張 翼 繆俊杰 杜泓飛

（中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316）

0 前言

固定床氣化爐爐內(nèi)流場(chǎng)和床層壓降決定氣化裝置的動(dòng)力系統(tǒng)以及傳質(zhì)、傳熱過(guò)程，因此合理預(yù)測(cè)氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)和床層壓降對(duì)于氣化爐的設(shè)計(jì)、操作及優(yōu)化有十分重要的意義[1]。影響氣化爐流場(chǎng)和床層壓降的影響因素眾多，例如物料特性、物料尺寸、物料分布、床層高度與空隙率等[2]?，F(xiàn)已有許多文獻(xiàn)通過(guò)不同手段探討了固定床壓降的影響因素：馮振君[2]使用CFD 模擬軟件分析固定床全床流場(chǎng)和床層壓降，從而優(yōu)化了催化劑區(qū)域和出入口區(qū)域的設(shè)計(jì)。王春雷[3]研究了不同粒徑顆粒對(duì)床層壓降的影響。顆粒粒徑變化會(huì)影響床層空隙率和空隙率分布，從而影響床層壓降。許多學(xué)者研究了不同固定床的流場(chǎng)與壓降，但鮮有文獻(xiàn)探討氣化爐床層差異和進(jìn)氣差異對(duì)氣化劑在床層中停留時(shí)間的影響。該文基于fluent 模擬軟件，考察了二次進(jìn)氣位置、數(shù)量以及流量分布對(duì)固定床氣化爐床層壓降和氣化劑停留時(shí)間分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 氣化爐及網(wǎng)格劃分

國(guó)產(chǎn)化美國(guó)SynTech 公司的BioMax 下吸式-二次氣化固定床氣化爐如圖1（a）所示。氣化爐主要由位于爐頂?shù)囊淮芜M(jìn)氣和五層二次進(jìn)氣提供的空氣作為氣化劑，爐體床層高度為1.44 m。關(guān)于氣化爐詳細(xì)情況見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

由于BioMax 氣化爐較為復(fù)雜，氣路眾多，因此出于降低計(jì)算成本、提高模擬精度的目的對(duì)氣化爐進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。一次進(jìn)氣簡(jiǎn)化后為4 個(gè)對(duì)稱45°向下的進(jìn)氣口。二次進(jìn)氣原本為深入爐體圓管并在圓管下方開(kāi)2 排小孔，2排小孔進(jìn)氣方向成90°夾角；現(xiàn)將其簡(jiǎn)化為2 組成90°夾角的長(zhǎng)矩形。原第一層～第五層共5 層二次進(jìn)氣簡(jiǎn)化為第一層（距床層頂部0.4 m）、第三層（距床層頂部0.7 m）和第五層（距床層頂部1.0 m）共3 層二次進(jìn)氣，每層簡(jiǎn)化為4 根對(duì)稱進(jìn)氣管?；贏nsys Mesh 軟件，使用四面體網(wǎng)格對(duì)BioMax 氣化爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，氣化爐網(wǎng)格劃分示意圖如圖1（b）所示，網(wǎng)格總數(shù)為662 166 個(gè)。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

該文使用CFD 商用軟件fluent 對(duì)BioMax 固定床氣化爐進(jìn)行計(jì)算分析。氣化爐內(nèi)質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程描述[5]如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；為瞬時(shí)速度，m/s；p為氣體組分分壓，Pa；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；SP為源項(xiàng)，kg/（s·m3）；SN為源項(xiàng)，N/m3。

該文采用歐拉-拉格朗日法處理氣化爐反應(yīng)區(qū)多相流模擬，并使用k-ε 模型考慮湍流的影響[6]。氣化爐內(nèi)床層使用各向同性的均勻多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬[7]。該氣化爐常用物料為破碎后的木片，根據(jù)原料的堆積密度與其自身密度的關(guān)系得出填料層孔隙率為0.3，物料當(dāng)量直徑約為5 mm。采用公式計(jì)算料層的黏性阻力和慣性阻力。黏性阻力、慣性阻力分別如公式（3）、公式（4）所示[8]。

式中：a為滲透率；DP為顆粒當(dāng)量直徑；ε 為床層孔隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同二次進(jìn)氣位置

BioMax 作為下吸式二次進(jìn)氣生物質(zhì)氣化爐，二次進(jìn)氣位置的變化會(huì)直接影響固定床的流場(chǎng)和床層壓降。實(shí)驗(yàn)探討了分別在第一層、第三層和第五層通入二次進(jìn)氣對(duì)床層壓降、氣體流速和氣化劑停留時(shí)間的影響。一次進(jìn)氣和二次進(jìn)氣的進(jìn)氣量比例為1︰1。圖2（a）給出了不同二次進(jìn)氣位置對(duì)床層壓降的影響，圖2（b）給出了不同進(jìn)氣位置對(duì)床層氣速和氣化劑停留時(shí)間的影響。

如圖2（a）所示，二次進(jìn)氣位置的改變對(duì)床層壓降有較明顯的影響。隨著二次進(jìn)氣位置高度的降低，床層壓降也會(huì)明顯降低。一次進(jìn)氣整體床層壓降約為1 120 Pa；當(dāng)二次進(jìn)氣位置處于距離床層頂部0.4 m（第一層）、0.7 m（第三層）和1.0 m（第五層）時(shí)，床層壓降為926 Pa、789 Pa 以及653 Pa。并且根據(jù)圖2（a）中曲線變化趨勢(shì)可推測(cè)，對(duì)于二次進(jìn)氣固定床氣化爐來(lái)說(shuō)，其一次進(jìn)氣的進(jìn)氣量相對(duì)較少，在二次進(jìn)氣通入前，床層壓降較低，從而降低了整體床層壓降；隨著二次進(jìn)氣的通入，床層壓降會(huì)有所增大。

二次進(jìn)氣同時(shí)會(huì)改變氣體流速，從而改變氣化劑在床層中的停留時(shí)間。圖2（b）給出了氣體流速、停留時(shí)間與床層位置的關(guān)系。從圖2（b）中可見(jiàn)，由于二次進(jìn)氣分流的緣故，一次進(jìn)氣床層氣速降低，當(dāng)二次進(jìn)氣通入后，氣流速度提升并最終與單獨(dú)一次進(jìn)氣相同。二次進(jìn)氣位置的改變會(huì)顯著改變氣化劑在床層中的停留時(shí)間。隨著二次進(jìn)氣位置的下降，氣體停留時(shí)間明顯增長(zhǎng)。只有一次進(jìn)氣時(shí)，氣化劑通過(guò)床層所用時(shí)間為7.58 s；二次進(jìn)氣位置分別為0.4 m（第一層）、0.7 m（第三層）和1.0 m（第五層）時(shí)，氣化劑通過(guò)床層所用時(shí)間分別為9.71 s、11.35 s 以及12.99 s。

圖2 不同位置對(duì)氣化爐床層壓降和氣體流速的影響

2.2 不同二次進(jìn)氣數(shù)量

美國(guó)SynTech 的BioMax 氣化爐通過(guò)多股二次進(jìn)氣和眾多溫度測(cè)點(diǎn)精確控制氣化爐物料床層的氣化劑分布以及溫度分布，從而極大降低了焦油產(chǎn)率，增大了有效合成氣成分的比例，同時(shí)提升了氣化裝置的整體壽命。BioMax 二次進(jìn)氣位置分布較廣，不同的進(jìn)氣位置與數(shù)量勢(shì)必會(huì)改變固定床床層的壓降情況。模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)氣化爐進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，在此只分析第一層、第三層和第五層對(duì)氣化爐床層壓降的影響。圖3 給出了不同二次進(jìn)氣數(shù)量對(duì)床層壓降、氣體流速和氣化劑停留時(shí)間的影響。其中氣流總量一定且在各氣路中均勻分配。

如圖3（a）所示，隨著二次進(jìn)氣管路數(shù)量的增多，床層壓降有明顯降低。隨著二次進(jìn)氣為1 路、2 路和3 路時(shí)，床層壓降分別為926 Pa、783 Pa 以及650 Pa。綜合2.1 中進(jìn)氣位置對(duì)床層壓降的影響可以發(fā)現(xiàn)，影響整體床層壓降的主要因素是二次進(jìn)氣的位置，進(jìn)氣數(shù)量對(duì)整體床層壓降的影響較小。但同時(shí)從圖3（a）可以看到，雖然二次進(jìn)氣數(shù)量對(duì)整體床層壓降影響較小，但是改變了床層壓降的分布。增加二次進(jìn)氣氣路數(shù)量有利于降低床層上部壓降。

圖3（b）給出了床層氣速和氣化劑停留時(shí)間。從圖3（b）中可見(jiàn)，隨著二次進(jìn)氣的通入，氣流速度有明顯提高。當(dāng)二次進(jìn)氣為1 路、2 路和3 路時(shí)，氣化劑停留時(shí)間分別為9.71 s、12.68 s 和16.25 s。當(dāng)二次進(jìn)氣氣路數(shù)量增加時(shí)，氣化劑停留時(shí)間也明顯提高，并明顯高于章節(jié)2.1 中單獨(dú)一路進(jìn)氣時(shí)的氣化劑停留時(shí)間。

圖3 不同二次進(jìn)氣氣路對(duì)氣化爐床層壓降和氣體流速的影響

綜上可知，二次進(jìn)氣位置對(duì)床層壓降有顯著影響，隨著二次進(jìn)氣位置的降低，床層壓降也明顯降低。二次進(jìn)氣氣路數(shù)量對(duì)固定床床層壓降的影響較小，但能夠有效提高氣化劑在床層上段的停留時(shí)間，在熱解氣化過(guò)程保持富氧狀態(tài)，從而減少焦油的生成。

2.3 進(jìn)氣比例對(duì)床層壓降的影響

由章節(jié)2.1 和2.2 可知，床層壓降主要與二次進(jìn)氣的最后進(jìn)氣位置有關(guān)。為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，選擇第五層作為二次進(jìn)氣通氣口考察一次進(jìn)氣與二次進(jìn)氣比例對(duì)床層壓降的影響。床層壓降隨一、二次進(jìn)氣比例變化如圖4 所示。氣化爐床層壓力隨著二次進(jìn)氣比例的增高而降低。當(dāng)一次進(jìn)氣與二次進(jìn)氣比例由4︰1 降低到1︰4 時(shí)，氣化爐床層壓降從943 Pa降低至445 Pa。可見(jiàn)，適當(dāng)減少一次進(jìn)氣的比例，有助于降低床層壓降，節(jié)省能耗。

圖4 一次進(jìn)氣與二次進(jìn)氣比例對(duì)床層壓降影響

3 結(jié)論

基于fluent 模擬二次進(jìn)氣對(duì)BioMax 氣化爐的床層壓降和流場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二次進(jìn)氣位置是影響固定床氣化爐床層壓降的重要因素之一，床層壓降隨著二次進(jìn)氣位置的下降而明顯降低。二次進(jìn)氣氣路數(shù)量對(duì)整體床層壓降影響較小，但二次進(jìn)氣氣路數(shù)量變化會(huì)導(dǎo)致床層壓降的分布發(fā)生變化，從而改變氣化劑在床層中停留時(shí)間的分布，使一次進(jìn)氣在床層上端的停留時(shí)間增長(zhǎng)，有利于提高熱解和氧化區(qū)域氧含量，有利于減少焦油的產(chǎn)生。同時(shí)，一次進(jìn)氣和二次進(jìn)氣的比例變化也將影響床層壓降，床層壓降隨著一次進(jìn)氣比例的上升而增大。

通過(guò)模擬研究BioMax 固定床氣化爐的床層壓降和流場(chǎng)，對(duì)于BioMax 的操作與調(diào)試工作有重要作用，且對(duì)于后續(xù)氣化爐優(yōu)化也有一定借鑒意義。