数值研究的高温气固流体力学实验台循环流化床提升管

文摘

循环流化床的流体力学(cfb)是一个复杂的现象,能在很大程度上取决于操作设置和几何配置。研究文献表明,研究的关键变量的预测高温流化床系统操作仍需实现的目标在能量转换的应用程序,如燃烧、气化或快速热解的固体燃料。在这工作的计算流体动力学(CFD)技术用于流体动力学的建模与仿真预热气固流在一个圆柱形的床上一节。CFD模拟,二流体方法是用来表示k-epsilon动荡的气固流动模型适用于气态和颗粒流的动力学理论(KTGF)为分散相的属性。从半经验模型获得的信息用于实现模拟的初始条件。CFD结果符合实验数据获得从一个小型流化床系统和预测的半经验模型。初始条件应用于这项工作被证明是一种可行的选择一个更常见的常数固体质量流量边界条件。

1。介绍

循环流化床反应器系统中,气固多相反应发生在一个快速流化机制。这种技术最成功的应用之一是低品位燃料的燃烧,如生物量、浪费,与高灰分煤。流化床提供特定的转移率高,高固体吞吐量,反应堆内部的热均匀性(1]。

总颗粒物质循环系统中,固体库存,是一个重要的参数为锅炉燃烧的一种有效的设计应用程序。气体空塔速度驱动一起沿着循环床颗粒。压降和强烈与固体颗粒停留时间分布的快速床区(立管)。此外,固体分布也影响质量和传热率。燃烧和气化的目的,石英砂是常用的惰性材料由于其相对较低的成本和良好的高温性能。在这样的系统中,固体惰性材料的数量可以达到97%的总质量固体库存(2]。

几项研究已经进行了描述循环流化床的气固流动系统的水动力行为,基于实证和理论分析或环境温度过高(3- - - - - -7]。开发的数学模型试图解释循环流化床系统的主要特征的重要变量,如几何构型、固体属性和库存,表面气体速度、固体循环通量(8- - - - - -11]。然而,只有少数研究报告在文献中描述一个简单的程序来定义组件的操作变量和几何措施在循环流化床装置用于项目(12- - - - - -14]。

在不同的循环流化床的数学模型方法,文献表明CFD技术的成功应用许多gas-solid-fluidized床的模拟应用程序。伟大的注意力都给了循环流化床的流体力学在立管组件单元。一些工作研究了FCC催化剂的行为(15),其他煤炭(16),以及砂颗粒(9]。

Eulerian-Eulerian方法通常用于描述气固系统。也被称为双流体模型,它将气体以及液体微粒阶段,介绍了一些变量很难确定固相。因此,颗粒流的动力学理论得到了广泛的应用[17- - - - - -19)作为一个类比,气体分子运动论,从而关闭输运方程的关系。二流体方法被应用到不同的系统配置,也为工业规模生产可靠的结果循环流化床(20.]。

情况下可用实验数据只提供的总固体库存循环流化床循环是不适合单个组件的模拟,如立管。初始和边界条件的确定,许多作者(21- - - - - -23)或者应用常量值固体质量流量进入立管。尽管这种方法是有效的,这些都是平均通量,不代表质量流量的变化历史随着时间的推移,在实际实验中观察到单位(24]。还有一个常数固体通量边界条件充分的仿真时间必须计算以达到pseudo-steady状态,实际固体的库存,从而实现正确的多相流体动力学在立管。根据操作和几何配置,这可能需要太多的计算工作是一个立体的和可行的瞬态CFD方法。知识的实际数量的固体材料在循环流化床的每个部分提供了进一步的选择设置边界和初始条件模拟的冒口。因此,这项工作的目的是使用半经验模型来确定所需的固体库存信息和验证另一种固体返流边界条件的有效性。

2。实验装置

小型流化床装置的示意图安装坎皮纳斯大学提供在图1。循环主要由立管和气旋的固体分离,其次是一个竖管和L-valve关闭电路。

预热空气提供给立管螺杆压缩机,而固体是由螺旋加料器在位于固体料斗的底部。固体流态化的立管和拖气相切线旋风收集,负责释放固体竖管。L-valve控制固体回注到立管,创建一个循环系统。微粒逃离之前收集的单位是袋式过滤器位于堆栈。测温点沿立管被放置。表1显示系统的主要特点以及一些身体和床颗粒的流化性质(石英砂)。

杨(26)修订的粒子分类Geldart组其他温度和压力,使用无量纲密度和阿基米德数来确定群体的分化。在循环流化床操作条件下的固体,在B组最初分类在大气条件下,仍然被认为是在同一组。

一套几本单元上进行了实验测试,据Hory et al。27]。仅供本研究中给出的实验数据表2,代表每个变量的平均值进行三分,是选择。

3所示。数值研究

两种方法被用于循环流化床的数值调查单位,每个都有一个特定的目标。最初的半经验的模型组装来确定流化床系统的关键操作变量。这个模型是基于数学的相关性从文献中获得。结果产生的半经验模型应用于确定边界和初始条件的第二种方法,CFD研究流体动力学的气固流动单元的立管部分。这两个模型策略详细介绍如下。

3.1。半经验模型

巴苏(所呈现的实际水动力模型2)是适应确定床固体库存以及其他基本的操作和实验台循环流化床系统的几何参数。半经验的模型中使用的相关性的概述在表3分为三个阶段,一个为每个组件组的循环流化床装置(立管、旋风和竖管/固体循环阀)。模型需要输入信息,如立管直径和流化空气和床上粒子的属性是最初的定义。然后固体库存和其他关键条件稳定运行所需的循环计算。

总固体量库存作为个体的总和值计算立管和竖管/ L-valve,自粒子流化床系统主要集中在这些组件。

3.2。CFD模型

为更好地了解立管中的气固流动的行为,进行了CFD研究。CFD可以产生多相流动的详细信息,它并不总是容易获得实验单位。产生的气固流信息也可以用来帮助系统的改进设计。

动力的控制方程,动荡和能源运输用于描述现象涉及多相流在立管。气固系统是由Eulerian-Eulerian方法,认为每个阶段流体。用于描述在气相湍流,变现k-epsilon模型应用和固相由KTGF建模,之后采用的一般方法许多作者在立管多相流。的主要方程模型展示在表4。

通过KTGF固体应力张量描述,占固体粘度和压力条件。颗粒温度有关的动力湍流能量粒子输运方程来源于它的动力学理论是一个代数公式简化。至于热平衡的立管,每个阶段的输运方程是解决。工作压力、动能和粘性加热被忽视发生在低马赫数流动(16]。两个阶段之间的热交换是主攻和马歇尔所表达的40)的相关性。

只有立管被认为是CFD模拟,因为这是最感兴趣的部分工业应用,收集实验数据进行验证。这也简化避免extracomputational努力模拟L-valve密集地区,通过固体返回到立管。创建包含大约40万的六面体网格控制卷立管。一组细和粗网格也被创建,而细化的一个选择是足够生产网格独立于非等温多相流动的结果。平均等效单元长度为选定的网格粒子直径大约是37岁。几何细节和数值网格如图2。

大气代表了分散相连续阶段和石英砂。表中描述的边界条件5。主要的空气入口处(底部),一个常数指定气体质量流率,温度测量在出口处的GLP燃烧器。在二次进气,固体返回到立管,空气从L-valve进入在一个恒定的质量流率。二次入口的温度边界条件是由实验测量在L-valve退出和被认为是相同的两个阶段进入立管。一个数学函数实现注入砂质量流率一样,在每个时间步长计算立管的出口。为了申请这个条件是必要的,以确定砂的质量,只会出现在立管,因为考虑到整个循环的总固体量库存将大大高估了固体循环率,从而修改系统的流体动力学行为。这从半经验的获得的信息模型。在墙上的无滑动边界条件应用气相和固相的自由滑动,简化但接近正确的分散相低摩擦条件,根据(19]。对环境的热损失也被视为一个常数-热通量。

为了繁殖的行为气固流动垂直立管,瞬态模拟被认为是。数值制定了有限体积法的商业软件Ansys 12.0流利。的插值离散偏微分方程,采用一阶逆风方案。建立了收敛性判据为10⁻³在绝对的值。减少低松弛因素选择提高解的稳定性。10的时间步⁻⁵年代最初采用并逐渐增加到最大值为10⁻⁴年代。

4所示。结果与讨论

半经验模型的主要目的是缓解循环流化床的初步系统设置单元,进行了验证比较其结果获得的实验数据表所示2。此外,内部固体回流比是在适当的值设置为保证同样的冒口高度实验循环流化床燃烧室。表6包含输入数据模型的基础上,实验单位的条件。

从半经验的模型获得的结果为每个部分的招标单位展示在表7,并与实验数据比较肤浅的气体速度、固体库存,和曝气质量流率L-valve图所示3。

在图3结果表明,预测,,与实验值是一致的。总固体量库存,仿真的结果是高估了约26%。气体空塔速度和曝气速率非常接近植物操作条件。总的来说,这些结果是令人满意的循环流化床的初步设计。

根据这些结果,立管对应于固体的量大约43%的总固体量库存。这些信息产生的半经验模型是用于设置初始条件的CFD模拟立管。因此一个初始填充床被设定为立管底部的相应规定的固体。

仿真进行了10年代,在此期间达到准稳态。在模拟的初始秒,惰性观察床开始快速流化,达到立管的退出,开始返回到立管。然而,只有5秒之后的模拟,瞬态统计平均收集为主要变量,以分析立管的特点。

的多相流流化床(立管)混乱的行为而闻名,可以观察到的固相质量流量离开立管(图4(一))。捕获的CFD模拟这种行为,虽然气旋中的固体停留时间和竖管是被忽视的。的在出口处计算在每一个时间步是应用于循环边界条件。在循环入口质量流量波动计算没有任何延迟。固体循环平均质量流量()预测的CFD模拟59公斤/米²年代,同意与半经验的估计,7.5%的软件模拟的结果。

质量通量在出口处的振荡特性可以解释为沿立管连续消失和集群的形成,决定了固体粒子径向分布和垂直位移成列,也观察到在图7。更高的质量流量峰值发生在这种行为的结果。在立管出口段塞频率大约是0.36赫兹(2.8年代时期),验证的功率谱密度(PSD)分析固体质量流量波动,如图4 (b)。最大峰值的频率是相同的范围内根据其他研究工作报告(21,41]。进行这种分析的取样时间0.01秒。

在图5比较的压降值预测的CFD和半经验模型。的总压降高的立管有更高的值与半经验的模型;然而,考虑到上述地区的固体回报水平,结果是相似的。我们可以更好的理解这种行为通过分析人物6显示了平均轴向压力和固体体积分数在立管档案。时间上的体积分数概要图6 (b)连续几个截面计算飞机沿提升管高度,根据以下表达式:

CFD仿真表明空隙率分数不是强隔离成一个底部密集地区和上层稀,但这些地区仍明显标识。高固体体积分数区域观察发生接近循环入口高度和t形截面的退出。这不同于更密集的地区的半经验模型假设在底部,平均体积分数0.1与0.04的模拟,从而解释低压立管的底部。

虽然CFD模型显示之间只有微小差别底部密集的地区和更多的稀释,气固流动的core-annulus行为中发现的快速流化政权了。这个配置是在快速流化气固流在立管19]。在这个模式中稀释核心向上流动,密集的戒指落在墙附近。core-annulus更强调立管的上半部分地区,那里的影响再循环进入不太激烈。这种趋势也观察到柱基立管的直径减少防止固体进一步下滑,循环,人物7。

红桉和伟达公关42)说,可以移动并环结构或逆流取决于气体速度和颗粒流率。在图8速度和体积分数的立管的固相在三个不同的位置。主要是逆流的模式识别,表明内部循环。这一特点有助于建立一个更加统一的温度剖面沿立管的高度,作为颗粒的垂直混合阶段发生。

此外,气固流沿立管的热行为进行了分析。图9提供轴向气相温度曲线,与实验数据显示合理的协议。

如前所述,流化气体引入的GLP燃烧器加热是主要的输入流。系统失去热能通过墙壁和加热固体通过L-valve返回系统。占热损失、热通量在墙上估计只考虑外部自然对流垂直圆柱常数是指外墙温度338 K和303 K的大气温度。热量散失到环境的总量条件下约175 W / m²设置为热边界条件,在墙上。这比绝热近似被认为是更现实的墙。从立管的底部侧入口,观察温度降低由于循环粒子的回归和辅助气体的注入。在该地区,模拟结果显示一些偏离实验测量。然而,不同的是低于22 K第二和第三点。以上地区,流更发达的地方,发现了一个更好的协议。

5。结论

基于水动力的一种实用的半经验的模型相关性提出了从实验数据测定实验台循环流化床装置的主要特点。该模型预测固体库存系统的组件,从而为更详细的提供重要的信息通过CFD模拟方法。半经验的模型验证与实验获得的信息从一个小型流化床装置预燃条件下操作。偏差的关键操作参数,如表面气体速度、固体库存,曝气再循环阀的质量流率低于30%。

CFD模拟的立管循环流化床装置也进行了。在这些模拟变现k-epsilon模型描述了连续相的湍流和KTGF应用于分散的描述相流的双流体模型立管循环流化床的部分。流体力学验证了core-annulus模型,这也证实了大多数文献研究发现的快速流化床。固体循环率显示良好的协议与半经验的模型预测。立管的模拟热剖面显示小低估价值的实验数据,不是大3%。

研究还显示的可行性应用半经验的相关性来确定固体库存作为CFD模拟的初始条件。通过这种方法需要较少的计算时间达到pseudo-steady状态要比相同初始化模拟空立管和常数。因为半经验的模型是基于操作数据的几个循环流化床单位,总是会有些偏差值预测中为一个特定的单元。实验信息,然而,在没有摘要的方法可以是一个有用的替代近似。

命名法

	衰减常数
:	区域,
基于“增大化现实”技术:	阿基米德数
:	固体变成气体质量比飓风的入口处
Cd:	阻力系数
:	直径、米
:	摩擦系数
:	重力,m /
:	径向分布
:	循环质量流量,公斤/。s
:	二次空气喷射高度,m
:	总高度的立管,m
:	库存,公斤
:	导热系数W /该调查
:	模型的因素
:	长度,米
:	质量如何,kg / h
ν:	努塞尔特数
:	压力,爸爸
:	内部再循环率
再保险:	雷诺数
:	时间,年代
:	温度、K
	速度,m / s
:	速度,m / s
:	体积,。

希腊字母

	模型参数
	模型参数
:	相间动量交换系数,公斤/·年代
:	体积分数
:	球形
:	固体体积粘性,P·s
:	剪切粘度、Pa·s
:	颗粒温度,/
:	密度,公斤/
:	剪切应力,爸爸
:	速度,m / s
:	应力张量,爸爸
:	固体应力张量,Pa。

下标

:	强热带风暴
ch:	令人窒息的
:	条目
:	下降
:	气相
:	阶段指数
lv:	L-valve
mf:	最小流化
ns:	Nonspherical
:	出口
:	立管
:	固相
sp:	竖管
sr:	固体回报水平
:	终端
tr:	运输
:	墙。

承认

这项工作是支持的国家机构CNPq。

引用

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