基于Fluent的固定床生物质气化炉冷态压力场研究

2010年11月农业机械学报第41卷第11期DOI: 10.3969/j. isn.1000-1298. 2010.11. 018基于Fluent的固定床生物质气化炉冷态压力场研究*孙宏宇'董玉平’周淑霞'董磊2景元琢”(1.山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061;2.济南百川同创实业有限公司,济南250101)[摘要]以下吸式固定床生物质气化炉物理模型为研究对象,应用流体仿真软件Fluent,对冷态气化炉在单、双层气化剂配风工况下的床层压力场进行仿真研究。通过气化炉多点测压实验,对仿真结果进行验证。利用欧拉-拉格朗日方法分析气化炉冷态流场分布特性,根据伯努利方程说明气化炉床层压力场的变化原因。结果表明,仿真与实验结果的误差值在2.5%以内,气化剂配风工况的变化改变了炉内流场,双层气化剂配风使氧化层压力场平均值为14.98kPa,高于单层配风工况.且轴向压力分布均匀。关键词:生物质气化下吸式气化炉 数值模拟 气化压力中图分类号: TK6文献标识码: A文章编号: 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气化炉实验成本的提高,和反复实验的可行性降低,引言同时在高温工况下，人员安全问题无法得到有效的生物质气化"是生物质热化学转换的关键技保证,因此,对大型气化炉模拟研究工作十分必要。术之一,在气化炉大型化以后,伴随而来的是生物质国内外学者做了大量有关气化炉数值模拟方面中国煤化工收稿日期: 2009-12-24修回日期: 2010-01 -05*山东省自然科学基金资助项目(20092RA01100)MHCNMHG作者简介:孙宏宇,博士生,主要从事生物质能开发及利用研究，E-mail:bbe-119@163.com通讯作者:董玉平,教授,博士生导师,主要从事生物质能开发及利用研究，E-mail: dongyp@ sdu. edu. en第11期孙宏宇等:基于Fluent的固定床生物质气化炉冷态压力场研究95的研究,国内的研究主要集中于煤气化工程的实验动量方程在惯性坐标系中i方向上的动量守恒和模拟分析(2-41) ,对煤气化炉温度、气化压力影响机方程为理、气化剂滞留时间对煤气化过程和燃气组分的影2(ou,) + -(pu,4)=响以及气化压力对痕量元素的迁移规律进行了分x析。在生物质气化方面,车丽娜等对上吸式气化炉p,. +pg: +F:(2)进行了建模和模拟,得出炉层高度对燃气成分和炉ax;内混合温度的影响规律[5]。Sadaka等对双相流化式中-静压应力张量床气化炉进行了数值模拟[°。高杨等使用Aspeng[一i方向上的重力体积力和外部体积Plus平台模拟流化床生物质气化制氢过程”。国外力,F包含了模型的相关源项研究下吸式生物质气化炉的文献较多,Paulof8]等对由于生物质原料孔隙不均匀,且上部有搅拌器以木材为床料的下吸式生物质气化炉的一部分 工作转动,气化剂进入炉内后运动极不规则,极不稳定,参数进行了模拟分析,得到了生物质气化参数的变每一点的速度随机变化着,因此其流态应选用湍流化对气化强度的影响。模型,本文选用标准Realizable k-ε湍流模型模拟从工业分析和元素分析来看,生物质与煤有相气相湍流运输[°。当大的区别,在研究中不能完全按照煤气化方法来1.2 网格划分进行,气化炉炉型的不同在气化过程中原料燃烧热因气化炉整体结构较复杂,为方便而准确地进解方式和配风工艺也不相同,而且国外大多仅对以行数值模拟,对气化炉作了简化处理,建模时省去了木材为床料的下吸式生物质气化炉各项工作参数进工艺上的圆角。炉体高度为2.3 m,直径为1.2 m;行了模拟分析,没有涉及到低品质秸秆床料气化炉。填料层高度 1.8m,上、下层配风管各为8个,均匀本研究针对上述问题,对产气量为780 Nm'/h水 平圆周分布,分别位于距底部2.0m和1.0m处，以稻壳为原料的下吸式固定床秸秆气化炉内部压力直径为0.05m;在Gambit建立三维实体模型,对炉场和气流场在不同配风工况条件下进行数值模拟分体和配风管分别用非结构四面体网格和六面体网格析,再经过多点测压实验验证模拟结果的可靠性,为划分,共有707595个单元网格。生物质气化炉模拟分析提供依据。1.3数值解法及 边界条件对于气固两相流冷态模拟，研究人员曾提出多.1数值模拟种方法,应用较为广泛的是混合多相模型和欧拉多1.1数学模型相模型,本文采用精度较高的欧拉-拉格朗日法处理气化炉结构简图如图1所示。气化炉反应区域多相流模拟。炉内料层可视作各向同性均匀多孔介质模型‘0],根据原料堆积密度与稻r_.空气壳自身密度关系得出填料层孔隙率为0.3,再根据120料位稻壳自身密度计算得出其当量直径为3.12mm。在多相流模拟中,将料层设置为稻壳属性填充。采用多孔介质模型来仿真料层结构,多孔介质具有粘性阻力和惯性阻力,粘性阻力为渗透率的倒数_D(3a = 150(1-8)2 .式中a---渗透率D,-- 颗粒当量直径ε一床层空 隙率图1生物质气化 炉简图惯性阻力的计算公式可以用渗透率的计算公式Fig. 1 Diagram of the biomass gasifier来表达本文采用基于有限体积法的CFD3.51-ε4)( computational fluid dynamics)商用软件Fluent进行中国煤化工计算,气化炉内的气体流动由质量、动量守恒方程描CNMHG用Fluent软件对单述。连续性方程的一般形式为[”层炉和双层炉模型进行对比模拟分析。在料层中轴°+&(pu,)=S.(1)线上自底部向上设置4层12个压力监测点,由上至下各层压力监测点基本处于干燥层热解层、氧化层96农业机械学报2010年及还原层的相应位置,其高度如图1所示,且各点的径向距离相等。各项收敛参差精度设置为10~3,达配风管到收敛时连续相及速度都达到了10-*。测压点2仿真结 果与实验验证_测压管模型选取炉侧配风管水平对吹,基于同向均匀多孔介质模型的设定,在结果云图中只取炉体正中图4气化炉及其测试点轴切面显示压力场和气流场。图2为收敛后单层配Fig.4 Gasifier and its test points风工况下料层纵向压力云图,压力集中于料层上部1/4区域;图3为双层配风工况下料层纵向压力云下的压力。实验与模拟的误差为图。从图2中看到,压力集中区域不再明显,且图1中所显示的炉体上方压力集中区域的压力值有所减σ=、会((*. -*.)?/n(5)马。式中x,实验值x___模拟值n- -测点数计算σ时剔除最大偏差,分别代人各层测得的压力数据,求得相应的绝对误差和相对误差结果,经计算得:干燥层误差为0. 12 kPa(0. 52%),热解层0.15 kPa(0.95%) ,氧化层0.16 kPa(1.18%)，还原层0.18kPa(2.47%)。氧化层、还原层误差相对较大,这是因为生物质散料在炉内分布不均匀,处于气化炉下方的床层密度较高,不能完全满足各向同性.均匀多孔介质模型。图2单层配风工况 气化炉床层压力云图对比曲线图及误差分析说明模拟压力值与实际Fig.2 Contours of static pressure in压力值相差不大。多孔介质模型可以对实际工况进single-layer air duct gasifer行仿真分析。在双层配风工况下,气化炉内部氧化层、还原层和热解层的压力高于单层管配风,而干燥层则相反，图5所示的轴向压力值曲线,在距炉排0.3~1 m处双层配风的实验和模拟曲线均位于单层配风上方，其结果与模拟结果相一致。一模拟结果(单)25。-模拟结果(双)---实验结果(单)ζ20 --镇( FEX每1图3双层配风管气化炉床层压力云图E 10Fig. 3 Contours of statie pressure indouble-layer air duct gasifier3 0.6 0.9 12 1.5 1.8应用气化炉多点测压实验验证模拟的准确性位置/m时,根据模型的监测点位置,应用美国基康公司生产图5各层压力实验值与模拟值比较曲线的4500MLP型测压管,在气化炉中对12个监测点Fig.5 Comparison of the experimental压力进行冷态检测,实验时,压力管进人以稻壳为原and simulation data料的气化炉内部0.6 m,待压力稳定以后记下数据生物质气化讨程中釘化层和还原层是产生燃并与模拟值进行比较,测压位置与图1中模拟分析气的中国煤化工为，气化过程是一一个中的测压点相对应。气化炉测压实验位置如图4所复杂:fYHCNMHG式为示。w=kAAp"-I(6)气化炉4排测压点位于实际运行炉内的4个反(RT)应层,实验值和模拟值描述了各层在不同配风条件式中w一反应速率R-一气体常数第11期孙宏宇等:基于Fluent的固定床生物质气化炉冷态压力场研究97A,一-氧气的相对浓度双层炉内气流场如图7所示。由于一部分气化A2--原料的相对浓度剂由.上层管供给,下层配风管进气量减少,料层内气T反应物的温度化剂流速趋向平均。以此推断,压力场模拟结果中在反应物浓度和反应温度-定时,气化反应速双层配风管气化炉内气化层下方压力增大的因素主率与反应区域压力的n-1次方呈正比。氧化层的要是上下配风管分流人风,降低了热分解层以下部压力提高有利于氧化反应速率的加快,在气化剂停分空气流速。使得压力值提高。留时间不变的情况下,反应过程更加完全,提高了氧化区的温度;使还原区温度升高,并且在压力增加的条件下,还原区反应速率加快,基于以上两点,根据.文献[11]所述，压力值增加,生物质燃气中可燃组分将有所提高,并且有利于降低出炉燃气的焦油含量3结果分析通过流速场分析,可研究单、双层配风工况气化炉内压力场产生变化的原因。图7双层配风管气化炉料层内部流场云图Fig.7 Contours of velocity in double-layer air duct gasifier根据伯努利方程["2],流速与压力呈反比。由图6单层炉内气流场可以看出,配风口进风速度高，且气化炉出口压力为负压,因此,气化剂风速场集中4结论于下方的热分解层和氧化还原层,干燥层区域气流(1)模拟和实验结果较为一致,最大相对误差速度较低。在2.5%以下,表明欧拉多相流模型以及多孔介质.模型相结合的方法可以计算生物质气化炉内部压力场。(2)双层配风状态下,氧化层和还原层中压力比单层配风状态提高了5 ~ 10 kPa。(3)根据反应动力学理论和温度对气化反应影响机理,间接得出氧化区和还原区压力的提高对优化燃气组分的作用。(4)基于冷静态工况进行了模拟研究,对于实图6单层配风管气化炉料层 内部流场云图际运行过程中的热态情况,可利用本研究的模拟方Fig.6 Contours of velocity in single-layer法,通过改变孔隙率及相关温度参数进行模拟,因此air duet gasifier为热态模拟过程计算模型的选择提供了依据。参考文献1吴创之,周肇秋,阴秀丽,等.我国生物质能源发展现状与思考[J].农业机械学报,2009 ,40(1):91 -99.Wu Chuangzhi, Zhou Zhaoqiu, Yin Xiuli, et al. 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