（化学工程专业论文）喷动床内气固两相流体流动数值模拟.pdf

摘要 进入2 1 世纪，我国全面建设小康社会，经济保持高速增长，能源需求持续增加， 导致我国s 0 2 排放总量居高不下。粉一粒喷动床半干法烟气脱硫是近年来日本研究人员 开发的一种新型半干法脱硫技术。除了用光纤探针、示踪离子、高速摄影等实验技术手 段去测量喷动床内颗粒流动行为之外，数值模拟也是一种获得喷动床内气固两相流动行 为信息的有用手段。 本文采用双流体模型对喷动床内气固两相流体流动行为进行了数值模拟研究。模型 中运用颗粒动理学理论描述颗粒相应力封闭流体控制方程，使用曳力模型描述气固相间 作用，k s 湍流模型模拟多相流中的湍流。喷动床内颗粒在浓相区的体积分数很大，考 虑颗粒问的摩擦应力作用。压力速度耦合计算使用相耦合s i m p l e 算法计算。 数值模拟结果表明：喷动床内分喷射区、喷泉区、环隙区三个区域；在喷动形成前， 床体局部颗粒有腾涌现象；在射流入口处形成一个瓶颈。模拟计算得到的时间平均颗粒 速度和浓度等分布与文献上实验数据进行比较，数值模拟结果与实验结果吻合的较好。 最小喷动速度和喷泉高度模拟值与文献上实验值基本相同。考察了g i d a s p o w 模型、 s y a m l a l & 0 b r i e n 模型和a r a s t o o p o u r 模型三种曳力模型对喷动床内流体流动模拟的影 响，在这三个模型中g i d a s p o w 模型给出的模拟值与实验数据吻合的最好。在环隙区颗粒 间摩擦应力对颗粒流动有重要影响。恢复系数对喷动床气固两相的流动行为影响很大， 其值的设定一定要以可靠的实验数据为依据。 关键词：喷动床，气固，双流体模型，数值模拟 a b s t r a c t e n t e r e dt h e21s tc e n t u r y , o u rn a t i o n se c o n o m ym a i n t a i n sa na p p r o p r i a t er a p i dg r o w t ht o b u i l daw e l l o f fs o c i e t yi na na l l - r o u n dw a y s oe n e r g yd e m a n dc o n t i n u e st or i s e ，a n dt h et o t a l e m i s s i o n so f s 0 2 r e m a i n sh i g h p o w d e r - p a r t i c l es p o u t e db e dd e v e l o p e db yj a p a n e s e f a c u l t yi san e ws e m i d r yf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s b e s i d e sm u c he x p e r i m e n t a lw o r k u s i n go p t i c a lp r o b e s ，l a b e l e di o n ，h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h ya n do t h e rt e c h n i q u e st om e a s u r e f l u i df l o wi n s i d es p o u t e db e d s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a se v o l v e di n t oau s e f u lt o o lt oo b t a i n d e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h ef l u i df l o wp h e n o m e n ai ns p o u t e db e d s t h eg a s - s o l i df l o wb e h a v i o ri ns p o u t e db e dw a ss i m u l a t e du s i n gt h et w o - f l u i dm o d e l t h ek i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o ww a sa p p l i e dt od e s c r i b et h eg r a n u l a rs t r e s s t oc l o s et h e g o v e r n i n ge q u a t i o n s t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng a sa n dp a r t i c l ew a sd e s c r i b e du s i n gt h ed r a g m o d e l a n dt h em u l t i p h a s ef l o wt u r b u l e n c ew a ss i m u l a t e du s i n gk st u r b u l e n tm o d e l t h e s o l i d sv o l u m ef r a c t i o nw a sh i 曲i nt h ed e n s es e c t i o no fs p o u t e db e d ，a n dt h ef r i c t i o n a ls t r e s s b e t w e e np a r t i c l e sw a sc o n s i d e r e d t h ep r e s s u r e v e l o c i t yc o u p l i n gw a so b t a i n e db yu s i n gt h e p h a s ec o u p l e ds i m p l ea l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es p o u t e db e dt y p i c a l l yd i s p l a y e dt h r e ed i s t i n c tr e g i o n s ：s p o u t ， a n n u l u s ，a n df o u n t a i nr e g i o n b e f o r es p o u t i n gc a m ei n t ob e i n g ，t h e r ew a ss l u g g i n g p h e n o m e n ai nt h el o c a lo fs p o u t e db e d t h e r ew a san e c kn e a rt h ej e t t h ec a l c u l a t e dt i m e a v e r a g ep a r t i c l ev e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o np r o f i l e si ns p o u t e db e dw e r ei ng o o da g r e e m e n t 诵t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h el i t e r a t u r e t h es i m u l a t i o nv a l u e so fm i n i m u ms p o u t i n g v e l o c i t ya n df o u n t a i nh e i g h tw e r et h es a m ea st h ee x p e r i m e n t a lv a l u e si nt h el i t e r a t u r e b y i n c o r p o r a t i n gt h r e ed r a gm o d e l s i n c l u d i n gg i d a s p o wm o d e l 、s y a m l a l & o b r i e n m o d e la n d a r a s t o o p o u rm o d e l ，i n t ot h et w o f l u i dm o d e l ，t h e i ri n f l u e n c e so nt h es i m u l a t i o no f f l u i df l o w p a t t e r n si ns p o u t e db e d w e r ea s s e s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sb yt h et h r e ed r a gm o d e ls h o w e d t h a tt h eg i d a s p o wm o d e lg a v et h eb e s ta g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ef r i c t i o n a l s t r e s sb e t w e e np a r t i c l e sh a das i g n i f i c a n te f f e c to nt h ef l o wo fp a r t i c l e si nt h ea n n u l u s t h e c o e f f i c i e n to fr e s t i t u t i o nh a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h eg a s - s o l i df l o wb e h a v i o ri ns p o u t e db e d ， a n di t sv a l u em u s tb es e tb a s e do nr e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：s p o u t e db e d ，g a s - s o l i d ，t w of l u i dm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n n 移号麦 英文字母 通用离散化方程系数 控制容积界面面积 阿基米德数 通用离散化方程常数项 颗粒实际速度 脉动速度 曳力系数 颗粒直径 喷动床床径 气体扩散率 固体扩散率 喷动床入口喷嘴直径 颗粒恢复系数 曳力函数 外部体积力 重力加速度 径向分布函数 固体弹性模量 床层高度 喷泉高度 最大喷动床高度 湍流强度 符号表 m s 。l m s 。l 无量纲 m m m 2 s - 1 m 2 s 。1 m 无量纲 n i n s 2 2 sm m m m 口 a 衙 6 c c g 哆 d 砬 b b p 厂 f 誊 g 日 缉 以 ， 西北大学硕士学位论文 单位张量 偏应力张量的第二不变式 碰撞两颗粒中心连线的单位矢量 气体湍流脉动动能 颗粒湍流脉动动能 气相和颗粒相速度的协方差 颗粒脉动动能扩散系数 相问动量传递系数 颗粒之间的距离 湍流涡长度标尺 颗粒数密度 喷动开始前的最大压降 压力 固体压力 压力修正 猜测压力 颗粒间非弹性碰撞压力 颗粒动力压力 颗粒摩擦压力 相对雷诺数 气固相间作用力 广义源项 广义源项中常数部分 广义源项中斜率部分 m 2 - s 2 m 2 s 2 纲 纲 纲 邑里 邑里 邑里 无 m m 无 n h n h h h h h 无 n 硪 眦 砉 砌 云砖气k， k 刀 忆p 只。p 照露s 品昂 杉号表 t 时f 司 改。 最小喷动速度 u x 方向速度修正 气相x 方向脉动速度 u 气体空塔速度 吼 气相相加权速度 哥 速度 1 ， 局部平均速度 咋， 与固体相相关的末端速度 矿 y 方向速度修正 吒 第g 相的速度修正 巧吃的当前迭代值 嘭 气相y 方向脉动速度 露 相对速度 豇 漂移速度 v 控制容积体积 嵋 气相z 方向脉动速度 z 喷动床轴向高度 希腊字母 口 体积分率， 一 最大填充分数 厂 平均颗粒速度和平均相对速度的夹角 r 广义扩散系数 五 固相体积粘度 7 4 p a s s s s s s s s | 耋 郴 量 郴 ；量 | 耋 娜 娜 郴 娜 娜 娜 娜 n g m 西北大学硕一位论文 s g p o 旯 以 p x ，c o l 熊j i n 限舻 h ，g p p h p s o 替 f 咋芦 t l 。弘 ，g 矿 y 上、下标 e ，e 气体咏动动能的耗散李 l a g r a n g i a n 积分时间与特征粒子弛豫时间比值 物料的内摩擦角 颗粒温度 加权因子 流体黏度 固体剪切粘度 固体碰撞粘度 固体动力粘度 固体摩擦粘度 气体湍流粘度 流体密度 颗粒堆密度 固体密度 湍流s c h m i d t 数 应力张量 颗粒弛豫时间 特征粒子弛豫时间 拉格朗日积分时间长度 载能湍流涡的特征时间 广义变量( 速度、温度、浓度等) 颗粒属性物理量 控制体右部位置 7 5 o 纲 2 纲 o o o ，o 量 一心 且里 唔 咚 唔 s 咚 咚 m 恤 能 存 无 。 群 无 h h h h h h k 虹 培 h s s s s 符号表 喷泉区 气相 控制体上部位置 控制体中心位置 固体颗粒相 控制体下部位置 气相或固相 控制体左部位置 7 6 尸 s f g n s 蹦 譬 帆 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 f 卿i 曲e 骝瓣_ 融罐m 钆 保密论文待解密后适用本宁明。| i 翌，骘| 学位论文作者签名：l 塑灶指导教师签名：兰蹲 加墨年易月绵日 年月日 j 西北大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 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谢 ：6 二 思0 学位论文作者签名：黄叫杉 ( 7 “月歹日 西北大学硕卜学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 进入2 l 世纪，我国全面建设小康社会，经济保持高速增长，能源需求持续增加， 导致我国s 0 2 排放总量居高不下。2 0 0 5 2 0 0 7 三年的排放总量分别为2 5 4 9 3 万吨、2 5 8 8 8 万吨、2 4 6 8 1 万吨【l 】。城市s 0 2 污染形势严峻，2 0 0 5 年3 4 1 个城市空气质量监测结果表 明，2 2 6 的城市空气中s 0 2 年均浓度超过国家二级标准，6 5 的城市超过国家三级标 准，约l 3 的城市人口生活在空气s 0 2 浓度超标的环境中 2 1 。酸雨污染总体上未能得到 有效控制，局部地区加重，酸雨监测结果表明，2 0 世纪9 0 年代全国降水酸度总体上保 持稳定状态，2 0 0 0 年以后降水酸度呈现出总体升高的趋势，到2 0 0 5 年，降水中的硫酸 根和硝酸根的平均浓度分别升高1 2 和4 0 【2 】。重酸雨区的面积由2 0 0 2 年占国土面积 的4 9 增加到2 0 0 5 年的6 1 。“十五”以来，我国能源消费超常规增长，煤炭消费量 从2 0 0 0 年的1 3 2 亿吨猛增到2 0 0 5 年的2 1 6 7 亿吨，s 0 2 排放量由2 0 0 0 年的1 9 9 5 万吨 增加至2 0 0 5 年的2 5 4 9 万吨，s 0 2 产生量持续快速增长【2 1 。根据能源规划预测，我国的 煤炭消费总量将持续增长，到2 0 1 0 年，燃煤发电机组将增加到7 亿千瓦，发电用煤将j 达到1 6 亿吨，全国燃煤产生的s 0 2 将达到3 6 0 0 万吨左右，其中火电行业产生量将达到 2 6 0 0 万吨左右 2 1 。因此控制和脱除燃煤烟气中的s 0 2 ，是我国能源和环保部门所面临的 巨大挑战。 烟气脱硫( f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ，f g d ) 始于2 0 世纪3 0 年代的湿法实验，最早 的工业脱硫装置是英国伦敦电力公司的石灰石洗涤法，以及加拿大c o m i n c o 公司的氨洗 涤法。简单地说，它是通过吸收剂的作用，利用气体吸收、气体吸附或者催化转化的脱 除机理将烟气中s 0 2 脱除的技术。相比于燃烧前净化和燃烧中固硫脱硫等技术，烟气脱 硫技术是脱除效率最高，也是目前世界上应用最广、商业化规模最大s 0 2 的控制技术。 在长期的发展和工业实践中，世界各国开发了2 0 0 余种采用不同脱硫剂或利用不同 脱除机理的技术和工艺，然而真正得到工业推广的不过十余种。烟气脱硫方法按脱硫过 程和脱硫产物的干湿状态分为湿法、干法和半干法。湿法烟气脱硫是通过烟气与含有脱 硫剂的溶液接触，在溶液中发生脱硫反应的技术，其脱硫生成物的生成和处理均在湿态 下进行。它的优点是由于是气液之间反应，脱硫速度快，煤种适应性好，脱硫率和脱硫 剂利用率都很高，在c a s 比为l 时，脱硫率可达9 0 以上。缺点是脱硫后烟气温度较 第一章绪论 低，一般低于露点，不利于烟囱排气的扩散，易产生“白烟”，需二次加热，结垢及堵 塞严重，w 时有废水二次污染，投资大、动力消耗大、占地面积大、设备复杂、运行费 用和技术昆求高等问题。干法烟气脱硫技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行， 具有无污水废酸排出、设备腐蚀程度较轻、烟气在净化过程中无明显温降、净化后烟气 温度高、利于烟囱排气扩散等优点：但存在脱硫效率低、反应速度慢等问题。半干法烟 气脱硫技术兼有干法和湿法的一些特点，是指脱硫剂在干燥状态下脱硫、在湿状态下再 生，或存湿状态下脱硫、在干状态下处理脱硫产物的烟气脱硫技术。其工艺特点是：反 应在气液同三相中进行，利用烟气显热蒸发吸收液中的水份，使最终产物为干粉状。其 优点：脱硫是在气液固三相状态下进行，工艺设备简单，无废水处理，运行费用低，生 成物为于态的c a s 0 3 、c a s 0 4 ，易处理，没有严重的设备腐蚀和堵塞情况，耗水也比较 少。半干法形式较多，有喷雾干燥法、喷射吸收剂法和循环流化床法等。喷雾干燥器法 和炉内喷钙尾部增湿法的缺点是停留时间短，导致较低的脱硫效率和脱硫剂利用率；半 干法之所以在脱硫效率和脱硫剂的利用率方面不如湿法的主要原因是，脱硫剂的停留时 间短( 1 3 s ) 【3 ，4 】：循环流化床虽然其反应时间较长，但很难流化g e l d a r tc 类细小颗粒且 其运行不是很稳定。因此，开发一种低费用、高效率的脱硫方法是十分必要的。粉一粒 喷动床( p o w d e r - p a r t i c l es p o u t e db e d ，p p s b ) 半干法烟气脱硫【3 】是近年来日本的研究人 员开发的一种新型半干法脱硫技术。( 装置示意图如图1 1 所示) p p s b 脱硫技术原理：p p s b 底部有小尺寸进气口，床内装有一定量的粗颗粒，含s 0 2 的高速烟气通过进气口，脱硫剂制成粉末状预先与水混合，以浆料形式从喷动床的项部 连续滴入或喷入床内，粗颗粒同时受到上升高速气流和下降浆液的作用，气速高于某一 值后，粗颗粒会从中心区上升、喷动并接触下降的浆液，在到达一定高度后由于重力作 用而回落到环隙区表面，从而形成喷泉区。在整个床层高度上都有环隙区与喷射区的相 当剧烈的传质和传热。在整个过程中，浆液首先和粗颗粒碰撞，粘附在其表面上，从气 流和粗颗粒表面吸收热量，浆液中的水分逐渐被蒸发，同时浆液中的脱硫剂与烟气中的 s 0 2 反应，脱硫剂变干并因粗颗粒间的碰撞而脱落，脱硫与干燥同时在反应器内进行。 最后，干燥的未反应的脱硫剂细粉和生成物c a s 0 3 、c a s 0 4 被高速气流夹带出喷动床反 应器。 2 西北太学崛l j 学行论支 刚h 蝴 图1 1 糟一粒喷动床半干法烟气脱硫装置示意圈 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u eg a sd e s u l f a r i z a t i o nj np p s b p p s b 脱硫技术的优点阻1 ： ( 1 ) p p s b 的反应器中装有粗颗粒，入口气体速度达到一定值时，粗颗粒开始流态化， 形成极有规律的内循环。脱硫剂细粉预先和永混合，然后以浆液状态连续滴入或喷入反 应器中，浆液不仅是以细滴形式存在而且枯附在粗颗粒表面与热s 0 2 反应。 ( 2 ) 粗颗粒的流化与碰撞使得脱硫剂分散均匀，烟气s q 浓度、温度和湿度均匀，相问 传质和传热效率高。 ( 3 ) 脱硫反应与浆液干燥过程在p p s b 反应器中同时进行。除尘器中的颗粒几乎不含水 所以不需废水处理，运行费用低。 ( 4 ) 由于脱硫剂细粉末粘附在粗颗粒上，使得脱硫剂的停留时间延长，约为烟气停留时 间的1 5 0 5 0 0 倍， ( 5 ) 由于p p s b 的流化状态，颗粒问( 脱硫剂粒子、粗颗粒) 的碰撞，更新脱硫剂表面 并防止脱硫剂粒子的凝聚，s 0 2 是在溶液中与脱硫剂反应，因而脱硫效率和脱硫剂的利 用率部很高。 ( 6 ) 因其运行气速较高，使较小的设备可以处理较大的烟气量。易操作和管理，能在满 足必要的脱硫效率时，可以使用廉价的脱硫剂，以降低操作费用。 第一章绪论 因在前期投资、废物处理、操作费用等厅面比湿法有所提高，同时叉比干法和其 他半干法的脱硫率和脱硫剂利用率高，p p s b 半干法烟气脱硫技术开发利用价值很高。 流化床技术通常最适合于用来处理g e l d a r td 类粒子，而不适合处理直径3 0 微米以 下的g e l d a r tc 类细小颗粒，尤其是喷动床，由于其自身特有的结构和较高的操作气速， 使得喷动床只能处理0 5 m m 以上的粗大颗粒。因为，小粒子在流化过程中容易被气流 带出。另一方面，粒子越小，粒子间的粘附作用力越大，极易发生聚团，形成沟流，无 法维持正常的流化形态。然而，众所周知，粒子越小，其比表面积越大，传热、传质和 化学反应的性能越好。常规的流态化技术和喷动床技术极大地限制了细小颗粒及其优良 性能在各种工业流态化过程中的应用。 粉一粒流化床是使某种g e l d a r td 类大粒子在床中预先流化，待流化稳定后，从外部 连续、定量地加入另一种类的细粉粒子。粗大粒子在床中的混合与湍动，使细粉在床中 被分散。细粉由于粘附力附着在大颗粒表面，又由于床内的湍动与混合作用从大颗粒表 面脱离，如此随机地、交替地进行，并与大颗粒一同在床内形成良好的流化，延长了细 颗粒在床中的停留时间，有效地利用了细颗粒的优良传递性能和反应性，强化了传递过 程和反应过程，在单元操作和单元过程的实际应用中显示了良好的效果【8 j0 1 。粉一粒喷动 床利用了相同的原理，并且具有适合于处理悬浮液、溶液、浆料、高粘性颗粒等物料的 独特优势。粉一粒喷动床应用于燃煤烟气脱硫的研究结果表明，与喷雾干燥器半干式脱 硫相比较，粉一粒喷动床的使用促进了床内流体和颗粒之间的动量、质量、热量的传递， 有效地利用了酸性气体脱除剂细粉的极大的比表面积，提高了酸性气体的脱除效率；克 服了喷雾干燥器法、喷射吸收剂法细颗粒停留时间短的缺点；用简易的料浆加料器替代 制作技术复杂、价格昂贵的料浆雾化装置，降低成本；由于床内粒子间剧烈的湍动、碰 撞，减轻脱硫后生成物c a s 0 3 、c a s 0 4 易在脱除剂表面形成硬壳的现象，提高了脱硫剂 的利用率【4 ，5 ，1 1 - 15 1 。 最初研究人员对喷动床的研究主要集中在整体优化上，他们在改变某些物理参数和 操作参数的情况下得到一些喷动床的运行状态参数数据，然后根据这些数据指导喷动床 的设计。后来认识到喷动床的稳定性和高效性主要取决于床内流体流动的动力学行为。 于是采用光纤探针、示踪离子和高速摄影等实验技术手段研究喷动床内流体流动特性。 由于喷动床内流动结构复杂性，运用单纯的实验手段无法认识床内颗粒流体系统内在的 复杂性，且需要耗费大量人力和物力。 近年来，随着计算机技术和计算流体力学的飞速发展，计算机数值模拟在流态化过 4 西北大学硕士学p 论文 程研究中得到了广泛的应用。由于计算机模拟能够对实验研究难以测量的一些过程和细 节进行研究并且节省费用，因此计算机模拟作为t j 理论分析和实验研究互补的一种重要 方法对于我们深化了解喷动床内气固两相流动特性将会起到非常重要的作用。 1 2 喷动床研究综述 1 2 1 喷动床概况 喷动床是一种气固( 或液固) 两相在床内进行规则循环、高效接触的处理g e l d a r td 类粗大窄筛分颗粒( 粒径大于0 6 m m ) 的流态化技术。它是在2 0 世纪5 0 年代初期由加 拿大g i s h i e r 和m a t h u r 为干燥小麦等一些颗粒状的谷类而设计的【1 6 1 。鉴于喷动床技术的 直接和潜在的应用价值，m a t h u r 和g i s h i e r 进而对喷动床做了一系列基础研究，并于1 9 5 4 年在美国化学工程师协会学术年会上发表了世界上第一篇研究喷动床的论文并引起了 广泛的关注。19 6 7 年底，加拿大不列颠哥伦比亚大学( u n i v e r s i t yo fb r i t i s hc o l u m b i a ， u b c ) 的n o r m a ne p s t e i n 教授也参加进m a t h u r 和g i s h l e r 的喷动床研究项目。n o r m a n e p s t e i n 和m a t h u r 一起合作，在u b c 建成了世界上最大的喷动床研究中心，并于1 9 7 4 年出版了世界上第一部也是目前唯一的一部喷动床专著【1 7 1 。近年来西班牙u n i v e r s i d a d d e lp a i sx a s c o 大学m a r i aj s a nj o s e 和m a r t i no l a z a r 也对喷动床的发展做了很多工作。 在国内，清华大学、浙江大学、中国石油大学、华东理工大学、沈阳化工学院、东南大 学、河北工业大学、江苏大学、西北大学等单位对各种不同类型喷动床的流体动力学特 性、煤气化、热化学反应、废弃物热解焚烧、农作物干燥、半干法脱硫等开展了一定规 模的应用基础研究和技术开发。随着对这一技术研究开发的逐步深入，其应用领域不断 拓展，目前作为高效气固接触器，己广泛地应用于各种单元操作和单元过程，例如，高 粘性颗粒、粗块状颗粒、药物颗粒的表面涂层，涂料、悬浮液、浆料以及溶液的干燥、 粉碎、造粒，低热值工业废弃物和生活垃圾的燃烧、低品质煤的燃烧和气化、油页岩热 解、燃煤烟气脱硫、垃圾焚烧烟气脱硫脱盐酸气体等。 1 2 1 1 喷动现象 喷动床【1 7 1 8 】中颗粒的有规律搅动是由一个稳定的轴向射流所致，比起大部分流化床 中随机而复杂的颗粒流动形态，喷动床中颗粒流动显得更有规律。图1 2 是一个典型喷 动床示意图。在喷射区内颗粒被喷动床底部进口高速射流气体携带向上流动，且向射流 轴心运动，同时与气体进行高效的顺流接触，进入喷泉区后逐渐减速，到达喷泉区顶部 5 第。窜绪论 速度减小为零颗粒由于重力的原因返回环醇区表面，形成喷泉区。在接近喷泉区处， 颗粒将趋于背离射流轴心运动，在喷泉区中心颗粒向上流动，周围颗粒向下运动，这些 回落的颗粒沿环隙区缓慢向下移动至床层下部，并和向上运动的气体进行逆流接触。最 后，在倒锥体下部颗粒通过环隙区和喷射区的界面进入喷射区被进口的高速射流气体重 新夹带上来，从而形成喷动床内颗粒极有规律的内循环。这种具有稀相喷射区、密相环 隙区、喷泉区3 区流动结构的流动现象就是喷动现象，如图1 3 所示。 1 2 1 2 喷动床分类 经过5 0 多年的发展，喷动床己具有多种型式。其中应用最广泛、最典型的喷动床 床型是柱锥型喷动床。图1 2 给出了典型柱锥型喷动床的基本结构。这种床型由喷动气 体a 口喷嘴、底部倒锥及圆柱主体三部分组成。新一代喷动床沿袭了传统喷动床的基本 形式，又在原有基础上做了进一步改进。它们具有不同的结构和型式以适应不同的物料、 工艺及产量。下面简单介绍几种不同床型的喷动床l 幛】。 图1 工典型喷动床示意图圈1 3 赜动床3 区流动结构示意圈 f i g 1 2 s c h e m a t l ea l l , g r a mo f f 唔1 3s c h e m a t i cd b g r a mo fb w s t r u c m r e 4 唧妇ls p o u t e db e d i nt h et h r e er e o o ao fs p o s t e db e d ( 1 ) 多喷头喷动床：如图i 4 ( a ) 所示。要使喷动床稳定操作，必须有足够的高径比 一般要求h d i 。因此，若使用一个流体入射喷头会使床体直径受到限制，进而影响处 理量。而大的床层高度尽管允许相应大的床体直径，但同时会导致过度的压力损失。另 外，颗粒在一个循环周期内，在一个大床的环晾区停留较长的时间，对某些过程来说是 非常不利的，例如颗粒干燥处理时，在床层中热区域停留过长的时间会导致粒子的热损 6 西北大学硕士学位电文 伤。多喷头喷动床克服r 以上缺点。显然，处理相同的物料量时，多喷头喷动床比单喷 头喷动床需要更多的气体流量但处理物料的周转量也大大加快了。 ( 2 ) 导向管喷动床：如图1 4 所示。从喷动床入口上端某个位置( 通常至少大于2 0 倍 颗粒直径d ) 开始，在喷射区内插八一个不让气周两相透过的导向管，则喷射区和环隙 区之间的交互流动就会大为减轻乃至消除，这种喷动床就是带导向管的喷动流化床。导 向管的直径一般取为不设置导向管时的喷动床内喷射区内的直径，不过必须大于或等于 入口喷嘴直径。导向管要垂直放置且与喷动床柱体共轴线。同时，设导向管突破了床层 高度的限制，压降降低，所需的喷动流体流量减小，物料循环便于控制。因此物料在床 内停留时间一致，有利于保证干燥质量，作业适应性强，但是它只适于易流动的散粒体。 (a)(b)( c ) 气体 圈1 , 4 各种形式的疃动床 f i g 1 4 c a ll o u si y l 哗o fs p o u l e c lb e d ( 3 ) 喷动流化床：如图1 4 ( c ) 所示。常规柱锥型喷动床通常只有一个中央入射喷嘴。 如果在倒锥壁面处增设气体分布器向环隙区中引入附加的气体，就会构成所谓的喷动流 化床。根据所加入附加气体的多少，有时可以导致环隙区颗粒的流化。但无论环隙区流 化与否，中心射流区的存在使得喷动流化床具有典型的喷动床特性。这种喷动流化床与 常规喷动床相比，不仅可以促进流体和颗粒之间的传热、传质，还能有效地防止环隙区 底部出现死区和某些易粘结颗粒在环隙区的团聚。实际上，从改善流化床特性的观点看， 在流化床气体分布器上加一个中心射流可以促进颗粒的循环与混合。这点对放热反应尤 为重要，因为中心射流的加入在使温度分布更加均匀的同时，也强化了床层与界面问的 传热。 7 第一章绪论 此外，还肯许多其它形式的改进喷动床，例如旋转喷口喷动床、内循环床、三相喷 动床、稀相喷动床以及射流床等。它们各有特点和应用背景，但是并不彼此排斥，而是 相互取长补短，从而推动喷动床技术的理论研究与实践不断向前发展。 1 2 1 3 喷动床应用 工业中应用喷动床技术的物理、化学过程以及机械操作主要有以下几个方面 1 8 】： ( 1 ) 物料干燥 喷动床中良好的固体混合与有效的气固接触，使喷动床成为干燥非烧结性粒状物料 的最佳干燥器之一。喷动床干燥器特别适合于热敏性物料如农作物、高分子颗粒的干燥， 因为喷动床中粒子的快速搅拌使其采用比非搅拌性干燥器更高的气体温度而无需担心 粒子的热损伤。李保国等 1 9 1 通过导管式喷动床对小麦干燥进行了实验研究，结果表明： 随着风温增大干燥速率提高，单位热耗降低；料层厚度对干燥速率和单位热耗影响不大。 这说明在保证粮食安全温度前提下，可采用高温和适当的料层厚度提高干燥效率。刘玲 等 2 0 】对床内加入惰性粒子的喷动流化床进行了膏状物料干燥的实验研究。实验结果表明 在惰性粒子喷动流化床中气固两相接触良好，粒子运动激烈，具有较高的传热传质速率 及热利用率，适用于干燥粘度大的膏状物料。 ( 2 ) 造粒和涂层 造粒和涂层是应用喷动床中颗粒有规律的循环运动这种特点的两个典型例子。在喷 动床造粒过程中，熔融液或溶液以雾状喷进装有产品细颗粒的由热气体作为喷动气体的 喷动床，产品细颗粒在床内循环的同时被沉积在其表面的熔融液( 或溶液) 或其反应产物 一层层地覆盖，直到形成球形度很好的、均匀的最终产物。喷动床进行包衣作业时，具 有作业时间较短，产品质量符合标准，经济性好的优点。刘玲等f 2 1 1 认为喷动流化床用于 粉体造粒，是一种新型的造粒方法。与其它几种造粒方法相比，具有设备投资省、能耗 低、设备结构简单等优点。经过实验发现，气流雾化器安装于底部或侧部，或是二者结 合，可实现对多种粉体的造粒和包衣。 ( 3 ) 化学反应 王樟茂等【2 2 】在一直径为8 0 r m n 的喷动流化床反应装置系统中进行了三氯氢硅的氢还 原反应实验。研究了颗粒硅的生长速率与颗粒硅的初始粒径和三氯氢硅分压的关系，建 立了颗粒硅的生长速率模型，并用实验数据进行关联，得到了半经验、半理论模型，该 模型能较好地与实验数据相吻合，实验结果证明了用流态化技术进行颗粒硅生产的可行 8 西北大学硕士学f 苞论文 性。李乾军等【2 3 】用石灰石作为脱硫剂在热输入o i m w 的加压喷动流化床试验台上进行了 煤部分气化过程中的炉内脱硫试验研究。m ax e 1 利用石灰浆半干法在粉一粒喷动床中对 烟气中s 0 2 脱除的研究表明，在合适的条件下s 0 2 脱除率可高达9 8 。郭晓亚等对生物 质喷动流化床快速裂解油进行催化裂解精制进行了研究，结果表明精制后比精制前挥发 所需能量降低了1 0 0 2 k j m o l ，燃烧活化能由原来的1 7 3 6 4 k j m o l 降低到8 0 9 5 k j m o l ，这 说明精制后的精制油大大降低了燃烧所需的活化能，提高了油的可燃性，使得生物质油 更容易燃烧。 ( 4 ) 气化、热解、燃烧 段钰锋等 2 5 】以空气和水蒸汽为气化剂，在一内径为6 0 0 m r n 的v 型布风板喷动流化床 工业煤气炉内对动力烟煤的气化进行了系统的试验研究，考察了v 型布风板床料的流化 特性，研究了操作参数对气化过程的影响，测量了煤气成分沿床高和径向的变化，分析 了影响煤气成分和热值的有关因素，提出了合理的运行条件和参数。杨昌炎等 2 6 1 利用喷 动流化床对麦秸进行了快速热解的试验研究，考察了热解温度对麦秸热解气、液、固3 种产品的产率和热解气成分的影响，并采用色一质谱联用仪分析了热解液成分。结果表 明，热解温度为4 6 0 - - 5 2 0 时热解油产率最大。 ( 5 ) 颗粒粉碎 颗粒粉碎是喷动床干燥悬浮液和溶液的自然延伸，根据喷动床颗粒的快速搅拌，尤 其是喷射区内强烈的粒子间碰撞的特点，在喷动床内加入一定量的比被处理物料更硬、 更重的磨剂粒子，用磨剂粒子来粉碎处理物料。一般来说，磨剂粒子必须是可实现喷动 的，因此一般可以选相对粗大、均匀和流动性较好的玻璃珠或陶瓷球。提高喷射气体速 度和提高磨剂粒子比例均有助于提高粉碎速率。林诚等2 刀根据碳酸钙的生产过程特点， 并结合惰性粒子喷动床所具有的特性，提出在惰性粒子喷动床中制备碳酸钙颗粒的反应 干燥集成化新技术。即利用气固喷动床具有的固体颗粒间高频率碰撞所导致的极高的传 质与传热速率和颗粒表面的更新速率，反应性石灰乳浆液在惰性粒子表面和热c 0 2 混合 气体进行反应，同时产品被干燥，在惰性粒子碰撞作用下被磨碎，最后得到粉末产品， 实现了一步法完成超细碳酸钙产品制备全过程。 1 2 2 4 喷动床流体动力学特性 ( 1 ) 最小喷动速度甜。 最小喷动速度是喷动床操作的一个关键参数。对柱体直径小于0 5 m 的喷动床，无论 9 第一章绪论 有无底部倒锥，一般采用m a t h u 拜口g i s h e r 于1 9 5 5 年提出的经验关联式： = 愀舍) 5 式中：甜。为最小喷动速度，d ，为颗粒直径，d 为喷动床床径，d i 为喷动床入口喷嘴直 径，为床层高度，只为固体密度，户为流体密度。 ( 2 ) 喷动床的压降肇嘲 通常认为喷动床的最大压降是由床层破裂所造成的压力损失和摩擦压降组成。由实 验得到经验式如下【2 9 1 ： a p 。, = h p h g l 伽6 8 p ( l d 。i 、i + o 8 - 3 4 q 岛g ( 1 2 式中：卸一喷动开始前的最大压降，p 为物料的内摩擦角，风为颗粒的堆密度a ( 3 ) 最大喷动床高度以 对于一定的物料，当设备结构确定后，便存在一最大喷动床高度。床层超过也 时，无论如何调节气速大小都无法形成喷动床，而是转变成流化床或节涌床。最大喷动 床高是设计喷动床的一个重要参数，它直接涉及到一个喷动床所能处理的最大物料量。 对常温下不规则颗粒的气固喷动床的最大喷动床高，m c n a b 和b r i d g w a t e r 提出以下被认 为是与实验数据吻合最好的关联式【3 0 】： 以= 等5 百5 6 8 b 2 ( 厮一) 2 3 ， 式中：b = 1 1 1 ，a r = 砟( 岛- p ) g , o l p 2 ，为流体粘度。 1 2 2 喷动床中流体流动数值模拟方法与应用 两相流体流动比单相流动有更多的形态和更复杂的现象。以气固流态化为例，随着 颗粒通量、流体速度等操作条件的改变，两相流动会呈现多种流动状态。随着气流速度 的逐渐增大，颗粒床层会经历固定床状态、临界流态化、散式流态化、聚式流态化、气 力输送等流动形态。有时还会产生腾涌、沟流等不正常的流态化现象。就每一种流动形 态而言，由于其床内流动结构复杂性、颗粒粒径分布等原因，运用单纯的实验手段以及 半经验、半理论的研究方法已无法认识颗粒流体系统内在的复杂性。而数值计算模拟的 l o 西北大学硕士学位论文 方法也是研究颗粒流体系统内在复杂性的一个重要手段。数值计算模拟以其一定的理沦 基础及投资少的优点而逐渐渗透到与颗粒流体系统相关的研究领域，并在工业设计、优 化、放大的研究过程中成为与实验手段相辅相成的研究手段。在颗粒流体系统的数值模 拟中，经常采用的是根据两种介质的处理方式而划分的离散颗粒模型和拟流体模型。 1 2 2 1 离散颗粒模型 离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ，d p m ) 在e u l e r 坐标系下考察连续流体相的 运动，在l a g r a n g e 坐标系下考察离散颗粒相的运动，即该模型将流体相处理为连续介质， 而将颗粒相处理为离散体系。在离散颗粒模型中，气相运动由两相耦合的体积平均的流 体动力学方程描述；而颗粒相的运动则在考虑颗粒间相互作用以及流体对颗粒作用的基 础上，通过跟踪颗粒的运动轨迹进行描述。因此，离散颗粒模型中主要研究的是颗粒间 相互作用以及两相间相互作用的处理方法。在目前的离散颗粒模型的研究中，颗粒间相 互作用的处理方法根据处理颗粒碰撞的方式分为三类【3 l 】：第一类是软球模型，这类模型 通过弹性、阻尼以及滑移的碰撞力学和n e w t o n 第三定律描述颗粒间的相互作用。第二 类是硬球模型，这类模型假定颗粒间的碰撞是二体瞬时碰撞，用动量守恒原理处理颗粒 间的相互作用。第三类是直接m o n t ec a r l o 方法( d s m c ) ，这种方法运用概率抽样确定 颗粒碰撞事件，但运用硬球模型关联碰撞前后的颗粒速度与角速度。因此直接m o n t e c a r l o 方法也可视为硬球模型的变化形式。在这三类模型中，软球模型由于可以考虑颗 粒在碰撞过程中的受力特征而应用广泛。在考虑颗粒间相互作用的同时，颗粒流体两相 间的耦合作用通常根据n e w t o n 第三定律来处理即在各个控制微元体中，流体对该微元 体中所有单个颗粒的作用力等于该微元体中所有颗粒对该微元体内流体的作用力。 离散颗粒模型在考虑颗粒与流体以及颗粒与颗粒之间相互作用的同时，颗粒尺寸、 颗粒密度分布等颗粒信息都可在模拟过程中直接确定，因而该模型可以给出离散颗粒运 动的详细信息。但是，离散颗粒模型的发展依赖于计算机硬件的发展。该模型中颗粒间 相互作用的处理方式，造成硬球模型与软球模型的计算工作量随着颗粒数目的增大而增 加。运用现有的计算机硬件，目前还难以等到完全可与实验进行定量比较的模拟结果。 该模型用以解决工业问题的关键取决于模拟系统中的颗粒规模。对于一个真实系统，需 要运用多少计算颗粒才能较为准确地量化系统的动态行为还没有可以遵循的依据。尽管 d s m c 方法采用随机抽样处理颗粒碰撞事件，以减少计算时间，然而若要提高计算准确 度该方法因需要产生大量的随机数以及选取一定数量的样本颗粒而依然非常耗时。另外 第一章绪论 对密相气固两相流，当颗粒浓度较大时强烈的相间耦合作用也使得流场的求解易于发 散。 1 2 2 2 拟流体模型 拟流体模型是在e u l e r 唑标系下考察流体相与颗粒相的模型。该模型在将流体处理 为连续介质的同时，把颗粒处理为拟流体，并假定颗粒与流体在空间中任意位置是共同 存在且可相互渗透的连续介质。因此，拟流体模型中两相的控制方程采用宏观连续介质 原理