生物質(zhì)氣化爐供風(fēng)器的流場(chǎng)模擬及試驗

第32卷第10期太陽(yáng)能學(xué)報Vol.32, No. 102011年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAOect.. 2011文章編號: 0254-0096(2011 )10-1511-06生物質(zhì)氣化爐供風(fēng)器的流場(chǎng)模擬及試驗吳杰',3,車(chē)麗娜'，盛奎川",王維新'，4，楊源錡‘(1.石河子大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，石河子832003; 2.浙江大學(xué)生物系統I.程及食品科學(xué)學(xué)院，杭州310029;3.新疆生產(chǎn)建設兵團農業(yè)機械重點(diǎn)實(shí)驗室，石河子832003;4.新疆石河子市焊接協(xié)會(huì ),石河子832003)摘要:利用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對用于氣化爐供風(fēng)的梅花形和環(huán)形兩種供風(fēng)器的流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬和流場(chǎng)對比分析,并對分別裝有這兩種供風(fēng)器的生物質(zhì)上吸式氣化爐系統的反應床層溫度和產(chǎn)氣成分等氣化性能進(jìn)行測試比較。結果表明:環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),其流場(chǎng)沒(méi)有漩渦,主管風(fēng)速和各支管風(fēng)速衰減方向相逆,使供風(fēng)互補趨于均勻并形成較大的供風(fēng)平面;梅花形供風(fēng)器各管道內流場(chǎng)則均存在漩渦且風(fēng)速不均勻現象。氣化性能試驗也進(jìn)一步驗證,與梅花形供風(fēng)器相比,環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),氣化反應床層溫度顯著(zhù)升高,且溫度波動(dòng)平緩,CO和H2氣體含最也明顯提高,產(chǎn)氣熱值有效提高。說(shuō)明環(huán)形供風(fēng)器改善上吸式氣化爐的供風(fēng)均勻性以提高氣化性能是可行的。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)上吸式氣化爐;計算流體力學(xué)(CFD);供風(fēng)器;流場(chǎng)模擬中圖分類(lèi)號: TK6文獻標識碼: A0引言1供風(fēng)器的流場(chǎng)模擬固定床上吸式氣化爐具有結構簡(jiǎn)單、操作方便、1.1供風(fēng)器 的結構產(chǎn)氣熱值相對較高的特點(diǎn)，更適合于氣化技術(shù)在農兩種供風(fēng)器的結構見(jiàn)圖1,梅花形供風(fēng)器由1個(gè)村的實(shí)踐和推廣。但實(shí)際應用中發(fā)現，該氣化爐反φ25. 4mm內徑的中心(主)供風(fēng)管和6個(gè)均布的應物料在氣化過(guò)程易出現偏燒、搭橋和燒穿問(wèn)題,造φ15mm內徑的支供風(fēng)管構成,中心管和各支管沿軸成氣化反應不穩定和熱值偏低,直接影響了氣化系向等距和徑向均布分別開(kāi)設φ3.5mm風(fēng)孔,數量分統的整體性能[1-3] ,導致無(wú)法達到使用要求。供風(fēng)裝置是氣化反應器的關(guān)鍵部件,其供風(fēng)方別為42和18。環(huán)形供風(fēng)器采用25mmx25mmx式是影響反應床層溫度的重要因素之一-。由于戶(hù)用2mm的方管折彎成內徑300mm的圓環(huán),內環(huán)部接有氣化爐供風(fēng)裝置側向供風(fēng)和中央送風(fēng)的結構要求,6個(gè)142mmxφ12mm的長(cháng)管(圖中省略強度支撐結供風(fēng)面積過(guò)小，供風(fēng)與物料反應接觸不均勻，使氣化構),其切口與φ110mm圓相切,長(cháng)管間隔處又有6反應在床層的擴散速率和反應深度不- -致,成為氣個(gè)50mmx012mm的短管,短管和長(cháng)管之間的內環(huán)化爐發(fā)生偏燒、搭橋和燒穿問(wèn)題的主要原因4)。為面開(kāi)設12個(gè)03.5mm的風(fēng)孔。各管均采用此,作者先后設計了梅花形供風(fēng)器(專(zhuān)利號:0Cr25Ni20材質(zhì)可耐1050 ~ 1300高溫的管材。200620173511.4)和環(huán)形供風(fēng)器(專(zhuān)利號:1.2 供風(fēng)器流場(chǎng)的數值模擬方法200920164525. 3) ,以改進(jìn)供風(fēng)方式、擴大供風(fēng)面積、1.2.1 主控方程改善物料反應狀況,達到提高反應區溫度、產(chǎn)氣效率供風(fēng)器內流體對象為常溫20C和大氣壓條件及產(chǎn)氣熱值的目的。本文針對這兩種結構的供風(fēng)下的空氣,根據雷諾數公式R. =DV/n,取水力直徑器,采用CFD技術(shù)進(jìn)行冷態(tài)條件下的流場(chǎng)數值模D =21mm(以環(huán)形供風(fēng)器方管為例),空氣流速V=擬,并結合氣化試驗對比分析這兩種供風(fēng)器對床層6m/s,運動(dòng)粘度v=14.8x10~6 m2/s,計算得雷諾數溫度和產(chǎn)氣的影響和效果,以獲得提高上吸式生物R.=8513.5>2000,故供風(fēng)管道內流體動(dòng)態(tài)為湍質(zhì)氣化爐氣化性能的有效方法。流。參考文甫中國煤化工研究,本氣化收稿日期: 2010-01-19YHCNMHG基金項目:新疆生產(chǎn)建設兵團高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(2006GJS15);石河子大學(xué)自然科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新項目(ZRKX2005028)通訊作者:王維新(1958- -), 男，教授、碩士生導師，主要從事戶(hù)用生物質(zhì)氣化爐技術(shù)方面的研究。wwx. .mac@ shzu. edu. cn1512太陳能學(xué)報32卷爐供風(fēng)器內空氣的多維流場(chǎng)模擬可采用RNG k-e湍器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于實(shí)體表面結構較復雜,過(guò)度曲流模型方程組,并引用其有關(guān)參數值,該方程可同時(shí)面較多,為保證分析精度,采用四面體( Tetrahedra)劃適于高雷諾數和低雷諾數下的湍流流動(dòng):分網(wǎng)格,兩實(shí)體網(wǎng)格數超過(guò)380000(見(jiàn)圖1),然后ka(1)以msh文件導人CFD的Fluent6.3解算器模擬計pu=-(ayeeng2) +Gk-pε算,從進(jìn)氣開(kāi)始到平衡結束持續4h,循環(huán)計算2000叫e=&(asuaBe) +號(Ci。G.-Cipe) (2)多次。Ciz =C2。+Cp∞m°(1-η/no)(3)1 +βn’η= Sk/&, S= (2SjS;)"2V-s,=氣(凱+凱)(5)式中,，u,--流體平均流速;ak, a.- -k,e 方向a.梅花形供風(fēng)器b.環(huán)形供風(fēng)器的有效Prandtl數;G;-平均速度梯度引起的湍流圖1供風(fēng)器結構及網(wǎng)格劃分動(dòng)能生成項;n、β、C。、CI。、 C2。- -均為經(jīng)驗常數,Fig. 1 Structural patterm of supply air unis and their gridsηo=4.38,β=0.012，C =0. 0845, Cr。=1. 42,C2e=1.68, ak =c, =0. 7194。2氣化性能試驗1.2.2邊界條件進(jìn)口條件:進(jìn)風(fēng)速度為6m/s,方向垂直于人口2.1試驗裝置截面,溫度保持在293K;出口條件:出風(fēng)口處的切向本試驗系統如圖2所示,氣化爐內徑與高度為.速度與法向速度的分量在法向上的梯度均為零;壁φ440mm x 900mm。根據文獻[7]關(guān)于固定床氣化面條件:固體壁面上采用無(wú)滑移條件。爐的氣化試驗測試方法,反應區溫度采用WRN2301.2.3網(wǎng)格 劃分和流場(chǎng)模擬[型鎳鉻鎳硅熱電偶測量,與熱電偶所接的1300C量?jì)煞N供風(fēng)器的實(shí)體模型在PRO/E中造型并保程規格的TDW/XMT-121型數字顯示儀(精度0.19C)存為. stp格式文件,然后導人CFD的Gambit前處理讀取溫度值;空氣流量由CZQ型鼓風(fēng)機轉速調節,采氣閥門(mén)研采氣袋燃料預處理區保謾層-級凈化器和二級凈化器氣化區生物質(zhì)燃氣灶溫度顯示儀熱電偶T) 鼓風(fēng)機處理一空氣氣化劑6Q- era氣體成分調速器中國煤化工圖2氣化爐測試系統示意圖MHCNM HGFig.2 Schematic diagram of the experimental set up10期.吳杰等: 生物質(zhì)氣化爐供風(fēng)器的流場(chǎng)模擬及試驗空氣流量值采用玻璃轉子流量計測定,可燃氣采用試驗材料取當年11月份棉花成熟后收獲的棉專(zhuān)用氣閥密封的4L采氣袋采集,并通過(guò)島津CC5A稈( 新疆矮密早品種),剔除殘余棉絮和鈴殼,自然型TCD檢測器進(jìn)行氣相色譜分析。干燥后粉碎篩分,使物料粒度分布為10 ~ 25mm,其2.2試驗物料原料的工業(yè)成分分析和元素分析見(jiàn)表1。表1棉稈原料的工業(yè)成分分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of cotton stalk工業(yè)成分分析(干基)/%元素分析(干基)/% .含水率(濕基)灰分揮發(fā)分固定碳[C][H}[0][N][S]6.7868.5420.7141.265.59.0.202.3試驗方法與圖3相比,圖4a顯示,主管風(fēng)速沿逆時(shí)針?lè )?.3.1熱電偶測溫點(diǎn)布置向衰減(進(jìn)風(fēng)口在右側) ,衰減最小值與進(jìn)口風(fēng)速相熱電偶測溫位置確定方法為:氣化爐穩定產(chǎn)氣差不大;各支管出口風(fēng)速明顯弱于主管風(fēng)速,但各支約1h后,封火24h,清膛取出反應物料觀(guān)察反應物管風(fēng)速按逆時(shí)針?lè )较蛟鰪?逆時(shí)針0° ~ 180°區域各顏色,黑色與白灰色物料(不同反應程度的炭顆粒)支管風(fēng)速明顯小于180° ~270°區域各支管,相差最交界處即為氧化反應和還原反應相互滲透和交錯的大可達5.0m/s。由于主管和支管風(fēng)速沿不同方向位置'4),由此確定氣化區的高度位置即為熱電偶測衰減,有利于供風(fēng)相互補充,從而形成相對均勻的供溫度的合適位置。按上述方法運行3次(每次清風(fēng)平面。圖4b和圖4c顯示,環(huán)形供風(fēng)管道內部氣膛) ,取平均值630mm(距爐頂高度)。流未產(chǎn)生漩渦,各管路出口空氣均沿切線(xiàn)方向流動(dòng)，2.3.3測試步驟能量耗散很小,有利于形成較大截面的圓形供風(fēng)區每次試驗清膛后,物料填料量為7.5kg,壓實(shí)至域。距爐頂相同高度,冷態(tài)啟動(dòng),保證其余試驗條件一3.2反應床層 溫度變化特征及產(chǎn)氣成分比較分析致;每隔2min記錄溫度值,并參照文獻[8]的采樣圖5分別為梅花形和環(huán)形2種供風(fēng)器供風(fēng)流量方法,采樣時(shí)間間隔4min,與溫度間隔4min記錄時(shí)為55L/min時(shí),床層反應溫度和產(chǎn)氣成分隨反應時(shí)間同步。氣體試樣通過(guò)TCD檢測儀檢測,分析的氣間的變化特征。采用梅花形供風(fēng)器時(shí),反應床層溫體主要為O2、CO2.CO、H2和CH。首先安裝梅花形度升到較為平穩階段的用時(shí)約28min,但出現多次供風(fēng)器測量數次,隨后將其更換為環(huán)形供風(fēng)器,進(jìn)行較大幅度波動(dòng),而且有一次陡升陡降(7429C→等量測量,試驗過(guò)程中保證反應器的密封性。964C- +728C),反應持續時(shí)間約86min。與之相比,環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),反應床層溫度波動(dòng)幅度得到3結果與分析明顯平抑,反應床層溫度提高且可在976 ~ 10219C3.1數值模擬結 果比較分析之間平穩持續38min,但反應時(shí)間明顯縮短(僅圖3和圖4為兩種供風(fēng)器在相同流量時(shí)流場(chǎng)模60min)。由上述流場(chǎng)模擬分析可知,梅花形供風(fēng)器擬的速度云圖、速度矢量圖和流場(chǎng)軌跡圖。由圖3a供風(fēng)不均勻可能使局部氧氣濃度過(guò)高而劇燃,并促可知，供風(fēng)器中心管左側及左側3個(gè)支管的出口風(fēng)使物料反應沿床層軸向擴散速度快于徑向擴散速速明顯高于另- -側(進(jìn)風(fēng)口在右側) ,各支管外側風(fēng)度,致使反應床層厚度和面積不均勻,反應過(guò)程處于速也均大于內側,基本呈左側強,右側弱,中心強,周非穩態(tài),從而引起溫度大幅度波動(dòng)現象。而環(huán)形供邊弱的特征,供風(fēng)不均勻性很明顯。出口風(fēng)速的最風(fēng)器因其供風(fēng)平面較大,空氣與反應物料接觸反應大值5.0m/s,比進(jìn)口風(fēng)速略有降低。從圖3b和相對均勻,有助于創(chuàng )造“熱均質(zhì)氣化”環(huán)境,故床層圖3c可看出氣流貼壁上行,在各管壁內都有附體漩溫度表現為中國煤化工]結論- -致。渦區,有較大能量耗散,勢必對風(fēng)機要求提高。|Y片CNMH G .1514陳能學(xué)報32卷| 8.01e+00| 9.43e+008.49e+008.02e+008leto6 .01e+00 .7.072+005.61e+006.60e+006.13e+005.66e+004.40e+005.19e+004.00e+004.72e+003 20e4003.77e+002. .80e+003.30e+002.40e+002.83e+002.00e+001.89e+001.20e+003etoo4.00 OIY山0.00e+00a.速度云圖8.77e+00I 1.01e+019.60e+007.90e+007.46c+008.09e+00703e+00" 7.58e+006.16e+007.08e+00| 6.57e+005.72e+006.07e+004.42e+00455e+00 :354e4004.05e+003.11e+003.04e+002.67e+002 ,24e+002.53e+00i 58t001.37e+008.03e-036.02e-02b.速度矢量圖8.01e+00| 1.01e+019-39e+O07.21e+008. 58e+00681e+008.08e+00' 6.01e+007.57e+007.07e+005.21e+001 6.56e+006.06e+005 05e+003. 60e+004.54e+003.20e+004.04e+003.80e+003.53e+002 40e+003.03e+002.52e+001.60e+001. 51e+00.1.01e+00c.流場(chǎng)軌跡圖3梅花形供風(fēng)器圖4環(huán)形供風(fēng)器Fig.3 Six-petal shaped air supply unitFig.4 Tourus-shaped air supply unit中國煤化工MHCNMH G10期吳杰等: 生物質(zhì)氣化爐供風(fēng)器的流場(chǎng)模擬及試驗1515一-T 十C01200七T ]35+02 +C0225+ H21000+ CH。 20士CO1280050000[00040020010 3007090110130206080 100時(shí)間/mina梅花形供風(fēng)器b.環(huán)形供風(fēng)器圖5兩種供風(fēng)器 在空氣流量為55L/min時(shí)產(chǎn)氣成分隨時(shí)間和床層溫度的變化Fig.5 Changes of the gas componenta versus gasification process temperature and time with air-Alow rate equal to 55L/min從棉稈氣化過(guò)程中CO、H2和CH,的變化來(lái)看，應時(shí)的平均溫 度達995. 4C ,為布朵爾反應(CO2 +梅花形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),CO、H2和CH,平均含量分別C-→2C0)和水煤氣反應(C+H2O→+CO+H2,C +為12.0%、1. 77%和1.32%,最高分別為15. 8%、2H20- +CO2 +2H2 )分別制取CO和H2創(chuàng )造了有利4. 28%和2.39% ;而環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),CO、H2和的溫度條件(.8。 由表2也可看出,空氣流量在38 ~CH,平均含量分別為22.5%、6.41%和1. 34%,最80L/min范圍內時(shí),環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)得到的可燃氣高分別為27. 7% .13.38%和2.64%。顯然,CO和低位熱值最高值比梅花形供風(fēng)器提高7% ~ 33%，H2含量在環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí)有顯著(zhù)升高,這是因為這進(jìn)一步說(shuō)明,環(huán)形供風(fēng)器為氣化反應營(yíng)造了有利環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)使床層溫度明顯升高,床層穩定反.的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。表2氣化爐不同運行條件及低位熱值最高時(shí)的產(chǎn)氣含l(棉稈物料粒度10 ~ 25mm,填料t7.5kg)Table 2 Operation conditions and gas composition at maximum value of lower heating value on the gasification ofcotton stalk pellets 10-25mm, mass of charge 7. 5kg運行狀況編號供風(fēng)結構 空氣流量/L. min-'最高低位熱值/kJ.m- CO/% CO2/% H2/% CH./%梅花形383171.6114.511.85.722.032553522.6315.710.97.312.1130.4978. 2526.512.78.092.13環(huán)形4729. 5324.911.37.692. 125030.2226. 810.18.522.04805262.0929.113. 49.07明顯縮短;4結論3)兩種供風(fēng)器供風(fēng)的數值模擬和試驗進(jìn)- - 步1)氣化爐供風(fēng)器流場(chǎng)的數值模擬結果表明,梅說(shuō)明,環(huán)形供風(fēng)器使氣化爐的供風(fēng)均勻性得到有效花形供風(fēng)器供風(fēng)不均勻,各管道內部存在漩渦,能量改善,可為今后生物質(zhì)上吸式氣化爐提高氣化性能耗散較大;環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)均勻性有顯著(zhù)改善,各管提供借鑒。道內部不存在漩渦和較大能量耗散;[參考文獻]2)氣化爐氣化性能試驗說(shuō)明,環(huán)形和梅花形兩種供風(fēng)器在相同條件下分別供風(fēng)時(shí),環(huán)形供風(fēng)器的[1] Mandm 硝7中國煤化工system for thermal反應床層升溫快且最高溫度得到明顯提升,床層溫aplicYHCNMH G; Point, 2007, 53:度波幅也較小,氣化爐產(chǎn)氣成分中CO和H2含量顯7--1著(zhù)提高,有效提高了產(chǎn)氣熱值,但持續穩定產(chǎn)氣時(shí)間[2]劉圣勇, 張杰生物質(zhì)氣化技術(shù)現狀及應用前景展1516太陽(yáng)能學(xué)報32卷望[J].資源節約與綜合利用, 199, (2):24- -27. .duct by three turbulent models [J]. 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Shihei Wwelding Asciation, Shei 83203, China)Abstract: The computational fluid dynamics (CFD) technology was aplied to simulate and analye the flow feldin a six-petal shaped and a torus- shaped (square section) air supply unit designed for biomass updraft gasifer,respecively. Also, the temperature changes and gas componets of gaifcation bed during the gaifcaion processfor two air supply modes were compared. Numerical simulations showed that there was no vortex in the flow field oftorus-shaped air supply unit compared with the six-petal shaped unit. The torus shaped unit could provide rlaivelyuniform flow contacting with materials in large area in contrast to the six petal shaped unit. The experimental resultsshowed that the temperature of gaifcation bed increased sgifianl, fuctuations in bed temperatre werespressed, and the formation of H2 and CO also significant increased resuling in the increaee of lower heatingvalue of gasified gases when the torus- shaped unit supplied air. These indicate that the torus- shaped air supply unitcan increase air supply area and amend flow unifrmity to improve gaifcaion performance.Keywords: biomass updraft gasifier; compuational fluid dynamice( CFD); air supply unit; flow field simulation .中國煤化工MHCNMH G