第32卷第10期太陽(yáng)能學(xué)報(bào)Vol.32, No. 102011年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAOect.. 2011文章編號(hào): 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(yàn)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(jī)械與電氣工程學(xué)院，石河子832003; 2.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)I.程及食品科學(xué)學(xué)院，杭州310029;3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)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(shù)值模擬和流場(chǎng)對(duì)比分析,并對(duì)分別裝有這兩種供風(fēng)器的生物質(zhì)上吸式氣化爐系統(tǒng)的反應(yīng)床層溫度和產(chǎn)氣成分等氣化性能進(jìn)行測(cè)試比較。結(jié)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(bǔ)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(nèi)流場(chǎng)則均存在漩渦且風(fēng)速不均勻現(xiàn)象。氣化性能試驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)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(yīng)床層溫度顯著升高,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(jì)算流體力學(xué)(CFD);供風(fēng)器;流場(chǎng)模擬中圖分類(lèi)號(hào): TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、1.1供風(fēng)器 的結(jié)構(gòu)產(chǎn)氣熱值相對(duì)較高的特點(diǎn)，更適合于氣化技術(shù)在農(nóng)兩種供風(fēng)器的結(jié)構(gòu)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(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該氣化爐反φ25. 4mm內(nèi)徑的中心(主)供風(fēng)管和6個(gè)均布的應(yīng)物料在氣化過(guò)程易出現(xiàn)偏燒、搭橋和燒穿問(wèn)題,造φ15mm內(nèi)徑的支供風(fēng)管構(gòu)成,中心管和各支管沿軸成氣化反應(yīng)不穩(wěn)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(shè)φ3.5mm風(fēng)孔,數(shù)量分統(tǒng)的整體性能[1-3] ,導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到使用要求。供風(fēng)裝置是氣化反應(yīng)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(yīng)床層溫度的重要因素之一-。由于戶(hù)用2mm的方管折彎成內(nèi)徑300mm的圓環(huán),內(nèi)環(huán)部接有氣化爐供風(fēng)裝置側(cè)向供風(fēng)和中央送風(fēng)的結(jié)構(gòu)要求,6個(gè)142mmxφ12mm的長(zhǎng)管(圖中省略強(qiáng)度支撐結(jié)供風(fēng)面積過(guò)小，供風(fēng)與物料反應(yīng)接觸不均勻，使氣化構(gòu)),其切口與φ110mm圓相切,長(zhǎng)管間隔處又有6反應(yīng)在床層的擴(kuò)散速率和反應(yīng)深度不- -致,成為氣個(gè)50mmx012mm的短管,短管和長(zhǎng)管之間的內(nèi)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(shè)12個(gè)03.5mm的風(fēng)孔。各管均采用此,作者先后設(shè)計(jì)了梅花形供風(fēng)器(專(zhuān)利號(hào):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(hào):1.2 供風(fēng)器流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法200920164525. 3) ,以改進(jìn)供風(fēng)方式、擴(kuò)大供風(fēng)面積、1.2.1 主控方程改善物料反應(yīng)狀況,達(dá)到提高反應(yīng)區(qū)溫度、產(chǎn)氣效率供風(fēng)器內(nèi)流體對(duì)象為常溫20C和大氣壓條件及產(chǎn)氣熱值的目的。本文針對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的供風(fēng)下的空氣,根據(jù)雷諾數(shù)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(shù)值模D =21mm(以環(huán)形供風(fēng)器方管為例),空氣流速V=擬,并結(jié)合氣化試驗(yàn)對(duì)比分析這兩種供風(fēng)器對(duì)床層6m/s,運(yùn)動(dòng)粘度v=14.8x10~6 m2/s,計(jì)算得雷諾數(shù)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(nèi)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(guó)煤化工研究,本氣化收稿日期: 2010-01-19YHCNMHG基金項(xiàng)目:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2006GJS15);石河子大學(xué)自然科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(ZRKX2005028)通訊作者:王維新(1958- -), 男，教授、碩士生導(dǎo)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(bào)32卷爐供風(fēng)器內(nèi)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜,過(guò)度曲流模型方程組,并引用其有關(guān)參數(shù)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(shù)和低雷諾數(shù)下的湍流流動(dòng):分網(wǎng)格,兩實(shí)體網(wǎng)格數(shù)超過(guò)380000(見(jiàn)圖1),然后ka(1)以msh文件導(dǎo)人CFD的Fluent6.3解算器模擬計(jì)pu=-(ayeeng2) +Gk-pε算,從進(jìn)氣開(kāi)始到平衡結(jié)束持續(xù)4h,循環(huán)計(jì)算2000叫e=&(asuaBe) +號(hào)(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(shù);G;-平均速度梯度引起的湍流圖1供風(fēng)器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分動(dòng)能生成項(xiàng);n、β、C。、CI。、 C2。- -均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),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(yàn)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,氣化爐內(nèi)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(jù)文獻(xiàn)[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(yàn)測(cè)試方法,反應(yīng)區(qū)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(cè)量,與熱電偶所接的1300C量?jī)煞N供風(fēng)器的實(shí)體模型在PRO/E中造型并保程規(guī)格的TDW/XMT-121型數(shù)字顯示儀(精度0.19C)存為. stp格式文件,然后導(dǎo)人CFD的Gambit前處理讀取溫度值;空氣流量由CZQ型鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),采氣閥門(mén)研采氣袋燃料預(yù)處理區(qū)保謾層-級(jí)凈化器和二級(jí)凈化器氣化區(qū)生物質(zhì)燃?xì)庠顪囟蕊@示儀熱電偶T) 鼓風(fēng)機(jī)處理一空氣氣化劑6Q- era氣體成分調(diào)速器中國(guó)煤化工圖2氣化爐測(cè)試系統(tǒng)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(yàn)空氣流量值采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定,可燃?xì)獠捎迷囼?yàn)材料取當(dāng)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(cè)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(yàn)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(yàn)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(cè)溫點(diǎn)布置向衰減(進(jìn)風(fēng)口在右側(cè)) ,衰減最小值與進(jìn)口風(fēng)速相熱電偶測(cè)溫位置確定方法為:氣化爐穩(wěn)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(yīng)物料觀察反應(yīng)物管風(fēng)速按逆時(shí)針?lè)较蛟鰪?qiáng),逆時(shí)針0° ~ 180°區(qū)域各顏色,黑色與白灰色物料(不同反應(yīng)程度的炭顆粒)支管風(fēng)速明顯小于180° ~270°區(qū)域各支管,相差最交界處即為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)相互滲透和交錯(cuò)的大可達(dá)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(qū)的高度位置即為熱電偶測(cè)衰減,有利于供風(fēng)相互補(bǔ)充,從而形成相對(duì)均勻的供溫度的合適位置。按上述方法運(yùn)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(nèi)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(cè)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(qū)每次試驗(yàn)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(yàn)條件一3.2反應(yīng)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(xiàn)[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(yīng)溫度和產(chǎn)氣成分隨反應(yīng)時(shí)間同步。氣體試樣通過(guò)TCD檢測(cè)儀檢測(cè),分析的氣間的變化特征。采用梅花形供風(fēng)器時(shí),反應(yīng)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(wěn)階段的用時(shí)約28min,但出現(xiàn)多次供風(fēng)器測(cè)量數(shù)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(cè)量,試驗(yàn)過(guò)程中保證反應(yīng)器的密封性。964C- +728C),反應(yīng)持續(xù)時(shí)間約86min。與之相比,環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)時(shí),反應(yīng)床層溫度波動(dòng)幅度得到3結(jié)果與分析明顯平抑,反應(yīng)床層溫度提高且可在976 ~ 10219C3.1數(shù)值模擬結(jié) 果比較分析之間平穩(wěn)持續(xù)38min,但反應(yīng)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(cè)及左側(cè)3個(gè)支管的出口風(fēng)使物料反應(yīng)沿床層軸向擴(kuò)散速度快于徑向擴(kuò)散速速明顯高于另- -側(cè)(進(jìn)風(fēng)口在右側(cè)) ,各支管外側(cè)風(fēng)度,致使反應(yīng)床層厚度和面積不均勻,反應(yīng)過(guò)程處于速也均大于內(nèi)側(cè),基本呈左側(cè)強(qiáng),右側(cè)弱,中心強(qiáng),周非穩(wěn)態(tài),從而引起溫度大幅度波動(dòng)現(xiàn)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(yīng)物料接觸反應(yīng)大值5.0m/s,比進(jìn)口風(fēng)速略有降低。從圖3b和相對(duì)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(nèi)都有附體漩溫度表現(xiàn)為中國(guó)煤化工]結(jié)論- -致。渦區(qū),有較大能量耗散,勢(shì)必對(duì)風(fēng)機(jī)要求提高。|Y片CNMH G .1514陳能學(xué)報(bào)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(guó)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(yàn)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(yīng)時(shí)的平均溫 度達(dá)995. 4C ,為布朵爾反應(yīng)(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(yīng)(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(nèi)時(shí),環(huán)形供風(fēng)器供風(fēng)得到的可燃?xì)飧叻謩e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)有顯著升高,這是因?yàn)檫@進(jìn)一步說(shuō)明,環(huán)形供風(fēng)器為氣化反應(yīng)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(wěn)定反.的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。表2氣化爐不同運(yùn)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(yùn)行狀況編號(hào)供風(fēng)結(jié)構(gòu) 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(jié)論3)兩種供風(fēng)器供風(fēng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)進(jìn)- - 步1)氣化爐供風(fēng)器流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)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(nèi)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)均勻性有顯著改善,各管提供借鑒。道內(nèi)部不存在漩渦和較大能量耗散;[參考文獻(xiàn)]2)氣化爐氣化性能試驗(yàn)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(guó)煤化工system for thermal反應(yīng)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著提高,有效提高了產(chǎn)氣熱值,但持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣時(shí)間[2]劉圣勇, 張杰生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展1516太陽(yáng)能學(xué)報(bào)32卷望[J].資源節(jié)約與綜合利用, 199, (2):24- -27. .duct by three turbulent models [J]. 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Key Laboratory of Aricaluad Machinen of Xnjing Producion and Construrion Corps, Shibkai 832003, China;4. 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(guó)煤化工MHCNMH G