陳巨輝，殷維杰，王帥，于廣濱，胡汀，林楓

（1哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2哈爾濱第703研究所燃?xì)廨啓C(jī)室，黑龍江 哈爾濱150036；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

氣泡修正多尺度曳力模型的鼓泡流化床生物質(zhì)氣化分析

陳巨輝1,2，殷維杰1，王帥3，于廣濱1，胡汀2，林楓2

（1哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2哈爾濱第703研究所燃?xì)廨啓C(jī)室，黑龍江 哈爾濱150036；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

以雙流體模型為框架，氣泡修正多尺度曳力模型描述介觀尺度作用影響，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立生物質(zhì)氣化模型，模擬了鼓泡流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程。采用氣泡修正多尺度曳力模型考慮了介觀尺度影響，使氣固異相反應(yīng)增強(qiáng)，模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。模擬結(jié)果給出了顆粒濃度、速度矢量瞬時(shí)分布、氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布及碳和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布特性。分析了氧當(dāng)量比對(duì)鼓泡流化床生物質(zhì)氣化過程的影響?？傮w上，氣體產(chǎn)量隨著氧當(dāng)量比的增加而減小。經(jīng)分析得出，H2和CH4的產(chǎn)量與氧當(dāng)量比有著較高的相關(guān)性，擬合優(yōu)度都在0.99以上；對(duì)于CO和CO2，則用三次多項(xiàng)式擬合時(shí)能有較好擬合優(yōu)度。并且，CO隨著氧當(dāng)量比的增加先下降較快，然后平緩，最后再次較快下降。而CO2的下降趨勢(shì)則與CO正好相反，先平緩，后下降快，最后再次平緩。

氣泡修正多尺度曳力模型；雙流體模型；氧當(dāng)量比；生物質(zhì)氣化；鼓泡流化床

隨著化石能源日益枯竭及燃煤污染物排放嚴(yán)重等問題的出現(xiàn)，生物質(zhì)作為一種可再生清潔能源得到了廣泛的關(guān)注。流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種利用生物質(zhì)在欠氧環(huán)境下轉(zhuǎn)化成高熱值的可燃?xì)怏w，提高能源利用效率的有效方法。

目前對(duì)生物質(zhì)氣化過程的模擬研究較多，但大多數(shù)都把注意力集中在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理方面，往往忽略了流動(dòng)過程的影響[1-3]。然而，流化床生物質(zhì)氣化是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，是多相流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相互耦合作用的結(jié)果。雙流體模型將顆粒相作為擬流體，動(dòng)態(tài)地反映了氣固兩相運(yùn)動(dòng)過程[4-6]。雙流體模型在流化床兩相流動(dòng)中的應(yīng)用已較為成熟，然而將雙流體模型與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合模擬流化床生物質(zhì)氣化過程的研究還處在研究初期。SU等[7]基于雙流體模型對(duì)生物質(zhì)超臨界水流化床反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)氣化建立了三維模型，預(yù)測(cè)了超臨界水與生物質(zhì)兩相流動(dòng)特性，研究了生物質(zhì)氣化溫度、反應(yīng)速率、氣體組分等的分布規(guī)律。XUE等[8]基于雙流體模型討論了空燃比、反應(yīng)器溫度、生物質(zhì)含水量等因素對(duì)散式流化床生物質(zhì)氣化過程的影響。CHEN等[9]基于雙流體模型分析了流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程中小渦尺度的化學(xué)反應(yīng)對(duì)氣體均相反應(yīng)及氣固非均相反應(yīng)的作用。

雙流體方法的關(guān)鍵是曳力模型的建立[10-12]。李珺等[13]分別采用3種曳力模型分析了鼓泡流化床內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)特性。王振波等[14]基于雙流體模型研究了曳力模型及碰撞恢復(fù)系數(shù)對(duì)氣固流動(dòng)的影響，結(jié)果表明Gidaspow曳力模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最好。鄭曉野等[15]針對(duì)不同顆粒濃度區(qū)間選擇曳力模型，模擬了鼓泡流化床氣泡運(yùn)動(dòng)特性。王維等[16]提出了基于能量最小多尺度（energy minimization multiscale，EMMS）方法研究流化床內(nèi)介尺度流動(dòng)和傳遞行為。在此基礎(chǔ)上，CHEN等[17]研究了考慮聚團(tuán)影響的多尺度曳力模型。WANG等[18]考慮氣泡作用影響，采用氣泡修正EMMS曳力模型預(yù)測(cè)了Geldart A類粒子的運(yùn)動(dòng)特性。ULLAH等[19]基于氣泡修正曳力模型模擬了湍流流化床內(nèi)的氣固兩相湍流特性。SHI等[20]驗(yàn)證了氣泡修正曳力模型用于粗網(wǎng)格下的模擬結(jié)果。

氣泡修正曳力模型應(yīng)用于鼓泡流化床的模擬既保證了模型的準(zhǔn)確性又節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，然而目前對(duì)此模型的應(yīng)用研究?jī)H在氣固流動(dòng)領(lǐng)域。本文基于歐拉雙流體模型，采用氣泡修正曳力模型描述鼓泡流化床生物質(zhì)氣化過程中的氣固多尺度運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法，建立生物質(zhì)氣化反應(yīng)模型，模擬重構(gòu)鼓泡流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程，總結(jié)不同氧當(dāng)量比對(duì)生物質(zhì)氣化過程的影響規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

氣相和顆粒相質(zhì)量守恒方程見式(1)、式(2)。

氣相和顆粒相動(dòng)量守恒方程見式(3)、式(4)。

氣相采用雷諾平均方法描述湍流過程，顆粒相基于顆粒動(dòng)理學(xué)方法進(jìn)行模型封閉。βgs表示氣固相間曳力系數(shù)，這里采用考慮氣泡影響的多尺度曳力模型，其表達(dá)式如式(5)。

式中，F(xiàn)de和Fdb表示乳化相中氣體-顆粒相間曳力和乳化相-氣泡相相間作用力。

ne和nb分別表示乳化相顆粒和氣泡數(shù)密度。

由上文分析可知，對(duì)于多尺度曳力系數(shù)的求解需要獲得控制體內(nèi)局部結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體在2.2節(jié)進(jìn)行介紹。

氣相和顆粒相能量守恒方程如式(10)、式(11)。

氣相和顆粒相組分輸運(yùn)方程如式(12)、式(13)。

1.2 氣泡修正多尺度曳力模型

對(duì)于氣固兩相流動(dòng)與反應(yīng)過程，氣固相間曳力模型的準(zhǔn)確描述至關(guān)重要。將非均勻氣固流動(dòng)分解為乳化相（密相）、氣泡相（稀相）和乳化相-氣泡相之間的相間作用區(qū)。假設(shè)每個(gè)相區(qū)均可以看成一個(gè)均勻化的子系統(tǒng)，各相均滿足質(zhì)量和動(dòng)量守恒。假設(shè)氣泡內(nèi)無顆粒存在?？刂企w內(nèi)氣體和顆粒濃度的歸一化條件：

控制體內(nèi)氣體和顆粒的質(zhì)量守恒方程如式(14)、式(15)。

乳化相中顆粒相力平衡方程如式(16)。

式中，Use表示乳化相顆粒表觀滑移速度，

乳化相-氣泡相相間力平衡方程如式(17)。

式中，Usb表示乳化相-氣泡相相間表觀滑移速度，

能量耗散最小化的穩(wěn)定性判據(jù)如式(18)。

通過求解上述方程，可以得到局部結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得考慮氣泡影響的多尺度曳力系數(shù)。

1.3 反應(yīng)模型

鼓泡流化床生物質(zhì)氣化過程主要包括生物質(zhì)熱解、水氣轉(zhuǎn)換、燃?xì)庋趸吞嫉娜紵c氣化等一系列反應(yīng)。根據(jù)工業(yè)分析與元素守恒分析，確定生物質(zhì)的分子式為C4.1H3.79O2.9，其熱解反應(yīng)方程式如式(R1)。

水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率與反應(yīng)物氣體濃度及平衡常數(shù)有關(guān)。

還原性氣體被氧氣氧化，其反應(yīng)方程式如式(R3)～(R5)。

同時(shí)，甲烷與又會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。

碳的燃燒與氣化反應(yīng)屬于氣固異相反應(yīng)，如式(R7)～(R9)。

對(duì)于氣體均相反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)溫度和各組分濃度等因素有關(guān)，其反應(yīng)速率常數(shù)服從阿累尼烏斯方程；氣固異相化學(xué)反應(yīng)速率通常采用縮核模型進(jìn)行描述[21]。具體化學(xué)反應(yīng)速率如表1所示。

2 計(jì)算條件與結(jié)果討論

以LOHA等[22]搭建的氣化爐試驗(yàn)臺(tái)為模擬對(duì)象，底部通入的流化氣體為水蒸氣與空氣的混合氣體，左側(cè)距地面高50mm處設(shè)有生物質(zhì)給料口，給料口直徑為40mm，顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)參考文獻(xiàn)[23-25]。具體參數(shù)見表2。在K-FIX多相流計(jì)算軟件平臺(tái)編寫氣泡修正多尺度曳力模型程序，模擬時(shí)間步長(zhǎng)1×10–6～1×10–4自適應(yīng)，計(jì)算精度控制殘差小于1×10–4。模擬時(shí)間50s，時(shí)均數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)6～50s。

表1 化學(xué)反應(yīng)速率

表2 模擬主要參數(shù)

圖1給出了0～50s出口處H2、CO、CO2、CH44種氣體產(chǎn)物隨時(shí)間的瞬時(shí)變化值，從圖中可以看出，氣體產(chǎn)物從零開始突然上升，前5s波動(dòng)較大，第6s以后模擬趨于穩(wěn)定，因此本模擬統(tǒng)計(jì)6～50s時(shí)均結(jié)果。

圖2給出了ER=0.3，S/B=0.5，T=800K工況下出口處氣體摩爾分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從圖中可以看出，采用氣泡修正多尺度曳力模型的模擬結(jié)果誤差都控制在了5%以內(nèi)，較采用Huilin-Gidaspow曳力模型的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。采用氣泡修正多尺度曳力模型模擬的H2、CO、CH4等可燃性氣體的摩爾分?jǐn)?shù)較采用Huilin-Gidaspow曳力模型的模擬結(jié)果略高，因?yàn)闅馀菪拚喑叨纫妨δＰ涂紤]了介觀尺度作用的影響，氣泡導(dǎo)致氣固相間曳力作用減弱，使氣固異相反應(yīng)增強(qiáng)。

圖1 出口處氣體摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化

圖2 氣體出口處摩爾分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖3表示顆粒濃度與速度矢量瞬時(shí)分布圖，圖3(a)表示46～50s鼓泡流化床內(nèi)瞬時(shí)濃度圖，圖3(b)表示以第46s和第47s時(shí)刻顆粒濃度與速度矢量瞬時(shí)分布的局部放大圖。從圖中可以看出，鼓泡流化床床層基本穩(wěn)定維持在一定高度，顆粒隨氣泡運(yùn)動(dòng)上下翻騰。結(jié)合速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，在生物質(zhì)進(jìn)料口附近有漩渦產(chǎn)生，這是由于底部氣體將床料上層拋起，回落對(duì)床料產(chǎn)生沖擊，形成漩渦。正是由于氣泡、漩渦的存在，加強(qiáng)了氣固間的傳熱，更利于氣化的進(jìn)行。

圖4表示第46s時(shí)刻氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布圖。可以看到，對(duì)于H2、CO、CO2和CH4等氣體產(chǎn)物，鼓泡流化床反應(yīng)器底部摩爾分?jǐn)?shù)較低，右下角現(xiàn)局部低濃度區(qū)域。在生物質(zhì)入口處由于生物質(zhì)熱解氣體摩爾分?jǐn)?shù)迅速升高，隨著氣化反應(yīng)不斷進(jìn)行，氣體在頂端一直維持較高的摩爾分?jǐn)?shù)。而對(duì)于反應(yīng)氣體和流化介質(zhì)氣體的情況則恰好相反。從圖中可以看出， H2O和N2在鼓泡流化床反應(yīng)器右下部形成高濃度區(qū)，由于生物質(zhì)熱解產(chǎn)物在底端來流的沖刷作用無法擴(kuò)散到底端而導(dǎo)致這兩種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)最高。頂端的氮?dú)夂退魵饽柗謹(jǐn)?shù)較低則是由于沿著反應(yīng)器高度方向，水蒸氣被逐漸消耗，同時(shí)生成氣體摩爾數(shù)增加，氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)也就相應(yīng)降低。由于氧當(dāng)量比小于1，反應(yīng)在欠氧環(huán)境下進(jìn)行，因此反應(yīng)器內(nèi)氧氣被充分反應(yīng)。

圖3 顆粒濃度及速度矢量瞬時(shí)分布圖

圖4 第46s時(shí)刻氣體產(chǎn)物組分瞬時(shí)摩爾分?jǐn)?shù)分布

圖5表示46～50s固定碳和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布圖。從圖中可以看到，固定碳大部分聚集于生物質(zhì)入口附近，進(jìn)入反應(yīng)器的生物質(zhì)迅速熱解生成固定碳。沿反應(yīng)器高度方向，隨著反應(yīng)的進(jìn)行固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。而由于異相反應(yīng)速率相對(duì)于均相反應(yīng)來說小得多，當(dāng)碳顆粒到達(dá)出口時(shí)仍未能完全反應(yīng)。灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿反應(yīng)器高度方向逐漸增加。由于產(chǎn)生的灰分密度小，最終也會(huì)被氣流從頂端帶出反應(yīng)器。因此，在收集可燃?xì)怏w的時(shí)候，需要對(duì)氣體做除雜工作，而雜質(zhì)中也會(huì)有相當(dāng)?shù)奶己?，需要進(jìn)一步分離并加以利用。

圖5 固定碳和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布圖

3 氧當(dāng)量比影響

氧當(dāng)量比（equivalence ratio，ER）表示每千克生物質(zhì)實(shí)際耗氧量與每千克生物質(zhì)按化學(xué)計(jì)量系數(shù)計(jì)算得出的耗氧量的比值，其計(jì)算式為式(19)。

由于空氣常常作為流化介質(zhì)，同時(shí)空氣中的氧氣也充當(dāng)反應(yīng)物，因此研究氧氣的含量對(duì)生物質(zhì)氣化過程的影響至關(guān)重要。

圖6 氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)隨氧當(dāng)量比的變化

圖6給出當(dāng)蒸燃比S/B為0.5時(shí)，氣體產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)隨氧當(dāng)量比的變化關(guān)系，選取氧當(dāng)量比的范圍為0.3～0.7，每0.05計(jì)算對(duì)應(yīng)的氣體產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，隨著氧當(dāng)量比ER的減小，產(chǎn)物組分都有減小的趨勢(shì)，H2和CH4氣體隨氧當(dāng)量比的減小呈接近線性的降低趨勢(shì)，而CO和CO2則呈明顯的非線性變化。氣體產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)與氧當(dāng)量比的關(guān)系擬合成表達(dá)式形式如表3所示。

表3 擬合曲線的表達(dá)式與擬合優(yōu)度值

從表3可以看出，H2和CH4的摩爾分?jǐn)?shù)與氧當(dāng)量比都具有較強(qiáng)的相關(guān)性，擬合出的直線相關(guān)度（R2）都在0.99以上，可認(rèn)為有很好的擬合優(yōu)度；對(duì)于CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)則用3次多項(xiàng)式擬合時(shí)較好，當(dāng)繼續(xù)用4次多項(xiàng)式擬合時(shí)，擬合優(yōu)度并沒有繼續(xù)增加。反應(yīng)器內(nèi)CO和CO2的消耗與產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，涉及碳的氧化反應(yīng)及還原反應(yīng)，此外還有水氣轉(zhuǎn)換可逆反應(yīng)的發(fā)生，因此不能簡(jiǎn)單的看成是線性關(guān)系。對(duì)于CO，其摩爾分?jǐn)?shù)隨著O2含量的增加先迅速下降，當(dāng)氧當(dāng)量比到達(dá)0.4左右時(shí)，下降趨勢(shì)有所減緩，而當(dāng)氧當(dāng)量比超過0.6以后，產(chǎn)物的含量再次迅速下降。與之相反，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)變化開始則較為平緩，中途有一段迅速下降，最后再次趨于平緩。在氧含量較少時(shí)，氧含量增加對(duì)CO2產(chǎn)生有利，當(dāng)氧含量增加到一定程度時(shí)，對(duì)CO產(chǎn)生有利，當(dāng)氧氣進(jìn)一步增加時(shí)，對(duì)CO2的產(chǎn)生又變得有利。

4 結(jié)論

采用基于雙流體的氣泡修正多尺度曳力模型，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立生物質(zhì)氣化模型，模擬重構(gòu)鼓泡流化床生物質(zhì)氣化過程，研究了顆粒濃度、速度及氣體產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)等特性，分析了氣體產(chǎn)物隨氧當(dāng)量比的變化規(guī)律。具體得到如下結(jié)論。

（1）采用氣泡修正多尺度曳力模型的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值；氣泡修正多尺度曳力模型考慮了介觀尺度作用的影響，氣泡導(dǎo)致氣固相間曳力作用減弱，使氣固異相反應(yīng)增強(qiáng)。

（2）鼓泡流化床對(duì)氣固相間的傳熱有著良好的促進(jìn)作用，有利于氣化反應(yīng)；碳顆粒及灰分都會(huì)從反應(yīng)器出口帶出，在收集可燃?xì)怏w的時(shí)候需要對(duì)氣體做除雜工作，同時(shí)需要對(duì)雜質(zhì)作進(jìn)一步分離并加以利用。

（3）反應(yīng)產(chǎn)物摩爾分?jǐn)?shù)隨著氧當(dāng)量比的增加都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中H2和CH4的摩爾分?jǐn)?shù)與氧當(dāng)量比有較強(qiáng)的相關(guān)性，而CO和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與氧當(dāng)量比的關(guān)系則與三次曲線擬合較好。

符號(hào)說明

a——加速度，m·s-2

C——曳力函數(shù)，量綱為1

D——分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

d——顆粒直徑，m

e——顆粒碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)，量綱為1

F——顆粒所受作用力，N

f——顆粒聚團(tuán)份額，量綱為1

g——重力加速度，m·s-2

H——焓值，kJ·mol-1

N——單位質(zhì)量曳力耗能，W·kg-1

n——顆粒數(shù)密度，m-3

p——壓力，Pa

r——反應(yīng)速率，kmol·m-3·s-1

Re——雷諾數(shù)，量綱為1

S——質(zhì)量源項(xiàng)，kg·m-3·s-1

T——溫度，K

U——表觀速度，m·s-1

u——速度，m·s-1

Y——質(zhì)量分?jǐn)?shù)，量綱為1

α——體積分?jǐn)?shù)，量綱為1

β——曳力系數(shù)，kg·m-3·s-1

δ——?dú)馀莘蓊~，量綱為1

λ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

σY——施密特?cái)?shù)，量綱為1

τ——應(yīng)力張量，N·m-2

下角標(biāo)

b——?dú)馀菹?/p>

e——乳化相

g——?dú)庀?/p>

s——顆粒相

gs——?dú)夤滔嚅g

slip——滑移

[1]呂奇錚，徐起翔，張長(zhǎng)森，等．Aspen Plus在生物質(zhì)快速熱解制取燃料油中的應(yīng)用進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，2016，35（s1）：116-121．Lü Q Z，XU Q X，ZHANG C S，et al. Application of Aspen Plus in thermal conversion of biomass into liquid fuel：a review[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35（s1）：116-121．

[2]張建社，郭慶杰．流化床生物質(zhì)CO2催化氣化模擬分析[J]．化工進(jìn)展，2011，30（sl）：816-821．ZHANG J S，GUO Q J. Simulation analysis of CO2as a gasifying agent for gas production from pine saw dust in fluidized bed reactor[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2011，30（sl）：816-821．

[3]車德勇，李少華，韓寧寧，等．生物質(zhì)流化床空氣-水蒸氣氣化模擬[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（35）：101-106．CHE D Y，LI S H，HAN N N，et al. Numerical simulation biomass gasification with air and steam as the agent in fluidized bed gasifier[J]. Processing of the CSEE，2012，32（35）：101-106．

[4]吳迎亞，彭麗，高金森，等．基于EMMS模型的氣固鼓泡床的模擬及氣泡特性的分析[J]．化工學(xué)報(bào)，2016，67（8）：3259-3267．WU Y Y，PENG L，GAO J S，et al. Numerical simulation of gas-solid bubbling bed and bubbling characteristics based on EMMS drag model[J]. CIESC Journal，2016，67（8）：3259-3267．

[5]虞君武，何榕，張衍國(guó)．鼓泡流化床中生物質(zhì)氣化的數(shù)值模擬[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2014，20（6）：471-477．YU J W，HE R，ZHANG Y G. Numerical simulation of biomass gasification in a bubbling fluidized bed[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2014，20（6）：471-477

[6]曹俊，鐘文琪，金保昇，等．流化床生物質(zhì)氣化過程的三維數(shù)值模擬[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，35（6）：1114-1118．CAO J，ZHONG W Q，JIN B S，et al. Three-dimensional numerical simulation on process of biomass gasification in fluidized bed[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2014，35（6）：1114-1118．

[7]SU X H，JIN H，GUO S M，et al．Numerical study on biomass model compound gasification in a supercritical water fluidized bed reactor[J]．Chemical Engineering Science，2015，134：737-745.

[8]XUE Q，F(xiàn)OX R O. Multi-fluid CFD modeling of biomass gasification in polydisperse fluidized-bed gasifiers[J]. Powder Technology，2014，254：187-198.

[9]CHEN J H，YIN W J，WANG S，et al. Effect of reactions in small eddies on biomass gasification with eddy dissipation concept–Sub-grid scale reaction model[J]. Bioresource Technology，2016，211：93-100.

[10]陳程，祁海鷹．EMMS曳力模型及其顆粒團(tuán)模型的構(gòu)建和檢驗(yàn)[J]．化工學(xué)報(bào)，2014，65（6）：2003-2012．CHEN C，QI H Y. Development and validation of cluster and EMMS drag model[J]. CIESC Journal，2014，65（6）：2003-2012．

[11]王帥，劉國(guó)棟，趙飛翔，等．循環(huán)流化床中顆粒聚團(tuán)特性的模擬[J]．化工學(xué)報(bào)，2014，65（6）：2027-2033．WANG S，LIU G D，et al. Modeling of cluster characteristics in circulating fluidized beds[J]. CIESC Journal，2014，65（6）：2027-2033．

[12]CLOETE S，JOHANSEN S T，AMINI S. Grid independence behaviour of fluidized bed reactor simulations using the Two Fluid Model：detailed parametric study[J]. Powder Technology，2016，289： 65-70.

[13]李珺，宋文龍．基于不同曳力模型的鼓泡流化床內(nèi)流體動(dòng)力特性數(shù)值研究[J]．電站系統(tǒng)工程，2013，29（3）：21-23．LI J，SONG W L. Hydrodynamics of freely bubbling fluidized bed numerical research based on different drag force model[J]. Power System Engineering，2013，29（3）：21-23．

[14]王振波，張玉春，徐春明．不同曳力模型及顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)對(duì)短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)氣固流場(chǎng)的影響[J]．化工學(xué)報(bào)，2014，65（6）：2034-2041．WANG Z B，ZHANG Y C，XU C M. Effect of drag model and restitution coefficient on gas-solids flow field in quick-contact cyclone reactors[J]. CIESC Journal，2014，65（6）：2034-2041．

[15]鄭曉野，蒲文灝，岳晨，等．采用改進(jìn)的曳力模型模擬2D鼓泡流化床的流化特性[J]．過程工程學(xué)報(bào)，2015，15（5）：737-743．ZHANG X Y，PU W H，YUE C，et al. A modified drag model used for CFD simulation on the fluidization characteristics of 2D bubbling fluidized bed[J]. The Chinese Journal of Processing Engineering，2015，15（5）：737-743．

[16]王維，洪坤，魯波娜，等．流態(tài)化模擬：基于介尺度結(jié)構(gòu)的多尺度CFD[J]．化工學(xué)報(bào)，2013，64（1）：95-106．WANG W，HONG K，LU B N，et al. Fluidized bed simulation：structure-dependent multiscale CFD[J]. CIESC Journal，2013，64（1）：95-106．

[17]CHEN C，DAI Q T，Qi H Y. Improvement of EMMS drag model for heterogeneous gas–solid flows based on cluster modeling[J]. Chemical Engineering Science，2016，141：8-16.

[18]WANG S，CHEN J H，WANG Q，et al. Evaluation of a bubble-structure dependent drag model for the simulation of bubbling fluidization with Geldart A particles[J]. Powder Technology，2016，289：44-51.

[19]ULLAH A，HONG K，CHILTON S，et al. Bubble-based EMMS mixture model applied to turbulent fluidization[J]. Powder Technology，2015，281：129-137.

[20]SHI Z S，WANG W，LI J H. A bubble-based EMMS model for gas–solid bubbling fluidization[J]. Chemical Engineering Science，2011，66：5541-5555.

[21]WILK V，HOFBAUER H. Analysis of optimization potential in commercial biomass gasification plants using process simulation[J]. Fuel Processing Technology，2016，141（Part 1）：138-147.

[22]LOHA C，CHATTOPADHYAY H，CHATTERJEE P K. Three dimensional kinetic modeling of fluidized bed biomass gasification[J]. Chemical Engineering Science，2014，109：53-64.

[23]BENZARTI S，MHIRI H，BOURNOT H，et al. Numerical simulation of turbulent fluidized bed with Geldart B particles[J]. Advanced Powder Technology，2014，25：1737-1747.

[24]WANG Q G，LU J F，YIN W D，et al. Numerical study of gas–solid flow in a coal beneficiation fluidized bed using kinetic theory of granular flow[J]. Fuel Processing Technology，2013，111：29-41.

[25]CHALERMSINSUWAN B，GIDASPOW D，PIUMSOMBOON P，Two- and three-dimensional CFD modeling of Geldart A particles in a thin bubbling fluidized bed：comparison of turbulence and dispersion coefficients[J]. Chemical Engineering Journal，2011，171：301-313.

Analysis of biomass gasification in bubbling fluidized bed with a revised bubble-based energy minimization multiscale drag model

CHEN Juhui1，2，YIN Weijie1，WANG Shuai3，YU Guangbin1，HU Ting2，LIN Feng2
（1School of Mechanical Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，Heilongjiang，China；2No. 703 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Harbin 150001，Heilongjiang，China;
3School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang，China）

Based on the framework of two-fluid model，a revised bubble-based energy minimization multiscale（EMMS）drag model was proposed. Incorporating chemical kinetics method，the biomass gasification model was presented for simulating the biomass gasification process in the bubbling fluidized. The simulations with Bubble-based EMMS drag model that accounted for the effect of bubble in mesoscale which enhances the heterogeneous reaction between gas phase and solid phase were in good agreement with the experimental data. The simulation results provided the distributions of particles concentration，velocity vector，molar fractions of gas phase，and mass fractions of carbon and ash. The effect of equivalence ratio on biomass gasification process in the bubbling fluidized bed was analyzed. In general，the gas products tend to decrease with the increase of equivalence ration. Analysis found that the production of H2and CH4has strong correlation with the equivalence ratio with goodness of fit（adj.R2）above 0.99. As for CO and CO2，their correlations with the equivalenceratio can be better predicted by cubic polynomials. And，CO first decreases significantly as equivalence ratio increases，then becomes flat and finally decreases afterwards. CO2，however，follows the opposite trend.

revised bubble-based EMMS drag model；two-fluid model；equivalence ratio；biomass gasification；bubbling fluidized bed

O359

A

1000–6613（2017）04–1224–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.010

2016-09-29；修改稿日期：2016-11-21。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51406045）；中國(guó)博士后自然科學(xué)基金（2016M590122）及哈爾濱理工大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃（201504）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：陳巨輝（1982—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)闅夤虄上嗔?、流化床潔凈燃燒技術(shù)。E-mail：chenjuhui@hit.edu.cn。