喷动床反应器过程强化原理与技术

第1章绪论 1.1粉-粒喷动床研究概述 喷动床（spouted　bed）起源于20世纪50年代中期，*初是由加拿大科学家为干燥小麦等设计研发的一类干燥器[1]。喷动床的设计是以传统的流化床为基本模型，但将传统流化床中的气体分布器去掉，并在床层底部中心位置加设一个通气管。由于喷动床在工业、农业、机械加工、环境保护等领域的广泛应用和使用潜能，越来越多的科研工作者投身于喷动床的开发和研究工作，如日本、美国、阿根廷、巴西等国家的研究人员[2]。在我国，不少高等院校和科研院所，如清华大学、华东理工大学、江苏大学、西北大学等，对不同类型喷动床的应用和流体力学特性进行了逐步深入的研究。喷动床为气固高效接触器，广泛应用于高黏性颗粒、浆料及溶液的干燥、造粒，低品质煤的燃烧和气化，燃煤烟气脱硫，二氧化碳的去除等[1-9]。 在喷动床系列技术中，粉-粒喷动床半干法烟气脱硫技术是一种新型脱硫技术，相对于湿法脱硫技术在设备投资费用、操作费用、废水处理等方面具有综合优势，同时具有比干法脱硫技术效率高、脱硫剂利用率高等优点，在工业、农业、制造业、冶金业等行业得到广泛的应用[2-14]。粉-粒喷动床半干法烟气脱硫技术同时脱除垃圾焚烧烟气中酸性气体SO2和HCl的流程如图1-1所示。 粉-粒喷动床脱硫过程：粉末状的SO2吸收剂与水混合，以料浆形式从床的顶部喷入，与床内粗颗粒发生碰撞，同时含SO2的烟道气从喷动床底部加入，两者与床内喷动介质混合均匀。在混合的过程中，料浆从烟道气和介质表面吸收大量的热量，并与SO2发生脱硫反应。*后，脱硫剂和产物从颗粒表面脱落并以干粉形式被喷射气体带出喷动床反应器。有关粉-粒喷动床的研究工作集中在实验的测试及分析方面[1-11]，而关于粉-粒喷动床脱硫过程数值模拟分析的研究工作则鲜有报道[14-17]，特别是针对粉-粒喷动床内传递过程强化方面的研究分析。粉-粒喷动床半干法烟气脱硫过程是一个复杂的多相反应过程，与常规喷动床接触器的主要不同之处在于粉-粒喷动床内存在大量的细粉、粗大颗粒和料浆，各相间存在复杂的多尺度、多相传递及化学反应过程的耦合[18]。 1.2过程强化喷动床概述 根据不同工业生产的需求，在常规粉-粒喷动床的基础上，研究人员研究设计了许多不同结构的过程强化喷动床，主要包括导向管喷动床、多喷嘴喷动床、内循环喷动床、喷动-流化床等。 1.2.1导向管喷动床 在传统喷动床内安插一根导向管就构成了导向管喷动床，如图1-2所示[19]。导向管的引入极大程度降低了喷射区与环隙区内部的相对流动，降低了床层中的固体循环速率和压降，从而提高了气固两相流的均匀性[20]。Yang等[21]通过欧拉-拉格朗日耦合计算，发现导向管的引入在一定程度上提高了气固间的相对速度，并减少了床层的整体循环。在导向管喷动床中，声场能够降低流型的临界过渡速度和环隙区的*小流化速度，增加带流尾管喷动床的操作灵活性[22-23]。同时，采用数值模拟的方法将欧拉双流体模型与声场模型进行耦合，分析床内超细粉聚团的流动特性。模拟发现，声场的振荡作用使环隙区颗粒在气流中的分散进一步均匀，抑制流化气的旁路，减小流化气旁路分率[24]。 1.2.2多喷嘴喷动床 多喷嘴喷动床就是在传统喷动床的底部设置多个可供流体进入的喷嘴，从而增加流体流量，提高对物料的处理能力。多喷嘴喷动床的形式主要分为两类[25]：一类是每个床室内设置一个喷嘴，各个床室之间相互连通，如图1-3（a）所示；另一类是在一个床室内设置多个喷嘴，如图1-3（b）所示。喷嘴数目的增加及多室的存在，可以减小喷射区直径的限制，从而增加喷动床的处理能力，提高热效率，此类喷动床尤其适用于小颗粒的造粒系统。多喷嘴喷动床，对于需要进行多级操作的物料，可以省略很多中间环节，如固体的输送等；针对涉及湿物料粘壁的工况，也可以减少物料与墙壁之间的接触。吴静等[26]通过实验得出，在双喷嘴矩形喷动床内，*小喷动速度与粒径、床高及温度有关，并获得了喷动床以*小喷动速度工作时雷诺数的经验关联式。Murthy等[27]通过实验验证，喷动床喷口处气流的*小速度与材料的特性有关，与喷嘴的数目无关。 1.2.3内循环喷动床 内循环喷动床就是将喷动床底部气体入口喷嘴与导向管相连接，在导向管的侧壁上开设若干小孔供固体颗粒穿过，增加颗粒间的混合运动，其结构如图1-4所示[28]。颗粒在气体流化作用下运动至导向管的顶端，导向管顶端的“T”形分离装置对气体与颗粒进行惯性分离。内循环喷动床的特点是能够促进内部颗粒局部混合流动，提高床内固体颗粒间的循环[29]。基于欧拉-拉格朗日耦合计算的方法，陶敏等[30]模拟分析了不同进料方式对内循环喷动床内颗粒混合流动的影响。面饲进料和底饲进料的方式可使物料在床层截面上（尤其是底部喷水增湿区域）分布得更加均匀，气固混合更充分；采用底饲进料系统可获得更佳改善效果，进一步优化反应器内流场分布，均匀气体径向速度[31-32]。 1.2.4喷动-流化床 为了防止喷动床底部锥体区域出现流动“死区”或颗粒聚团现象，在锥体区域侧壁处增设分布器。从喷动床底部进入的喷动气与从喷动床侧壁进入的流化气共同流化颗粒，形成喷动-流化床[33]，如图1-5所示。分布器的加入促进了环隙区颗粒与气体的混合，减少了颗粒局部聚集[34-35]，改善了流化床存在分层或节涌的情况。付爽等[36]基于矩形喷动-流化床，采用不同物料进行*大喷动压降的实验研究。赵俊楠等[37]采用欧拉双流体模型对喷动-流化床内的气固流动过程进行数值模拟，获得了不同速度下的流动形态和不同区域内颗粒拟温度的分布规律。Zhong等[38-39]实验研究了高压圆柱形喷动-流化床中的流体动力学特性，系统分析了压降、*小喷动速度和喷泉高度的影响机制。 1.3计算流体力学概述 在自然界、工业生产过程和人类活动过程中两相流及多相流的现象随处可见，如夹带泥沙的海潮、管道中石油天然气的输送、沸腾的水在水壶中的循环、沙漠风沙等。由于两相流及多相流比单相流有更多变的现象和更复杂的流动状态，单纯的实验方法或者理论分析是无法精确、详尽地描述两相流及多相流的，计算流体力学（computational　fluid　dynamics，CFD）正是为了解决这一难题于20世纪60年代发展起来的。在对自然界的流动现象进行模拟时，计算结果不仅取决于数值方法，还取决于描述系统的数学模型[40-42]，然而由于流动现象的复杂性，数学模型很难精确描述，因此模拟结果很可能是无效的。 1.3.1拟流体模型基本守恒方程 目前气固两相流的数值模拟模型主要有三种：拟流体模型、离散相模型、流体拟颗粒模型。本书研究体系采用拟流体模型，下面详细介绍其中基本的控制方程[43-45]。 1）质量守恒方程 质量守恒方程即连续性方程，该方程的含义：在一个流体微元体中，单位时间内流入该微元体的净质量等于同一时间间隔内该微元体质量的增加量。由此得出.相的连续性方程为 （1-1） 式中，为密度；t为时间；为体积分数；下标为气相（g）或固相（s）；为相的速度矢量。 2）动量守恒方程动量守恒定律实质是牛顿第二定律，其表达式为 （1-2） 式中，p为压力；为应力张量；为重力加速度矢量。其中应力张量.的表达 式中，为传热通量；为.对分的，其式为 （1-3） 式中， 为剪切黏度；I为单位张量。 3）能量守恒方程 能量守恒方程的表达式为 （1-4） 表达式为 （1-5） 式中，。 4）对分质量守恒方程 对分质量守恒方程又称对分运输方程。在一个特定的研究体系中，系统内的每个对分都应遵循质量守恒定律，.对分的对分质量守恒方程表达式为 （1-6） 式中，上标i表示第i相；表示第i相中.对分湍流脉动对第i相耗散率的影响； 表示单位体积内第i相中.对分生成的摩尔速率；表示反应产生的第i相中.对分的质量；表示.对分扩散项，湍流时的表达式为 （1-7） 5）湍流方程 对于单相流的湍动，目前应用*广泛的湍流模型为标准模型。标准模型是典型的两方程模型，一个是描述湍动能的方程，另一个是描述湍动耗散