CN109806734B - 海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法 - Google Patents

海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，包括以下步骤：步骤1)将布风板与电动推杆连接，将电动推杆与控制器连接，同时，在上行床外壁设置角度传感器，角度传感器与控制器连接；步骤2)角度传感器将上行床相对于其初始位置的倾斜角度数据传输到控制器，控制器根据上行床相对于其初始位置的倾斜角度计算布风板相对其初始位置的倾斜角度；步骤3)控制器控制电动推杆推动布风板相对其初始位置的倾斜角达到步骤2)计算的f(x)，实现了对流化床内颗粒相分布的控制。本发明提高了循环流化床内颗粒相分布均匀性，从而改善流化床除硫效率。

Description

海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法。
背景技术
循环流化床作为一种高效率的化学反应装置被广泛的应用于船用发动机的尾气处理中，以达到除硫减排的作用。在实际工况中，循环流化床随船的运动会出现不同程度的倾斜，导致脱硫剂颗粒堆积在上行床的底层及壁面附近，对流化床的除硫效果造成一定影响。
循环流化床作为船用发动机的尾气处理***近几年才出现，并且处于理论研究与实验阶段，最早是日本海上技术安全研究所提出的。国内外针对循环流化床作为船用发动机尾气处理装置的研究都还比较缺乏，目前还没有专门针对海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性动态调控方法。
发明内容
本发明的目的是提供海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，提高了循环流化床内颗粒相分布均匀性，从而改善流化床除硫效率。
本发明所采用的技术方案是，海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，流化床为循环流化床，流化床具有上行床和下行床，上行床中设置有布风板，该方法包括以下步骤：
步骤1)将布风板与电动推杆连接，电动推杆推动布风板改变其在上行床中的相对其初始位置的倾斜角度，布风板的初始位置与上行床侧壁垂直，并且将电动推杆与控制器连接，同时，在上行床外壁设置角度传感器，角度传感器与控制器连接；
步骤2)角度传感器将上行床相对于其初始位置的倾斜角度数据传输到控制器，控制器根据上行床相对于其初始位置的倾斜角度计算布风板相对其初始位置的倾斜角度如下：
f(x)＝-0.01884x2+0.6443x+0.04653 (14)
式(14)中，f(x)为布风板相对其初始位置的倾斜角度，x为上行床相对于其初始位置的倾斜角度；
步骤3)控制器控制电动推杆推动布风板相对其初始位置的倾斜角达到步骤2)计算的f(x)，实现了对流化床内颗粒相分布的控制。
本发明的特点还在于，
步骤2)式(14)的计算过程，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1)依次选取多个等差值的上行床相对于其初始位置的倾斜角度，每个上行床相对于其初始位置的倾斜角度分别选取多个布风板相对其初始位置的倾斜角度，根据每对上行床相对于其初始位置的倾斜角度和布风板相对其初始位置的倾斜角度在建模软件中建立循环流化床模型，并对循环流化床模型划分网格；
步骤2.2)将划分好网格的循环流化床模型导入Fluent软件，根据循环流化床实际为排入上行床中的尾气和床内颗粒相的循环，选用Euler模型为两相流模型、选用质量守恒模型和动量守恒模型为数学模型、选择气体种类为空气模拟尾气、选择碳酸钙颗粒模拟循环流化床中的颗粒相、设置仿真参数和迭代次数，进行仿真计算，迭代完成后得到模型中碳酸钙颗粒的体积分数；
步骤2.3)通过Techplot后处理软件选取每个仿真计算完成的循环流化床模型中的碳酸钙颗粒的体积分数作为数据点，选取的碳酸钙颗粒由位于上行床长度方向等距的多个横截面等量随机选取；
步骤2.4)将每个循环流化床模型各截面的数据点导入MATLAB软件，计算每个循环流化床模型中所有数据点的均值γ，计算每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒体积分数均方差值如下：
Figure BDA0001960305200000031
式(15)中，σ为每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒体积分数均方差值；xj为碳酸钙颗粒的体积分数；j＝1，2，3，...，N；N为每个循环流化床模型中的数据点总数；
通过MATLAB软件对循环流化床模型中碳酸钙颗粒体积分数均方差值进行函数拟合，得到上行床相对于其初始位置的倾斜角度与布风板相对其初始位置的倾斜角度的函数关系，即得到式(14)。
步骤2.1)中的建模软件为SoildWorks软件。
循环流化床模型结构与实际的循环流化床相同，循环流化床模型包括上行床和下行床，上行床一端开设有尾气进口，上行床中尾气进口处设置有布风板，布风板与上行床内壁连接，上行床一端靠近尾气进口处通过J型阀和下行床一端连通，J型阀上设置有二次空气进口，下行床另一端连接有旋风分离器，旋风分离器具有气体出口。
步骤2.2)中设置的仿真参数包括碳酸钙颗粒粘度为1.6×105～1.8×105kg/m-s、碳酸钙颗粒的曳力模型为Gidaspow模型、碳酸钙颗粒堆积质量为35～45kg，碳酸钙颗粒堆积体积为0.0260～0.0270m3、碳酸钙颗粒堆积体积分数为0.6、尾气进口条件为速度进口、尾气进口速度为3～4m/s、出口条件为压力出口、雷诺数为2.8×104，气体湍流强度为3％、动量、能量解算格式为一阶迎风格式，迭代次数为200。
步骤2.2)中，当动量残差稳定且小于1×10-3，同时能量残差稳定且小于1×10-6时，仿真计算迭代完成。
本发明的有益效果是：
本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，根据循环流化床上行床的摆动倾斜角控制其中布风板的倾斜角度，提高了循环流化床内颗粒相分布均匀性，从而改善流化床除硫效率。
附图说明
图1是本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法所用的船用发动机尾气处理均匀性调控***的结构示意图；
图2是本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法中上行床及布风板的倾斜示意图；
图3是本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法中循环流化床的结构示意图；
图4是颗粒相与气相在上行床中的运动方向示意图；
图5是颗粒相在上行床中的受力示意图；
图6是实施例中上行床相对于其初始位置的倾斜角度与布风板相对其初始位置的倾斜角度的函数关系图。
图中，1.尾气进口，2.上行床，3.气体出口，4.旋风分离器，5.下行床，6.J型阀，7.二次空气进口，8.传感器，9.控制终端，10.电动推杆，11.布风板，12.船用发动机，13.碳酸钙颗粒。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，流化床为循环流化床，流化床具有上行床2和下行床5，上行床2中设置有布风板11，该方法包括以下步骤：
步骤1)如图1所示，将布风板11与电动推杆10连接，电动推杆10推动布风板11改变其在上行床2中的相对其初始位置的倾斜角度，布风板11的初始位置与上行床2侧壁垂直，并且将电动推杆10与控制器9连接，同时，在上行床2外壁设置角度传感器8，角度传感器8与控制器9连接，建立船用发动机12尾气处理均匀性调控***；
步骤2)角度传感器8将上行床2相对于其初始位置的倾斜角度数据传输到控制器9，控制器9根据上行床2相对于其初始位置的倾斜角度计算布风板11相对其初始位置的倾斜角度如下：
f(x)＝-0.01884x2+0.6443x+0.04653 (14)
式(14)中，f(x)为布风板11相对其初始位置的倾斜角度，x为上行床2相对于其初始位置的倾斜角度，如图2所示，θ为上行床2相对于其初始位置的倾斜角，α为布风板11相对其初始位置的倾斜角；
步骤3)控制器9控制电动推杆10推动布风板11相对其初始位置的倾斜角达到步骤2)计算的f(x)，实现了对流化床内颗粒相分布的控制。
步骤2)式(14)的计算过程，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1)依次选取多个等差值的上行床2相对于其初始位置的倾斜角度，每个上行床2相对于其初始位置的倾斜角度分别选取多个布风板11相对其初始位置的倾斜角度，根据每对上行床2相对于其初始位置的倾斜角度和布风板11相对其初始位置的倾斜角度在建模软件中建立循环流化床模型，建模软件为SoildWorks软件，并对循环流化床模型划分网格；
循环流化床模型结构与实际的循环流化床相同，循环流化床模型包括上行床2和下行床5，上行床2一端开设有尾气进口1，上行床2中尾气进口1处设置有布风板11，布风板11与上行床2内壁连接，上行床2一端靠近尾气进口1处通过J型阀6和下行床5一端连通，J型阀6上设置有二次空气进口7，下行床5另一端连接有旋风分离器4，旋风分离器4具有气体出口3。
步骤2.2)将划分好网格的循环流化床模型导入Fluent软件，根据循环流化床实际为排入上行床2中的尾气和床内颗粒相的循环，选用Euler模型为两相流模型、选用质量守恒模型和动量守恒模型为数学模型、选择气体种类为空气模拟尾气、选择碳酸钙颗粒13模拟循环流化床中的颗粒相、设置仿真参数和迭代次数200，进行仿真计算，当动量残差稳定且小于1×10-3，同时能量残差稳定且小于1×10-6时，仿真计算迭代完成，得到模型中碳酸钙颗粒13的体积分数。
步骤2.2)中设置的仿真参数包括碳酸钙颗粒13粘度为1.6×105～1.8×105kg/m-s、碳酸钙颗粒13的曳力模型为Gidaspow模型、碳酸钙颗粒13堆积质量为35～45kg，碳酸钙颗粒13堆积体积为0.0260～0.0270m3、碳酸钙颗粒13堆积体积分数为0.6、尾气进口条件为速度进口、尾气进口速度为3～4m/s、出口条件为压力出口、雷诺数为2.8×104，气体湍流强度为3％、动量、能量解算格式为一阶迎风格式，迭代次数为200。
对循环流化床模型的仿真计算过程中，必须保证是在流化床内气固两相在完全循环下求解得到的，并且流化床内的气固两相是在自然状态下循环分布，避免人为地去设置气固两相的分布与循环程度。如图3所示，按循环流化床内的气固两相的运动方向来看，循环流化床主要为上行床2与下行床5两部分，其中船用发动机12排出的尾气从上行床2的尾气进口1通过布风板11进入，上行床2内的碳酸钙颗粒13与尾气一起在上行床2内向上运动；上行床2的外壁面是水冷壁，经过传热过程，最终水冷壁吸收尾气带来的热量，并将热量传递到船内用来供暖或发电；下行床5能够使得床内碳酸钙颗粒13与尾气在循环中完成气固分离、碳酸钙颗粒13集中在下行床5内下行以及通过J型阀6再次循环进入上行床2。所以在Fluent软件的设置中，设置参数，气相进口处附近的上行床2区域为粒相即碳酸钙颗粒13初始堆积处，随后，该区域的颗粒被气相进口处的空气吹起，颗粒随着气相即空气在循环流化床内发生循环，循环流化床在直立状态下，进口气相不变情况下，10s后气固两相流完成床内的充分循环。
步骤2.3)通过Techplot后处理软件选取每个仿真计算完成的循环流化床模型中的碳酸钙颗粒13的体积分数作为数据点，选取的碳酸钙颗粒13由位于上行床2长度方向等距的多个横截面等量随机选取；
步骤2.4)将每个循环流化床模型各截面的数据点导入MATLAB软件，计算每个循环流化床模型中所有数据点的均值γ，计算每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值如下：
Figure BDA0001960305200000071
式(15)中，σ为每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值；xj为碳酸钙颗粒13的体积分数；j＝1，2，3，...，N；N为每个循环流化床模型中的数据点总数；
通过MATLAB软件对循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值进行函数拟合，得到上行床2相对于其初始位置的倾斜角度与布风板11相对其初始位置的倾斜角度的函数关系，即得到式(14)。
通过上述方式，本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，根据循环流化床上行床2的摆动倾斜角控制其中布风板11的倾斜角度，提高了循环流化床内颗粒相分布均匀性，从而改善流化床除硫效率。
本发明海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，步骤2.2)中选用Euler模型为两相流模型，如图4所示，大箭头为气相运动方向，小箭头为颗粒相运动方向，上行床2中的颗粒相主要受到气相曳力、自身重力和浮力的作用，但壁面附近的气相受到壁面阻力的作用，壁面附近气相曳力较小，壁面附近处的颗粒相所受重力大于气相的曳力，沿壁面向下运动，这就使得在上行床2内部的颗粒相被气相带起，随后一部分颗粒相却在四周壁面向下运动，颗粒相在上行床2中发生内部循环。Euler模型把颗粒作为拟流体，认为颗粒与流体是共同存在且相互渗透的连续介质，两相同在Euler模型的坐标系下处理，由于Euler模型的坐标系下流体相的运动是研究两相流的基础，因此本发明采用Euler模型，使得颗粒相在循环流化床内具有连续的体积分数与速度，且不考虑两项间的质量交换，Euler模型同时满足质量守恒和动量守恒方程，如下：
Figure BDA0001960305200000081
Figure BDA0001960305200000082
式(3)为气相质量守恒方程，式(4)为固相质量守恒方程，式(3)和式(4)中，g表示固相，p表示气相，ε为体积分数，t为时间，ρ为平均密度，x、y、z分别表示坐标系的x轴、y轴、z轴，w、u、v分别表示x、y、z轴的速度分量，计算的单元体内固气两相体积分数和为1；
Figure BDA0001960305200000091
Figure BDA0001960305200000092
式(5)为气相动量守恒方程，式(6)为固相动量守恒方程，式(5)和式(6)中，xi为应力的轴向变化量，β为曳力系数，βgp表示气相相对于固相的曳力系数，βpg表示固相相对于气相的曳力系数，F为升力，
Figure BDA0001960305200000093
为应力张量。
在忽略流体相密度、颗粒质量的变化率脉动以及非定常关联项的情况下，两相流中颗粒相主要受到重力、气相引起的曳力、浮力以及颗粒相自身碰撞、运动产生的升力，如图5所示，碳酸钙颗粒13分别收到重力f1、曳力f2和惯性力f3，在仿真模拟中颗粒相主要考虑气相曳力和颗粒相自身重力，故选取颗粒相的曳力模型为Gidaspow模型。
实施例
本实施例提供海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，流化床为循环流化床，流化床具有上行床2和下行床5，上行床2中设置有布风板11，该方法包括以下步骤：
步骤1)将布风板11与电动推杆10连接，电动推杆10推动布风板11改变其在上行床2中的相对其初始位置的倾斜角度，布风板11的初始位置与上行床2侧壁垂直，并且将电动推杆10与控制器9连接，同时，在上行床2外壁设置角度传感器8，角度传感器8与控制器9连接；
步骤2)角度传感器8将上行床2相对于其初始位置的倾斜角度数据传输到控制器9，控制器9根据上行床2相对于其初始位置的倾斜角度计算布风板11相对其初始位置的倾斜角度如下：
f(x)＝-0.01884x2+0.6443x+0.04653 (14)
式(14)中，f(x)为布风板11相对其初始位置的倾斜角度，x为上行床2相对于其初始位置的倾斜角度；
步骤3)控制器9控制电动推杆10推动布风板11相对其初始位置的倾斜角达到步骤2)计算的f(x)，实现了对流化床内颗粒相分布的控制。
步骤2)式(14)的计算过程，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1)依次选取上行床2相对于其初始位置的倾斜角度15度、12度、10度、8度、5度、2度，每个上行床2相对于其初始位置的倾斜角度分别选取布风板11相对其初始位置的倾斜角度-5度、-2度、2度、5度、8度、10度、12度，根据每对上行床2相对于其初始位置的倾斜角度和布风板11相对其初始位置的倾斜角度在SoildWorks软件中建立循环流化床模型，共42个，并对每个循环流化床模型划分网格；
步骤2.2)将划分好网格的循环流化床模型导入Fluent软件，根据循环流化床实际为排入上行床2中的尾气和床内颗粒相的循环，选用Euler模型为两相流模型、选用动量模型和能量模型为数学模型、选择气体种类为空气模拟尾气、选择碳酸钙颗粒13模拟循环流化床中的颗粒相、设置仿真参数和迭代次数200，设置及选择的各参数如表1所示，进行仿真计算，当动量残差稳定且小于1×10-3，同时能量残差稳定且小于1×10-6时，仿真计算迭代完成，得到模型中碳酸钙颗粒13的体积分数。
表1 参数设置
Figure BDA0001960305200000101
Figure BDA0001960305200000111
步骤2.3)通过Techplot后处理软件选取每个仿真计算完成的循环流化床模型中的碳酸钙颗粒13的体积分数作为数据点，选取的碳酸钙颗粒13由位于上行床2长度方向取5个截面，相邻两截面的间距为400mm，在每个截面上随机取50个数据点；
步骤2.4)将每个循环流化床模型各截面的数据点导入MATLAB软件，计算每个循环流化床模型中所有数据点的均值γ，计算每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值如下：
Figure BDA0001960305200000121
式(15)中，σ为每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值；xj为碳酸钙颗粒13的体积分数；j＝1，2，3，...，N；N为每个循环流化床模型中的数据点总数；
通过MATLAB软件对循环流化床模型中碳酸钙颗粒13体积分数均方差值进行函数拟合，得到上行床2相对于其初始位置的倾斜角度与布风板11相对其初始位置的倾斜角度的函数关系，如图6所示，即得到式(14)。

Claims (5)

1.海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，所述流化床为循环流化床，所述流化床具有上行床(2)和下行床(5)，所述上行床(2)中设置有布风板(11)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)将布风板(11)与电动推杆(10)连接，电动推杆(10)推动布风板(11)改变其在上行床(2)中的相对其初始位置的倾斜角度，布风板(11)的初始位置与上行床(2)侧壁垂直，并且将电动推杆(10)与控制器(9)连接，同时，在上行床(2)外壁设置角度传感器(8)，所述角度传感器(8)与控制器(9)连接；
步骤2)所述角度传感器(8)将上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度数据传输到控制器(9)，控制器(9)根据上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度计算布风板(11)相对其初始位置的倾斜角度如下：
f(x)＝-0.01884x2+0.6443x+0.04653 (14)
式(14)中，f(x)为布风板(11)相对其初始位置的倾斜角度，x为上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度；
所述步骤2)式(14)的计算过程，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1)依次选取多个等差值的上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度，每个上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度分别选取多个布风板(11)相对其初始位置的倾斜角度，根据每对上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度和布风板(11)相对其初始位置的倾斜角度在建模软件中建立循环流化床模型，并对循环流化床模型划分网格；
步骤2.2)将划分好网格的循环流化床模型导入Fluent软件，根据循环流化床实际为排入上行床(2)中的尾气和床内颗粒相的循环，选用Euler模型为两相流模型、选用质量守恒模型和动量守恒模型为数学模型、选择气体种类为空气模拟尾气、选择碳酸钙颗粒(13)模拟循环流化床中的颗粒相、设置仿真参数和迭代次数，进行仿真计算，迭代完成后得到模型中碳酸钙颗粒(13)的体积分数；
步骤2.3)通过Techplot后处理软件选取每个仿真计算完成的循环流化床模型中的碳酸钙颗粒(13)的体积分数作为数据点，所述选取的碳酸钙颗粒(13)由位于上行床(2)长度方向等距的多个横截面等量随机选取；
步骤2.4)将每个循环流化床模型各截面的数据点导入MATLAB软件，计算每个循环流化床模型中所有数据点的均值γ，计算每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒(13)体积分数均方差值如下：
Figure FDA0003160190780000021
式(15)中，S(γ)为每个循环流化床模型中碳酸钙颗粒(13)体积分数均方差值；xj为碳酸钙颗粒(13)的体积分数；j＝1，2，3，...，N；N为每个循环流化床模型中的数据点总数；
通过MATLAB软件对循环流化床模型中碳酸钙颗粒(13)体积分数均方差值进行函数拟合，得到上行床(2)相对于其初始位置的倾斜角度与布风板(11)相对其初始位置的倾斜角度的函数关系，即得到式(14)；
步骤3)控制器(9)控制电动推杆(10)推动布风板(11)相对其初始位置的倾斜角达到步骤2)计算的f(x)，实现了对流化床内颗粒相分布的控制。
2.根据权利要求1所述的海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，其特征在于，所述步骤2.1)中的建模软件为SoildWorks软件。
3.根据权利要求1所述的海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，其特征在于，所述循环流化床模型结构与实际的循环流化床相同，所述循环流化床模型结构包括上行床(2)和下行床(5)，所述上行床(2)一端开设有尾气进口(1)，所述上行床(2)中尾气进口(1)处设置有布风板(11)，所述上行床(2)一端靠近尾气进口(1)处通过J型阀(6)和下行床(5)一端连通，J型阀(6)上设置有二次空气进口(7)，所述下行床(5)另一端连接有旋风分离器(4)，所述旋风分离器(4)具有气体出口(3)。
4.根据权利要求1所述的海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，其特征在于，所述步骤2.3)中设置的仿真参数包括碳酸钙颗粒(13)粘度为1.6×105～1.8×105kg/m-s、碳酸钙颗粒(13)的曳力模型为Gidaspow模型、碳酸钙颗粒(13)堆积质量为35～45kg，碳酸钙颗粒(13)堆积体积为0.0260～0.0270m3、碳酸钙颗粒(13)堆积体积分数为0.6、尾气进口条件为速度进口、尾气进口速度为3～4m/s、出口条件为压力出口、雷诺数为2.8×104，气体湍流强度为3％、动量、能量解算格式为一阶迎风格式，所述迭代次数为200。
5.根据权利要求1所述的海洋工况下流化床内脱硫剂分布均匀性的动态调控方法，其特征在于，所述步骤2.2)中，当动量残差稳定且小于1×10-3，同时能量残差稳定且小于1×10-6时，仿真计算迭代完成。
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