《Powder Technology》：Experimental and numerical study on particle fluidization characteristics of bell-type air cap coupled with Helmholtz oscillation chamber
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本研究开发了一种新型脉冲空气帽，结合Bell型空气帽与亥姆霍兹振荡室，通过实验与数值模拟验证其有效提升CFB锅炉低负荷下的流化稳定性，阻力增加有限且流化区域扩大8%-15.7%。
张荣迪|卢晓峰|刘志村|王全海|李建波|康银虎|罗宇泽|孙家元
重庆大学，教育部低品位能源利用技术与系统国家重点实验室，中国重庆400044
摘要
有效的固体颗粒流化对于循环流化床（CFB）锅炉的运行至关重要。一个普遍存在的问题是在低负荷运行时流化性能下降，这是由于一次风量减少所致。为了缓解这一运行限制，研究人员开发了一种新型脉冲空气帽，该空气帽结合了贝尔型空气帽和亥姆霍兹振荡室，以产生脉动气流。通过实验测量和数值模拟评估了该装置的空气动力压降、脉动特性和流化模式。结果表明，该装置成功产生了脉动气流，其脉动强度与体积风量呈正相关。相应的空气动力阻力增加幅度较小，在风量分别为52.33、91.58和130.83立方米/小时时，分别比传统空气帽高出约2.9%、1.8%和9.4%。这种较小的阻力增加有助于保持空气分配器所需的压降比，从而在低负荷条件下提高流化稳定性。在所研究的实验条件下，改进后的空气帽使有效流化扰动区域扩大了8.0%至15.7%。这种扩展使得在低负荷条件下可以进一步减少流化空气用量，有助于降低NOx排放并减轻加热表面的侵蚀。数值模拟还表明，流化区域随空气温度的升高而增大。这些发现表明，脉冲空气帽可以在更宽的运行范围内维持流化，尤其是在风量较低的情况下，且空气动力阻力的增加有限。因此，这种设计为支持CFB锅炉的深度调峰运行提供了一种可行的方法。
引言
随着中国“双碳”战略的稳步推进，可再生能源系统的装机容量实现了快速指数级增长。到2025年6月底，中国的非化石能源装机容量已超过2173吉瓦，占总装机容量的59.5%以上[1]、[2]、[3]。然而，风能和太阳能的间歇性、不确定性和不可调度性对电网稳定性构成了重大挑战[4]，经常导致风能和光伏发电量的削减[5]、[6]。为了促进可再生能源的大规模整合，迫切需要具备灵活调峰能力的基荷发电单元积极参与动态电网调节[7]、[8]。鉴于中国的能源资源状况（煤炭丰富而石油和天然气匮乏）[9]，燃煤发电单元将在可预见的未来继续作为电网的支柱。它们对于提供基荷和灵活调峰服务至关重要[10]、[11]。因此，燃煤电厂越来越需要在严格的低负荷条件下频繁运行——有时甚至是连续运行[12]。
由于循环流化床（CFB）锅炉具有较大的热储存能力和独特的蓄火运行模式，它们天生具备接近零负荷的深度调峰能力。这一能力使它们成为增强调节功能的理想选择[13]、[14]。然而，在低负荷条件下，总一次风量的显著减少会降低空气分配器的空气动力压降，从而影响整体空气分布的均匀性和局部流化的均匀性[15]。流化不足会导致大颗粒在床层中的局部沉积，在极端情况下甚至会引发严重的床层团聚现象[16]、[17]。相反，如果在低负荷下设计较高的空气分配器空气动力阻力，则在额定负荷下会导致过高的阻力。这将增加风扇功耗并降低整个工厂的效率[18]、[19]。因此，研究在不改变现有空气分配器结构的情况下提高CFB锅炉在低负荷条件下的流化质量的方法具有重要意义[20]、[21]。
有两种主要的技术策略可以提高低负荷条件下的流化质量。第一种策略是采用专门的空气帽空间分布方案，根据风室内的静压分布和床层的流化要求，优化不同区域空气帽的布局和个体空气动力阻力。这旨在在不显著增加空气分配器整体空气动力阻力的情况下提高低负荷时的空气分布均匀性。第二种策略侧重于优化空气帽的内部几何形状，以提高其流化性能，确保即使在低风量条件下也能维持足够宽的宏观流化区域。
仅通过调整空气分配器不同区域空气帽的数量和空气动力阻力，很难实现所有运行负荷下的均匀空气分布。这是因为空气帽的空气动力阻力与流化空气速度的平方成正比。相比之下，优化空气帽本身的设计在提高流化质量方面具有更大的优势和可行性[22]、[23]、[24]。陈等人[25]进行了冷态实验，研究不同结构尺寸的传统贝尔型空气帽的空气动力阻力特性如何影响其流化扰动。他们发现，内帽或外壳的总孔径变化会影响空气帽的空气动力阻力，进而改变颗粒流化扰动的范围。黄等人[26]、[27]通过修改几个结构参数来改善空气帽周围的流化均匀性：内帽的孔径、中心管顶部与外壳之间的间隙、增加外壳的厚度以及将外壳出口孔设计成向下倾斜的角度。这些研究表明，空气帽的空气动力阻力与其结构设计密切相关，良好的空气动力阻力特性可以有效提高空气分布均匀性和整体床层流化质量。因此，修改传统贝尔型空气帽的结构是一种可行的方法来优化颗粒流化。
传统的贝尔型空气帽通过产生连续的气流来工作。将这种连续的稳态气流转变为脉动气流——或者用特定的脉动频率对其进行声学调制——已被证明可以增强颗粒扰动并提高整体流化效率[28]、[29]、[30]。然而，广泛应用的脉动流化技术基于外部激励的脉动喷射原理[31]、[32]。生成这种脉动喷射通常需要大量的能量输入，从而导致较高的运行成本。
可以使用亥姆霍兹振荡室[33]、[34]生成自激脉动喷射，这项技术已受到全球研究人员的广泛研究。莫雷尔等人[35]研究了当外部激励频率与流体的自然频率匹配或接近时发生的独特流动现象。他们发现，当频率一致时，流体运动表现出非线性耦合效应，这是产生脉动的基本机制。张等人[36]研究了在低压条件下具有不同结构参数的自振荡喷嘴的压力和速度特性。他们的结果表明，随着腔室长度的增加，入口和出口之间的平均压差先减小后增大，出口处的最大速度出现在绝对压差达到峰值时。沈等人[37]使用大涡模拟研究了亥姆霍兹振荡室的长度如何影响超临界CO?喷射的频率，包括在喷嘴内部和自由流场中。他们观察到，喷射进入自由流场后，其可压缩性会导致速度和压力的波动，频率沿喷射轴逐渐减小。通过调整腔室长度，可以控制喷嘴内的喷射频率，从而控制自由流场中的频率。总之，虽然目前关于自激脉动气流生成机制和亥姆霍兹振荡室结构的调节效应的研究已经相当成熟，但亥姆霍兹振荡室的大多数应用仍处于“微型化”设备阶段，主要应用于钻井和岩石破碎等工程领域。迄今为止，尚未有在CFB锅炉中的应用报道。
总之，现有研究主要集中在空气帽的结构修改对其空气动力阻力特性的影响上。然而，对于改进后的传统贝尔型空气帽外壳出口处的喷射特性的研究不足。此外，关于使用脉动气流作为流化介质时传统贝尔型空气帽的空气动力阻力特性的研究也不充分。此外，关于将自激脉动气流应用于流化床密集区域中的颗粒流化的研究也缺乏。
在广泛的初步流体动力学研究基础上，本研究首次提出了“脉冲空气帽”的创新概念。随后利用冷态流化试验装置进行了系统的实验研究。还采用了数值模拟来分析不同空气体积和温度下脉冲空气帽出口处的气流脉动特性，并获得了颗粒在密集相区域流化过程中的颗粒体积分数分布。该研究旨在阐明当自激振荡脉动气流应用于CFB锅炉的空气帽时的流化特性。利用脉动喷射比连续喷射具有更强波动性的特点，该技术增强了流化床密集区域中的气固接触，从而提高了空气帽扰动和流化颗粒的能力。
测试装置和系统描述
实验装置的示意图如图1所示。系统包括主流化室及其相关的辅助支撑子系统。
图2显示了测试系统的核心组件的结构图。测试装置的核心是一个矩形可视化室，如图2a所示，其内部几何尺寸为700毫米×700毫米×1000毫米（长×宽×高）。流化室的前面
一般描述
基于冷态测试，使用数值模拟系统分析了脉冲空气帽出口处的脉动气流特性以及密集相区域中的宏观气固流动特性。
几何模型
模拟中使用的几何模型如图8所示。该模型主要由流化室和脉冲空气帽组成。模型按1:1的比例制作，以匹配实际的冷态测试装置。
数学模型
控制脉冲空气帽的内部空气动力学
数值模拟与实验结果的比较
为了验证数值模拟的准确性，在20°C的温度条件下，比较了脉冲空气帽进出口处的压降，风量范围从20%Pe到100%Pe。图10中的比较结果展示了来自实验测量和数值模拟的压降曲线。比较分析表明，实验数据和CFD模拟输出在压降趋势上高度一致
结论
这项综合性研究提出了新型脉冲空气帽的概念开发、实证验证和数值建模，该空气帽巧妙地将亥姆霍兹振荡室与传统的贝尔型空气帽结合在一起。主要目的是在公用CFB锅炉的深度低负荷运行期间增强颗粒流化。其性能通过结合测试和数值分析进行了评估。主要发现如下：
(1)CRediT作者贡献声明
张荣迪：撰写——原始草案，调查，正式分析。卢晓峰：撰写——审阅与编辑，监督，调查，资金获取，概念化。刘志村：调查。王全海：撰写——原始草案，调查。李建波：撰写——审阅与编辑，调查。康银虎：调查。罗宇泽：调查，数据整理。孙家元：调查。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本文衷心感谢国家关键研发计划（2022YFB4100301）的财政支持。
