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西安建筑科技大学硕士论文 喷动床中气固两相流数值模拟 专业：材料学 研究生：范金禾 指导老师：徐德龙院士 肖国先教授 摘要 本论文重点对大颗粒流态化水泥熟料煅烧装置喷动床中物料动力学特性进行 数值模拟，旨在通过深入了解喷动床中大颗粒流态化现象，为具有自主知识产权的 新型流态化水泥熟料煅烧装置的工业化提供理论指导。 针对气固两相的流动特点，用离散颗粒法模拟颗粒相，用连续介质法模拟气相， 气固相间耦合采用牛顿第三运动定律，建立气、固两相运动的物理和数学模型，自 主开发出三维喷动床、流化床内气固两相流动的数值模拟程序，可用于预测床层内 气体、颗粒的运动规律、压降及不同操作条件下的流化状态。 数值模拟o 1 1x o 0 1 2 x o 9 m 三维大颗粒喷动床内气固两相运动规律，模拟结果 显示：在入口气流速度2 2 m s 时，喷动床内存在明显的喷射区( 颗粒流动通道) 及 颗粒滞止区；喷射区位于床层中部，其宽度沿床高方向不断增大，最大宽度为喷动 床宽度的1 5 1 4 ；颗粒滞止区在壁面附近，滞止区的高度和宽度分别为床宽的3 4 和l 4 ；床内颗粒流型呈现不对称性，中心区的颗粒自下而上运动，近壁区颗粒自 上而下运动，形成床内颗粒整体循环运动；床层压降随入口气流速度的增大而增 大，当入口气流速度为3 0 m s ( 表观气速2 7 3 m s ) 时，压降达到最大值( 4 1 0 0 p a ) ， 入口气流速度继续增大，压降稍有降低，但基本恒定：床体压降随颗粒密度增大而 增大。 关键诩：数值模拟气固两相流喷动床 西安建筑科技大学硕士论文 an u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a s _ s o l i d t w o - p h a s ef l o wi nas p o u t e db e d s p e c i a l t y ：m a t e r i a ls c i e n c e n a m e ：f a nj i n h e i n s t r u c t o r ：x u d e l o n g x i a og u o x i a n a b s i 。r a c r f o rt h ep u r p o s eo fp r o v i d i n gat h e o r e t i c a lg u i d a n c et oan e wk i n do fc l i n k e rf i r i n g d e v i c eu s e df o rm a n u f a c t u r eo f e c o l o g i c a lc e m e n t , a ne x p e r i m e n tp r o j e c th a sb e e nc a r r i e d o u t t h ed e v i c ep l a n n e di sac e r t a i nt y p eo f r e a c t o ri nw h i c hc o a r s eg r a n u l e sa r es p o u t e d i naf t u i d i z a f i o ns t a t e m st h e s i sp r e s e n t sm a i nr e s u l t sa n dc o g n i t i o n sa c h i e v e di nt h e p r o g r a m ，c o n c e n t r a t i n go nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o a l s e g r a n u l e ss p o u t e db e d n 地g a s s o l i df l o wi nas p o u t e db e di sm o d e l e db yac o m b i n e da p p r o a c hi nw h i c h d i s c r e t ep a r t i c l em e t h o da n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h e m o v e m e n t so f t h es o l i d sa n dg a s e s , r e s p e c t i v e l y n e c o u p l i n gb e t w e e ng a sp h a s ea n d s o l i dp h a s ew a sa c h i e v e dd i r e c t l yb ya p p l y i n gt h ep r i n c i p l eo fn e w t o n st h i r dl a wo f m o t i o n i nt h i sw a y , am o d e lo fm a t h - p h y s i c sw a se s t a b l i s h e d a n d t h e nan u m e r i c a l s i m u l a t i o np r o g r a mo ft w o - p h a s ef l o ww a sd e v e l o p e da p p l y i n gt oat h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) s p o u t e db e do rf l u i d i z e db e d t h ep r o g r a mw a su s e dt op r e d i c tt h eg a s e sa n d p a r t i c l e sm o t i o n ，p r e s s u r ed r o pa n df l u i d i z e ds t a t e sa tv a r i o a sc o n d i t i o n s m s i m u l a t i o nw a su s e dt op r e d i c tt h ec o n d i t i o n si na3 dl a b o r a t o r yd e v i c eo f s p o u t e d b e do f d i m e n s i o n s0 1 1 x 0 0 1 2 x 0 9 m ，w i t ha n o z z l e l o c a t e da t t h ec e n t r eo f t h e b e d - b a s e f o rt h ec o n d i t i o no f g a sv e l o c i t yo f 2 2 r n s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e t w od i s t i n c tr e g i o i l se x i s t e d ，w h i c ha r ean a r r o wc o n i c a l - c o r es p o u ta n das t a g n a n t a n n u l u s n ep o s i t i o no fs p o u t1 0 c a t e di nt h ec e n t e ro fs p o u t e db e da n di t sw i d t h g r a d u a l l yi n c r e a s e di nzd i r e c t i o na n di t sm a x i m u mw a s1 ，5 l ，4o ft h eb e dw i d t h t h e s t a g n a n tz o n ea p p e a r e dn e a rt h ew a l l i t sh e i g h ta n dw i d t hw a s3 4a n d1 ，4o ft h eb e d w i d t h ，r e s p e c t i v e l y 功ep a r t i c l e sf l o wp a t t e mo b s e r v e dw a sa s y m m e t r i c ij 矗ep a r t i c l e si n t h en a n d ws p o u tm o v e du p w a r d s h o w e v e r , i nt h ea n n u l u st h eo n e sm o v e ds l o w l y d o w n w a r d t h e s et w of l o wp a t t e r n so fg r a n u l e sf o r m e da c i r c u l a t i n gm o t i o no f t h ew h o l e p a r t i c l e si nt h eb e d p r e s s u r ed r o pi n c r e a s e dw i t hg a sv e l o c i t yi n c r e a s i n g ，a n dt h ev a l u e o fa pr e a c h e dam a x i m u mo f 4 1 0 0 p aa tt h ei n l e tg a sv e l o c i t yo f 3 0 m s ( s u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t yi s2 7 3 m s ) a f t e rt h a t ，am i n o rd e c r e a s ei np r e s s u r ed r o pw a so b s e r v e da ta f u r t h e ri n c r e a s ei nt h ei n l e tg a sv e l o c i t yo f5 - - 6 m sf r o m3 0 m s ，t h e np r e s s u r ed r o p m a i n t a i na b o u tac o n s t a n t i tw a sd e t e r m i n e dt h a tt h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e da st h e p a r t i c l em a t e r i a ld e n s i t yi n c r e a s e d k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w ；s p o u t e db e d 1 1 西安建筑科技大学硕士论文 英文字母 a b c d c d d 。 e e e e f f | 圪，f 兄口 瓦 # e 4 f ，口 主要符号表 颗粒加速度 不包括压力的源项中的常数部分 单颗粒曳力系数 颗粒群有效曳力系数 颗粒直径 恢复系数 颗粒及壁面材料杨氏模量 颗粒受到的接触合力 作用在颗粒i 上的其它力 流体对颗粒的曳力 弹性力法向分量 弹性力切向分量 衰减力法向分量 衰减力切向分量 接触力法向分量 接触力切向分量 重力加速度 颗粒的惯性矩 总面积缈z 上的转移量 总面积缸z 上的转移量 总面积血缈上的转移量 x 、y 、z 方向上总通量 颗粒i 的质量 法线方向上的单位矢量 网格p e c l e t 数 颗粒雷诺数 源项 气体速度 颗粒速度 v 埏 无量纲 无量纲 无量纲 无量纲 m s m s 纲纲 纲 詹心 ： f 量量 量 m 血 皆齑 耐趟趟m趔：蝌叫：耐耐 止 j p j 。j 。j ， 、 、 、 、 p 季，以以以亓只k s 西安建筑科技大学硕士论文 u 表观气流速度1 1 1 s u 。fl 临界流化速度 1 1 1 s 霹 颗粒i 的速度1 1 1 ，s 彤。喷动床入口风速 州s k 单颗粒体积m 3 a p 床层压降 k g m s 2 或p a f 切向方向上的单位矢量 无量纲 出 时间步长 s 于 转矩n m 床内空隙率 流体密度 颗粒相密度 流体粘度 颗粒碰撞重叠量 泊松比 碰撞衰减系数 相间动量传递系数 广义变量( 如速度、温度、浓度等) 颗粒材料弹性模量 接触 衰减 颗粒相 气相 上一时刻或初值 迭代计算修正值 无量纲 k g m 3 k g m 3 k g m s m 无量纲 无量纲 无量纲 无量纲 无量纲 母 标 b 钧 体 椭s&风万，叩痧r 。p。吲 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 拖拿豕日期：扣6 、护石d j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名 龄衣 注：请将此页附在论文首页。 导师躲唷c 毋数吼加z ， 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 作为三大基础材料之一，水泥在国民经济的基础建设中发挥着重要作用。数百 年来，围绕水泥工业的技术进步，各国学者在实践中开展了大量的工作。水泥生产 工艺也由早期的立窑、湿法回转窑发展到今天的带预热预分解系统的干法回转窑。 在产量成倍提高的同时，大大地减轻了环境污染并且降低了热耗。 水泥熟料煅烧过程是水泥生产中最主要的环节。我国水泥工业熟料煅烧工艺的 现状是大量的立窑、湿法窑、预热器窑和预热预分解窑并存。 近年来，国内大量新型干法窑生产线的投产相当程度上改善了我国水泥生产工 艺落后的现状。虽然新型干法生产水泥工艺是当代水泥生产的主流，但是由于工艺 本身存在着诸多的限制，长期以来，人们在开发工作中努力降低生产成本，并尽可 能地降低水泥生产对环境的影响，同时也由于其投资成本较大，工艺过程复杂等现 实存在的种种困难，都或多或少限制着其发展。另一方面也说明，新型干法窑仍有 提高改进的空间。要解决这些存在的问题，在改进现有生产技术，严格控制企业生 产行为的同时，就需要积极开展新的水泥熟料煅烧方法的研究，另辟蹊径。水泥生 产工艺研究最新的进展方向之一是利用流态化技术来煅烧水泥熟料。流态化工艺因 其具有良好的传热速率、充分的气、固之间接触表面积，并能处理大量的固体颗粒， 已在许多化工生产过程中得到广泛的应用。近年来，日本、美国、德国和中国等国 家都在积极探索利用流态化技术煅烧水泥熟料。虽然流态化水泥熟料煅烧技术是一 项早已引起关注并开展研究，但由于早期悬浮预热预分解技术的兴起和应用吸引了 人们更多的注意力，使得这方面的研究较少且不具有系统性，现在这项技术又重新 为国内外研究者所“回采”，正在进行广泛深入的研究。 目前，流态化技术成功地应用到水泥生产中的烘干、预热及冷却等方蔼，而它 在水泥熟料煅烧方面的应用仍处于实验研究阶段，但已经引起充分重视。应用流态 化技术煅烧水泥熟料，具有以下显著优点： ( 1 ) 利用流态化技术热i n 度稳定，气、固之间传热、传质比表面积大，传热、 传质效率高，大幅度降低水泥烧成热耗。 ( 2 ) 燃料可在流化状态下燃烧，这样就可以使用各种劣质燃料，这符合我国国 情。便于实现燃料多样化，喷动流化床可燃烧粉状或粒状燃料，因而对燃料的品质 要求较低。 ( 3 ) 有害气体排放量大幅度降低，有效地降低s 0 2 、n o x 及温室气体( c 0 2 ) 的 排放量。 西安建筑科技大学硕士论文 ( 4 ) 流态化煅烧生产线的建设、运转和维修成本降低。 ( 5 ) 熟料质量高，流态化生产装置容易转换成适于特种水泥生产的装置。 但是流化床煅烧水泥熟料技术也有其自身的不足之处，它同样也面临着一些亟 待解决的问题。例如该技术所要面对的是较大颗粒的流态化，而现有的流态化理论 在这方面并不完善，高温煅烧带来的液相反应、烧结等新问题也颇为棘手：由于水 泥熟料的烧成温度很高，如果采用传统鼓泡床，则流态化煅烧技术对布风板材料的 温度适应性要求很高，在水泥熟料煅烧这种高温条件下，很难找到合适的布风板材 料；鼓泡床内物料运动的特性决定了煅烧物料停留时间分布较宽，由此就会较难控 制稳定的熟料质量。 日本川崎重工开发研究的流态化水泥熟料煅烧相关技术，虽然已经取得了实质 性的进展，可是由于其复杂工艺和苛刻的操作条件，使得它目前在应用上还比较困 难。因而积极探索其它流态化条件下水泥熟料煅烧的机理和工艺过程，寻求更好的 流态化煅烧工艺，就很有必要。 西安建筑科技大学粉体工程研究所，在大量试验研究基础上自行开发了一套用 于水泥熟料煅烧的大颗粒流态化煅 烧新装置( 如图1 1 所示) ，该装置 由移动床预热带( 图示a 段) 、喷动 床预煅烧带( 喷动床分解预煅烧带， 图示b 段) 、流化床煅烧带( 图示c 段) 及移动床冷却带( 图示d 段) 四 部分组成。这套装置吸取流化床与喷 动床的优点，将二者有机的结合应用 于水泥熟料煅烧。较以前的装置增加 了喷动床这一段，该段在一定程度上 解决了系统存在的熟料煅烧返混严 重、停留时间难以保证、系统阻力不 稳定等缺陷，尤其是该系统主反应器 一流化床煅烧带的运行稳定性等问 题，这是因为： ( 1 ) 喷动床的增加扩大了煅烧带 的容积，这就使得物料在装置中运行 过程中的煅烧停留时间被延长，即增 图l 1 大颗粒流态化煅烧装置 f i g 1 1 t h ed e v i c eo f f i r i n ge o a r s ep a r t i c l e s 加了物料煅烧的时间，这在一定程度上减小了物料返混造成不良影响的程度。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 西安建筑科技大学硕士论文 f 2 ) 增加了喷动床预煅烧带，延长了物料与上升气流进行了热量交换时间，降 低了进入移动床预热带的气流温度，从而有效避免预热带中煤粉燃烧产生局部结块 情况的发生。同时也降低了装置出口的废气温度。 ( 3 ) 带有喷动床预煅烧带的大颗粒流态化水泥熟料煅烧装置，通过对喷动床中 料钟的控制来实现流化床的稳定给料，这对水泥熟料煅烧装置稳定运行至关重要。 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值，试图根据这些数据指导喷动床的 设计和系统操作。后来认识到喷动床的稳定性和高效性主要取决于颗粒的动力学行 为。于是采用示踪离子、高速摄影、图像处理等技术研究喷动床流化特性。但由于 测试技术的局限性和所得数据的不完全性，迄今为止，仍不能对实验室和生产中得 到的数据有全面透彻的理解，这使得人们对喷动床的认识仍然处于初级阶段。当前， 人们在设计喷动床时，由于对喷动床内在运行机理认识不够，需要耗费大量人力物 力做中试，这样设计出的喷动床仍不能稳定高效地运行。鉴于上述原因，研究人员 开始着手转入数值方法模拟喷动床中的气固两相流运动，以期弄清喷动床的内在运 行机理【1 1 。 经过近二十年的卓越探索，粉体所开发的流态化水泥熟料煅烧设备已进入半工 业化试验阶段。为从根本上掌握大颗粒流态化水泥熟料煅烧的内在动力学规律，优 化指导设计和操作，粉体所一直致力于开发三维颗粒流态化煅烧装置的非稳态仿真 软件，用于模拟床内的微观过程。目前，已经成功开发出了模拟二维冷态流化床内 气一固两相流运动的计算程序。但是，由于喷动床( 又称喷腾床、内循环床) 的特 点与流化床有较大的差异，同时对喷动床的研究不仅包括气一固两相的运动，还包 括复杂微观过程，所以要使这套程序能够比较真实地模拟颗粒在流态化煅烧装置内 的运动过程，就必须对该程序进行补充、完善和修正，显然，这是一个巨大而复杂 的系统工程。本论文基于以上出发点，就此开展有关喷动床中气固两相流数值模拟。 1 2 1 喷动床的概况 喷动床作为流态化技术的一个分支始于2 0 世纪5 0 年代的加拿大旧j 。当时，加 拿大中西部农业省生产的小麦等农作物经常因湿度过高而霉烂变质，急需一种简便 易行且传热效率高的干燥机械。因此，加拿大国家自然研究院的g i s h l e r 和m a t h u r 利用流化床传热效率高、温度分布均匀等优点发明了喷动床并申请了专利。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 l e r 进而对喷动床的气体、固体 流动形态、颗粒尺寸及尺寸分布等对喷动现象的影响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( a m h e ) 学术年会上发表了世界上第一篇研究喷动床 西安建筑科技大学硕士论文 技术的论文并引起了广泛关注。其后不久，g i s h l e r 在英国伦敦专题介绍了喷动床在 干燥方面的应用从而把该项技术传播到了英国。与此同时，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 或简称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 ne p s t e i n 和m a t h u r 一起合作，在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。值得一提的另一个喷动床 研究中心是美国r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t e 的h o w a r dl i r r m a n 教授领导的研究 小组，他们对喷动床技术的发展也做出了很大贡献。此外，前苏联的学者们也对喷 动床的发展做了很多工作，他们包括列宁格勒的r o m a n k o vpg 教授等任和明斯克 的z a b r o d s k y ss 等人。 随着对喷动床技术研究的逐渐深入，其应用领域不断拓展，目前己成功地用 于粘性大颗粒或粗块状颗粒的表面涂层、涂料及悬浮液的干燥、粉碎、造粒、煤燃 烧和气化、铁矿石还原、油页岩热解、焦炭活化、石油热裂解等操作过程中。 1 ) 喷动现象 喷动床剐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 床中随机雨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。柱锥型喷动床内装有相对粗大的颗粒( 一般粒径d 户l 衄) 。气 流经由位于圆锥形底部中心处的小孔( 喷嘴或孔板) 垂直向上射入，形成一个随气流 流速增大而逐渐向上延伸的射流区。当气流速度足够高时，该射流区将穿透床层而 在颗粒床层内产生一个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓( 称为喷射区 一s p o u t ) 。当这些被气流射流夹带而高速向上运动的粒子穿过环绕其四周缓慢向下移 动的颗粒床层( 称为环隙区- a n n d l l s ) 而升至高过床层表面的某一高度时，由于气流 速度的骤然降低，颗粒会像喷泉一样因重力而回落到环隙区表面，从而形成喷泉区 f f o u n t a i n ) 。这些回落的颗粒沿环隙区缓慢向下移动至床层下部，然后又渗入喷射区 并被重新夹带上来，形成极有规律的内循环。 鲑蚓霸 图1 2 典型喷动床基本机构 f i g a 2 s c h e m a t i cd m g r a mo f a t y p i c a ls p o u t e db e d 4 图1 j 喷动床三区流动结构示意图 f i g 1 3t h r e e - r e g i o nf l o ws t r u c t u r eo f s p o u t e db e d 西安建筑科技大学硕士论文 2 ) 喷动床的结构及特点 在国外，喷动床经过5 0 多年的发展 2 - ”，已形成相当的规模，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( 即传统喷动床) 。图1 2 和 图1 3 给出了典型柱锥型喷动床的基本结构。这种床型由喷动气入口喷嘴、底部倒 锥及圆柱主体三部分组成。喷动床的结构对喷动现象的发生有很大影响。 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。下面简单介绍喷 动床的一些床型变化。 ( 1 ) 平底多喷头喷动床：如图1 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。多喷头喷动床克服了以上缺点。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流量，但处理物料的周转量也大大加快了。 ( 2 ) 带引导管的喷动床：图1 4 c o ) 所示的是中心带有垂直导向管的喷动床。这 种咬动床解决了传统喷动床产量小且无法按比例扩大设备以满足大规模生产的闯 题。它内部的导向管相当于一个小型的气力输送机，不仅解决了床层高度问题，而 且保证了物料在床内统一的停留时间分配。 ( a ) ( b )( c ) 图1 4 各种形式的喷动床 n 辱1 4v a r i o u st y p e so f s p o u t e db e d ( 3 ) 柱锥喷动流化床：如图1 4 ( c ) 所示。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，中心喷射区的存在使得喷动一流 化床具有典型的喷动床特性。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，还能有效防止环隙区底部出现死区和某些易粘结颗粒在环隙区团聚。 此外，还有许多其它形式的改进喷动床，例如内循环床、三相喷动床、稀相喷 动床、射流床等。他们有着各自的特点及应用背景，但是并不彼此排斥，而是相互 西安建筑科技大学硕士论文 取长补短、从而推动着喷动床技术的理论研究与实践不断向前发展。 3 ) 喷动床的应用 自从1 9 5 5 年m a t h u r 和g i s l l l e r 发现喷动现象以来1 2 a 即j ，喷动床技术已在农业、 石化、能源、食品、医药、冶金及燃烧等众多工业过程中得到了广泛的应用。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种： ( 1 ) 干燥及其它物理过程：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。成都工学院在实验室成功 地迸行了腐植酸胶体的干燥实验，上海化工研究院利用喷动床对中药、山梨醇和微 生物工业产品等一般难以干燥物料进行实验，均己达到了要求。 ( 2 ) 化学反应：日本北海道大学根据粗颗粒喷动床中相对高的喷射气体速度和 较低的气体停留时间的特点，开发了用于原油裂解的小型喷动床反应器一再生器， 在喷动床反应器中用原油作喷射流体，催化剂颗粒为分散相，而在喷动床催化剂再 生器中贝q 用空气作喷射气体【3 】。在直径7 5 1 2 5 m m 的喷动床反应炉中对核铀棒表 面喷涂亚毫米级热解碳的热化学涂层也早已应用于工业实践。国内浙江大学的王樟 茂【9 】在一个直径为8 0 m m 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。实验结果证明了用流态化技术进行颗粒硅生产的可行性。近年来特别是 日本的k a t a o 教授及其同事利用惰性粒子喷动床技术开发了半湿法脱硫脱氮新工艺 路线以及卷4 备微细粒子的试验，都获得了较好的结果【1 0 ，1 1 1 。 ( 3 ) 燃烧和气化：不断循环的环隙区向下运动的热粒子与向上运动的入口冷气 体之间的逆向换热保证了惰性颗粒喷动床能燃烧比常规燃烧器更低等级的气体、液 体和固体燃料。在常压喷动床( 床径1 5 0 m m ) 内进行煤的气化，可以得到与流化床或 移动床气化器相当的生产量。 ( 4 ) 颗粒的粉碎：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，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。s u n “j 的研究表明，磨剂粒子与处理颗粒问的密度相差过大时( 如 3 倍以上) 容易产生分层而不利于颗粒的粉碎。还发现气体喷射入口直径对粉碎速 率的影响最为关键，略微减小入口直径会使粉碎速率大大提高。另外，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。 ( 5 ) 细颗粒的捕集和气体净化的应用：喷动操作时通过床内单位截面积的高气 体流量和高气固相对速度可以使喷动床用于细颗粒捕集和气体净化。 b a l a s u b r a r n a n i a n u3 1 发现在最小喷动速度操作状态时喷动床中的惰性颗粒对气体中 6 西安建筑科技大学硕士论文 液体和带电细颗粒具有很高的捕集效率，但当喷动速度超过最小喷动速度，气体净 化效率会急剧降低。f o o n g 1 4 的研究表明利用活性炭在喷动床中对s 0 2 的还原反应 很有效；m a 1 5 j 利用石灰浆半干法在喷动床中对烟气中s 0 2 脱除的研究则表明，在 合适的条件下，s 0 2 脱除率可高达9 8 。 4 ) 喷动床的流体动力学特性 喷动现象在一定的气流速度范围内可以实现，即喷动床有一定的操作范围，图 1 5 描述了特定流体、物料及固定结构下的喷 动床操作相图【1 6 1 1 7 】【l8 】。 图1 6 给出了喷动床内典型的表观流速 与压降关系图i lo 】。图中实线和虚线分别表示 床层压降随表观气速增加或减小而变化的情 况。当表观气速从零开始增加时，首先在入 口处形成一个射流区，颗粒开始在该区内循 环，即将颗粒从射流区周围携带至其顶部。 持续增加气速，射流区随之向上扩展直至穿 透固定床层表面。在这一过程中床层压降相 应地从零增至最大。这个从固定床向喷动床 转变时所具有的最大压降称为最大喷动压降 p i 。此后继续增加气速，压降随之降低， e 弋 甚 奄 璀 世 图1 5 喷动床操作相图 晦1 s f l o wr e g i m em a p o f s p o u t e db e d 射流区逐渐形成一个稳定的喷射区，而床内最终建立起一个具有稳定三区流动结构 图l 6 喷动睐表现气速与床层压酶的关系 f 毽1 6l 娃a a t i o m m p b e t w e e n b e d p r e s s u r e d r o pa n ds u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 陬自m a t h u ra n de p s t e i n1 9 7 4 ) 的完全喷动的喷动床，一旦形成稳定的喷 动床，继续增加气速，相应的压降将不再 增加，因此该压降即是喷动床的操作压降 p s 。 从图1 6 还可以看出，降低气速过程 中所经历的最大压力远远小于增加气速操 作中所得的最大压力。显而易见，从固定 床出发靠增加流速来得到喷动床需要很高 的起动压力。反之，若先以大于最小喷动 速度的流体通过空床，然后逐渐加入固体 颗粒来实现喷动床则会大大降低喷动床的 起动压力。 5 ) 喷动床与密相流化床的比较 喷动床与密相流化床相比，存在某些 西安建筑科技大学硕士论文 相似之处p ，j ： ( 1 ) 分别有一个明显的临界喷动( 流态化) 点和临界喷动速度u 。( 临界流化速度 u 。f ) ，当流速分别达到u 。或u m f 时，颗粒床层分别开始喷动和流化。 ( 2 ) 一旦形成稳定的喷动床和流化床，相应的压降将不再随流速变化而成为一 个常数。 ( 3 ) 喷动床具有稀相喷射区、密相环隙区、喷泉区3 个区域的流动结构，而密 相流化床内存在气泡和颗粒密相。喷动床内颗粒大部分存在于环隙区，流化床颗粒 绝大部分存在于密相。 ( 4 ) 密相流化床中由于颗粒床层结构不均匀、颗粒表面特性所引起的内聚现象 以及气泡的聚并等原因常会造成沟流、腾涌等不正常流化。喷动床中如果物料尺寸 分布过广或床层高度过高，将产生环隙区的流化和喷射区的窒息，使喷动变得不稳 定，喷射速度足够高时甚至会出现喷动床变成聚式流化床或腾涌的现象。 ( 5 ) 作为化学反应器，喷动床与流化床一样，在具有物料可流动性，相对均匀 的温度分布及较好的传热特性等优点的同时，也都有气体短路、固体返混、颗粒扬 析及磨损等缺点。 但与流化床相比，喷动床又具有以下特点： ( 1 ) 喷动床内流型重复性强，流型变化比流化床少。喷动床流动比流化床更简 单、更有规律，但同时所能处理的物料尺寸及所用床体结构比流化床有更多限制。 ( 2 ) 操作压降比传统流化床低，这是因为垂直壁面的剪切力可部分支撑固体颗 粒的重量，由于部分气体从喷射区快速通过床体，相应的气体停留时间短。 ( 3 ) 对粗颗粒，其气固接触效率优于流化床。 ( 4 ) 特别适合于处理粘性大的物料以及需要去除表面层以更新表面，从而促进 传热传质效率的物料。 ( 5 ) 粒子在床内有规律的循环运动使喷动床造粒可以得到具有高强度和高球形 度的粒状产品。 ( 6 ) 良好的气固接触、传热效率及粒子的快速搅动，使喷动床可采用比正常许 可温度高的气体，可方便的处理热敏性物料。 ( 7 ) 结构简单且无运动部件、无分布板等。同时因为喷动床中所用颗粒较大， 没有明显的颗粒夹带，所以一般不需要附加旋风分离器，只要在床面积上留下足够 的空间即可。 在一般的水泥熟料烧成过程中，物料的加热升温速度较慢，通常为l o c m i n 左右，c a c 0 3 在这一升温速率下分解的温度约在8 0 0 9 0 0 之间，这时虽然熟料中 c 2 s 矿物开始形成，但另一主要矿物c 3 s 是在1 2 5 0 以上才开始形成，因而在这一 升温速率下，c a o 的反应活性较低，不利于c 3 s 的形成。在快速升温煅烧过程中， 熟料形成机制不同于通常硅酸盐水泥的生产工艺过程。这种条件下，把粘土脱水分 s 西安建筑科技大学硕士论文 解、碳酸盐分解、固相反应乃至固液相反应生成c 3 s 等过程几乎重合起来。在较高 的升温速度下，反应产物处于较高的活性状态，加快了化学反应进行的速度，最终 更有利于c 2 s 和c 3 s 的形成。 由上述水泥熟料煅烧工艺过程特点，结合喷动床操作的优点，可以看到，喷动 床在水泥熟料煅烧方面有其优越性。它可以克服目前传统流化床煅烧工艺中存在的 一些不足。但是现有的大多数研究主要集中在颗粒粒径较小的( 1 - 2 r a m ) 范围内，为 研究适合于大颗粒流态化煅烧的水泥煅烧工艺，有必要对较大颗粒( 3 - g r a m ) ，结合 目前的实验研究，对喷动床流态化机理进行深入数值模拟研究，以进一步明晰喷动 床中气固两相流的运动。 1 2 2 喷动床中气固两相流数值模拟的应用与进展 1 ) 两相流数值模拟方法 两相以及多相流动是自然界和工业生产中的常见现象，如泥沙水流、大气中的 云雾、粉粒料的气力输送、流化床等。它比单向流动有更多的形态和更复杂的形象。 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。随着气流速度逐渐增大，颗粒床层会经历固定床、散式流化床、鼓 泡流态化、湍动流态化、快速流态化( 稀相输送) 等流动形态。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，两相流动现象要得到精 确的描述，仅靠实验法和经典解析法显然很不够。而数值模拟的方法在处理某些复 杂的问题时却显得比实验更简单，这就使得数值模拟的方法研究多相流显得非常重 要。 总的说来，气固两相流的数值模拟研究分为两大类：e u l e r ( 欧拉) 方法和 l a g r a n g e ( 拉格朗日) 方法。e u l e r 方法是把颗粒作为一种拟流体，认为颗粒与流体 是共同存在且相互渗透的连续介质，两相同在e u l e r ( 固定空间) 坐标系下处理。 假设颗粒相在空间中有连续的速度场和温度场以及相应的输运性质( 粘性、扩散、 导热等) 。因为颗粒相和流体相都被当成流体处理，即作为双流体，其模型被称为 双流体模型。这类模型经历了无滑移模型、小滑移双流体模型、有滑移扩散的双 流体模型各阶段及近年来发展起来的以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体 模型。l a g r a n g e 方法将流体的描述归结为流元运动参量的描述。所谓e u l e r - l a g r a n g e 方案是用e u l e r 方法描述考察流体相的运动，用l a g r a n g e 描述建立颗粒运动的颗粒 轨道模型。这类模型用完全弹性碰撞模型或颗粒离散单元法处理密相气固两相流中 颗粒间相互作用。目前在气固两相流中采用较多的是双流体模型和离散颗粒模型。 目前有关两相流动的模型已有大量的文献报道，但各种模型都是由不同角度对 真实过程所作的近似和简化。从刻划尺度及属性上区分，主要有三大类型的模型： 一是流体拟颗粒模型( p s e u d o p a r t i c l em o d e o 。该类模型从处理单颗粒尺度上的运动 9 西安建筑科技大学硕士论文 行为入手，不仅将离散的颗粒当成离散相处理，还将连续的流体也采用拟“颗粒” 性质的流体微团来处理，这样就可以模拟远离平衡态的系统【1 9 l 。这类模型对流体相、 颗粒相的运动都是采用拉格朗日法描述。二是连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 。模 型将颗粒相看成是拟流体，这是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方 法，其计算量相对较少，这类模型对颗粒相、流体相均采用欧拉法。它常常又被称 之为双流体模型( t w o f l u i dm o d e l ) 1 2 0 ) 1 j _ 7 ，2 3 , 2 4 3 6 2 7 1 。三是离散颗粒模型( d i s c r e t e p a r t i c l em o d e l ) 。该模型将颗粒看作是离散相，而将气相视为连续相，考虑了每个颗 粒与气体相互耦合，以及颗粒与颗粒间的相互碰撞作用。此模型可以跟踪所有颗粒 的运动轨迹，也常被称之为颗粒轨道模型【2 8 2 9 1 ( p a r t i c l e - t r a j e e t o r ym o d e l ) 。这类模型 对颗粒相采用拉格朗日法，而对流体相依然采用欧拉法，该方法最早由m i g d a l 和 a g o s t a 提出d 0 】。 物理概念不同的颗粒流体两相流模型方程组形式各异，即使是同一类模型，其 方程组形式及各项参数也往往存在差异【3 1 翊。以下对上述三种模型进行简要综述。 ( 1 ) 流体拟颗粒模型 为了能够精确描述颗粒与流体间的微观相互作用，g e 和l i 提出了基于拟颗粒 思想的模型 1 9 3 3 1 。拟颗粒模型将气体考虑成离散的气体“颗粒”微团，微团直径介 于气体分子与拟流体的网格尺度之间，通过模拟气体“颗粒”与真实颗粒之间的碰 撞等相互作用，可以再现两相流动中的一些典型现象。它的优点在于可以从单颗粒 的尺度准确描述颗粒、流体相互作用；此外，它不存在为相间的传递引入模型封闭 问题。拟颗粒模型的结果原则上可以对真实的两相流动微观结构给出描述，从而可 为离散颗粒模型和其它种类的模型指引方向。拟颗粒模型目前还处在发展阶段，并 不能模拟真实条件下的情况，比如它只能模拟微重力场、低雷诺数情况下的流动。 此外，该模型的准确程度与“拟颗粒”的大小有着紧密的联系，“拟颗粒”越小， 颗粒数越多，计算结果就越准确，但这势必造成计算工作量增大。因此，计算机的 计算能力是对该模型发展的一个关键的制约因素，相信随着超高速计算机的发展， 这个问题会得到满意地解决。当然，对两相间微观上的相互作用的深切理解和认识， 也是该模型成败的关键所在。 ( 2 ) 连续介质模型 连续介质模型的特点在于把宏观上离散的颗粒相和宏观上连续的流体相经过 空间或时间平均，处理成相互渗透的两个连续相。将颗粒处理成连续相会给研究带 来很多方便。颗粒相和流体相的模型方程的形式统一。固相方程采用“场”来描述， 便于应用微积分这一有效工具 3 4 】；另外，由于两相的方程形式往往都与单相流动形 式差别不大，从而可以充分利用计算流体力学的成果。基于以上优点。连续介质模 型得到了很大发展，而且在模拟真实系统上获得了一些成功应用，但依然还存在大 量的基本问题有待解抉。连续介质模型可分成两类：一类是从实验现象出发，将具 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 有不均匀流动结构的颗粒流体系统按照其表象的不同分为不同的相( 连续介质) 。通 过引入两相之间的相互作用建立模型。另一类是从流体力学的角度来研究两相流 动，它将离散的颗粒相通过平均，研究颗粒群的平均行为，方程的形式往往与单相 流动方程类似，且解决的思路也是相似的，都是要解一组偏微分方程。 拟流体模型需要对两相方程中的各种应力项及曳力项给出封闭模型，不同的拟 流体模型的差异也主要体现在此。流体相方程一般用类似于单相运动中的牛顿粘性 定律封闭粘性应力。而“拟流体”的颗粒相方程的封闭方式不尽相同。大多数模型 采用牛顿粘性假设1 3 5 】。但也有研究者认为b i n g h a m 塑性更适合【3 6 , 3 7 1 。可以理解，将 离散颗粒相近似处理成气体那样的连续介质会遇到许多问题，尤其是对大颗粒浓相 流动的情况，问题尤为突出。这些问题主要集中在包含颗粒粘性