鼓泡床

流化床焚烧炉简介流化床焚烧炉是在炉内铺设定厚度，一定粒度范围的石英砂，通过底部布风板鼓入一定压力的空气，将砂粒吹起处于流化状态。

流化床焚烧炉燃烧温度一般控制在800~900℃,砂床蓄热量大，气一固混合强烈，传热传质速率高，具有极好的着火条件，垃圾入炉后即和炽热的石英砂迅速处于完全混合状态，垃圾受到充分加热、干燥，燃烬率高。

流化床焚烧炉主要有两种形式：鼓泡床焚烧炉和循环流化床焚烧炉。

(1)鼓泡床焚烧炉典型的鼓泡床焚烧炉结构如图所示。

鼓泡床焚烧炉垂直流化速度多在0.6～2m/s之间，而砂床最小深度则取决于必须维持焚烧所需的最低过剩空气量及使废物完全燃烧的条件下的数据加以设计，一般设计高度约在0.6～1.5 m间。

鼓泡床炉体主要由流化床和悬浮段炉膛两部分组成。

典型的鼓泡床焚烧炉结构图(2)循环流化床焚烧炉循环流化床通过高流化速度使炉床所含粗砂和废物颗粒向上浮出，并经固体回收分离装置(一般用旋风分离器)将烟气中的砂粒和燃烧完全或未完全的废物通过高温底管及返料器再循环送入炉内而形成一高度混合的燃烧反应区，使废物能在足够的停留时间内被分解、破坏和焚烧。

典型的循环流化床焚烧炉结构如图所示。

循环流化床的垂直流化速度一般在3.6～9m/s之间，约为鼓泡床的2～10倍。

而单位时间由旋风分离器收集循环进入炉内的固体物料量(含床砂和燃烧过程产生的固体物)除以单位时间内焚烧废物量的值(即固体颗粒循环比)则介于50～100之间。

通过这种方式，流化床温度分布将吏为均匀一致，在一般操作时焚烧温度的上限都维持在850～900℃,整体而言，虽比鼓泡床焚烧炉操作温度低，却具有足以处理有害废物达到比规定的破坏去除率(DRE)更高的能力。

循环流化床燃烧技术是在鼓泡床基础上发展起来，具有更优异的性能。

流化床焚烧炉适合燃烧废油脂，工业有机污泥以及低热值呈颗粒状的废物。

对于尺寸较大的废物，一般需要进行破碎等预处理，使其控制在适合的粒度范围。

流化床焚烧炉不适宜处理含有低熔点盐类较多的废物，焚烧该类废物容易使床料粒子烧结团聚，从而导致流化状态恶化。

鼓泡床反应器的原理是怎样的？
鼓泡式反应器是指气体在液相中以鼓泡方式造成混和并促进化学反应的反应器。

又称“鼓泡塔”。

属气-液相反应器。

常用的有简单鼓泡塔和气升管式鼓泡塔两种。

鼓泡床反应器是作为分散相的气体以气泡的形式进入连续的液相中的一种多相反应器，具有设计简单、传热传质性能良好、热稳定性高、混合性能佳、动力需求低等优点。

鼓泡床反应器工作原理：
液体分批加入，气体连续通入的称为半连续操作鼓泡塔。

连续操作的鼓泡塔气体和液体连续加入，流动方向可以为向上并流或逆流。

鼓泡塔多为空塔，一般在塔内设有挡板，以减少液体返混；为加强液体循环和传递反应热，可设外循环管和塔外换热器。

鼓泡塔中也可设置填料来增加气液接触面积减少返混。

气体一般由环形气体分散器、单孔喷嘴、多孔板等分散后通入。

气体鼓泡通过含有反应物或催化剂的液层以实现气液相反应过程的反应器。

1。

第48卷第1期2021年1月华北电力大学学报Journal of North China Electric Power UniversityVol.48,No.1Jan.,2021doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2021.01.15鼓泡床密相区多组分床料扩散的CPFD 模拟陈鸿伟,刘玉强,刘博朝,梁锦俊,贾建东,宋杨凡,王睿坤(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003)摘要:鼓泡床密相区颗粒的混合和扩散对炉内反应速率影响巨大,研究冷态鼓泡床密相区的混合情况,对热态锅炉研究提供参考㊂采用计算颗粒流体力学(CPFD )方法,对158mm (长)ˑ158mm (宽)ˑ400mm (高)的长方体模型进行模拟㊂主要研究不同流速下,不同质量分数的压缩木屑㊁稻壳的颗粒体积分数和横向扩散系数㊂模拟结果表明,与稻壳相比,压缩木屑颗粒体积分数更大,床层膨胀程度更小;生物质的质量分数越大,密相区颗粒体积分数越大,床层膨胀程度越小,床层整体流化不均匀性越小;扩散系数随流化风速㊁生物质的质量分数的增加而增大;相同质量分数下,压缩木屑的扩散系数略小于稻壳㊂关键词:鼓泡床;密相区;CPFD 模拟;多组分床料;横向扩散中图分类号:TK224㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1007-2691(2021)01-0114-07CPFD Simulation of Multicomponent Bed Material Diffusion in Dense Phase Zone of Bubbling BedCHEN Hongwei,LIU Yuqiang,LIU Bochao,LIANG Jinjun,JIA Jiandong,SONG Yangfan,WANG Ruikun(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract :The mixing and diffusion of particles in the dense phase zone of the bubbling bed have great influence on the reaction rate in the furnace.This paper studied the mixing of particles in dense phase zone of the cold bubbling bed,thereof providing reference for the research of hot boiler.This paper adopted a computational particle fluid dynam-ics (CPFD)method to simulate a 158mm ˑ158mm ˑ400mm cuboid model.In the cuboid model,we studied the par-ticle volume fraction and lateral diffusion coefficient of compressed wood chips and rice husks with different mass frac-tions at different flow rates.The simulation results show that compared with rice husks,the larger the volume fraction of compressed wood chips is,the smaller the degree of expansion of the bed is.As the mass fraction of biomass increases,the volume fraction of particles in dense phase zone is larger,while the expansion of bed and the overall fluidization in-homogeneity of the layer is smaller.The diffusion coefficient increases with the fluidization wind speed and biomass mass fraction.Under the same mass fraction,the diffusion coefficient of compressed wood chips is slightly smaller than that of rice husk.Key words :bubbling bed;dense phase zone;CPFD simulation;multicomponent bed material;lateral diffusion收稿日期:2020-07-14.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51606067).0㊀引㊀言㊀㊀我国是能源消费大国,每年煤炭消耗量巨大㊂煤炭主要消费在火力发电㊁冶铁㊁化工和建材行业,其中火力发电占比最大,达到50%以上㊂然而,大规模利用煤炭资源也导致环境污染和全球变暖等问题愈发严重㊂2016年12月,国家发改委印发‘煤炭工业发展 十三五 规划“,氮氧化物㊁硫化物,重金属和粉尘排放问题得到了前所未有的重视㊂流化床锅炉作为一种清洁㊁高效的燃烧㊀第1期㊀陈鸿伟,等:鼓泡床密相区多组分床料扩散的CPFD模拟㊀设备,具有燃烧效率高㊁燃料适应性广㊁排放污染物较低以及负荷适应能力强的优点[1]㊂在燃烧过程中,流化风携带大量固体颗粒进入炉膛上部,按照炉膛内颗粒浓度自下向上将炉膛分为密相区㊁过渡区和稀相区㊂密相区是气固两相最先接触的区域,与上部快速流化区域不同,密相区内颗粒浓度大,混合剧烈,呈鼓泡状态[2-4]㊂如果床料混合不均匀,将直接导致局部严重缺氧,炉膛燃烧恶化㊂密相区的混合情况直接影响燃烧和反应速率,所以密相区颗粒混合和扩散一直是学者关注的问题㊂本文研究密相区床料扩散规律,为锅炉设计提供参考㊂沈来宏分析了鼓泡流化床内颗粒混合机理,将颗粒混合过程分为,上下运动的尾迹相㊁乳化相和横向扩散的乳化相[5]㊂Leckner等人认为,低流速下仅产生大的单个气泡,高流速下气泡从底部延伸到床层表面,定性地反映了密相区颗粒混合情况[6]㊂张贤等采用示踪颗粒法重点研究了不同宽筛分粒径对横向扩散系数的影响,认为相同条件下,宽筛分颗粒扩散能力低于窄筛分颗粒,所得横向扩散系数在0.0002~0.003之间[7]㊂李斌等模拟了不同床宽㊁不同位置进风对颗粒横向㊁竖向速度的影响[8]㊂Philipp等用干冰示踪剂研究流化床底部区域径向的固体浓度分布,实验发现,颗粒地横向扩散能力明显弱于轴向扩散能力[9]㊂杜奇在冷态实验台上使用热示踪粒子,研究颗粒扩散的影响因素,发现随着给煤口高度㊁风速的增加,颗粒横向扩散系数随之增大[10]㊂由于实验条件和测量方法的限制,目前主要研究流化风速㊁床宽等,对静止床料量以及床料种类研究较少㊂特别是床料种类,不同种类的床料由于密度不同㊁成分不同,相互掺混扩散能力也不同,对床内气固流动产生影响㊂本文采用计算颗粒流体力学(computational particle fluid dy-namics,CPFD)方法模拟密相区多组分床料扩散㊂CPFD采用欧拉-拉格朗日方法,其中流体相采用欧拉法和三维时均N-S方程,针对颗粒相采用拉格朗日方法和MP-PIC(Multi-Phase Particle-in-Cell)多相模型,能够精确地模拟颗粒的组分㊁粒径㊁运动轨迹和相互作用㊂CPFD采用粒子云模型,将相同属性(如密度㊁粒径㊁化学组成)的真实颗粒组成 颗粒团 ,从而减少计算量,快速准确地模拟出结果㊂1㊀数学模型㊀㊀MP-PIC方法[11]流体相采用欧拉法,颗粒相使用拉格朗日法并与流体相方程耦合,达到在三维空间内求解颗粒㊁流体的目的㊂模型中主要使用的控制方程,对于气固两相流θp+θf=1(1)式中:θp为颗粒相体积分数;θf为流体相的体积分数㊂流体相的连续性方程:∂θfρf∂t+∇ˑθfρf u f()=0(2)式中:ρf为流体相密度;u f为流体相速度,流体相动量方程为∂θfρf u f∂t+∇ˑθfρf u f u f()=-∇p+∇ˑθfτf()+θfρf g-F(3)式中:p为流体相压力;F为流体相宏观应力张量;τ为单位体积内流体相和颗粒相的动量交换率㊂颗粒相的动量方程表示为d u pd t=D p u f-u p()1ρp∇p+g-1θpρf∇τp(4)式中:u p为颗粒速度;ρp颗粒密度;τp为颗粒法向应力㊂相间曳力模型:D p=C d38ρfρpu f-u pr p(5)式中:r p为颗粒半径,其中C d=24Reθ-2.65g(1+0.5R e0.687)R e<1000(6)C d=0.44θ-2.65gR eȡ1000(7)㊀㊀连续粒子应力模型为τp=p sθβpmax[(θcp-θp),ε(1-θp)](8)式中:p s为常数,1Pa;β的取值通常在2~5;θcp为堆积密度;ε是一个数量级10-7的数㊂2㊀参数设置及工况设计㊀㊀本文针对密相区及其上部进行模拟,选取较为典型的长方体作为鼓泡床模型㊂模型尺寸为511㊀㊀华北电力大学学报㊀2021年158mm(长)ˑ158mm(宽)ˑ400mm(高)㊂在设置网格时,进行无关性验证㊂网格数量太少时,计算精度不能满足预期要求;网格数量太多时,占用的计算资源过多,耗时太长㊂最终本文选用10 mm精度结构化网格,网格质量较好㊂根据Liang 等人的研究,选取Wen-Yu/Ergun曳力模型可以较好地模拟气固之间作用力[12]㊂计算中,初始状态在重力作用下自然堆积,堆积孔隙率取0.61㊂经过筛分后,床料设置如表1所示㊂表1㊀床料设置Tab.1㊀Bed material settings床料种类粒径/μm密度/(kg/m-3)球形度石英砂200~30022000.86压缩木屑500~60012000.8稻壳500~6007000.8气化流速u mf共选取5种,分别为0.4㊁0.45㊁0.5㊁0.55㊁0.6m/s,初始石英砂高度为80mm,稻壳和压缩木屑的选取量均为石英砂质量的0㊁2%㊁4%和6%,主要模拟多种固体床料在不同风速下流动状态㊂3㊀模拟状态讨论3.1㊀流动状态分析在床层膨胀稳定后,选取3s时的流动状态进行分析㊂图1为石英砂在0.4㊁0.45㊁0.5㊁0.55㊁0.6m/s风速条件下流动状态图㊂从图中可以看出,风速不同流动状态也不同㊂在0.4m/s风速下,产生的气泡较小㊁数量较少,整个鼓泡床的膨胀高度也较小㊂在0.5m/s风速下,可以观察到气泡的体积增大,床层膨胀高度增加,流化床密相区颗粒体积分数沿床高分布较均匀,下层流化较好,中层气泡相夹杂颗粒较少,上层堆积体积分数较大,稀相区的占比明显增多㊂0.6m/s流化状态较复杂,气泡上升速度加快,气泡与气泡之间出现集聚㊂密相区分布大量气泡,床层混乱程度增加㊂在气泡形成㊁上升移动和集聚破碎的过程中,都会促进床料混合,风速越大,混合的程度越大㊂刘典福等通过数字图像处理技术观察流化床中气泡形状,气泡在底部形成,逐渐上升凹陷,受到颗粒撞击变形直至破裂,促进床料混合[13],描述基本一致㊂图1㊀纯石英砂5种风速下流化形态图Fig.1㊀Flow pattern of pure quartz sand under five wind speeds3.2㊀不同种类床料对颗粒混合情况的影响生物质的种类也会对床层流动㊁混合产生影响㊂图2显示纯石英砂和加入不同质量分数压缩木屑㊁稻壳在3s左右的颗粒体积分数云图㊂从图中可以看出,三种质量分数的床料流动状态是相似的㊂压缩木屑的密度远大于稻壳,同等条件下流化所需的曳力更大㊂压缩木屑的膨胀高度略小于稻壳,颗粒体积分数略大于稻壳㊂在截面处出现体积较大的气泡,纯石英砂和稻壳体积分数较均匀,而压缩木屑密相区上层体积分数很大,且膨胀高度也明显低于稻壳㊂相同质量分数下,压缩木屑与稻壳相比,产生的气泡数量更少,气泡体积更大㊂由于密度的差异,压缩木屑更难被流化,气泡在上升过程中集聚,到达床层表面时破裂,将部分颗粒抛射到床层上方㊂当大的气泡之间发生碰撞,存在少量气体以短路的形式穿过床层㊂此时气泡的体积和床层膨胀程度变化不大[14]㊂顾佳雯等使用稻壳㊁锯花㊁花生壳和蔗渣生物质进行流化实验,同样以大气泡为主,气泡破碎带动大颗粒生物质扩散混合[15]㊂3.3㊀生物质物料量对扩散的影响图3表示3s时加入不同质量分数生物质的密相区颗粒粒径图㊂石英砂的粒径为200~300μm,而生物质的粒径为500~600μm,可以根据粒径的大小判断物质种类㊂图3(a)为不同质量分数稻壳的粒径图㊂生物质质量分数的增加,直接增大了床层高度㊂同时床层总质量也在增加,床层所需要的最小临界流化风速增大㊂风速没有改变,但床层所需的曳力增大,最终膨胀程度减小㊂稻壳的密度为700kg/m3远小于石英砂的2200kg/m3,在流化过程中,生物质被带到床层的最上部,发生明显的分层现象㊂由于密度较低,在密相区上方的稀相区,大部分为生物质颗粒㊂611㊀第1期㊀陈鸿伟,等:鼓泡床密相区多组分床料扩散的CPFD模拟㊀图2㊀不同生物质密相区流动状态㊀Fig.2㊀Flow status of different biomass dense phase zones图3(b)为不同质量分数压缩木屑的粒径图㊂生物质的增加没有明显的改变流化状态㊂由于压缩木屑的密度为1200kg/m3接近石英砂的密度,混合较好,未出现明显分层㊂在实际流化床中,生物质应尽可能均匀地与床料混合,增大接触面积㊂良好地混合有利用加快反应速率,促进生物质反应完全㊂图4显示三种质量分数下,稻壳和压缩木屑图3㊀含不同质量分数生物质的密相区颗粒粒径图Fig.3㊀Particle size map of dense phase zone with differentmass fractions of biomass的颗粒体积分数横向分布图㊂当生物质种类相同时,6%质量分数的生物质体积分数大于4%和2%质量分数的生物质㊂因为质量分数不同,床层重量有明显差异,达到同样流化状态所需要的曳力也不同㊂从图4可以看出,6%质量分数的生物质体积分数相对较大,证明床层膨胀情况较弱,颗粒堆积较为紧密㊂4%和2%质量分数的生物质相对较小,表明膨胀程度较强,床层沸腾剧烈㊂6%质量分数的生物质与4%质量分数的生物质体积分数差距较大,而4%和2%差异不明显,个别位置甚至出现2%质量分数的生物质体积分数更大的情况㊂同时,6%质量分数的生物质体积分数波动较小,整体膨胀较为均匀,而4%和2%质量分数的生物质体积分数波动很大,床层横向混合程度差异较大㊂从整体来看,整个图形呈 W 型,有两个峰值和三个谷值,体积分数变化也较大㊂Javad等人建立了水动力模型,在三个位置的径向颗粒体积分数同样呈现波动状态[3]㊂711㊀㊀华北电力大学学报㊀2021年图4㊀密相区颗粒体积分数横向分布图Fig.4㊀Horizontal distribution of particle volume fraction indense phase region通过比较图4的(a)和(b)两幅图,也发现一些差异㊂虽然两幅图整体都呈 W 型,但稻壳更为贴近,压缩木屑的 W 不是很明显㊂在两幅图中,6%质量分数的生物质体积分数均为最大,在(b)中,6%生物质变化幅度更小,波动情况也更弱㊂但2%和4%质量分数的生物质变化幅度更大,床层不均匀性更强㊂3.4㊀颗粒横向扩散系数讨论颗粒横向扩散系数是衡量密相区扩散混合情况的一个重要参数[16],本文采用示踪粒子法进行模拟㊂在起始点(x0,y0,z0)注入N个理想示踪剂颗粒,每个示踪剂的瞬时位移可表示为X=x(t)-x0(9)㊀㊀N个示踪粒子在t时刻的平均瞬时位移为X-=1NðN n=1X n(10)㊀㊀在t时刻颗粒横向位移的方差为X-2=1NðN n=1X n-X-()2(11)㊀㊀颗粒的横向扩散系数可以表示为D x=12d X-2d t(12)㊀㊀在流动状态稳定后,选取三个时间段颗粒数据计算横向扩散系数,再取平均值㊂图5为纯石英砂和不同质量分数生物质的横向扩散系数D x的计算结果㊂图5㊀扩散系数与流化风速关系Fig.5㊀Relationship between diffusion coefficient and fluid-ized wind speed颗粒地混合主要是由于气泡尾涡中夹带有细小或低密度颗粒,在气泡上升过程中进入大颗粒之间的间隔所致;同时,气泡上升后在流化床中又会在局部留下新的空穴,此空穴马上会被上部和周围颗粒填充,也会促进颗粒混合[17]㊂流化风速增加,气泡产生的速度和体积越来越大,在其上升过程排挤颗粒的能力越来越强;当气泡上升到床层表面时,气泡抛射能力也较强㊂因此,扩散能力随流化风速的增加而增强,横向扩散系数也随之增大㊂三种情况中,纯石英砂的横向扩散系数是最小的㊂在添加生物质后,由于床层质量增加,气泡811㊀第1期㊀陈鸿伟,等:鼓泡床密相区多组分床料扩散的CPFD模拟㊀体积变大,上升速度更快,对床层的扰动能力更强,促使更多颗粒横向移动,加大了横向扩散系数㊂并且,生物质质量越多,床层横向扩散能力越强㊂压缩木屑和稻壳相比密度更大,气泡上升过程中,压缩木屑颗粒质量较大所受到的阻力也较大,所以扩散系数相比稻壳略小一些㊂在流化风速增大后,压缩木屑和稻壳扩散系数差别不大,主要是流化风速已经能够满足整个床层完全流化,颗粒的数量和密度影响不大㊂本文通过文献调研,判断横向扩散系数计算结果是否准确㊂学者们针对不同的实验模型和采用不同的实验方法,得到了不同数量级的扩散系数,大都在10-4~10-1数量级㊂本文模拟得到的扩散系数范围在0.006~0.011之间,而胡南等人利用热示踪粒子测量石英砂的扩散系数在0.002~ 0.008,较为接近前人研究成果[18]㊂国内外众多学者在冷态试验台上研究了流化风速和横向扩散系数的关系,得到的结论为:流化风速增加,颗粒横向扩散系数也会增大,与本文模拟所得结论一致㊂4㊀结㊀论㊀㊀本文采用CPFD方法对长方体鼓泡床模型的进行了模拟,主要研究了多组分床料种类和物料量对颗粒扩散的影响,重点分析了不同风速下的颗粒体积分数变化㊁不同物料量时颗粒粒径分布以及多组分横向扩散系数D x㊂主要结论如下: (1)利用CPFD模拟密相区颗粒流动形态,与前人研究结果基本一致,在气泡形成㊁上升移动和集聚破碎的过程中,都会促进床料混合,风速越大,混合的程度越大㊂(2)模拟了不同物料对密相区颗粒体积分数的影响,相比于稻壳,压缩木屑颗粒体积分数更大,床层膨胀程度更小㊂(3)模拟结果显示,同种生物质条件下,生物质的质量分数越大,密相区颗粒体积分数越大,床层膨胀程度越小,床层整体流化不均匀性越小㊂(4)通过CPFD的方法计算出横向扩散系数,随着流化风速和床料量增加,扩散系数也在增大;相同质量分数下,压缩木屑的扩散系数略小于稻壳㊂通过比较文献,横向扩散系数大都在10-4~10-1数量级,验证计算结果基本正确㊂参考文献:[1]岳光溪,吕俊复,徐鹏,等.循环流化床燃烧发展现状及前景分析[J].中国电力,2016,49(1):1-13.YUE Guangxi,LV Junfu,XU Peng,et al.The up-to-date development and future of circulating fluidized bedcombustion technology[J].Electric Power,2016,49(1):1-13(in Chinese).[2]宋杨凡,卢啸风,高建强.细颗粒鼓泡流化床内气固流动特性数值模拟研究[J].热力发电,2020,49(5):40-49.SONG Yangfan,LU Xiaofeng,GAO Jianqiang.Numeri-cal study on gas-solid flow characteristics in fine parti-cle bubbling fluidized beds[J].Thermal Power Gener-ation,2020,49(5):40-49(in Chinese). 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