生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場數(shù)值模擬

張玉1，翟明1，張波1，董芃1，朱群益1，鄒洪順2

(1.哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150001；

2.沈陽前進鍋爐廠，遼寧沈陽110141)

摘要：本文運用Fluent軟件，分析了生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場。研究結(jié)果表明，RSM模型最適合生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場的模擬。與RSM模型相比，RNGk-ε模型相差最大10%，標準k-ε模型和k-ω模型相差最大50%，DES模型則在整體趨勢上不符。雙對稱入口改善了流場的軸對稱性，斜切入口能夠極大地減小旋風熱解爐內(nèi)的局部渦流。綜合考慮短路流、切向速度、軸向速度、停留時間，旋風熱解爐入口采用雙對稱30°傾角、排氣管不插入旋風筒的形式。

關(guān)鍵詞：旋風熱解爐；氣相等溫流場；湍流模型；雙對稱入口結(jié)構(gòu)；入口截面角；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK229.6`+5

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0413-07

Abstract：This paper analyzes the gas-phase isothermal flow field of a biomass cyclone pyrolysis burner with the Fluent software. The results show that RSM is the best suitable turbulence model for simulating the gas-phase isothermal flow field of a biomass cyclone pyrolysis burner. Compared with the RSM, the maximum difference of RNG k-εis 10%, the maximum difference of standard k-ε and k-ω is 50%. DES does not match the overall trends above. The form of double symmetrical inlet improves the axial symmetry of the biomass cyclone pyrolysis burner. The inlet with oblique angles greatly reduces the internal local vortex. The short volume is very small when the inlet section angle is over 25°. When the inlet section angle is 25°, the tangential velocity reaches maximum, when the inlet section angle is 45°, the axial velocity reaches maximum. Considering the short-circuit flow, tangential velocity, axial velocity and particle retention time synthetically, a double symmertical inlet with the inlet section angle of 30° and an exhaust pipe without stretching into the cyclone are adopted for the biomass cyclone pyrolysis burner.

收稿日期2015-01-08修訂稿日期2015-05-07

作者簡介：張玉(1985~)，女，博士研究生，研究方向為生物質(zhì)熱解氣化。

Numerical Simulation for the Gas-phase Isothermal Flow Field of a Biomass Cyclone Pyrolysis Burner

ZHANG Yu1,ZHAI Ming1,ZHANG Bo1,DONG Peng1,ZHU Qun-yi1,ZOU Hong-shun2

(1.Harbin Institute of Technology,School of Energy Science and Engineering,

Harbin 150001,China;2.Shenyang Qianjin Boiler Factory,Shenyang 110141,China)

Key words：biomass cyclone pyrolysis burner; gas-phase isothermal flow field; turbulence model; double symmetrical inlet; inlet section angle; numerical simulation

0引言

國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)熱解氣化研究及生物質(zhì)氣化技術(shù)的應用工藝有很多報導[1-4]，但眾多的氣化工藝過程仍有焦油產(chǎn)生。由于焦油粘度較大，其不僅會導致產(chǎn)氣率降低，還會堵塞和腐蝕設備，嚴重時使系統(tǒng)無法正常運行。對于焦油的處理，工業(yè)上大都采用水洗法，產(chǎn)生的洗焦廢水會造成二次污染且目前洗焦廢水的生化處理工藝仍不成熟。這些問題都極大地影響了熱解氣體的后續(xù)利用及推廣使用。

在生物質(zhì)熱解氣化過程中，解決焦油最徹底的方法之一是利用高溫將焦油熱解成沸點低于常溫的氣體[5-6]。本文的研究對象生物質(zhì)旋風熱解爐[7]主要是通過高溫裂解法來降低燃氣中的焦油含量。運行時，氣體燃料高速燃燒器產(chǎn)生高溫厭氧煙氣以高速射流的形式切向噴入生物質(zhì)旋風熱解室中，形成強烈的旋風渦旋，同時與給料倉送來的生物質(zhì)物料迅速混合、加熱并充分的熱解，最后生成各種生物質(zhì)氣，并經(jīng)排出管排出。由于此旋風熱解爐是在高溫下運行，且內(nèi)部等溫流場為強旋轉(zhuǎn)和高強度湍流運動，流動規(guī)律非常的復雜，很難通過實驗研究出其內(nèi)部流動狀況，因此，本文應用Fluent軟件對生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場進行模擬，分析各種湍流模型的適用性，及結(jié)構(gòu)參數(shù)對生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場的影響，進而為生物質(zhì)旋風熱解爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計奠定基礎。

1物理建模

1.1　旋風熱解爐的基本結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)旋風熱解爐如圖1所示，具體運行過程為：利用熱解后產(chǎn)生的1 600℃以上的生物質(zhì)氣余熱的一部分，加熱加壓空氣達到800℃以上，與燃料氣在高速燃燒器中進行燃燒，產(chǎn)生的1 600℃以上高溫高速低氧煙氣射入熱解爐，將生物質(zhì)物料充分熱解。

圖1　生物質(zhì)高溫旋風熱解爐結(jié)構(gòu)圖

1.2　網(wǎng)格劃分

利用Gambit建立幾何模型和網(wǎng)格劃分。筒體直徑1 800 mm，進氣口尺寸250 mm×300 mm，模型以環(huán)形空間的頂蓋中心為坐標原點，沿軸向為Z軸，向下為正。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示，最小網(wǎng)格尺寸為35 mm，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為419 641，網(wǎng)格數(shù)為399 071。

圖2　網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.3　網(wǎng)格無關(guān)性驗證

取入口為1 600℃的不可壓縮理想氣體，入口速度為80 m/s，入口當量直徑為272.7 mm，出口邊界為Outflow。圖3為采用標準k-ε模型4種網(wǎng)格尺寸在截面z=2 000 mm的計算數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，網(wǎng)格尺寸為35 mm和網(wǎng)格尺寸為25 mm、20 mm的模型參數(shù)相差很小。從計算的經(jīng)濟角度出發(fā)，選用網(wǎng)格尺寸為35 mm的模型。

2湍流模型分析

在生物質(zhì)旋風熱解爐內(nèi)，切向速度占主導地位，它帶動氣體做高速旋轉(zhuǎn)運動。軸向速度相對較小，但它是導致各種二次流的主要原因，不利于生物質(zhì)燃氣的熱解。相對于軸向速度和切向速度，徑向速度非常小(0~5 m·s)；壓降也是考查旋風熱解爐工作性能的一個重要指標[8]。因此，從切向速度、軸向速度、靜壓力及動力壓力4個不同方面來考察旋風熱解爐不同湍流模型下氣相等溫流場狀況。

圖4為旋風熱解爐在不同湍流模型下計算結(jié)果對比。除了DES模型以外，其他模型模擬結(jié)果趨勢相同，其中RSM和RNGk-ε模型幾乎重合。切向速度分布曲線呈明顯的駝峰形狀，速度場為典型的蘭金渦[9]。軸向速度包括兩部分，即外部的下行區(qū)和內(nèi)部的上行區(qū)，兩區(qū)的分界點處軸向速度為0[10]，說明旋風熱解爐中存在兩股旋流，再由切向速度分布(切向速度方向相同)可以得出上行流和下行流旋轉(zhuǎn)方向相同。爐內(nèi)靜壓力沿徑向由外向內(nèi)遞減，靠近中心軸線處的靜壓最低，靠近氣化爐器壁的靜壓最大[11]。動壓在強制渦和準自由渦的分界面處最大。在強制渦區(qū)，沿氣化爐半徑，動壓逐漸減小，并在軸線處趨于零；在準自由渦內(nèi)，沿氣化爐半徑，動壓逐漸減小。

圖4　不同湍流模型計算結(jié)果對比(z=2 500 mm)

在生物質(zhì)高溫旋風熱解爐氣相等溫流場中，因切向速度分量遠大于軸向和徑向速度分量，且RSM模型直接求解各獨立雷諾應力分量的輸運方程，考慮了各向異性湍流輸運的特性，因而更加適合于三維強旋流和高強度的旋風熱解爐氣相等溫流場的計算。標準k-ε模型有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和計算精度，但它是基于各向同性湍流輸運假設，適合高雷諾數(shù)湍流，不適合強旋流等各向異性較強的流場，因而與RSM模型相比相差較大。RNGk-ε模型與標準k-ε模型一樣，也是二方程湍流模型，它更一般、更基本，可以計算低雷諾數(shù)湍流，考慮到旋轉(zhuǎn)效應，模擬中選擇了Swirl Dominated Flow選項，對強旋流氣相流場的旋風熱解爐計算精度有很好的改進效果，因而與RSM模型相比相差較小。k-ω模型中考慮了低雷諾數(shù)影響、可壓縮性影響和剪切流影響，更適用于尾跡流動、混合層和射流情況，因而與RSM模型相比相差較大。DES是最精細的湍流模型，精度高，但是需要的網(wǎng)格數(shù)量大，要求的計算量、內(nèi)存需要都非常大，由于限于設備計算能力，與RSM模型相比偏差非常大。

與RSM相比, 標準k-ε模型相差最大50%，RNGk-ε模型相差最大10%，k-ω模型相差最大45%，DES模型則在整體趨勢上不符。如果考慮工作效率，RNGk-ε模型也較適合于旋流占優(yōu)的旋風熱解爐氣相等溫流場模擬，但標準k-ε模型、k-ω模型和DES模型則不適合旋風熱解爐氣相等溫流場的模擬。因此，后續(xù)模擬選用RSM湍流模型。

3結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

與旋風分離器相似，對于常規(guī)的切向單進口旋風熱解爐，在爐頂板附近，排氣管外壁與筒體之間，由于徑向速度與軸向速度的存在，將形成一個流動緩慢的邊界層，邊界層中的靜壓變化小于筒體中的靜壓變化，因此在頂板外側(cè)沿筒體的流體在靜壓的作用下進入邊界層內(nèi)，遇到排氣管的外壁面轉(zhuǎn)彎向下，從其出口進入排氣管，形成局部渦流，最后隨中心上升氣流逸出排氣管[12-13]，影響生物質(zhì)氣體在旋風熱解爐中的充分熱解。因此，在旋風熱解爐的結(jié)構(gòu)設計中，有效避免這種短路流所造成的不利影響是優(yōu)化的關(guān)鍵。

3.1　入口形式

為了避免短路流，采用了雙對稱即四進口入口結(jié)構(gòu)形式。對于單進口的旋風熱解爐，入口邊界條件為1 600℃的不可壓縮理想氣體，入口速度為320 m/s，入口當量直徑為272.7 mm，入口雷諾數(shù)為15.671×105，出口邊界條件為Outflow。雙對稱入口速度為80 m/s，入口雷諾數(shù)為3.918×105，其它條件不變。

(1)入口結(jié)構(gòu)對短路流的影響

圖5為旋風熱解爐不同入口結(jié)構(gòu)形式速度云圖。

圖5　不同入口結(jié)構(gòu)形式速度云圖

從圖中可以看出，無論單入口，還是雙對稱入口，在靠近排氣管外壁都存在短路流現(xiàn)象。由于單進口不對稱，使得氣流進入旋風熱解爐時更加紊亂，渦核容易出現(xiàn)變形。采用雙對稱入口后，氣體在旋風熱解爐內(nèi)為多點對稱進氣，使速度分布呈現(xiàn)明顯的對稱性，減小了流場內(nèi)部的渦流，氣體攜氣量減少。在相同的氣體流量下，由于進口氣流速度減為原來的1/4，阻力降低，流場更穩(wěn)定[14]。

(2)入口結(jié)構(gòu)對切向速度的影響

圖6所示為x=0截面上z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)的切向速度分布。切向速度分布曲線呈明顯的駝峰形狀，速度場為典型的蘭金渦。入口改成雙對稱結(jié)構(gòu)后，切向速度軸對稱性明顯提高，而且旋渦的中心與幾何模型的中心相重合；在相同的入口氣量下，雙對稱結(jié)構(gòu)流場的切向速度明顯降低，且速度分布更均勻。

圖6　Z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)切向速度分布圖

(3)入口結(jié)構(gòu)對軸向速度的影響

圖7所示為x=0截面上z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)的軸向速度分布。軸向速度構(gòu)成了旋風熱解爐的外層下行、內(nèi)層上行的氣體雙層旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu)，兩層氣流的分界點處軸向速度為0。采用雙對稱入口結(jié)構(gòu)后，軸向速度對稱性明顯改善。

圖7　z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)軸向速度分布圖

(4)入口結(jié)構(gòu)對總壓的影響

圖8所示為x=0截面上z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)的總壓分布?？倝毫ρ貜较蛴赏庀騼?nèi)遞減，靠近軸線處的總壓最低，靠近壁面的總壓最大。在相同的流量下，雙對稱進口的壓力損失比單進口的明顯減小，這是由于采用雙對稱進口后，入口速度降低了3/4。改進后總壓在2 000～3 000 Pa之間，非常穩(wěn)定，且更加節(jié)能。

圖8　Z=1 000 mm時不同入口結(jié)構(gòu)總壓分布圖

3.2　入口截面角

氣體進入常規(guī)的直切式進口旋風熱解爐后，必定要經(jīng)過排氣芯管外壁和筒體內(nèi)壁之間，不可避免會存在“短路流”。如果具有一定的入口截面角，會使生物質(zhì)氣體在重力和慣性力的作用下直接進入芯管以下，不僅能使生物質(zhì)充分熱解，還能更大程度地減小芯管底部“短路流”。同時，旋風熱解爐是在高溫下工作，為了防止磨損，排氣管不伸入旋風筒中。

(1)不同入口截面角速度云圖

圖9所示是不同入口截面角在x=0截面上速度云圖。當進口角度為0°~15°時，在環(huán)形空間頂蓋處確實存在一定的短路流，當進口角度為15°~30°時，短路流量逐漸減少，進口角度為40°~50°時，幾乎沒有短路流，且進口周邊出現(xiàn)速度為零的區(qū)域。因此，氣體從進氣口進入旋風筒后，如果入口角度安排的適當，可減少短路流，使生物質(zhì)能夠在爐中充分熱解。

圖9　不同入口截面角速度云圖

(2)不同入口截面角對切向速度的影響

圖10所示為入口風速為80 m/s時截面z=1 000 mm和z=2 000 mm處切向速度分布。不論入口是水平還是具有一定截面角，爐內(nèi)切向速度均呈現(xiàn)典型的蘭金渦結(jié)構(gòu)：外旋渦邊界速度為零，速度梯度較大，內(nèi)渦旋中速度梯度較小，內(nèi)外渦旋交界面上切向速度值最大。入口具有一定的截面角后，切向速度在數(shù)值上均有所降低，主要是由于傾斜速度一部分用來旋轉(zhuǎn)，一部分用來向下流動，但切向速度仍非常大，可以保持一定的旋轉(zhuǎn)速度，使生物質(zhì)氣充分混合。隨著傾斜角度的增加，切向速度先減小后增加再減小。入口截面角為25°時的切向速度值最大。

圖10　不同入口截面角切向速度分布

(3)不同入口截面角對軸向速度的影響

圖11所示為入口風速為80 m/s時截面z=1 000 mm和z=2 000 mm處切向速度分布。不論入口是水平還是具有一定截面角，爐內(nèi)流動軸向速度沿徑向可分為上行流和下行流?？拷诿嫣幍南陆盗髁孔钅芊从尺M入爐內(nèi)的氣體流量，隨著深度的增加，軸向速度在減小，但是下降流量在逐漸增加，表明進入爐內(nèi)的氣體大部分向下流動。隨著入口截面角的增加，軸向速度先減小后增加再減小，當入口截面角為45°時，軸向速度達到最大。

(4)平均停留時間

根據(jù)Rosin等人提出來的停留時間模型，可以計算出傾斜角度為25°時，氣體平均停留時間為0.471 77 s；當傾斜角度為30°時，氣體平均停留時間為0.493 s；當傾斜角度為40°時，氣體平均停留時間為0.553 s；當傾斜角度為45°時，氣體平均停留時間為0.595 s。

綜上分析，取傾斜角度大于20°時，短路流量非常少。從切向速度分布來看，角度為25°~45°之間時切向速度較大，25°最大，其次是30°，相差不到10 m/s，45°與最大值相差15~20 m/s，為使生物質(zhì)充分混合角度取25°~30°合適。從軸向速度來看，45°時軸向速度最大，其它角度下的軸向速度相差不大。從停留時間來看，各角度差別不大。綜合考慮，采用30°可以滿足各種條件，因此，旋風熱解爐入口采用30°的傾斜角度。

4結(jié)論

本文對生物質(zhì)旋風熱解爐氣相等溫流場進行了數(shù)值模擬，得到的結(jié)論如下：

(1)RSM模型最適合旋風熱解爐流場模擬，如果考慮計算效率，RNGk-ε模型也較適合。與RSM模型相比，RNGk-ε模型相差最大10%，標準k-ε模型和k-ω模型相差最大50%，DES模型則在整體趨勢上不符。

(2)雙對稱入口改善了流場的軸對稱性，切向速度、軸向速度及總壓均有所降低；斜切入口能夠極大地減小旋風熱解爐內(nèi)的局部渦流：傾斜角度大于25°時，短路量非常少；傾斜角度為25°時切向速率達到峰值，傾斜角度為45°時軸向速率達到峰值。

(3)綜合考慮短路流、切向速度、軸向速度、停留時間等因素，旋風熱解爐入口采用雙對稱30°傾角、排氣管不插入旋風筒的形式。

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