硫粉流化沸腾燃烧器内部流场影响因素分析

陈家权，杨凯波，巫佳锋，劳黎明

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

在制糖工业中，SO2被用来吸附杂质和澄清糖汁，有着很重要的作用。目前SO2制备的主要方法是熔硫法[1]，即先将硫磺融化成液体状，再由液硫泵和喷射器喷入燃烧腔燃烧。但是高温液硫流量不易控制，而且会腐蚀设备，熔硫设备价格较高，升华硫遇冷堵塞管道的问题时有发生，这样导致制取SO2效率下降，生产成本提高。

流化床燃烧器被广泛用于工业和农业生产中，不少学者对其也进行了大量的相关研究[2-8]，流化床燃烧器具有清洁率高，燃料适应性较强，燃烧效率高，燃烧温度均匀等优势，如果将流化床燃烧器用于硫磺的燃烧制取SO2，这样就不需要熔硫器、液硫泵和高温喷射器等，结构更加简单。影响流化床燃烧的因素有很多，本文使用FLUENT仿真软件对流化沸腾燃烧器内部流场进行模拟仿真，探究分析影响燃烧器内部流场的因素，其结果对工业中硫粉流化沸腾燃烧器的设计和使用有一定的指导意义。

1　仿真模型的建立

1.1　物理模型

流化沸腾燃烧器一般由四部分组成：布风系统、流化床、燃烧系统、进料排渣系统。在本文的研究中主要是分析对硫粉流化的影响条件，故燃烧系统和进料排渣系统不予考虑，如图1所示，为流化沸腾器流化装置。根据实际加工和实验条件，如图2所示，为本文流化沸腾炉的尺寸图和三维模型图，风室为直径为200 mm，高度为200 mm的圆柱，布风板的厚度为20 mm，流化室的高度为800 mm左右，整个模型高度为1 000 mm.

图1　流化沸腾器流化装置

图2　流化沸腾器的尺寸图和三维模型

1.2　数学模型

1.2.1湍流模型

湍流模型关系着模拟仿真的准确性，对于本文的数值模拟，采用标准的标准k-ε模型是较为合适的，标准k-ε模型的微分方程为：

湍动能方程：

耗散率方程：

其中，Gk为由平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb为由浮力影响引起的湍动；YM为湍流脉动膨胀对总耗散率影响参数；μt为湍流粘性系数，可以表示为：μt=Gμρ；其他相关参数为默认常数。

1.2.2气固两相流模型

流化沸腾燃烧器中气体和硫粉流动本质上是处理气固两相流问题，在FLUENT中Eulerian模型、Mixture模型和颗粒轨道模型比较适合两相流中有混合流动的情况，如果固相的体积分数大于10%，只能选用Eulerian模型或Mixture模型。如果两相流密度相差过大，而且颗粒的分布较为均匀，采用Eulerian模型较为合适[9-11]。因此，本文选用欧拉模型。

下面是标准k-ε双方程模型的微分方程组：

其中，vi是i方向的平均速度；μ是气体的粘性系数；μT是湍流的粘性系数；μeff= μT+ μ；Fj是 j方向的外力；k为湍流脉动动能，ε=Cdk3/2/l为湍流动能的耗散率。

1.2.3网格划分与边界条件

网格的划分也是仿真计算特别重要的一个环节，网格的质量直接关系到仿真的准确性，由于流化沸腾器布风板通风孔的存在，划分结构化网格较复杂，故采用混合网格，将通气孔部分画为非结构网格，其余部分画为结构网格，整体网格如图3所示，网格单元总数为22 932个，整体网格质量为0.4，达到计算要求。

图3　整体网格划分

进口边界：风室下端为速度入口，流体为空气，常温，密度为1.225 kg/m3；出口边界：压强出口，常温常压；壁面条件：无滑移边界，不考虑壁面的摩擦。

2　仿真结果分析

2.1　布风板开孔率对流化的影响

布风板开孔率（K）是指布风板上面空气流通孔面积与流化沸腾炉总横截面积的比值。对于本文的仿真模拟，由于孔径过小的孔不易划分网格，故选取较低开孔率的情况分析，分析比较布风率为20%、25%和30%的气固混合情况。布风板截面如图4所示，仿真条件如表1所示。

图4　不同开孔率布风板气孔分布图

表1　仿真条件

如图5所示为流化沸腾燃烧器y=0面气体速度分布，可以看到布风板开孔率越大，空气的流场就越均匀，硫粉的分布也就能越均匀，气固混合效果也就越好，但是在Fluent模拟分析中，如果孔径越小，划分网格很困难，因此选取布风板空气通孔大小为20 mm，开孔率为30%的布风板作为仿真模拟条件之一。

图5　y=0面气体速度分布

2.2　表观速度对流化的影响

表观速度是风室中气流的速度。根据粉体物料的流化原理，表观速度如果不相同，流化效果相异，如果表观速度较小，硫粉就会静止在流化床底部，流化床就变为固定床，如果表观速度过大，流化床则变为气力输送，因此必须控制好表观速度。假设表观速度分别为 0.34、0.44、0.56、0.64、0.8（m/s），在此条件下探究表观速度对流化的影响，其余仿真条件与表1相同。

图6为不同表观速度下y=0面上硫粉分布云图，从图可知，表观流速对粉料的流化影响很大。表观流速从0.34~0.8 m/s时，硫粉沿流化室纵向空间逐渐增大，硫粉运动空间增大，当表观速度为0.34~0.56 m/s时，流化室上部硫粉的体积分数比较少，为0.15左右，气固比较大，适合硫粉的升华燃烧，超过0.56 m/s时，部分硫粉开始聚集在流化室的上端，上部硫粉浓度增大，体积分数可以达到0.4以上，气固比减小，不利于硫粉的燃烧。因此需要严格的控制表观速度，表观速度过小不能流化，过大则会导致硫粉分布不均匀，影响流化床上部硫粉的升华和燃烧。

图6　不同表观速度下y=0面硫粉分布云图

2.3　床料初始厚度对流化的影响

流化室中床料的厚度也是影响流化效果的重要因素，如果床料较少，则不能达到流化沸腾燃烧器的最大工作效率，但是如果床料过多，则会导致硫粉在流化室分布不均匀，影响硫粉的燃烧。假设床料的厚度分别为0.1 m，0.15 m，0.2 m和0.3 m，其余仿真条件与表1相同，探究床料初始厚度对流化的影响。

如图7所示，为不同床料厚度下y=0面硫粉分布云图，可以看到，床料厚度增加，硫粉流化高度随之增加，床料厚度为0.1 m时，硫粉流化高度为200 mm，床料厚度为0.3 m时，硫粉流化高度为500 mm；燃烧室上部气固比变小，硫粉的体积分数达到了0.5，流化效果不理想，不利于燃烧。流化效果较好的床料厚度为0.15~0.2 m左右。

图7　不同床料厚度下y=0面硫粉分布云图

2.4　硫粉粒径对流化的影响

不同粒径的硫粉对流化同样会产生不同的影响，现假设硫粉的粒径分别为0.1 mm，0.5 mm，1 mm，在此条件下探究硫粉粒径对于流化的影响，其余仿真条件与表1相同。

如图8所示，为不同粒径下硫粉的体积分数图。可以看到，硫粉粒径对沸腾流化影响较大，颗粒大小的变化导致颗粒平衡状态发生变化，颗粒越大，流化越困难，当粒径为0.1 mm时，硫粉还可以正常流化，流化高度为300 mm左右，当硫粉的粒径为0.5 mm时，硫粉静止不动，成为了固定床，故硫粉正常流化时的粒径应小于0.1 mm.

图8　不同粒径y=0面硫粉分布云图

3　结论

通过上文对流化沸腾燃烧器内部流场的仿真分析和实验研究，可以看到表观流速、床料厚度、硫粉粒径和布风板开孔率及孔径大小对流化沸腾器内部流场均有影响：

（1）表观速度要控制在0.34~0.56 m/s，此时流化高度为0.3~0.5 m，流化床上部分硫粉体积分数为0.15左右，气固比增大，适合硫粉的升华和燃烧。

（2）床料厚度要控制在0.1~0.2 m，硫粉厚度增加会使流化困难，会使流化床顶部空间的硫粉浓度增加，体积分数可以达到0.5，气固比减小，不利于硫粉的升华和燃烧。

（3）硫粉粒径最适应不大于0.1 mm，如果粒径增大，流化难度增大，流化床就变味固定床。

（4）布风板的开孔率越大，孔径越小越有利于硫粉的流化，风室的压强会越稳定，流化室内部的硫粉流化效果也更好。