生物质气化炉供风器的流场模拟及试验

第32卷第10期太阳能学报Vol.32, No. 102011年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAOect.. 2011文章编号: 0254-0096(2011 )10-1511-06生物质气化炉供风器的流场模拟及试验吴杰',3,车丽娜'，盛奎川",王维新'，4，杨源錡‘(1.石河子大学机械与电气工程学院，石河子832003; 2.浙江大学生物系统I.程及食品科学学院，杭州310029;3.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室，石河子832003;4.新疆石河子市焊接协会,石河子832003)摘要:利用计算流体力学(CFD)技术对用于气化炉供风的梅花形和环形两种供风器的流场进行数值模拟和流场对比分析,并对分别装有这两种供风器的生物质上吸式气化炉系统的反应床层温度和产气成分等气化性能进行测试比较。结果表明:环形供风器供风时,其流场没有漩涡,主管风速和各支管风速衰减方向相逆,使供风互补趋于均匀并形成较大的供风平面;梅花形供风器各管道内流场则均存在漩涡且风速不均匀现象。气化性能试验也进一步验证,与梅花形供风器相比,环形供风器供风时,气化反应床层温度显著升高,且温度波动平缓,CO和H2气体含最也明显提高,产气热值有效提高。说明环形供风器改善上吸式气化炉的供风均匀性以提高气化性能是可行的。关键词:生物质上吸式气化炉;计算流体力学(CFD);供风器;流场模拟中图分类号: TK6文献标识码: A0引言1供风器的流场模拟固定床上吸式气化炉具有结构简单、操作方便、1.1供风器 的结构产气热值相对较高的特点，更适合于气化技术在农两种供风器的结构见图1,梅花形供风器由1个村的实践和推广。但实际应用中发现，该气化炉反φ25. 4mm内径的中心(主)供风管和6个均布的应物料在气化过程易出现偏烧、搭桥和烧穿问题,造φ15mm内径的支供风管构成,中心管和各支管沿轴成气化反应不稳定和热值偏低,直接影响了气化系向等距和径向均布分别开设φ3.5mm风孔,数量分统的整体性能[1-3] ,导致无法达到使用要求。供风装置是气化反应器的关键部件,其供风方别为42和18。环形供风器采用25mmx25mmx式是影响反应床层温度的重要因素之一-。由于户用2mm的方管折弯成内径300mm的圆环,内环部接有气化炉供风装置侧向供风和中央送风的结构要求,6个142mmxφ12mm的长管(图中省略强度支撑结供风面积过小，供风与物料反应接触不均匀，使气化构),其切口与φ110mm圆相切,长管间隔处又有6反应在床层的扩散速率和反应深度不- -致,成为气个50mmx012mm的短管,短管和长管之间的内环化炉发生偏烧、搭桥和烧穿问题的主要原因4)。为面开设12个03.5mm的风孔。各管均采用此,作者先后设计了梅花形供风器(专利号:0Cr25Ni20材质可耐1050 ~ 1300高温的管材。200620173511.4)和环形供风器(专利号:1.2 供风器流场的数值模拟方法200920164525. 3) ,以改进供风方式、扩大供风面积、1.2.1 主控方程改善物料反应状况,达到提高反应区温度、产气效率供风器内流体对象为常温20C和大气压条件及产气热值的目的。本文针对这两种结构的供风下的空气,根据雷诺数公式R. =DV/n,取水力直径器,采用CFD技术进行冷态条件下的流场数值模D =21mm(以环形供风器方管为例),空气流速V=拟,并结合气化试验对比分析这两种供风器对床层6m/s,运动粘度v=14.8x10~6 m2/s,计算得雷诺数温度和产气的影响和效果,以获得提高上吸式生物R.=8513.5>2000,故供风管道内流体动态为湍质气化炉气化性能的有效方法。流。参考文甫中国煤化工研究,本气化收稿日期: 2010-01-19YHCNMHG基金项目:新疆生产建设兵团高新技术研究发展计划(2006GJS15);石河子大学自然科学与技术创新项目(ZRKX2005028)通讯作者:王维新(1958- -), 男，教授、硕士生导师，主要从事户用生物质气化炉技术方面的研究。wwx. .mac@ shzu. edu. cn1512太陈能学报32卷炉供风器内空气的多维流场模拟可采用RNG k-e湍器进行网格划分。由于实体表面结构较复杂,过度曲流模型方程组,并引用其有关参数值,该方程可同时面较多,为保证分析精度,采用四面体( Tetrahedra)划适于高雷诺数和低雷诺数下的湍流流动:分网格,两实体网格数超过380000(见图1),然后ka(1)以msh文件导人CFD的Fluent6.3解算器模拟计pu=-(ayeeng2) +Gk-pε算,从进气开始到平衡结束持续4h,循环计算2000叫e=&(asuaBe) +号(Ci。G.-Cipe) (2)多次。Ciz =C2。+Cp∞m°(1-η/no)(3)1 +βn’η= Sk/&, S= (2SjS;)"2V-s,=气(凯+凯)(5)式中,，u,--流体平均流速;ak, a.- -k,e 方向a.梅花形供风器b.环形供风器的有效Prandtl数;G;-平均速度梯度引起的湍流图1供风器结构及网格划分动能生成项;n、β、C。、CI。、 C2。- -均为经验常数,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气化性能试验1.2.2边界条件进口条件:进风速度为6m/s,方向垂直于人口2.1试验装置截面,温度保持在293K;出口条件:出风口处的切向本试验系统如图2所示,气化炉内径与高度为.速度与法向速度的分量在法向上的梯度均为零;壁φ440mm x 900mm。根据文献[7]关于固定床气化面条件:固体壁面上采用无滑移条件。炉的气化试验测试方法,反应区温度采用WRN2301.2.3网格 划分和流场模拟[型镍铬镍硅热电偶测量,与热电偶所接的1300C量两种供风器的实体模型在PRO/E中造型并保程规格的TDW/XMT-121型数字显示仪(精度0.19C)存为. stp格式文件,然后导人CFD的Gambit前处理读取温度值;空气流量由CZQ型鼓风机转速调节,采气阀门研采气袋燃料预处理区保谩层-级净化器和二级净化器气化区生物质燃气灶温度显示仪热电偶T) 鼓风机处理一空气气化剂6Q- era气体成分调速器中国煤化工图2气化炉测试系统示意图MHCNM HGFig.2 Schematic diagram of the experimental set up10期.吴杰等: 生物质气化炉供风器的流场模拟及试验空气流量值采用玻璃转子流量计测定,可燃气采用试验材料取当年11月份棉花成熟后收获的棉专用气阀密封的4L采气袋采集,并通过岛津CC5A秆( 新疆矮密早品种),剔除残余棉絮和铃壳,自然型TCD检测器进行气相色谱分析。干燥后粉碎筛分,使物料粒度分布为10 ~ 25mm,其2.2试验物料原料的工业成分分析和元素分析见表1。表1棉秆原料的工业成分分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of cotton stalk工业成分分析(干基)/%元素分析(干基)/% .含水率(湿基)灰分挥发分固定碳[C][H}[0][N][S]6.7868.5420.7141.265.59.0.202.3试验方法与图3相比,图4a显示,主管风速沿逆时针方2.3.1热电偶测温点布置向衰减(进风口在右侧) ,衰减最小值与进口风速相热电偶测温位置确定方法为:气化炉稳定产气差不大;各支管出口风速明显弱于主管风速,但各支约1h后,封火24h,清膛取出反应物料观察反应物管风速按逆时针方向增强,逆时针0° ~ 180°区域各颜色,黑色与白灰色物料(不同反应程度的炭颗粒)支管风速明显小于180° ~270°区域各支管,相差最交界处即为氧化反应和还原反应相互渗透和交错的大可达5.0m/s。由于主管和支管风速沿不同方向位置'4),由此确定气化区的高度位置即为热电偶测衰减,有利于供风相互补充,从而形成相对均匀的供温度的合适位置。按上述方法运行3次(每次清风平面。图4b和图4c显示,环形供风管道内部气膛) ,取平均值630mm(距炉顶高度)。流未产生漩涡,各管路出口空气均沿切线方向流动，2.3.3测试步骤能量耗散很小,有利于形成较大截面的圆形供风区每次试验清膛后,物料填料量为7.5kg,压实至域。距炉顶相同高度,冷态启动,保证其余试验条件一3.2反应床层 温度变化特征及产气成分比较分析致;每隔2min记录温度值,并参照文献[8]的采样图5分别为梅花形和环形2种供风器供风流量方法,采样时间间隔4min,与温度间隔4min记录时为55L/min时,床层反应温度和产气成分随反应时间同步。气体试样通过TCD检测仪检测,分析的气间的变化特征。采用梅花形供风器时,反应床层温体主要为O2、CO2.CO、H2和CH。首先安装梅花形度升到较为平稳阶段的用时约28min,但出现多次供风器测量数次,随后将其更换为环形供风器,进行较大幅度波动,而且有一次陡升陡降(7429C→等量测量,试验过程中保证反应器的密封性。964C- +728C),反应持续时间约86min。与之相比,环形供风器供风时,反应床层温度波动幅度得到3结果与分析明显平抑,反应床层温度提高且可在976 ~ 10219C3.1数值模拟结 果比较分析之间平稳持续38min,但反应时间明显缩短(仅图3和图4为两种供风器在相同流量时流场模60min)。由上述流场模拟分析可知,梅花形供风器拟的速度云图、速度矢量图和流场轨迹图。由图3a供风不均匀可能使局部氧气浓度过高而剧燃,并促可知，供风器中心管左侧及左侧3个支管的出口风使物料反应沿床层轴向扩散速度快于径向扩散速速明显高于另- -侧(进风口在右侧) ,各支管外侧风度,致使反应床层厚度和面积不均匀,反应过程处于速也均大于内侧,基本呈左侧强,右侧弱,中心强,周非稳态,从而引起温度大幅度波动现象。而环形供边弱的特征,供风不均匀性很明显。出口风速的最风器因其供风平面较大,空气与反应物料接触反应大值5.0m/s,比进口风速略有降低。从图3b和相对均匀,有助于创造“热均质气化”环境,故床层图3c可看出气流贴壁上行,在各管壁内都有附体漩温度表现为中国煤化工]结论- -致。涡区,有较大能量耗散,势必对风机要求提高。|Y片CNMH G .1514陈能学报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.速度云图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.速度矢量图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.流场轨迹图3梅花形供风器图4环形供风器Fig.3 Six-petal shaped air supply unitFig.4 Tourus-shaped air supply unit中国煤化工MHCNMH G10期吴杰等: 生物质气化炉供风器的流场模拟及试验1515一-T 十C01200七T ]35+02 +C0225+ H21000+ CH。 20士CO1280050000[00040020010 3007090110130206080 100时间/mina梅花形供风器b.环形供风器图5两种供风器 在空气流量为55L/min时产气成分随时间和床层温度的变化Fig.5 Changes of the gas componenta versus gasification process temperature and time with air-Alow rate equal to 55L/min从棉秆气化过程中CO、H2和CH,的变化来看，应时的平均温 度达995. 4C ,为布朵尔反应(CO2 +梅花形供风器供风时,CO、H2和CH,平均含量分别C-→2C0)和水煤气反应(C+H2O→+CO+H2,C +为12.0%、1. 77%和1.32%,最高分别为15. 8%、2H20- +CO2 +2H2 )分别制取CO和H2创造了有利4. 28%和2.39% ;而环形供风器供风时,CO、H2和的温度条件(.8。 由表2也可看出,空气流量在38 ~CH,平均含量分别为22.5%、6.41%和1. 34%,最80L/min范围内时,环形供风器供风得到的可燃气高分别为27. 7% .13.38%和2.64%。显然,CO和低位热值最高值比梅花形供风器提高7% ~ 33%，H2含量在环形供风器供风时有显著升高,这是因为这进一步说明,环形供风器为气化反应营造了有利环形供风器供风使床层温度明显升高,床层稳定反.的流场和温度场。表2气化炉不同运行条件及低位热值最高时的产气含l(棉秆物料粒度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运行状况编号供风结构 空气流量/L. min-'最高低位热值/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环形4729. 5324.911.37.692. 125030.2226. 810.18.522.04805262.0929.113. 49.07明显缩短;4结论3)两种供风器供风的数值模拟和试验进- - 步1)气化炉供风器流场的数值模拟结果表明,梅说明,环形供风器使气化炉的供风均匀性得到有效花形供风器供风不均匀,各管道内部存在漩涡,能量改善,可为今后生物质上吸式气化炉提高气化性能耗散较大;环形供风器供风均匀性有显著改善,各管提供借鉴。道内部不存在漩涡和较大能量耗散;[参考文献]2)气化炉气化性能试验说明,环形和梅花形两种供风器在相同条件下分别供风时,环形供风器的[1] Mandm 硝7中国煤化工system for thermal反应床层升温快且最高温度得到明显提升,床层温aplicYHCNMH G; Point, 2007, 53:度波幅也较小,气化炉产气成分中CO和H2含量显7--1著提高,有效提高了产气热值,但持续稳定产气时间[2]刘圣勇, 张杰生物质气化技术现状及应用前景展1516太阳能学报32卷望[J].资源节约与综合利用, 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 .中国煤化工MHCNMH G