柏靜儒，劉卓卓,2，孫燦輝 ，徐向明，劉 斌

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程中心，吉林 吉林 132012；2.中國農(nóng)業(yè)銀行萊州市支行，山東 萊州 261441；3.撫順礦業(yè)集團有限責任公司 頁巖煉油勝利實驗廠，遼寧 撫順 113001)

作為石油的替代能源，油頁巖能夠從地能量密度的頁巖轉(zhuǎn)變成高品位的能量，解決這一問題的核心是油頁巖干餾[1～2].模擬方法是研究油頁巖干餾煉油技術(shù)的一個非常重要的手段，通常采用Aspen plus軟件對油頁巖干餾系統(tǒng)的研究[3～5]，而對干餾爐結(jié)構(gòu)的研究通常可以采用的是Fluent軟件。

油頁巖干餾熱態(tài)試驗研究表明，油頁巖其他熱載體干餾爐內(nèi)的布氣方式影響爐內(nèi)的溫度分布和爐內(nèi)壓力梯度[6～7]，冷態(tài)試驗結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)的布氣方式會對爐內(nèi)布氣均勻性產(chǎn)生一定的影響[8].雖然國內(nèi)外學者做了大量的有關(guān)于干餾爐數(shù)值模擬方面的研究，但Fluent具體到干餾問題中，特別是冷態(tài)干餾，目前研究的不多，但煤、生物質(zhì)等能源的燃燒和氣化模擬有一些先例[9～11]，為干餾爐內(nèi)的速度場與壓力場模擬提供了理論依據(jù).從工業(yè)分析和元素分析來看，油頁巖和生物質(zhì)有很大的區(qū)別，即使和煤有很大相似之處，在研究中也不能完全按照煤和生物質(zhì)氣化方法來進行，干餾爐爐型不同，配風方式也不同，而且國外大多是對爐子的溫度分布做了模擬計算，對冷態(tài)模擬比較少[13～14].隨著油頁巖干餾爐的大型化，油頁巖干餾實驗成本有所提高，同時降低了反復實驗的可行性，并且熱態(tài)實驗時溫度較高，工作人員的安全也無法得到保證.因此，對干餾爐的冷態(tài)模擬研究也變得十分重要.

本研究針對上述問題，對油頁巖氣體熱載干餾爐進行冷態(tài)模擬，研究不同布氣方式下的速度分布，并根據(jù)反映出的流場情況對干餾爐進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確定布氣更加均勻的爐型，并為干餾爐熱態(tài)模擬分析提供依據(jù).

Fluent軟件是目前功能全面、適用性廣的CFD軟件之一，不僅可以解決化學反應和流動方面的實際問題，還直觀的、整體的反映爐內(nèi)的流動、壓力、速度等的分布情況，因而采用Fluent軟件對油頁巖干餾進行模擬研究.

1 幾何模型

本文研究模擬是基于等比例縮小的干餾爐干餾段[8]，爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示，干餾段為立式圓柱體，總高2.792 m，半徑R=1.6 m.干餾爐布氣方式采用中心進氣，氣體經(jīng)中心進氣管進入爐內(nèi)，由沿圓周方向均勻分布的四層布氣管噴入干餾爐內(nèi).布氣器分為4層，每層8根布氣管.布氣管截面為菱形，向下傾斜角度為10°，如圖2所示，分別在每根布氣管的兩側(cè)斜向下45°的面上布置若干個布氣孔，每面十個布氣孔，總計640個.

因干餾爐本身結(jié)構(gòu)較復雜，布氣孔較多，且進氣管初始段沒有通入干餾段，為方便而準確的進行數(shù)值模擬，對干餾爐進行簡化處理，建模時省去了該段進氣管.根據(jù)干餾爐干餾段實際尺寸在Gambit中建立幾何模型，并劃分網(wǎng)格，如圖3所示.網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，進氣孔處的網(wǎng)格都進行局部加密，共計1 849 526個網(wǎng)格.

根據(jù)爐體填料位置及物料在干餾爐的堆積特性，將模擬體域分為兩個部分，上部(圖1中2 000 mm處至頂部)為氣流區(qū)域，下部(圖1中2 000 mm處至干餾段底部)為多孔介質(zhì)區(qū)域.

圖1 爐體結(jié)構(gòu) 圖2 中心進氣 圖3 網(wǎng)格劃分

速度測點布置:以中心進氣管上的第四層布氣管為基準面，在距離基準面上方200 mm的截面處的外筒壁上開孔，測點分布如圖2所示，在布氣管正上方和兩根布氣管夾角中間分別開孔，共開8個孔，用熱式風速儀分別通過8個開孔沿截面半徑方向測量爐內(nèi)速度，測點位置為沿半徑方向測點坐標分別為0 mm、252.98 mm、357.78 mm、438.18 mm、505.96 mm、565.69 mm、619.68 mm、669.33 mm、715.54 mm、758.95 mm.

2 數(shù)學模型

本研究采用Fluent 6.3軟件建立干餾爐冷態(tài)模型，為合理地簡化計算，更方便地應用Fluent軟件模擬爐內(nèi)的流場分布，現(xiàn)給出以下假設(shè)：(1)干餾進行到一定程度，干餾爐處于穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)不隨時間改變；(2)堆積的頁巖為各向均勻的多孔介質(zhì)，爐內(nèi)各處的空隙率無變化.

由于油頁巖在干餾爐內(nèi)的堆積特性，將油頁巖區(qū)域設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域[15].滿料時，塊狀頁巖之間空隙不均勻，空氣進入干餾爐后運動不規(guī)則，每一點的速度隨機變化著，氣體在整個多孔介質(zhì)腔道內(nèi)流動狀態(tài)是湍流.因此，本文采用標準Realizablek-ε湍流模型來模擬干餾爐內(nèi)的流場分布.

2.1 基本方程

油頁巖熱解的CFD模型包含對流動、傳熱傳質(zhì)以及化學反應過程的描述，其基本方程包括質(zhì)量、動量、能量的守恒方程[16]；但是本文僅對冷態(tài)時，即通入的氣體熱載體為常溫空氣時，進行速度場與壓力場的分析，不涉及溫度的變化，因此只考慮流動過程.干餾爐內(nèi)的氣體流動由質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程來描述.連續(xù)性方程的一般形式為

(1)

式中：Sm為源項.

動量方程在慣性坐標系中i方向上的動量守恒方程為

(2)

式中：p為靜壓；τij為應力張量；gi、Si為i方向上的重力體積力和外部體積力，Si包含了模型的相關(guān)源項.

2.2 邊界和初始條件

多孔介質(zhì)模型中有粘性阻力和慣性阻力的設(shè)定，其中粘性阻力和慣性阻力分別用下式[13]計算：

(3)

(4)

式中：1/η為黏性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)；ε為多孔介質(zhì)的孔隙率；dp為等比表面積直徑；A=150；B=1.75.根據(jù)原料堆積特性確定空隙率為0.4，根據(jù)油頁巖自身密度計算得出其當量直徑為20 mm.

將布氣孔設(shè)置為速度入口(Velocity Inlet)，爐內(nèi)微負壓出口為自然出流(Outflow)，入口速度根據(jù)總進氣流量與進氣孔面積、個數(shù)可以確定[17].當進氣量為5 378 m3/h時，其對應的兩層布氣速度為41.2 m/s，四層滿料的入口速度為20.6 m/s，溫度為300 K，工作壓力為101 325 Pa，各壁面均為無滑移.

3 模型驗證

圖4 半徑1和半徑2處實驗值與模擬值的對比曲線

本研究對半徑為438.18 mm和669.33 mm的八個開孔點的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較，如圖4所示.由圖4可知，實驗值略低于模擬值，這是由于實驗時存在漏氣等密閉性問題，但在誤差允許范圍內(nèi)，半徑438.18 mm和669.33 mm(分別記為半徑1和半徑2)的八個開孔測點的速度的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果在一定程度上比較吻合，由此可以看出本文選取的k-ε湍流模型可以對氣體熱載體油頁巖干餾爐的冷態(tài)情況進行模擬預測.

4 結(jié)果分析

4.1 不同布氣方式下的速度分布

為了更好的確定干餾爐的最佳布氣方式，本研究采用兩層布氣與四層布氣進行對比，用Gambit建立了二層布氣方式的干餾爐物理模型，與四層布氣方式的干餾爐模型唯一不同的是布氣的層數(shù)，然后通過Fluent數(shù)值模擬計算.

兩層布氣和四層布氣方式下不同截面的速度分布云圖，如圖5和圖6所示.由圖5(a)和圖6(a)中x=0 mm截面的速度分布云圖可知，無論是哪種布氣方式，速度分布大致為：由于接近進氣口，在中心進氣管各分支的下方，氣體流速較快，并且速度由進氣口向爐頂遞減，但是減小的過程不是很均勻，且爐內(nèi)速度基本呈軸對稱分布.與四層布氣相比，兩層布氣時兩層布氣管間低速區(qū)域明顯較大，速度偏小，這是因為料層厚度大，氣體向上穿透油頁巖時受到頁巖的阻擋速度降低，同時降低的速度又得不到及時的補充，將直接影響熱態(tài)時的干餾效率.

圖5(b)和圖6(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖，即布氣管所在的截面，對比二者發(fā)現(xiàn)，速度由中心向邊壁處先增大后減小再增大，在相鄰布氣管之間都出現(xiàn)藍色的速度較小區(qū)域，這是因為布氣孔是在布氣管的兩側(cè)斜向下45°的面上，速度斜向下垂直射入，在縱向上有很大分量，并且氣流間擾動比較強烈；但圖6(b)中四層布氣的低速區(qū)域面積相對較大，四層布氣的布氣管間距小，相鄰兩層布氣管間的氣流相互影響的結(jié)果.可是四層布氣的截面平均流速比兩層布氣要大，并且速度分布的更加均勻.由圖5(c)和圖6(c)中z=590 mm截面的速度分布也可以得到證實，四層布氣中z=590 mm截面的氣體速度雖然由于物料顆粒的阻力有能量損失，不如截面z=400 mm的速度大，但仍然分布得比兩層布氣更加均勻，速度分布的越均勻?qū)⒃接欣谟晚搸r干餾.

由此可見，四層布氣比兩層布氣更加均勻，更加有利于油頁巖干餾.

圖6 四層布氣下不同截面的速度分布

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的速度分布

雖然四層布氣方式有其較大的優(yōu)越性，但仍然沒有避免與二層共有的缺陷，并且同層的相鄰布氣管間存在速度極小的區(qū)域，為了改善這種趨勢，將四層布氣的干餾爐結(jié)構(gòu)進行改造，改變沿著半徑方向上的布氣孔間距，開孔數(shù)量和孔徑大小仍然不變，改造后的模型數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖7所示.

對比圖6(a)和圖7(a)中x=0 mm截面的速度分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后最底層布氣管下方的速度幾乎擴展到爐體底部，且上方的氣流區(qū)域速度也有所增加；對比圖6(b)和圖7(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖可見優(yōu)化以后，同層布氣管相鄰分支之間的低速區(qū)域明顯減小，高速區(qū)域增加，截面平均速度有所增大，且速度分布相對均勻，尤其表現(xiàn)在截面z=590 mm上的速度分布.

綜合優(yōu)化后三個截面的速度云圖可見，速度分布要比優(yōu)化前對應的三個截面速度分布更為均勻，均勻性的提高將有利于油頁巖的干餾，提高干餾效率.

圖7 優(yōu)化后不同截面的速度分布

5 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合，k-ε湍流模型和多孔介質(zhì)模型結(jié)合的研究方法可以計算氣體熱載體干餾爐內(nèi)的速度場，為后期的實驗提供了理論指導.

(2)由云圖分析得到干餾爐四層布氣比二層布氣更為合理，截面平均速度大，分布更為均勻，有助于提高干餾效率.

(3)半徑方向上適當?shù)母淖兛组g距，在中心進氣管上合理的開孔，可以明顯改善爐內(nèi)氣體分布，使得四層布氣方式更為優(yōu)越，有助于提高干餾爐內(nèi)反應效率，對以后干餾爐的改造提供了理論依據(jù).