循環(huán)流化床中固體顆粒流體動力特性的試驗研究

循環(huán)流化床中固體顆粒流體動力特性的試驗研究

相和固相的循環(huán)軌跡是循環(huán)水流過程的重要特征參數(shù)，然而，對循環(huán)床上氣、固、固相的循環(huán)軌跡了解不多，也沒有廣泛研究。許多研究者對循環(huán)流化床床內(nèi)的顆粒運動行為的研究比較注重,卻很少直接關(guān)注顆粒的停留時間。Ambler建立了一個描述顆粒停留時間分布的數(shù)學(xué)模型,并且與用脈沖示蹤劑法(Ga-68)獲得的實驗室結(jié)果相校正,但其模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合并不很好。Patience(1991)采用放射性砂作為示蹤劑,脈沖注入來獲得停留時間分布曲線,并且建立了一個一維擴散模型描述循環(huán)流化床內(nèi)固體顆粒停留時間分布。池作和等用磁性顆粒作示蹤顆粒得到顆粒停留時間分布的實驗曲線,但該實驗的準(zhǔn)確性很容易受周圍環(huán)境影響。魏飛等用磷示蹤顆粒對循環(huán)流化床(快速床)提升管內(nèi)顆粒停留時間分布進(jìn)行了實驗研究。本文主要工作是在200mm×200mm冷態(tài)循環(huán)流化床試驗臺上采用脈沖注入示蹤劑方法來測量固體顆粒在床內(nèi)的停留時間分布。固體示蹤顆粒是從床料中篩分出來的某一粒徑的顆粒。1顆粒注入裝置的模擬用于測量固體停留時間分布的實驗系統(tǒng)見圖1,系統(tǒng)由高4m,截面為200mm×200mm玻璃制成的床本體、下排氣分離器、立管和返料機構(gòu)組成。床料由位于布風(fēng)板上面400mm處的進(jìn)料口加入。示蹤顆粒是由實驗床料中篩分出來的某一粒徑檔的顆粒。固體示蹤顆粒的注入系統(tǒng)是一個氣力輸送機構(gòu),由位于球閥和有個小孔的蓋帽之間的鋼管和高壓氮氣源組成。把示蹤顆粒加入鋼管,然后用氮氣(～5×105Pa)加壓。當(dāng)打開球閥時高壓氣體把示蹤顆粒送入床內(nèi),球閥的開關(guān)動作要盡可能地快,當(dāng)球閥打開時,開始計時。這個注入系統(tǒng)可以在足夠短的時間內(nèi)加入示蹤顆粒(小于1s)來模擬脈沖注入。在床出口處對固體顆粒進(jìn)行取樣是很困難的,本實驗的取樣位置設(shè)在下排氣旋風(fēng)分離器出口。取樣系統(tǒng)由取樣杯和由步進(jìn)電機驅(qū)動的塑料板組成,其中步進(jìn)電機的時間步長可在0.1～30s之間調(diào)節(jié)。取樣的同時,在返料器處加入另外的床料來維持床內(nèi)的存料量基本不變。上述系統(tǒng)可以得到整個循環(huán)流化床系統(tǒng)(床內(nèi)和下排氣旋風(fēng)分離器)的停留時間。為了得到顆粒在床內(nèi)的停留時間分布,應(yīng)該確定分離器內(nèi)的停留時間分布,所以另外加了一個示蹤顆粒注入裝置在床出口與分離器之間的水平段上。一旦示蹤劑加入,取樣系統(tǒng)就開始取樣并計時。取樣杯內(nèi)的顆?？梢灾匦潞Y分得到示蹤顆粒的濃度。所以這種實驗方法可以得到循環(huán)流化床系統(tǒng)或下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時間分布。2固體停留時間分布實驗分析在不同示蹤顆粒粒徑dp(0.4～0.6mm,0.6～0.8mm和0.8～1.0mm)和不同表觀氣體速度u(3.0～4.7m/s)下進(jìn)行了一系列工況的實驗。示蹤顆粒分別由床底部和床出口與旋風(fēng)分離器之間的水平段處注入。實驗獲得的固體停留時間分布曲線見圖2和圖3。圖2給出了循環(huán)流化床系統(tǒng)的停留時間分布實驗曲線,多數(shù)工況下的曲線都存在多個峰,這些峰可以解釋為由于其核心區(qū)與邊壁區(qū)之間的質(zhì)量傳遞和出口返混的影響所致。實驗曲線表明示蹤顆粒濃度隨著氣體速度降低或示蹤顆粒粒徑增大而降低,而且收集到的示蹤顆粒量與加入總量的比例也迅速降低(見表1)。這表明隨著顆粒的增大或氣體速度的降低,顆粒被攜帶出床內(nèi)參與循環(huán)變得越來越困難,其床內(nèi)停留時間也就越長。由表1可以看出在氣體速度為4m/s,示蹤顆粒粒徑為0.8～1mm時,所收集到的示蹤顆粒量僅占加入總量的7%,可以認(rèn)為在該工況下,該粒徑的顆粒幾乎不能逸出。另一方面,圖3所示下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)的固體顆粒停留時間分布實驗曲線之間卻不存在很明顯的不同。3數(shù)學(xué)模型3.1u3000邊壁區(qū)厚度的計算在圓截面或方形截面的循環(huán)流化床內(nèi)存在著核心-邊壁區(qū)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛接受,而且也有各種不同的模型來描述這種流動結(jié)構(gòu)。本文基于以前的研究結(jié)果,建立了用于描述寬篩分床料的循環(huán)流化床床內(nèi)核心-邊壁區(qū)的流動結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。該模型的主要假設(shè)有:1)循環(huán)流化床床內(nèi)可以分為兩個區(qū)域:底部密相區(qū)和位于二次風(fēng)口或回料口以上的稀相區(qū)。密相區(qū)維持固定的空隙率,而在稀相區(qū)卻存在著核心-邊壁區(qū)流動結(jié)構(gòu)。顆粒在核心區(qū)上升流動,而在邊壁區(qū)卻向下滑動;2)核心區(qū)和邊壁區(qū)都沒有徑向的濃度變化;3)穩(wěn)態(tài)工況下,循環(huán)流化床系統(tǒng)的各參數(shù)不隨時間變化。循環(huán)流化床的床料可以分為若干粒徑檔,對于核心區(qū)或邊壁區(qū)內(nèi)的某個粒徑檔的顆粒,其運動行為可由一維軸向擴散模型來描述,其數(shù)學(xué)方程式為核心區(qū)d(ρcfcivci)dz=Dlcid2(ρcfci)dz2+(Daciραfai?Dcaiρcfci)FAc(1)d(ρcfcivci)dz=Dlcid2(ρcfci)dz2+(Daciραfai-Dcaiρcfci)FAc(1)邊壁區(qū)d(ρafaivai)dz=Dlaid2(ρafai)dz2+(Dcaiρcfci?Daciρafai)FAa(2)d(ρafaivai)dz=Dlaid2(ρafai)dz2+(Dcaiρcfci-Daciρafai)FAa(2)式中:v是顆粒速度,m/s;ρ表示顆粒濃度,kg/m3;f代表該檔顆粒的質(zhì)量份額;F表示核心區(qū)和邊壁區(qū)的交界面積,m2;Dl指軸向擴散系數(shù),m2/s;Dac表示由邊壁區(qū)向核心區(qū)擴散的擴散系數(shù),m2/s;Dca表示由核心區(qū)向邊壁區(qū)擴散的擴散系數(shù),m2/s;A代表床截面積,m2;z代表床內(nèi)高度,m。下標(biāo)c,a,i分別表示核心區(qū)、邊壁區(qū)和顆粒粒徑檔。邊壁區(qū)厚度受爐膛運行速度、溫度、爐膛幾何尺寸和顆粒粒徑等因素的影響。Werther對床徑為50～400mm之間的冷態(tài)試驗結(jié)果和鍋爐容量在12～126MW之間的循環(huán)流化床鍋爐的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸結(jié)后提出下述計算循環(huán)流化床邊界區(qū)厚度的經(jīng)驗公式δDt=0.55Re?0.22(HDt)0.21(H?hH)0.73(3)δDt=0.55Re-0.22(ΗDt)0.21(Η-hΗ)0.73(3)式中:δ為邊壁區(qū)厚度,m;Dt為床體當(dāng)量直徑,m;H為床高,m;h為布風(fēng)板以上高度,m。假設(shè)邊壁區(qū)內(nèi)顆粒以1.2m/s左右的速度下滑,核心區(qū)顆粒的上升速度則可以由下式給出vci=ugc-vti(4)式中:vti是i粒徑檔顆粒的終端速度,m/s;ugc是核心區(qū)氣體速度,由白丁榮等提出的計算方法確定。在出口處設(shè)上升顆粒流率為E,下降顆粒流率為W,帶出爐膛的循環(huán)物料量為Gs,則有E=W+Gs(5)對于組分i,有Ei=Wi+Gsi(6)假設(shè)爐膛出口處顆粒軸向擴散很少,可以忽略。則上式可改寫為fcivciρciAc=faivaiρaiAa+Gsfi(7)式中:fi為帶出爐膛的循環(huán)物料中組分i的份額。對于突變出口,顆粒在爐膛出口處由于氣體轉(zhuǎn)向、顆粒返混等原因,混合很劇烈,到達(dá)此處的顆粒有相當(dāng)一部分顆粒返回床內(nèi)。定義各組分返回量和上升量的比率為返混率Ri,則Ri=WiEi=faiρaAavaifciρcAcvci=1?GsfifciρcAcvci(8)Ri=WiEi=faiρaAavaifciρcAcvci=1-GsfifciρcAcvci(8)擴散系數(shù)Dlci、Dlai、Daci、Dcai可以由現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果確定,參見文獻(xiàn)。通過求解方程(1)和(2)構(gòu)成的流體動力學(xué)特性模型,可以求得核心區(qū)和邊壁區(qū)的濃度分布。3.2顆粒流模型tafat示蹤顆粒加入床內(nèi)后,在邊壁區(qū)和核心區(qū)內(nèi)的示蹤顆粒的平衡方程可以由式(9)和(10)給出。核心區(qū)?(ρcfct)?τ+?(vctρctfct)?z=Dclt?2(ρcfct)?z2+(Dactρafat?Dcatρcfct)FAc(9)?(ρcfct)?τ+?(vctρctfct)?z=Dclt?2(ρcfct)?z2+(Dactρafat-Dcatρcfct)FAc(9)邊壁區(qū)?(ρafat)?τ+?(vatρafat)?z=Dalt?2(ρafat)?z2+(Dcatρcfct?Dactρafat)FAa(10)?(ρafat)?τ+?(vatρafat)?z=Dalt?2(ρafat)?z2+(Dcatρcfct-Dactρafat)FAa(10)式中:下標(biāo)t代表示蹤顆粒;fct和fat分別表示核心區(qū)和邊壁區(qū)內(nèi)示蹤顆粒的質(zhì)量份額。在進(jìn)口處(z=0),邊壁區(qū)內(nèi)下滑顆粒和加入的顆?；旌闲纬蛇M(jìn)入核心區(qū)的顆粒流。假設(shè)在循環(huán)物料中沒有示蹤顆粒,則平衡方程可寫為Fin+ρafatAavatτin=ρcfctAcvctτin(11)式中:Fin是脈沖加入的示蹤顆粒量,kg;τin是脈沖加入時間,s。在出口處(z=H0),假設(shè)有fct(z=H0,τ)=fat(z=H0,τ)(12)假設(shè)氣體和顆粒進(jìn)入下排氣式旋風(fēng)分離器后以螺旋線運動,以L代表螺旋線長度,一個簡單的一維軸向擴散模型可以用來描述顆粒進(jìn)入下排氣式旋風(fēng)分離器后的運動狀況?(ρufut)?τ+?(vuρufut)?z=Du?2(ρufut)?z2(13)?(ρufut)?τ+?(vuρufut)?z=Du?2(ρufut)?z2(13)式中:下標(biāo)u代表下排氣旋風(fēng)分離器;vu是示蹤顆粒在下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)的軸向速度,m/s;ρu是分離器內(nèi)顆粒濃度,可由Gs、vu和分離器的幾何尺寸來計算。循環(huán)流化床系統(tǒng)的固體停留時間分布模型由方程(9)、(10)和(13)組成。4氣體速度和顆粒停留時間分布將會增加或顆粒粒徑深模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較由圖2和圖3給出。圖3表明下排氣旋風(fēng)分離器停留時間分布模型計算結(jié)果在曲線后半部分與實驗結(jié)果吻合的不是很好。所有實驗曲線都比計算曲線寬,而且在有些曲線上存在第二個峰值,這可能是由于加入的示蹤顆粒沉降在示蹤顆粒加入口和分離器入口之間的一水平段上,但經(jīng)過一段時間后又被帶入分離器?？紤]這個因素,則該模型可以用來預(yù)測下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒停留時間分布。模型計算結(jié)果顯示各種工況下的停留時間分布曲線很相似,但隨著氣體速度的增加或顆粒粒徑變小,曲線峰值稍微左移。循環(huán)流化床系統(tǒng)的停留時間分布模型的預(yù)測結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合得較好,模型預(yù)測結(jié)果和實驗曲線都表明隨著表觀氣體速度的降低或示蹤顆粒的變大,多個峰值開始出現(xiàn),并且曲線變得更寬。這也說明核心區(qū)和邊壁區(qū)之間的質(zhì)量傳遞和出口處返混的影響更加明顯,而且平均停留時間也越長。氣體速度足夠低或顆粒足夠大時,顆粒將不會被帶出床內(nèi),在u=4.0m/s,dp=0.8～1.0mm時,模型預(yù)測不能給出其停留時間分布曲線,這是由于計算的顆粒上升速度(平均粒徑dp=0.9mm)低于零,但該工況下計算顆粒速度很接近于零,所以實驗曲線還是可以得到。相反,隨著氣體速度的增加或粒徑的變小,顆粒軸向擴散變得重要而出口返混和床內(nèi)質(zhì)量傳遞的影響相對減弱,在高風(fēng)速或小顆粒徑下,停留時間分布曲線僅存在一個主峰。模型預(yù)測結(jié)果表明顆粒停留時間分布受氣體速度和顆粒粒徑影響非常明顯。5氣體速度和顆粒停留時間分布本文在冷態(tài)試驗臺上實驗得到了不同工況下循環(huán)流化床系統(tǒng)或下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒的停留時間分布曲線。對于下排氣旋風(fēng)分離器,各工況的停留時間分布