来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2022/2/28 12:59:13
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FCSE | 前沿研究:修正介尺度曳力模型对粉-粒喷动床烟气脱硫过程数值模拟影响

论文标题:Effect of adjusted mesoscale drag model on flue gas desulfurization in powder-particle spouted beds (修正介尺度曳力模型对粉-粒喷动床烟气脱硫过程数值模拟影响)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Xinxin Che, Feng Wu, Xiaoxun Ma

发表时间:09 Dec 2021

DOI:10.1007/s11705-021-2100-8

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研究背景和意义

在化石燃烧过程中产生的硫化物的减排研究中,粉-粒喷动床(PPSBs)半干法烟气脱硫技术被认为是一种可靠且有效的脱硫方法。但喷动床中多相流耦合传热、传质和反应过程的数值模拟研究仍然较为缺乏,目前模拟中常用的Gidaspow均匀曳力模型没有考虑介尺度结构的影响,会严重高估曳力系数,对模拟精度产生负面影响。针对该问题,本研究在喷动床模拟中引入非均匀曳力模型来捕捉颗粒在运动中的局部团聚和破碎,对喷动床的气固两相流耦合水汽化和脱硫过程进行模拟分析,获得了曳力模型与传热传质和脱硫反应间的构效关系,为准确、有效地描述喷动床半干法烟气脱硫过程提供理论支撑。

研究内容及主要结论

喷动床在环隙区部分颗粒密集堆积,而喷射区与喷泉区则具有明显的循环流化床的特点。针对喷动床的三区循环喷动特点,在Gidaspow曳力模型的基础上,结合EMMS曳力模型对喷动床的曳力进行修正,其中Hd为修正因子,计算得到修正的喷动床曳力系数表达式为:

对比PIV的实验数据和不同曳力模型的模拟结果(图1)发现,Gidaspow曳力模型下模拟的颗粒速度远低于实验数据,而采用EMMS曳力模型模拟得到的颗粒速度曲线与实验散点图基本吻合。这表明修正介尺度曳力模型可以应用于喷动床模拟。

图2表明,EMMS曳力模型模拟得到的喷动形貌是不稳定、不连续的鼓泡状,而Gidaspow曳力模型得到的是稳定连续的喷动。采用修正EMMS曳力模型模拟的喷泉形貌更加符合物理实际。

在数值模拟中,水汽化过程的传热传质也受曳力模型的影响。喷动床的液体料浆附着在颗粒表面,随颗粒共同运动,因此非均匀曳力模型模拟的气-液-固三相间的径向混合更好,料浆分布更均匀,相间传热传质更充分。修正介尺度曳力模型模拟得出的出口气体中水的质量分数大约是均匀曳力模型的1.5倍(图3)。

如图4所示,实验得到的脱硫效率为75.03%,Gidaspow和EMMS曳力模型模拟的脱硫效率分别为47.63%和75.08%,修正介尺度曳力模型模拟确定的脱硫效率与实验值更加一致。气固曳力模型的选择会改变模拟过程中的床内流动特性,从而对水汽化的传热传质和脱硫反应过程的模拟产生影响。

图1 不同曳力模型的模拟值与实验值的颗粒径向速度随径向距离变化对比图

图2 不同曳力模型下颗粒体积分数随时间变化云图:(a) Gidaspow;(b) EMMS

图3 不同曳力模型下气体液含率分布云图

图4 不同曳力模型下的模拟值与实验值的脱硫率对比图

研究亮点

针对喷动床的三区喷动特点,修正了介尺度曳力模型,并针对喷动床的气固两相流耦合水汽化和脱硫过程进行模拟分析,在模拟中捕捉到了颗粒在运动中的局部团聚和破碎,获得了曳力模型与传热传质和脱硫反应间的构效关系。

相关成果以“Effect of adjusted mesoscale drag model on flue gas desulfurization in powder-particle spouted beds”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: https://doi.org/10.1007/s11705-021-2100-8)。

作者及团队介绍

车馨心(第一作者),西北大学2021级博士研究生,研究方向为多相反应器过程化强化与传热传质多尺度模拟研究。

吴峰(通讯作者),西北大学化工学院教授、博士生导师、中国颗粒学会青年理事、陕西省岩土力学与工程学会理事、《化工进展》编委、化学工程系主任、陕北能源先进化工利用技术教育部工程研究中心副主任。主要从事多相反应器流态化与冲蚀过程研究;担任多个国家与省部级科研项目、科技奖励与人才项目评审专家;担任Chemical Engineering Journal、Chemical Engineering Science、Industrial & Engineering Chemistry Research、Applied Energy等40余种国内外期刊论文审稿人或仲裁人,以第一或通讯作者发表SCI/EI收录论文50余篇,授权专利10余项。

摘要

An energy minimum multiscale model was adjusted to simulate the mesoscale structure of the flue gas desulfurization process in a powder-particle spouted bed and verified experimentally. The obtained results revealed that the spout morphology simulated by the adjusted mesoscale drag model was unstable and discontinuous bubbling spout unlike the stable continuous spout obtained using the Gidaspow model. In addition, more thorough gas radial mixing was achieved using the adjusted mesoscale drag model. The mass fraction of water in the gas mixture at the outlet determined by the heterogeneous drag model was 1.5 times higher than that obtained by the homogeneous drag model during the simulation of water vaporization. For the desulfurization reaction, the experimental desulfurization efficiency was 75.03%, while the desulfurization efficiencies obtained by the Gidaspow and adjusted mesoscale drag models were 47.63% and 75.08%, respectively, indicating much higher accuracy of the latter technique.

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering(SCI,影响因子4.204)是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物,由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办,德国Springer公司海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述,以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域,主要包括:催化及反应工程,清洁能源,功能材料,纳米科学与技术,生物材料和技术,颗粒技术和多相过程,分离科学与技术,可持续技术和绿色过程等。

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