基于Fluent的固定床生物質(zhì)氣化爐冷態(tài)壓力場(chǎng)研究

2010年11月農業(yè)機械學(xué)報第41卷第11期DOI: 10.3969/j. isn.1000-1298. 2010.11. 018基于Fluent的固定床生物質(zhì)氣化爐冷態(tài)壓力場(chǎng)研究*孫宏宇'董玉平’周淑霞'董磊2景元琢”(1.山東大學(xué)高效潔凈機械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，濟南250061;2.濟南百川同創(chuàng )實(shí)業(yè)有限公司,濟南250101)[摘要]以下吸式固定床生物質(zhì)氣化爐物理模型為研究對象,應用流體仿真軟件Fluent,對冷態(tài)氣化爐在單、雙層氣化劑配風(fēng)工況下的床層壓力場(chǎng)進(jìn)行仿真研究。通過(guò)氣化爐多點(diǎn)測壓實(shí)驗,對仿真結果進(jìn)行驗證。利用歐拉-拉格朗日方法分析氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)分布特性,根據伯努利方程說(shuō)明氣化爐床層壓力場(chǎng)的變化原因。結果表明,仿真與實(shí)驗結果的誤差值在2.5%以?xún)?氣化劑配風(fēng)工況的變化改變了爐內流場(chǎng),雙層氣化劑配風(fēng)使氧化層壓力場(chǎng)平均值為14.98kPa,高于單層配風(fēng)工況.且軸向壓力分布均勻。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化下吸式氣化爐 數值模擬 氣化壓力中圖分類(lèi)號: TK6文獻標識碼: A文章編號: 1000-1298(2010)11 0094-04Analysis of Fixed-bed Biomass Gasifier Cold InternalPressure Field Based on FluentSun Hongyu' Dong Yuping'Zhou Shuxia' Dong Lei? Jing Yuanzhuo2(1. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacure，Ministry of Education, Shandong University ,Ji'nan 250061, China 2. Ji'nan Baichuan Tongchuang Company lsd. , Ji'nan 250101, China)AbstractTaking the physical model of downdraft biomass gasifier as the research object, fluid simulationsoftware Fluent was used, the pressure field of the gasifier that in the condition of single-layer air-distribution and double-layer air-distribution was comparatively analyzed. By means of multi-pointpressure measurement experiment, the simulation results were verified. The Euler - Lagrange model wasused to analyze the cold characteristics flow field distribution of gasification. The reason of diversificationin pressure field by Bernoulli's equation was discussed. The results showed that the deviation value ofsimulation and experimental results was under 2. 5% . Different air-distribution condition should lead tothe changes of flow field in biomass gasifier. Double-layer air-distribution condition made the averagepressure in oxidation area of 14. 98 kPa, higher than that in the condition of single air distribution. Andalso the axial direction pressure distributed equally.Key words Biomass gasification ，Downdraft gasifier, Numerical simulation , Gasification pressure氣化爐實(shí)驗成本的提高,和反復實(shí)驗的可行性降低,引言同時(shí)在高溫工況下，人員安全問(wèn)題無(wú)法得到有效的生物質(zhì)氣化"是生物質(zhì)熱化學(xué)轉換的關(guān)鍵技保證,因此,對大型氣化爐模擬研究工作十分必要。術(shù)之一,在氣化爐大型化以后,伴隨而來(lái)的是生物質(zhì)國內外學(xué)者做了大量有關(guān)氣化爐數值模擬方面中國煤化工收稿日期: 2009-12-24修回日期: 2010-01 -05*山東省自然科學(xué)基金資助項目(20092RA01100)MHCNMHG作者簡(jiǎn)介:孫宏宇,博士生,主要從事生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)及利用研究，E-mail:bbe-119@163.com通訊作者:董玉平,教授,博士生導師,主要從事生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)及利用研究，E-mail: dongyp@ sdu. edu. en第11期孫宏宇等:基于Fluent的固定床生物質(zhì)氣化爐冷態(tài)壓力場(chǎng)研究95的研究,國內的研究主要集中于煤氣化工程的實(shí)驗動(dòng)量方程在慣性坐標系中i方向上的動(dòng)量守恒和模擬分析(2-41) ,對煤氣化爐溫度、氣化壓力影響機方程為理、氣化劑滯留時(shí)間對煤氣化過(guò)程和燃氣組分的影2(ou,) + -(pu,4)=響以及氣化壓力對痕量元素的遷移規律進(jìn)行了分x析。在生物質(zhì)氣化方面,車(chē)麗娜等對上吸式氣化爐p,. +pg: +F:(2)進(jìn)行了建模和模擬,得出爐層高度對燃氣成分和爐ax;內混合溫度的影響規律[5]。Sadaka等對雙相流化式中-靜壓應力張量床氣化爐進(jìn)行了數值模擬[°。高楊等使用Aspeng[一i方向上的重力體積力和外部體積Plus平臺模擬流化床生物質(zhì)氣化制氫過(guò)程”。國外力,F包含了模型的相關(guān)源項研究下吸式生物質(zhì)氣化爐的文獻較多,Paulof8]等對由于生物質(zhì)原料孔隙不均勻,且上部有攪拌器以木材為床料的下吸式生物質(zhì)氣化爐的一部分 工作轉動(dòng),氣化劑進(jìn)入爐內后運動(dòng)極不規則,極不穩定,參數進(jìn)行了模擬分析,得到了生物質(zhì)氣化參數的變每一點(diǎn)的速度隨機變化著(zhù),因此其流態(tài)應選用湍流化對氣化強度的影響。模型,本文選用標準Realizable k-ε湍流模型模擬從工業(yè)分析和元素分析來(lái)看,生物質(zhì)與煤有相氣相湍流運輸[°。當大的區別,在研究中不能完全按照煤氣化方法來(lái)1.2 網(wǎng)格劃分進(jìn)行,氣化爐爐型的不同在氣化過(guò)程中原料燃燒熱因氣化爐整體結構較復雜,為方便而準確地進(jìn)解方式和配風(fēng)工藝也不相同,而且國外大多僅對以行數值模擬,對氣化爐作了簡(jiǎn)化處理,建模時(shí)省去了木材為床料的下吸式生物質(zhì)氣化爐各項工作參數進(jìn)工藝上的圓角。爐體高度為2.3 m,直徑為1.2 m;行了模擬分析,沒(méi)有涉及到低品質(zhì)秸稈床料氣化爐。填料層高度 1.8m,上、下層配風(fēng)管各為8個(gè),均勻本研究針對上述問(wèn)題,對產(chǎn)氣量為780 Nm'/h水 平圓周分布,分別位于距底部2.0m和1.0m處，以稻殼為原料的下吸式固定床秸稈氣化爐內部壓力直徑為0.05m;在Gambit建立三維實(shí)體模型,對爐場(chǎng)和氣流場(chǎng)在不同配風(fēng)工況條件下進(jìn)行數值模擬分體和配風(fēng)管分別用非結構四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格析,再經(jīng)過(guò)多點(diǎn)測壓實(shí)驗驗證模擬結果的可靠性,為劃分,共有707595個(gè)單元網(wǎng)格。生物質(zhì)氣化爐模擬分析提供依據。1.3數值解法及 邊界條件對于氣固兩相流冷態(tài)模擬，研究人員曾提出多.1數值模擬種方法,應用較為廣泛的是混合多相模型和歐拉多1.1數學(xué)模型相模型,本文采用精度較高的歐拉-拉格朗日法處理氣化爐結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。氣化爐反應區域多相流模擬。爐內料層可視作各向同性均勻多孔介質(zhì)模型‘0],根據原料堆積密度與稻r_.空氣殼自身密度關(guān)系得出填料層孔隙率為0.3,再根據120料位稻殼自身密度計算得出其當量直徑為3.12mm。在多相流模擬中,將料層設置為稻殼屬性填充。采用多孔介質(zhì)模型來(lái)仿真料層結構,多孔介質(zhì)具有粘性阻力和慣性阻力,粘性阻力為滲透率的倒數_D(3a = 150(1-8)2 .式中a---滲透率D,-- 顆粒當量直徑ε一床層空 隙率圖1生物質(zhì)氣化 爐簡(jiǎn)圖慣性阻力的計算公式可以用滲透率的計算公式Fig. 1 Diagram of the biomass gasifier來(lái)表達本文采用基于有限體積法的CFD3.51-ε4)( computational fluid dynamics)商用軟件Fluent進(jìn)行中國煤化工計算,氣化爐內的氣體流動(dòng)由質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程描CNMHG用Fluent軟件對單述。連續性方程的一般形式為[”層爐和雙層爐模型進(jìn)行對比模擬分析。在料層中軸°+&(pu,)=S.(1)線(xiàn)上自底部向上設置4層12個(gè)壓力監測點(diǎn),由上至下各層壓力監測點(diǎn)基本處于干燥層熱解層、氧化層96農業(yè)機械學(xué)報2010年及還原層的相應位置,其高度如圖1所示,且各點(diǎn)的徑向距離相等。各項收斂參差精度設置為10~3,達配風(fēng)管到收斂時(shí)連續相及速度都達到了10-*。測壓點(diǎn)2仿真結 果與實(shí)驗驗證_測壓管模型選取爐側配風(fēng)管水平對吹,基于同向均勻多孔介質(zhì)模型的設定,在結果云圖中只取爐體正中圖4氣化爐及其測試點(diǎn)軸切面顯示壓力場(chǎng)和氣流場(chǎng)。圖2為收斂后單層配Fig.4 Gasifier and its test points風(fēng)工況下料層縱向壓力云圖,壓力集中于料層上部1/4區域;圖3為雙層配風(fēng)工況下料層縱向壓力云下的壓力。實(shí)驗與模擬的誤差為圖。從圖2中看到,壓力集中區域不再明顯,且圖1中所顯示的爐體上方壓力集中區域的壓力值有所減σ=、會(huì )((*. -*.)?/n(5)馬。式中x,實(shí)驗值x___模擬值n- -測點(diǎn)數計算σ時(shí)剔除最大偏差,分別代人各層測得的壓力數據,求得相應的絕對誤差和相對誤差結果,經(jīng)計算得:干燥層誤差為0. 12 kPa(0. 52%),熱解層0.15 kPa(0.95%) ,氧化層0.16 kPa(1.18%)，還原層0.18kPa(2.47%)。氧化層、還原層誤差相對較大,這是因為生物質(zhì)散料在爐內分布不均勻,處于氣化爐下方的床層密度較高,不能完全滿(mǎn)足各向同性.均勻多孔介質(zhì)模型。圖2單層配風(fēng)工況 氣化爐床層壓力云圖對比曲線(xiàn)圖及誤差分析說(shuō)明模擬壓力值與實(shí)際Fig.2 Contours of static pressure in壓力值相差不大。多孔介質(zhì)模型可以對實(shí)際工況進(jìn)single-layer air duct gasifer行仿真分析。在雙層配風(fēng)工況下,氣化爐內部氧化層、還原層和熱解層的壓力高于單層管配風(fēng),而干燥層則相反，圖5所示的軸向壓力值曲線(xiàn),在距爐排0.3~1 m處雙層配風(fēng)的實(shí)驗和模擬曲線(xiàn)均位于單層配風(fēng)上方，其結果與模擬結果相一致。一模擬結果(單)25。-模擬結果(雙)---實(shí)驗結果(單)ζ20 --鎮( FEX每1圖3雙層配風(fēng)管氣化爐床層壓力云圖E 10Fig. 3 Contours of statie pressure indouble-layer air duct gasifier3 0.6 0.9 12 1.5 1.8應用氣化爐多點(diǎn)測壓實(shí)驗驗證模擬的準確性位置/m時(shí),根據模型的監測點(diǎn)位置,應用美國基康公司生產(chǎn)圖5各層壓力實(shí)驗值與模擬值比較曲線(xiàn)的4500MLP型測壓管,在氣化爐中對12個(gè)監測點(diǎn)Fig.5 Comparison of the experimental壓力進(jìn)行冷態(tài)檢測,實(shí)驗時(shí),壓力管進(jìn)人以稻殼為原and simulation data料的氣化爐內部0.6 m,待壓力穩定以后記下數據生物質(zhì)氣化討程中釘化層和還原層是產(chǎn)生燃并與模擬值進(jìn)行比較,測壓位置與圖1中模擬分析氣的中國煤化工為，氣化過(guò)程是一一個(gè)中的測壓點(diǎn)相對應。氣化爐測壓實(shí)驗位置如圖4所復雜:fYHCNMHG式為示。w=kAAp"-I(6)氣化爐4排測壓點(diǎn)位于實(shí)際運行爐內的4個(gè)反(RT)應層,實(shí)驗值和模擬值描述了各層在不同配風(fēng)條件式中w一反應速率R-一氣體常數第11期孫宏宇等:基于Fluent的固定床生物質(zhì)氣化爐冷態(tài)壓力場(chǎng)研究97A,一-氧氣的相對濃度雙層爐內氣流場(chǎng)如圖7所示。由于一部分氣化A2--原料的相對濃度劑由.上層管供給,下層配風(fēng)管進(jìn)氣量減少,料層內氣T反應物的溫度化劑流速趨向平均。以此推斷,壓力場(chǎng)模擬結果中在反應物濃度和反應溫度-定時(shí),氣化反應速雙層配風(fēng)管氣化爐內氣化層下方壓力增大的因素主率與反應區域壓力的n-1次方呈正比。氧化層的要是上下配風(fēng)管分流人風(fēng),降低了熱分解層以下部壓力提高有利于氧化反應速率的加快,在氣化劑停分空氣流速。使得壓力值提高。留時(shí)間不變的情況下,反應過(guò)程更加完全,提高了氧化區的溫度;使還原區溫度升高,并且在壓力增加的條件下,還原區反應速率加快,基于以上兩點(diǎn),根據.文獻[11]所述，壓力值增加,生物質(zhì)燃氣中可燃組分將有所提高,并且有利于降低出爐燃氣的焦油含量3結果分析通過(guò)流速場(chǎng)分析,可研究單、雙層配風(fēng)工況氣化爐內壓力場(chǎng)產(chǎn)生變化的原因。圖7雙層配風(fēng)管氣化爐料層內部流場(chǎng)云圖Fig.7 Contours of velocity in double-layer air duct gasifier根據伯努利方程["2],流速與壓力呈反比。由圖6單層爐內氣流場(chǎng)可以看出,配風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度高，且氣化爐出口壓力為負壓,因此,氣化劑風(fēng)速場(chǎng)集中4結論于下方的熱分解層和氧化還原層,干燥層區域氣流(1)模擬和實(shí)驗結果較為一致,最大相對誤差速度較低。在2.5%以下,表明歐拉多相流模型以及多孔介質(zhì).模型相結合的方法可以計算生物質(zhì)氣化爐內部壓力場(chǎng)。(2)雙層配風(fēng)狀態(tài)下,氧化層和還原層中壓力比單層配風(fēng)狀態(tài)提高了5 ~ 10 kPa。(3)根據反應動(dòng)力學(xué)理論和溫度對氣化反應影響機理,間接得出氧化區和還原區壓力的提高對優(yōu)化燃氣組分的作用。(4)基于冷靜態(tài)工況進(jìn)行了模擬研究,對于實(shí)圖6單層配風(fēng)管氣化爐料層 內部流場(chǎng)云圖際運行過(guò)程中的熱態(tài)情況,可利用本研究的模擬方Fig.6 Contours of velocity in single-layer法,通過(guò)改變孔隙率及相關(guān)溫度參數進(jìn)行模擬,因此air duet gasifier為熱態(tài)模擬過(guò)程計算模型的選擇提供了依據。參考文獻1吳創(chuàng )之,周肇秋,陰秀麗,等.我國生物質(zhì)能源發(fā)展現狀與思考[J].農業(yè)機械學(xué)報,2009 ,40(1):91 -99.Wu Chuangzhi, Zhou Zhaoqiu, Yin Xiuli, et al. 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