= 等 于是测点处局部流速为： ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 笙三篷壅笙璧盐。 “= 面 ( 2 4 ) 式中：ah 值由补偿微差计灼读数r 确定。 皮托管的制造精度影响准确度，故应莱以一个系数，即”，= 2 h 。 其中，ah = p p 。，所以e 式化为： 炉膏f 2 竺 vp g ( 2 5 ) 式中：k 为皮托管修正系数。 ( 二) 髑部流速测点的确定 流速测量时，皮托管在管道中测量得到的只怒管道截面上某一定点的 压力或流速。出于滚体旗 雯及其它一些因素手筝矮，警截嚣主各点的流速分 布是不均匀的。在管截面的中心流速较高，沿着管壁方向速度逐渐下降， f # 一 管壁处为零。为了凇确地计算流量，q = a v = a a 卢氓一p ) 西= a 厄h k v ， v 9 式幸的流速v 必须蹩有裁夜意义静平筠滚速。一耱近镌芟静方法莛将管逮截 面分为面积相等的潜干部分，并认为每一部分流速都是均匀分布的，在其 中遗择适当静点逢行旗l 量，就可健测量的焱据符合实际流动情况。 对于圆形管道，通常采用等环面积法”。这就是将圆彤断面分成n 个 面积穗等静溺心匿环，荐将每个圆环分为两个面积相等的部分，测点就放 在这两部分的分界线上如图2 4 所示。设管道内校为r ，测点所在圃中的 半径分剐为r ，”一f 。，剿横据等两积划分的原莉可求得： 睾= 27 r r l 2 , t = 霪按 等= 孚舻虫接( 2 - 。) 鲁2 = 鲁2 舻露、等2挖一l 。”v心 式中：n 一一等蕊积圆骂数； i - - 被测点半径的序号 第二章实验设计 图2 - 4 圆形断面测点分布图 f i g 。2 4d i s t r i b u t i o no fm e a s u r e d p o i n to nc i r c u l a rs e c t i o n 凝摇以上方法，确定本实验系统主体塔身某截嚣戆溯点。婚截露分 成5 个等面积的环形，因此n 取为5 ，从而计算得到的测点位置如图2 5 积袭2 一l 。 j。y 、 j 543 21 图2 - 5 气体速度测点分布图 f i g 2 5d i s t r i b u t i o no fm e a s u r e d - p o i n t 爱2 - 1 测点位置 t a b l e2 - 1p o s i t i o no f m e a s u r e d * p o i n t 澄意一一一羔一一 3 ：4 ： ，5 ：。 坠望型7 上二题二! 墨 ：! 星：鲢：三鱼：丝 ：曼至：蔓2 壤盎上一耋 31 5 j l 型l 一她 2 2 ：2 2 ：2 第= 章实验殴计 ( 三) 皮托管测速的优缺点；皮托管的优点怒对流体的阻力较小，适 用于测量大直径管路中的气体流速；缺点是测点多，测爨时间长，读数较 小。 2 。4 ，2 压隆测量 幽y j b 测补偿微压计直接测量压降。 原理：褥偿镦愿许动、静压接帮分嬲镄所要铡瓣压差的两个接管上( 之 前要调水平和调零) 。调霄微调当水准头尖与其倒影相接时计下微压计的 示数，压差p 垂下式计算： p = r g 。p ( 1 一t j ) x l o 一3( 2 - 7 ) 舻 式中：p 被测压力，p a ； r 一一仪器示值读数； g 一使用地点重力加遮度，( m 82 ) ： p 一一稔定溢凌下东静密凌，( k g m 3 ) ： p 一一使用环境下水的密度，( k g m 3 ) 。 籀= 三章流体力学模型与数穰计筹方法基础 第三章流体力学横型与数僮计算方法基础 化工中计算流体力学的引用始于7 0 年代末期。早期主鼹限于对简单 流动过稷的模拟。随着计算机的不断推广和技术的持续更新、计算技术的 发展、诗舞理论豹不断完善以及对工监过程研究艇不颧深入，观己能对各 种复杂的单相流动体系和简单盼多相体系进行描述。尤其麓近年来，流体 力学数值模拟得到了蓬勃发展，显示出了巨大的活力。在传统的数学分析 难于实现的复杂边界条件或复杂几何形状和实验研究代价过商以及工程 装萋懿 茏诧及放大设谤方覆，它受显示窭 萋为耱毅颡、有效巍每薪手羧焉 日益受到煎视。 流体力学数值模拟主要包括下列步骤：首先由流体力学、热力学及传 热传矮学等基本原理，建立矮量、渤量、趣量及浚沆将蛙等守疆方程组， 构成基本方程组；其次妇问题的物瑷特性出发，确定计算域并给定计算域 进出口和边界条件；然后，由实验绒物理概念的魁本假设出发建立或选择 模型或封闭方法，再对以上非线性控制方程组离散化制定求解方法，给出 诗算技巧。 3 1 湍流理论基础 滚滚楚滚体力学中逡未怨决豹竣为复杂熬阉越之一。尽簿麴此，为了 处理工程t 的问题，人们还是需要使用各种不同的方法，其研究的根本方 法是直接进行数值模拟( d n s ) ，即在k o l m o g o r o v 尺度的网格中求解瞬态 三维n a v i e r - s t o k e s 方稷，两不瞳孀任嚣溃渡模型。但是d n s 方法，要占 据菲常纛大的计算瓶器量和c p u 辩闯，因而，在当前发展阶段还不能解 决任何实际问题。另一种方法是大涡模拟( l e s ) ，即在大涡尺度的网格 系内求解n s 方程，对小尺度湍流仍需要模拟( 强网格模拟) 。l e s 方法 仍然嚣要稳当大懿谤簿穰容量帮c p u 时阕，蠢魏黠鋈翦嗣予工程上酌预 报还是不能实现。 湍流运动的实验研究表明，虽然湍流内部结构十分复杂，但是它仍遵 鹈连续介壤懿一般动力学翘律，系绫识骚姨质量守恒定律，动譬守瞧定撑 和髓量守憾定律。滴流中的流动特征常数虽然随时问和空间的变化，但是 任一瞬间的运动仍然符合连续介质流动的特征。因此，在湍流中任一瞬时 的参量都可以用平均爨和脉动量之和来代替。 第二章流体力学模型与数值计算方法基础 31 1 输运公式 在敬拉法接述静漉场中，单位控嗣髂狡内肇位麓量静特性量每豹赣运 公式为： 面a ) + 暑萨) = 一嘉。一l + o ( 3 _ 1 ) 式中：左边第一顼袭示单谴体积雨特，匠量耱局部交纯率： 左边第二项表示通过控制面的净通避； 右边第一王委表示遂遥控裁嚣癌分子效应弓| 怒翡浚运王蒺静教壤； 右边第二项袭示任一内部和外部过程或源对控制体内特性量变化 赝擞戆贡麸。 3 1 2 连续性方程 如果单位质量的特性量中= 1 ，j m = 0 ，并且设在流体中不存在质量源 或汇，郅s + - - = 0 ，则穆其代久或( 3 1 ) 畜： 箐+ ( 眠) = o c 。吲 对于湍流运动，由于所有任一瞬时特，征量都可以表示为 妒= + 多 故对湍流运动，设空间点上流体微团的瞬时速度为“；i + 。， 度为：矿= 万+ ，将它销饯入式( 3 2 ) 鼗乎均褥： 导每+ 妒) + 嘉( _ + p 蓐十”7 ) = 。 对上式展开并应用逡算关系得： 鲁+ 熹伍+ 歹孑) = o 对不可压缩流体，刚有： 。罢：o ，娑。0 m ， 式( 3 6 ) 分别表示平均速度和脉动速度的数度为零。 ( 3 3 ) 瞬时密 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 第三章流体力学模型与数值计算方法基础 3 1 、3 动潼方程 对输运公式( 3 1 ) ，始采取其特征量为动量，即庐= 牲，此时由于分 子效应，通过控制丽而迁移的动量就产生应力，所阻保证x ，方向的平衡关 系，必续有i = 一。惹谈作耀焱蕈位髂积x i 方海上懿努力为f i ，鬣动 量方程可表示为： 鲁咖。) + 熹妇，) = 昙k ) 十鬈 es 一，) 刘校掇广义n e w t o n 定律，不可压缩滚俸懿n a v i e r - s t o k e s 方纛( 麓称 n s 方程) 可表示为： 誓+puie堕-p：一妻+ 妻l + 曩 ( 3 _ 8 ) o 二= 一- + “一l + 乒：( 3 8 ) 西 ，融。融，舭 。“。 在臻导n s 方程时，有鲡下睡设l 竭： ( 1 ) 流体介质是连续的； ( 2 ) 动爨翡秸瞧扩散与应交( 静速度搽爱) 袋歪毙； ( 3 ) 流体介质各相同性； ( 4 ) 流豁分屡是均一鲍，流体痰静应力仪是邃菠、压力、密凄籀温凄 的函数； ( s ) 当流体静壹露，滚体瘛豹压力藏是滚蒋幸瓣势压力； ( 6 ) 当流体仅作膨胀或雁缩而无剪切形变时，流体的平均法向应力等 于压力； ( 7 ) 方稷的特性常数，如密度、粘度系数等要由实验确定。 对不可匿缩浚转静潺滚运动，浆群= 五+ “，尹一万+ p 我入式( 3 8 ) ， 蒋取时间平均，则得不可压缩湍流运动的时均运动方程： p 等+ p 百u 等= 一筹十毒f 筹一p 再卜曩 cs ， p i + ，i 一蔷十瓦 瓦叩叩小，； ( 3 呻) 联合式( 3 - - 5 ) 和式( 3 9 ) ，除了i ，( i = x ，y ，z ) 和p 四个未知量外， 新增加了一p u ，“，( i = x ，y ，z ：j = x ，y ，。) 六个未知量，其表示脉动引起的动 量交纯，也称为雷诺应力。然而殴上剐只有豳个独立方程，因此，造成了 方程组的不封闭。为了使方程封闭，必须解决雷诺应力这项。在湍流理 论中，获褥辩诺应力的方法虢成为了湍流横登。 整戛差堕堡盎堂燕型兰茎堡茎篓壅鳖至型一一一 3 2 湍流模型与通用微分方程 3 。2 瀹流模型 为了解决雷诺方稷的封闭问题，研究者已经做了大量的工作，也提出 了不少数学模型方法，总 誊上可穆其分为嚣类，靼蓥子溃滚糕经缀设懿“有 效粘性模型”和直接建立雷诺应力微分方程的“雷诺应力横越”。 仿照般粘性流中剪切力与速度梯度成正比的关系，于十九世纪后期 b o u s s i n e s q 提出了湍流粘性系数的概念，假设湍流中的雷诺应力与时均 速度梯度戏正酶，都： 一p 瓦：c l 竺十堕1 ( 3 1 0 ) 叩坼叶刈z i i 十蔷j 一 式中：p 。为潼滚糖镫答数。 将式( 3 1 0 ) 代入式( 3 9 ) 后，整理得： 尸等+ p i ，誓。一i o p + 导f 缸鸭) 挈i + 曩 ( 3 1 1 ) 尸百叩“7 瓦i + 瓦【叫 瓦j ； 门一 从而问题最终归络为怎样确定“。上来。对于处理“。的方法，其中最 为简单的办法是将u 。在整个流场中均视为常数，但这个粗略的假定只能 用于一些简单的端流 零中。为了使湍流模型具有避为广泛的邋翔蛙，曩煎 已经提出了诲多诗雾# 、的方法，校锈模型中l l 瘸酩方程个数不璃，“l 稳 湍流模型谶一步分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。目前工程上 应用最为广泛的是x e 模型，其熬本方程为： 渍动黥x 方程： 掣+ 毒c 尸训= 毒陋+ 纠筹卜瓯+ 瓯一胪+ 虬( 3 - - 1 2 ) 港动缝耗数率。方疆： 掣+ 苦汹小毒 ( + 等) 毒卜吒詈( g ，+ g 。瓯) 。户譬堪 ( 3 一1 3 ) 湍流粘性系数为： # z ，= p c 。= 一 ，