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煤炭是中國(guó)的主要能源，而以燃燒為主的煤炭傳統(tǒng)利用方式是中國(guó)產(chǎn)生大面積霧霾的主要原因。西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前期開發(fā)了超臨界水鼓泡流化床氣化反應(yīng)器，具有反應(yīng)物快速升溫?fù)交?，氣化效率高等?yōu)點(diǎn)。超臨界水循環(huán)流化床是在超臨界水鼓泡流化床基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的新型煤氣化制氫反應(yīng)器概念，旨在提高反應(yīng)器的處理能力和運(yùn)行效率。超臨界水循環(huán)流化床既具有前期超臨界水鼓泡流化床的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有循環(huán)流化床反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)，是一種非常有應(yīng)用前景的新型煤氣化制氫反應(yīng)器。

（來源：微信公眾號(hào)“循環(huán)流化床發(fā)電”  ID：xhlhcfd  作者：張航）

目前雖然已有學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)循環(huán)流化床進(jìn)行了全面研究并獲得了許多具有重要參考價(jià)值意義的設(shè)計(jì)和運(yùn)行準(zhǔn)則，但超臨界水循環(huán)流化床運(yùn)行在高溫高壓的超臨界水工況下，其流動(dòng)特性相對(duì)于傳統(tǒng)循環(huán)流化床有明顯區(qū)別。反應(yīng)器內(nèi)多相流動(dòng)特性規(guī)律是影響反應(yīng)器內(nèi)傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的最重要的基本因素，也是超臨界水循環(huán)流化床研究的重要基礎(chǔ)課題。由于超臨界水循環(huán)流化床工作在超臨界工況下，目前通過實(shí)驗(yàn)手段獲得其內(nèi)部詳細(xì)流動(dòng)特性較為困難且資源耗費(fèi)高。隨著計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為多相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性研究的主要方法之一。本文目的是通過開展數(shù)值模擬研究對(duì)超臨界循環(huán)流化床提升管內(nèi)兩相流動(dòng)特性進(jìn)行全面了解，并基于數(shù)值模擬研究結(jié)果對(duì)超臨界水流循環(huán)化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

本文在歐拉雙流體模型和顆粒動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立氣固循環(huán)流化床和超臨界水循環(huán)流化床提升管中的兩相連續(xù)方程、動(dòng)量方程等控制方程，對(duì)兩種循環(huán)流化床提升管內(nèi)的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。首先考慮不同曳力模型及層流和湍流模型對(duì)氣固循環(huán)流化床提升管數(shù)值模擬結(jié)果的影響，然后將超臨界水循環(huán)流化床提升管中的兩相流動(dòng)特性與氣固循環(huán)流化床進(jìn)行比較。并研究表觀流速對(duì)超臨界水循環(huán)流化床提升管中固相體積分?jǐn)?shù)、顆粒軸向速度的影響。

1數(shù)值模擬方法

1.1控制方程

式中，下標(biāo)ｉ代表氣相和固相。

嚴(yán)格的動(dòng)量守恒方程還應(yīng)包括升力、虛擬質(zhì)董力等。但由于升力和虛擬質(zhì)量力與曳力相比很小，可以忽略。

曳力模型中常用的有Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型和基于循環(huán)流態(tài)化的不均勻流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征的ＥＭＭＳ曳力模型。

一般來說提升管內(nèi)的流動(dòng)為湍流，當(dāng)考慮湍流帶來的影響時(shí)，需要用湍流模型來封閉控制方程，本文采用使用得比較廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k－ｅ方程。

1.2物理模型

本文采用的物理模型是文獻(xiàn)中的大尺度循環(huán)流化床的提升管部分。圖1給出了循環(huán)流化床中提升管的縱截面示意圖。床高14.2ｍ，床直徑0.2ｍ。均勻氣流以5.2ｒ?ｓ-1的速度從提升管下部的布風(fēng)板沿袖向進(jìn)入床體。同時(shí)有兩股氣固流以0.476ｍ?ｓ-1的速度從提升管的兩個(gè)對(duì)稱側(cè)面入口沿徑向進(jìn)入床體，入口寬度為0.1ｍ，入口中心線距離布風(fēng)板0.3ｍ，且此氣固流中固相體積分?jǐn)?shù)為0.4。氣體和顆粒從寬度為0.1ｍ的兩個(gè)對(duì)稱出口流出，出口中心線距離提升管頂部0.3ｍ。固體顆粒采用ＦＣＣ顆粒，直徑為7.6ｘｌ0-5ｍ，密度為1712ｋｇ?ｍ－3。本文首先對(duì)氣固循環(huán)流化床提升管進(jìn)行模擬，并與Ｋｎｏｌｔｏｎ的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。然后采用此結(jié)構(gòu)對(duì)超臨界水循環(huán)流化床提升管中的兩相流動(dòng)特性進(jìn)行模擬。

1.3網(wǎng)格劃分

主要采用矩形網(wǎng)格對(duì)圖1幾何體進(jìn)行劃分。忽略湍流的數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格的中間部分如圖2(ａ)所示，節(jié)點(diǎn)在徑向和柚向方向均勻分布。徑向有18個(gè)網(wǎng)格，軸向有536個(gè)網(wǎng)格，即計(jì)算區(qū)域共9648個(gè)網(wǎng)格。時(shí)間步長(zhǎng)為4ｘｌ0-4ｓ?？紤]湍流的數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格的中間部分如圖2(ｂ)所示，節(jié)點(diǎn)在徑向?yàn)椴痪鶆蚍植?，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)距離壁面2.2xｌ0-3ｍ，并以1.2的比例在徑向增長(zhǎng)，徑向最大長(zhǎng)度為0.01ｍ，徑向共有28個(gè)網(wǎng)格。在軸向有288個(gè)網(wǎng)格，即計(jì)算區(qū)域共8064個(gè)網(wǎng)格。時(shí)間步長(zhǎng)為3ｘｌ0-4ｓ。

1.4邊界條件和初始條件

1.4.1邊界條件

2)壁面邊界條件由于壁面的形狀與物理性質(zhì)與顆粒相比差異較大，顆粒與壁面碰撞恢復(fù)系數(shù)與顆粒間的碰撞恢復(fù)系數(shù)應(yīng)該不同。根據(jù)Ｇｉｄａｓｐｏｗ的研究，一般假定壁面顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)低于顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)，因?yàn)轭w粒間的碰撞更加接近完全彈性碰撞。因此將顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.99，顆粒與壁面的碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.95。

將氣相的邊界條件設(shè)為無滑移邊界條件，固相的邊界條件設(shè)為部分滑移邊界條件，反射系數(shù)設(shè)為0.002。

1.4.2初始條件

系統(tǒng)初始為空床，溫度設(shè)為等溫的300Ｋ，壓力為0.1ＭＰａ，顆粒溫度為1x10-5ｍ2?ｓ-2?？諝獾拿芏葹?.16ｋｇ?ｍ-3，黏度為1.84ｘｌ0-5ｋｇ?ｍ-1ｓ-1，采用的超臨界水的密度為87.379ｋｇ.ｍ-3，黏度為3.517ｘｌ0-5ｋｇ?ｍ-1.ｓ-1。

2結(jié)果及討論

2.1模型驗(yàn)證

圖3給出了距離布風(fēng)板3.9ｍ處床層的固相密度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中模擬數(shù)據(jù)分為4個(gè)部分：湍流、ＥＭＭＳ曳力模型；湍流、Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型；層流、ＥＭＭＳ曳力模型；層流、Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型。從圖中可以發(fā)現(xiàn)湍流、ＥＭＭＳ曳力模型以及層流、ＥＭＭＳ曳力模型的模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都體現(xiàn)出在提升管中心區(qū)顆粒濃度較低，在近壁面處顆粒濃度相對(duì)較高的特點(diǎn)，即環(huán)核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。而在其他模型中此環(huán)核結(jié)構(gòu)并不明顯。另外，雖然湍流、ＥＭＭＳ曳力模型以及層流、ＥＭＭＳ曳力模型均呈現(xiàn)出環(huán)核流動(dòng)結(jié)構(gòu)，但后者的模擬值更加接近實(shí)驗(yàn)值。一般來說，循環(huán)流化床提升管中的流動(dòng)為湍流，其雷諾數(shù)較高，但是除非湍流模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)準(zhǔn)確，能正確描述湍流流動(dòng)，否則使用湍流模型帶來的誤差甚至要大于使用層流模型帶來的誤差。此外，由于k－ｅ方程由流體發(fā)展起來的，若對(duì)顆粒相也使用湍流方程，得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性也值得商榷.這些原因?qū)е潞雎酝牧鞣炊玫降慕Y(jié)果要準(zhǔn)確。

另外，可以發(fā)現(xiàn)，層流、ＥＭＭＳ曳力模型數(shù)值模擬的近壁面處的固相密度結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要小。Ｚｈａｎｇ和Ａｒａｓｔｏｏｐｏｕｒ發(fā)現(xiàn)，在混合物中粒徑較大的顆粒要比粒徑較小的更容易在近壁面處集聚，但是在數(shù)值模擬中采用的只是單一粒徑的顆粒，這顯然會(huì)使近壁面處的固相密度模擬值小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外根據(jù)質(zhì)量守恒定律，這會(huì)導(dǎo)致提升管中心區(qū)顆粒濃度要高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖3也呈現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

圖4給出了距離布風(fēng)板3.9ｍ處床層的顆粒質(zhì)量流量的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖所示，層流、ＥＭＭＳ曳力模型的模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，提升管中心處的顆粒質(zhì)量流量較高而近壁面處的顆粒質(zhì)量流量較低，由于提升管存在環(huán)核結(jié)構(gòu)，說明近壁面處顆粒速度低于中心處的顆粒速度。此外可以發(fā)現(xiàn)，近壁面處的顆粒向下運(yùn)動(dòng)。近壁面處向下流動(dòng)的顆粒和提升管中心向上流動(dòng)的顆粒形成了內(nèi)循環(huán)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

鑒于圖3、4的結(jié)果，采用層流、ＥＭＭＳ曳力模型對(duì)超臨界水循環(huán)流化床提升管進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2超臨街水循環(huán)流化床與氣固循環(huán)流化床顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)比

圖5比較了在表觀流速均為5.2ｍ?ｓ-1時(shí)的氣固循環(huán)流化床和超臨界水循環(huán)流化床提升管距離布風(fēng)板3.9ｍ處床層的固相密度分布。從圖5中可以看出，超臨界水循環(huán)流化床中的兩相流動(dòng)同樣存在環(huán)核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但是在超臨界水循環(huán)流化床中，中心處和近壁面處的濃度梯度要遠(yuǎn)小于氣固循環(huán)流化床。此外，對(duì)于相同位置處，超臨界水循環(huán)流化床中的固相體積分?jǐn)?shù)要小于氣固循環(huán)流化床，這種差距在近壁面處尤其明顯。

圖6比較了在表觀流速均為5.2ｍ?ｓ-1時(shí)氣固循環(huán)流化床和超臨界水循環(huán)流化床提升管高度3.9ｍ處床層的顆粒質(zhì)量流量分布。從圖6中可以看出，超臨界水循環(huán)流化床中近壁面處同樣存在內(nèi)循環(huán)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此外超臨界水循環(huán)流化床沿徑向的顆粒質(zhì)量流量比氣固循環(huán)流化床要小，可能是由于超臨界水循環(huán)流化床中的固相體積分?jǐn)?shù)要更小造成的。

2.3表觀流速對(duì)超臨界水循環(huán)流化床流動(dòng)特性的影響

2.3.1固相密度

圖7表示在相同的物料循環(huán)量下，床層距離布風(fēng)板3.9ｍ處，不同的表觀流速下的固相密度徑向分布。從圖7可以看出，其他條件不變的情況下，當(dāng)表觀流速逐漸增大時(shí)，固體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。這是因?yàn)椋M(jìn)口顆粒流量恒定，而單位時(shí)間內(nèi)離開出口的顆粒量也恒定，因而隨著表觀流速的增加，顆粒的速度也增加，進(jìn)而使得固體體積分?jǐn)?shù)減小。此外，可以發(fā)現(xiàn)近壁面處的環(huán)形區(qū)域變薄，可能是由于表觀流速的增加不利于顆粒在近壁面處聚集。

2.3.2顆粒軸向速度

圖8表示在相同的循環(huán)量下，床層距離布風(fēng)板3.9ｍ處不同的表觀流速情況下的顆粒軸向速度的徑向分布.從圖8可以看出，顆粒速度隨著表觀流速的增大而增大。此外，雖然顆粒速度隨著表觀流度的增大而增大，但不同區(qū)域顆粒速度增長(zhǎng)的幅度并不相同。提升管中心處顆粒速度增加的幅度要大于近壁面處增加的幅度，即顆粒速度的徑向梯度增大。這可能是由于氣體速度呈現(xiàn)中心處速度較高而近壁面處速度較低的速度分布規(guī)律，氣體速度沿徑向分布的不均勻?qū)е虏煌恢玫囊妨Σ煌?，進(jìn)而使得不同位置顆粒速度增加的幅度存在中心高而近壁面處低的差異。

3結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)氣固循環(huán)流化床提升管以及超臨界水循環(huán)流化床提升管的顆粒軸向速度、固相體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量流量等特性進(jìn)行研究，并得到了表觀流速對(duì)以上流化特性的影響，結(jié)論如下：

1)氣固循環(huán)流化床提升管中，ＥＭＭＳ曳力模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度要高于Ｇｉｄａｓｐｏｗ曳力模型，很好地體現(xiàn)了提升管中氣固流動(dòng)的不均勻結(jié)構(gòu)；忽略揣流得到的結(jié)果要準(zhǔn)確。循環(huán)流化床提升管存在中心處顆粒濃度較低、流速較快，而近壁面處顆粒濃度較高、流速較慢的環(huán)核結(jié)構(gòu)。

2)超臨界水循環(huán)流化床提升管中同樣存在著環(huán)核流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但超臨界水循環(huán)流化床中心處和近壁面處的顆粒濃度梯度要遠(yuǎn)小于氣固循環(huán)流化床。此外，對(duì)于相同徑向位置處，固相體積分?jǐn)?shù)要小于氣固循環(huán)流化床，這種差距在近壁面處尤其明顯。

3)隨著表觀流速增加，超臨界水流化床提升管發(fā)生以下變化：床層內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)減小，近壁面處的環(huán)形區(qū)域變薄；顆粒軸向速度增大且提升管中心處顆粒速度增加的幅度要大于近壁面處。