王文軒，高亞男，洪 坤

(淮陰工學(xué)院化工學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基石，其變革歷程大致經(jīng)歷了薪柴、煤炭、石油、天然氣等階段。我國(guó)具有豐富的生物質(zhì)資源，生物質(zhì)種類眾多、分布廣泛、儲(chǔ)量巨大，包括能源植物、農(nóng)林廢棄物、城市和工業(yè)廢物、畜禽糞便等。當(dāng)前，對(duì)大量可再生的生物質(zhì)資源進(jìn)行高效清潔利用是我國(guó)比較理想的新能源發(fā)展途徑之一。因此，生物質(zhì)能作為一種極具開(kāi)發(fā)和利用潛能的可再生清潔能源，對(duì)促進(jìn)能源發(fā)展戰(zhàn)略、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)村發(fā)展都具有重要意義。

1 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)

近年來(lái)，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)正成為國(guó)內(nèi)外研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。不同種類的生物質(zhì)在物理化學(xué)特性方面存在差異，其轉(zhuǎn)化利用的途徑也不盡相同。歸納而言，生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的主要方法可分為三類[1]，如圖1所示，即燃燒法、生物化學(xué)轉(zhuǎn)化法和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法。

圖1 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)分類Fig.1 Classification of biomass conversion technology

因?yàn)楸疚闹饕劢股镔|(zhì)熱解過(guò)程的流動(dòng)和混合特性，故此以下章節(jié)重點(diǎn)對(duì)生物質(zhì)熱解的流動(dòng)特性模擬等方面進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

2 生物質(zhì)熱解模擬進(jìn)展

生物質(zhì)熱解技術(shù)是一種清潔高效的生物質(zhì)利用新方法，其熱解產(chǎn)物能源利用率高，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)。而生物質(zhì)熱解的核心場(chǎng)所是熱解反應(yīng)器裝置，它決定了熱解效率、熱解產(chǎn)物組成及其含量分布等。常見(jiàn)的熱解裝置類型包括固定床、流化床、氣流床、旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)爐等。其中，流化床反應(yīng)器因具有高效的混合與傳熱性能，滿足快速熱解對(duì)溫度及升溫速率的要求而被廣泛使用，在生物質(zhì)熱解領(lǐng)域也受到更多的關(guān)注與重視。隨著快速熱解工藝的日益發(fā)展，亟需對(duì)熱解流化床進(jìn)行放大優(yōu)化以提高其生物質(zhì)的處理量，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)快速熱解的工業(yè)化應(yīng)用。在新型流化床反應(yīng)器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)研究和理論分析都是不可或缺的重要手段。隨著計(jì)算能力的提升及計(jì)算理論模型的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬已逐步成為熱解流化床研究的重要輔助手段。朱玉琴[2]、熊勤鋼[3]等都對(duì)熱解流化床的計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬進(jìn)行了全面的綜述，系統(tǒng)總結(jié)分析了CFD模擬中常用的理論模型，包括氣-固相間曳力模型、熱解動(dòng)力學(xué)模型、顆粒內(nèi)傳熱模型和顆粒頸縮模型。在熱解流化床模擬中，氣-固相間曳力顯得尤其重要，不僅影響生物質(zhì)顆粒流動(dòng)行為，而且還會(huì)影響熱解產(chǎn)物分布?，F(xiàn)有熱解模擬文獻(xiàn)一般采用基于均勻分布的曳力模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。然而，流化床內(nèi)具有顯著的非均勻結(jié)構(gòu)，如氣泡、顆粒聚團(tuán)等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)又與流動(dòng)、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞及化學(xué)反應(yīng)等“三傳一反”過(guò)程存在復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致這類問(wèn)題的模擬放大一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界極具挑戰(zhàn)性的難題。

2.1 流化床流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征

作為生物質(zhì)快速熱解過(guò)程的重要反應(yīng)場(chǎng)所，流化床反應(yīng)器內(nèi)部通常呈現(xiàn)出時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)特征，并伴有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)演變。除了流化氣體外，床內(nèi)一般會(huì)有一種或多種生物質(zhì)顆粒，有時(shí)也會(huì)加入沙子等惰性顆粒進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，因此流化床式生物質(zhì)熱解過(guò)程屬于典型的氣-固多相流系統(tǒng)。具體而言，如圖2所示，單個(gè)生物質(zhì)或惰性顆粒代表系統(tǒng)的微尺度，反應(yīng)器代表系統(tǒng)的宏尺度，介于兩者之間的局部結(jié)構(gòu)(顆粒聚團(tuán)、氣泡等)則是典型的介尺度結(jié)構(gòu)。在通常的操作條件(流化氣速和生物質(zhì)顆粒入口流量等)下，惰性顆粒一般易處于床底部，呈現(xiàn)鼓泡流化狀態(tài)，而生物質(zhì)顆粒則更易處于床上部，呈現(xiàn)快速流化狀態(tài)。這種動(dòng)態(tài)多變的結(jié)構(gòu)又會(huì)對(duì)“三傳一反”等過(guò)程產(chǎn)生重要影響，如影響生物質(zhì)和惰性顆粒的分離與混合、生物質(zhì)顆粒的停留時(shí)間、熱解產(chǎn)率及產(chǎn)品分布等等。近年來(lái)相關(guān)研究[4-5]逐漸將此類難題歸結(jié)為時(shí)空多尺度問(wèn)題，其突破的關(guān)鍵在于認(rèn)知和調(diào)控這種多尺度結(jié)構(gòu)及其耦合影響。

圖2 熱解流化床的多尺度結(jié)構(gòu)[3]Fig.2 The multi-scale structures of pyrolysis fluidized bed

2.2 熱解流化床模擬方法

在早期有關(guān)流化床研究的文獻(xiàn)中，報(bào)道了一些經(jīng)典的無(wú)量綱模型和兩相模型。例如，Davidson提出的氣泡模型[6]用來(lái)分析單個(gè)氣泡上升的流動(dòng)行為。受限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件，不能大規(guī)模數(shù)值求解，因而這些模型建模時(shí)都引入了一些合理的簡(jiǎn)化近似。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展，近年來(lái)借助計(jì)算機(jī)模擬可以輔助解決一些多相流工程問(wèn)題，它是傳統(tǒng)逐級(jí)試驗(yàn)放大的有力補(bǔ)充。與傳統(tǒng)試驗(yàn)放大相比，使用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行工程放大及優(yōu)化，不僅可以顯著地縮短開(kāi)發(fā)周期，而且可以節(jié)約大量人力、物力和財(cái)力。

根據(jù)兩相的描述方式以及網(wǎng)格尺度大小來(lái)劃分，如圖3所示，多相流體力學(xué)模型主要分為三種[7]：直接數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation，DNS)、顆粒軌道模型(Discrete Particle Modelling，DPM)和歐拉多流體模型(Eulerian Multi-Fluid Model，MFM)。其中，DNS屬于最微觀的模擬方法，氣相控制方程采用單相流的Navier-Stokes方程求解，固相跟蹤所有顆粒的運(yùn)動(dòng)邊界，從而揭示微元空間內(nèi)所有的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。由于DNS所需計(jì)算量極大，一般僅用它來(lái)研究局部平衡狀態(tài)下的微元流動(dòng)(微元內(nèi)顆粒數(shù)量級(jí)約為103)。而在顆粒軌道模型中，氣相采用歐拉坐標(biāo)系求解，固相采用拉格朗日坐標(biāo)系求解，可以跟蹤所有顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡(顆粒數(shù)量級(jí)約為106)。同樣受限于計(jì)算量，顆粒軌道模型仍難以用于顆粒達(dá)數(shù)十億級(jí)(顆粒數(shù)量級(jí)為>109)的實(shí)際工程問(wèn)題計(jì)算。在歐拉多流體模型中，顆粒相被視為“擬流體”的連續(xù)介質(zhì)，這樣處理后就可以在歐拉-歐拉坐標(biāo)系下求解氣相和固相控制方程，它能夠捕捉到宏觀和局部的流動(dòng)行為，但無(wú)法獲得每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。由于歐拉多流體模型的計(jì)算量大大減少，故而被廣泛用于大尺度工程問(wèn)題的研究。

圖3 三種不同尺度的多相流體力學(xué)模型[7]Fig.3 Three multi-phase hydrodynamic models for different geometries

在顆粒軌道模型中，應(yīng)用最為廣泛的是離散元法(Discrete Element Modelling，DEM)，DEM賦予了顆粒很多特性，包括顆粒碰撞、顆粒旋轉(zhuǎn)、顆粒形狀和粘結(jié)力等。將DEM模型與CFD結(jié)合便形成了CFD-DEM方法，可用于流-固兩相的數(shù)值仿真?；跉W拉-拉格朗日坐標(biāo)的CFD-DEM耦合法同樣也受計(jì)算量的限制，它多用于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域仍受限于計(jì)算能力和模型真實(shí)度等因素。在工業(yè)流化床模擬中取得成果并被廣泛使用的是歐拉-歐拉坐標(biāo)系下的雙流體模型(Two-Fluid Model，TFM)，然而，顆?！皵M流體”處理后，雙流體模型需要封閉顆粒粘度和壓力項(xiàng)，以及氣-固相間的作用力。近年來(lái)，在傳統(tǒng)CFD-DEM基礎(chǔ)上，新發(fā)展了粗粒化多相粒子單元法來(lái)減少計(jì)算量，它采用虛擬粒子來(lái)打包表征若干具有相同動(dòng)力學(xué)特性的顆粒，例如多相流質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格模型(Multi-Phase Particle-In-Cell，MP-PIC)[8]以及Coarse-grained CFD-DEM方法[9]。與傳統(tǒng)顆粒軌道模型相比，粗粒化方法可以顯著減少系統(tǒng)的計(jì)算量，但其模型應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題仍處于發(fā)展階段。

下面簡(jiǎn)要介紹DEM、MP-PIC和TFM這三種方法的特點(diǎn)：

(1)離散元法(DEM)

離散元法追蹤每個(gè)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，并在空間尺度上將氣相建模為至少比粒子直徑大一個(gè)數(shù)量級(jí)的連續(xù)體，如圖4(a)所示。DEM可以提供關(guān)于顆粒流場(chǎng)非常詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息，例如顆粒軌跡、固體與壁面相互作用，這對(duì)于表征流化床中復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)是非常有用的。然而，其工業(yè)應(yīng)用還仍受計(jì)算能力和模型真實(shí)程度等方面限制。

圖4 兩種典型多相流建模示意圖[7]Fig.4 Schematic diagram of two typical multi-phase modelling

(2)多相流質(zhì)點(diǎn)網(wǎng)格模型(MP-PIC)

與傳統(tǒng)離散顆粒模型不同的是，MP-PIC采用顆粒相壓力梯度力取代顆粒碰撞來(lái)表征顆粒間相互作用力，并采用計(jì)算粒子來(lái)表征具有相同動(dòng)力學(xué)特性的顆粒群。粗粒化處理后，MP-PIC能大大地降低粒子模擬的計(jì)算量，提高了工程問(wèn)題的計(jì)算速度，但其適用性和準(zhǔn)確性還仍有待發(fā)展和驗(yàn)證，已有用于模擬半工業(yè)規(guī)模粒子系統(tǒng)的驗(yàn)證研究[10-11]。

(3)雙流體模型(TFM)

在雙流體模型中，固體顆粒被視為以“擬流體”形式存在的連續(xù)相，流體和顆粒兩相是能夠充滿整個(gè)流場(chǎng)的連續(xù)介質(zhì)，且在流場(chǎng)中兩相能夠相互滲透、相互作用，如圖4(b)所示。與DEM和MP-PIC相比，TFM可以節(jié)省大量的計(jì)算資源，非常適合用于工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模，也是流化床模擬放大的首選方法[12-13]。

前已特別提及，流化床熱解過(guò)程涉及到復(fù)雜的多尺度問(wèn)題。此類反應(yīng)器放大時(shí)，TFM模擬的計(jì)算精度主要取決于TFM守恒方程中本構(gòu)關(guān)系式的適用性或準(zhǔn)確度。若本構(gòu)關(guān)系式缺失結(jié)構(gòu)特征的合理描述，如采用傳統(tǒng)的平均化方法處理，就會(huì)湮滅了結(jié)構(gòu)及其所帶來(lái)的影響，那么將會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性大大降低，甚至與實(shí)際情況相悖[14]。因此，構(gòu)建與本征物理結(jié)構(gòu)相一致的數(shù)學(xué)模型，是認(rèn)識(shí)和調(diào)控這類多尺度耦合問(wèn)題的重要手段。

2.3 多尺度建模方法

多尺度方法是一種解決不同尺度間關(guān)聯(lián)的有效方法，粗略可劃分為三類[15]：描述型、關(guān)聯(lián)型和變分型。其中，描述型方法僅僅用于描述不同尺度上的各種結(jié)構(gòu)特征，不關(guān)注結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理；關(guān)聯(lián)型方法通過(guò)微尺度相互作用分析進(jìn)行大尺度上的粗?；幚?，屬于單向關(guān)聯(lián)；而變分型方法通過(guò)控制機(jī)理(如穩(wěn)定性條件)反映不同尺度之間的雙向關(guān)聯(lián)，這其中就涉及到介尺度結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

熱解流化床中，常見(jiàn)的介尺度結(jié)構(gòu)主要包括氣泡和顆粒聚團(tuán)等。針對(duì)此類問(wèn)題建模時(shí)，Glasser等[16]曾指出這些非均勻結(jié)構(gòu)具有相同的形成與傳播機(jī)理，屬于同一類非線性方程的求解范疇。認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)及其影響的重要性后，近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始聚焦介尺度結(jié)構(gòu)建模。國(guó)際上得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用的當(dāng)屬變分型的能量最小多尺度(EMMS)方法[15]，它通過(guò)穩(wěn)定性條件分析不同尺度間的聯(lián)系，揭示產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的主要機(jī)理，得到含有結(jié)構(gòu)參數(shù)的本構(gòu)關(guān)系式?？v觀EMMS模型30多年的發(fā)展歷程，從循環(huán)流化床中的顆粒聚團(tuán)，到經(jīng)典鼓泡床中的氣泡，介尺度結(jié)構(gòu)及其耦合效應(yīng)始終是貫穿其模型研究的核心內(nèi)容。當(dāng)前EMMS研究大多集中于以顆粒聚團(tuán)為特征的氣-固兩相流，然而應(yīng)用于以氣泡為特征的氣固多相流研究報(bào)道相對(duì)較少。

對(duì)于生物質(zhì)快速熱解流化床，情況也更為復(fù)雜，生物質(zhì)顆粒(一般為Geldart A或B顆粒)和惰性顆粒(一般為Geldart B或D顆粒)因物性差別大，兩者常處于不同的流化狀態(tài)，即惰性顆粒常見(jiàn)鼓泡流化，而生物質(zhì)顆粒常見(jiàn)快速流化。Xue等[17]利用歐拉多流體模型模擬了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的快速熱解流化床并考察了生物質(zhì)組成的影響。也有研究者模擬考察了操作溫度、流化氣速和生物質(zhì)粒徑等對(duì)動(dòng)力學(xué)和熱解產(chǎn)率的影響[18]。Lee等[19]采用模擬考察了反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)熱解過(guò)程中氣泡大小和數(shù)量的影響。然而，上述所有研究仍采用平均化方法或一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式封閉本構(gòu)關(guān)系，以致無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)內(nèi)秉性的非均勻結(jié)構(gòu)及其傳遞現(xiàn)象，其放大規(guī)律的可靠性也大大降低。本文將重點(diǎn)圍繞熱解流化床內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以期為熱解流化床的放大及優(yōu)化積累理論基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

生物質(zhì)快速熱解是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能利用新技術(shù)。然而，生物質(zhì)熱解過(guò)程異常復(fù)雜，受到很多的因素影響，也存在著各種需要解決的問(wèn)題。計(jì)算模擬方法對(duì)熱解流化床內(nèi)的流動(dòng)特性研究具有非常重要的指導(dǎo)意義。本文系統(tǒng)綜述總結(jié)了生物質(zhì)熱解過(guò)程的特征結(jié)構(gòu)、各種熱解流化床模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及近年發(fā)展的多尺度建模方法在其中的應(yīng)用前景。