Влияние свойств частиц на границу раздела между низко- и высоконцентрированными газодисперсными потоками

На примере задачи обтекания двух последовательно расположенных тел методами CFD проведена сравнительная оценка условий возможной потери гидродинамической устойчивости низконцентрированного газодисперсного потока при вариации физических свойств частиц в диапазоне, характерном для промышленных энергетических установок на биомассе и ископаемом топливе. Выполнена валидация численной модели ламинарного обтекания одиночных частиц на основе результатов экспериментов Роу и Хенвуда для относительного расстояния между шариками 5, 11, 17 и 23. Показано, что профиль скорости перед первым шариком влияет на соотношение сил, действующих на каждый из шариков. Рассчитано относительное межцентровое расстояние (x/d)_кр, при котором отношение силы, действующей на вторую частицу (F₂) к силе, действующей на первую частицу (F₁), равно 0,95 (начало сближения) в условиях установившегося равномерного течения газа в элементарной трубке потока бесконечно большого поточного реактора для частиц сферической и пластинчатой формы. В диапазоне чисел Рейнольдса 2,0·10^-1…3,2·10³ определено влияние плотности, линейных размеров и формы на соответствующую (x/d)_кр объемную концентрацию φ_кр. Также для сфер рассмотрено соотношение сил F₂/F₁ = 0,90, что позволило установить переходную зону между поточными установками и котлами с ЦКС.

Результаты моделирования обтекания газом двух пластинок с тремя различными ориентациями относительно набегающего потока показывают, что взаимная ориентация пластинчатых частиц в потоке влияет на их гидродинамическое взаимодействие, повышая риск сближения в случае ориентации частиц наибольшей гранью перпендикулярно набегающему потоку и понижая риск сближения в случае ориентации частиц наименьшей гранью перпендикулярно набегающему потоку, относительно сценария обтекания двух сфер эквивалентного диаметра. Действенность предложенного метода прошла проверку при анализе ряда объектов, включающих энергетические котлы, промышленные газификаторы и крупные стендовые установки.

1. . Nascimento F. R. M., González A. M., Lora E. E. S., Ratner A., Palacio J. C. E., Reinaldo R. Benchscale bubbling fluidized bed systems around the world – Bed agglomeration and collapse: A comprehensive review // International Journal of Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, no. 36, pp. 18740-18766, doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.02.086.

2. . Göktepe B., Umeki K., Gebart R. Does distance among biomass particles affect soot formation in an entrained flow gasification process? // Fuel Processing Technology, 2016, vol. 141, pt. 1, pp. 99-105, doi: 10.1016/j.fuproc.2015.06.038.

3. . Бабий В. И., Куваев Ю. Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 208 с.

4. . Hasse C., Debiagi P., Wen X., Hildebrandt K., Vascellari M., Faravelli T. Advanced modeling approaches for CFD simulations of coal combustion and gasification // Progress in Energy and Combustion Science, 2021, vol. 86, 100938, doi: 10.1016/j.pecs.2021.100938

5. . Wu X., Guo Q., Gong Y., Cheng C., Ding L., Wang F., Yu G. Visualization study on particle flow behaviors during atomization in an impinging entrained-flow gasifier // Chemical Engineering Science, 2020, vol. 225, 115834, doi: 10.1016/j.ces.2020.115834.

6. . Cai R., Luo K., Watanabe H., Kurose R., Fan J. Recent advances in high-fidelity simulations of pulverized coal combustion // Advanced Powder Technology, 2020, vol. 31(7), pp. 3062-3079, doi: 10.1016/j.apt.2020.05.001.

7. . Yerushalmi J. High velocity fluidized beds // in: D. Geldart (Ed) Gas Fluidization Technology, Chapter 7 , John Willey & Sons, New York, 1986.

8. . Lecner B. Regimes of large-scale fluidized beds for solid fuel conversion // Powder technology, 2017, vol. 308, pp. 362-367, doi: 10.1016/j.powtec.2016.11.070.

9. . Bi H. T., Grasce J. R. Flow regime diagrams for gas-solid fluidization and upward transport // International Journal of Multiphase Flow, 1995, vol. 21, no. 6., pp. 1229-1236, doi: 10.1016/0301-9322(95)00037-X.

10. . Matsen J. M. Mechanism of choking and entrainment // Powder technology, vol. 32(1), pp. 21-33, 1982, doi: 10.1016/0032-5910(82)85003-1.

11. . Gidaspow D., Mostofi R. Maximum carrying capacity and granular temperature of A, B and C particles // AIChE Journal, 2003, vol. 49. no. 4. pp. 831-843, doi: 10.1002/aic.690490404.

12. . Knowlton T. M. Solids transfer in fluidized systems // in: D. Geldart (Ed) Gas Fluidization Technology, Chapter 12, John Willey & Sons, New York, 1986.

13. . Bi H. T., Grasce J. R., Zhu J. X. Types of choking in vertical pneumatic systems // International Journal of Multiphase Flow, 1993, vol. 19, no. 6, pp. 1077-1092, doi: 10.1016/0301-9322(93)90079-A.

14. . Rabinovich E., Kalman H. Flow regime diagram for vertical pneumatic conveying and fluidized bed systems // Powder technology, 2011, vol. 207, no. 1-3, pp. 119-133, doi: 10.1016/j.powtec.2010.10.017.

15. . Yang W. C. «Choking» Revisited // Industrial Engineering Chemical Research, 2004, vol. 43, no. 18, pp. 5496-5506, doi: 10.1021/ie0307479.

16. . M. Smoluchowski. Über die Wechselwirkung von Kugeln, die sich in einer zähen Flüssigkeit bewegen. Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie, Cl. Sci. Math. Nat., Sér. A Sci. Math., 1911, pp. 28-39.

17. . Happel J., Brenner H. Low Reynolds Number Hydrodynamics. Prentice-Hall, 1965, 553 pp.

18. . Rowe P. N., Henwood G. A. Drag forces in a hydraulic model of a fluidized bed. Part I // Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 1961, vol. 39, pp. 43-54.

19. . Abbas S., Mohammed S., Drag Forces under Longitudinal Interaction of Two Particles // Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering, 2007, vol. 8, pp. 1-4, doi:10.31699/IJCPE.2007.2.1.

20. . Cocetta F., Szmelter J., Gillard M. Simulations of stably stratified flow past two spheres at Re = 300 // Physics of Fluids, 2021, vol. 33, no. 4, 046602, doi: 10.1063/5.0044801.

21. . Abed A. H., Shcheklein S. E., Pakhaluev V. M. Numerical and Experimental Investigation of heat transfer and flow structures around three heated spheres in tandem arrangement // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 791, 012002, doi: 10.1088/1757-899X/791/1/012002.

22. . Yang J., Zhu X., Liu M., Wang C., Wu Y., Shen Z. Wake bifurcations behind two circular disks in tandem arrangement // Physical Review Fluids, 2022, vol. 7, no. 6, 064102, doi: 10.1103/PhysRevFluids.7.064102.

23. . Kotsev T. Numerical Study of Hydrodynamic Interaction between a Row of Spheroids in a Steady Stream of Viscous Fluid // Proceedings of the Bulgarian Academy of Sciences, 2022, vol. 75, no. 1, pp. 19-25, doi: 10.7546/CRABS.2022.01.03.

24. . Ahmed A., Wahid A., Manzoor R., Nadeem N., Ullah N., Kalsoom S. Flow Characteristics and Fluid Forces Reduction of Flow Past Two Tandem Cylinders in Presence of Attached Splitter Plate // Mathematical Problems in Engineering, 2021, pp. 1-16, doi: 10.1155/2021/4305731.

25. . Ai Y., Zhou L., Zhang H. High-order optimal mode decomposition analysis of the ground effect on flow past two tandem inclined plates // Physics of Fluids, 2023, vol. 35, 013611, doi: 10.1063/5.0133928.

26. . Reyes A., Soria J., Saffe A., Zambon M., Echegaray M., Suárez S., Rodriguez R., Mazza G., Fluidization of biomass: a correlation to assess the minimum fluidization velocity considering the influence of the sphericity factor // Particulate Science and Technology, 2021, vol. 39, no. 8, pp. 1020-1040, doi: 10.1080/02726351.2021.1879981.

27. . Bagheri G., Bonadonna C. On the drag of freely falling non-spherical particles, Powder Technology, 2016, vol. 301, pp. 526-544, doi: 10.1016/j.powtec.2016.06.015.

28. . Ganser G. H. A rational approach to drag prediction of spherical and nonspherical particles // Powder Technology, 1993, vol. 77, no. 2, pp. 143-152, doi: 10.1016/0032-5910(93)80051-B.

29. . Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М. Э. Аэров, О. М. Тодес. – Л.: Химия, 1968. – 510 с.

30. . Горбис З. Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. – М.: Энергия, 1970. – 424 с.

31. . Основы практической теории горения [Учеб. пособие для энерг. спец. вузов / В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Д. Б. Ахмедов и др.]; Под ред. В. В. Померанцева. – 2-е изд., перераб. и доп. – Ленинград: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. – 309 с.

32. . Баскаков, А. П. Скоростной безокислительный нагрев и термическая обработка в кипящем слое: научное издание / А. П. Баскаков. – М.: Металлургия, 1968. – 223 с.

33. . Abdulally I., Voyles R. W., Lipal F. Multiply Fuel Firing Experience in a Circulating Fluidized Bed Boiler // Proceedings of the American Power Conference – Chicago (USA), 1992, vol. 2, pp 1-11.

34. . Johansson A. Solids flow pattern in circulating fluidized-bed boilers. Ph. D. Dissertation, Chalmers University of Technology. – 2005. ISBN 91-7291-662-1.

35. . Swieger В. Fluidized bed boilers achieve commercial status worldwide // Power, 1985, vol. 129, no. 2, pp. 1-16.

36. . Johnsson F., Leckner B. Vertical distribution of solids in a CFB-furnace // Proceedings of the 13-th International Conference on Fluidized-Bed Combustion, vol. 1, pp. 671-679.

37. . The New Romerbrucke FBC Combined Heat and Power Plant: Deutsche Babkock Information, 1990, 9 p., rep. no. 217.

38. . Рябов Г. А., Фоломеев О. М. Исследование гидродинамики и массообмена на экспериментальной установке с циркуляционным кипящим слоем // Теплоэнергетика. – 1998. – № 6. – С. 8-12.

39. . Jiradilok V., Gidaspow D., Breault R. W., Shadle L. J., Guenther C., Shi S. Computation of turbulence and dispersion of cork in the NETL riser // Chemical Engineering Science, 2008, vol. 63, no. 8, pp. 2135-2148, doi: 10.1016/j.ces.2008.01.019.

40. . Рябов Г. А. Научное обоснование использования технологии сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое // ОАО «ИТИ» г. Москва. – 2016.

41. . Kashyap M., Gidaspow D. Circulation of Geldart D type particles: Part II—Low solids fluxes: Measurements and computation under dilute conditions // Chemical Engineering Science, 2011, vol. 66. no. 8. pp. 1649-1670, doi: 10.1016/j.ces.2010.12.043.

42. . Brown B. W., Smoot L. D., Smith P. J., Hedman P. O. Measurement and prediction of entrained-flow gasification processes // AIChE Journal, 1988, vol. 34, no. 3, pp. 435-446, doi: 10.1002/aic.690340311.

43. . Halama S., Spliethoff H. Numerical simulation of entrained flow gasification: Reaction kinetics and char structure evolution // Fuel Processing Technology, 2015, vol. 138, pp. 314-324, doi: 10.1016/j.fuproc.2015.05.012.

44. . Watanabe H., Otaka, M. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier // Fuel, 2006, vol. 85, no. 12-13, pp. 1935-1943, doi: 10.1016/j.fuel.2006.02.002.

45. . Slezak A., Kuhlman J. M., Shadle L. J., Spenik J., Shi S. CFD simulation of entrained-flow coal gasification: Coal particle density/sizefraction effects // Powder Technology, 2010, vol. 203, no. 1, pp. 98-108, doi: 10.1016/j.powtec.2010.03.029.

46. . Risberg M., Carlsson P., Gebart R. Numerical modeling of a 500 kW air-blown cyclone gasifier // Applied Thermal Engineering, 2015, vol. 90, pp. 694-702, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.06.056.

47. . Тепловой расчет котлов [Текст] /нормативный метод/. Издание 3-е, переработанное и дополненное. – СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. – 256 с.

48. . Grace J. R. Contacting Modes and Behaviour Classification of Gas-Solid and Other Two-Phase Suspensions // The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1986, vol. 64, no. 3, pp. 353-363.

49. . Geldart D. Types of gas fluidization // Powder Technology, 1973, vol. 5, no. 7, pp. 285-292, doi: 10.1016/0032-5910(73)80037-3.