生物质流化床流化特性试验研究与数值模拟

胡小金，刘三举，刘俊，成松廷，徐亚南，王发辉，温小萍

(1.湖北华电襄阳发电有限公司，湖北 襄阳 441141；2.河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

生物质和传统化石能源相比有许多优势，其含氮、硫以及灰分都很小，燃烧后产生的有害物中二氧化硫和氮氧化物等含量都比传统化石燃料燃烧后产生的有害物中对应的含量要小得多。同时，由于生物质的本身属性，其利用过程的二氧化碳净排放量几乎为0，因此，生物质能源现在已经成为能源领域的研究重点[1-3]。随着我国生物质资源利用技术的不断发展，最终的能源转换潜力可以达到10亿t标准煤，可占我国能源总消耗的28%[4]。

生物质气化技术是生物质利用过程中热效率较高的技术，该技术可以将低品位的生物质能转化为高品位的可燃气体，具有较高的能量密度和商业价值。对于该技术，目前，国内外学者主要研究不同气化剂气化时燃气的产率、成分和热值等方面的变化规律[5-8]。徐珊等[9]、陈鸿伟等[10]、WEN C Y等[11]通过试验研究和理论计算，分析了不同工况下流化床临界流化风速的变化规律，但试验研究和理论计算只能对临界流化风速的变化规律进行分析，很难直观地反映床层物料的流化状态。若反应器物料层内的气体分布不均，会造成物料在床层内分布不均，形成物料的局部集聚，使产气量减少，而部分区域物料松散会形成局部富氧，造成物料的强烈燃烧，温度过高，使气化局部上移或烧结，影响床层的整体流化，从而影响气化炉的燃气产量和品质。近年来，随着CFD技术的不断成熟，通过数值模拟方法进行生物质气化的研究受到众多学者的青睐，齐博阳等[12]、陆杰等[13]、梁容真等[14]、张继达等[15]采用CFD等工具对生物质流化床气化进行了数值模拟研究，对生物质的气化过程、各组分当量比及燃烧强度进行了有效的模拟分析。采用试验和数值模拟相结合的方法研究生物质流化床内的流体流动行为，对气化技术的发展及应用具有重要的意义。

本文拟通过自搭建的生物质鼓泡流化床试验系统，进行试验和数值模拟，以石英砂作为床层物料，研究流化床床层区域空间内气体流动特性、压力和流速分布等，分析流化区域内床层物料流化特性。

1 试 验

1.1 试验系统

搭建的流化床冷态试验系统如图1所示，主体部分主要由反应器、进风装置、布风板以及测压装置等组成。反应器采用有机玻璃制成，直径300 mm，高1 000 mm；布风板采用圆形排列的方式开孔，开孔直径0.6 mm，为了使气体的压力稳定，减少布风板对气体分布的影响，布风板底部采用空气预分布器。在流化床的气体出口处设置过滤网，拦截从流化床飞出的固体颗粒。整个流化床设备由一台离心风机提供载气，气体流速由玻璃转子流量计测量，流化床层的压力降由U型压差计测得，压差计连接在气体分布板下方和流化床上端。

图1 试验系统

1.2 试验方法与步骤

(1)将石英砂放置在烘干箱中，在105 ℃下烘干24 h。

(2)将干燥后石英砂充分加入流化床中，床料厚度保持25 cm。

(3)打开鼓风机，使空气通过布风板均匀进入流化床试验台的底部，试验时将进风阀门逐渐开大以加大通风量，每一种进风量条件下需使床层物料处于流化状态。

(4)当流量稳定时，观察床层物料是否完全处于流化状态，若物料处于流化状态，则观察流化现象3 min，并记录下床层压降、空气流量等试验数据。

1.3 物料特性

试验材料在烘干前首先进行破碎处理，然后进行筛分，获得3种不同粒径的石英砂颗粒，最后，将其放入105 ℃的烘箱中进行干燥处理，干燥24 h。物料的特性参数如表1所示。

表1 物料特性参数

1.4 试验结果分析

流化床流化过程中，床料的颗粒直径对流化风速和流化状态有比较重要的影响，尤其是临界流化风速对不同分区内物料流态的变化起决定性作用，最终也将影响整个系统的稳定运行。为此，本文对不同粒径区间物料颗粒的流化特性进行测试分析，对表1中各粒径颗粒物料的临界流化风速进行测定，结合布风板阻力与风量曲线，将每一风量下的风室静压减去对应的布风板阻力，绘出床层压降和表观风速的关系曲线，如图2所示。

图2 不同粒径物料的流化风速

从图2可以看出：对于3种粒径区间物料，其床层压降随着风速增加呈现先增加后稳定的变化趋势，当气流速度逐渐增大时，一部分颗粒开始流化，当气流速度达到某一数值时，床层压降维持一定值，这个定压降对应的最小气流速度即为临界流化速度。当气流速度超过拐点时的起始流化速度，床层开始沸腾，而起始流化速度对应的送风量就是最小的临界送风量。试验数据表明:试验所用的3种粒径的颗粒，其临界流化风速分为0.017,0.065,0.170 m/s；粒径越小达到流化状态所需的流化风速也越小。主要原因是：当临界流化发生时，颗粒所受流体曳力、重力、浮力三者处于力的平衡状态，而当颗粒物料的温度和密度一定时，其重力和浮力一定，而曳力则随着粒径的增加而增大，因此，达到平衡状态时的流化风速也随之变大，该试验结果和用WEN C Y&YU Y H公式理论计算的结果一致[11]。

2 数值模拟

流化床的临界风速表明床层物料在该风速下处于流化状态，但物料层流化状态的优劣很难用流化风速衡量和辨别，而流化状态的优劣又对流化床的运行稳定性起着至关重要的作用，因此，本文对流化床的流化特性开展数值模拟研究。

2.1 计算模型

流体相的流动控制方程主要包括连续性方程和动量方程，即

∂ρ/∂t+(ρv)=0，

(1)

∂(ρν)/∂t+(ρνν)=-p+(τij)+

ρg+F，

(2)

式中：F为颗粒与流体的相互作用力，流体相通过这一作用力与颗粒相进行耦合；τij为黏性应力张量。

根据斯托克斯假设，建立流体本构关系，黏性应力张量可以表示为

τij=μ(∂vi/∂xj+∂vj/∂xi)-2/3(δij∂vi/∂xi)。

(3)

根据鼓泡床中颗粒相的密相流动特征，流动雷诺数的计算特征长度取颗粒的粒径，其雷诺数一般在1 000以内，气相流动状态通常为层流。因此,模型计算中，基于层流流动，直接求解以上的流动控制方程即可。

固体相计算过程中通常采用传统的DPM模型，该模型使用牛顿第二定律建立流动颗粒的运动微分方程，即

(4)

dx/dt=v，

式中：Fdrag为颗粒所受流体曳力；Fpressure为压力；Fgravitation为重力；Fother为其他形式的力。

固体相在计算过程中涉及到颗粒之间的碰撞问题，对固体相间碰撞的计算，本文采用DEM(discrete element method)模型，该模型主要基于P.A.Cundall等[16]的工作，并在DPM模型的基础上考虑颗粒间的碰撞。碰撞产生的力，以其他力的形式附加到颗粒运动的常微分控制方程中。颗粒碰撞的力主要由颗粒的变形产生，而颗粒的变形主要通过颗粒运动中的重叠部分来确定。颗粒碰撞的几何模型如图3所示。

使用弹簧阻尼碰撞模型计算颗粒碰撞产生的法向力。涉及的主要物理量计算如下，

v12=v2-v1，

(5)

(6)

F1=[Kδ+γ(v12.e12)]e12，

(7)

式中：γ为阻尼系数；δ为重叠距离；K为弹性系数。

图3 颗粒碰撞的几何模型

颗粒碰撞的切向作用力计算基于摩擦碰撞定律，即切向力按照摩擦力的方式进行计算，公式为

Ffriction=μFnormal,

(8)

式中：μ为摩擦系数；Fnormal为前文所述的法向力。

计算的几何模型和网格模型如图4所示。几何模型是一个底面直径300 mm的圆柱，圆柱高1 000 mm。计算模型网格划分全部采用结构化六面体网格，总网格数量为1.64×106。下底面为流体相气流入口，上底面为流体相压力出口。

本文的数值模拟使用通用CFD商业软件ANSYS FLUENT 18.0。在两相的计算中，流体相使用层流流动模型，颗粒相使用DPM模型(颗粒碰撞作用使用DEM模型)。模拟计算的初始时刻在圆柱形鼓泡床内注入65 512颗固体颗粒，固体颗粒在鼓泡床床层的0～300 mm高度内随机分布，如图2所示。流动计算的时间步长0.001 s，颗粒计算的时间步长0.000 2 s，共计算3 s。

图4 计算模型与网格划分

2.2 模型验证

为了进一步验证本文数值计算模型的正确性，对临界流化风速的计算结果与试验结果进行比较，如表2所示。

从表2可以看出，数值模拟结果显示临界流化风速随物料粒径的增大而增加，这一变化趋势和试验结果完全一致。另外，从具体数值看，3种粒径的物料临界风速的数值计算结果分别为0.210,0.080，0.021 m/s，对应粒径物料流化风速的试验结果分别为0.170，0.065，0.017 m/s；数值计算结果与试验结果相比，对应的计算误差分别为23.5%，23.1%和22.6%。根据该计算结果，可以认为本文所采用的计算模型和计算方法是可靠的。

表2 试验临界流化速度与模拟临界流化速度比较

2.3 计算结果与分析

2.3.1 固定床状态

固定床状态是气流速度低于临界流化速度时表现的气固两相状态。图5为颗粒直径0.56 mm的石英砂，在入口气流速度0.1 m/s时的计算结果。从数值模拟的结果可以看出：经过一段时间，漂浮在上层的固体颗粒越来越少，初始随机分布的固体颗粒逐步堆积到床层底部，最终所有颗粒呈现固定状态。固体颗粒堆积固定在床层底部，而气流从固定的颗粒间隙中流出，这是典型的固定床特征。在入口气流速度达到0.170 m/s的临界流化速度前，床内气固两相将一直维持这种固定床状态。在此状态下，随着入口气速的逐步增大，床内的压降也会逐步提高，床内压降和入口气流速度满足Ergun公式。

2.3.2 流化床状态

(1)中部截面颗粒分布随时间的变化。当入口气流速度大于0.170 m/s时，固体颗粒无法在床内维持静止，固定床状态将被破坏，床内两相的状态将从固定床过渡到流化床。取一个典型流化态工况计算结果进行分析，此时床内颗粒粒径为0.56 mm的石英砂，入口气流速度1 m/s，此入口气流速度远大于临界流化速度0.170 m/s。

图6所示为从0～3 s几个典型时刻床内中间断面上固相颗粒分布情况，颜色标识为颗粒的浓度。鼓泡床内的流态化过程大致分为3个阶段，即初始的流态化阶段(此时仅在床层上表面有流化状态)。过渡流化阶段(气泡床内随机生成)和稳定的流化阶段(此时床内的气泡产生和消亡呈现一定的周期性)。数值模拟的结果可以大致复现这一过程，如图6所示，初始阶段，床层中部固相浓度高，这表明颗粒相对集中于床层中部，流态化的颗粒主要是表层的颗粒；随着流态化的发展，中部固相浓度高的区域开始缩小，表明床层中部的固相颗粒也开始流态化，而流态化导致的固相浓度分布具有一定的随机性，床层中固相浓度最高的区域从床层中部发展到两侧，且不断变化，这正是稳定流化状态下床内气泡周期性消亡和产生继而引起的局部固相浓度周期性变化。

图5 固定床颗粒分布随时间的变化

Fig.5 Changes of particle distribution in fixed bed with time

图6 中部截面颗粒分布随时间的变化

(2)流化过程的压降变化。图7所示为典型流化态工况(床内颗粒粒径为0.56 mm的石英砂，入口气流速度1 m/s)计算过程的床内压降。

图7 流化床压力随时间的变化

从压降的计算结果可以看出，在初始的流态化阶段压降波动较大，这是由于初始阶段床层中的多数固体颗粒尚未完全流态化，部分颗粒开始流化后，颗粒流化首先需要将颗粒从中部密相床层中解析出来，再克服重力和阻力赋予流化颗粒一定的动能，所以床内压降急剧提高；当多数固体颗粒不再集中于中部床层后，床内压降则会急剧降低。当床内处于过渡流化阶段时，其压降变得比较缓慢，因为此时在床内已经不存在大范围的密相区域。最后床内两相过渡到稳定的流化阶段，且流化状态具有一定的周期性，此时压降上下波动的范围变化较小，并最终趋于稳定。

3 结 论

(1)搭建了生物质气化流化床冷态试验台，对石英砂在不同粒径下的临界流化速度进行了测试。对应粒径分别为0.18，0.35，0.56 mm的3种颗粒，其临界流化风速分别为0.017，0.065，0.170 m/s，这说明颗粒粒径越小，达到流化状态所需的流化风速也越小。

(2)基于DPM模型对鼓泡床内颗粒流化过程进行了数值计算，使用DEM模型计算颗粒的碰撞作用，计算得到了临界流化风速、床内气固分布状态和压力分布等参数，临界流速的计算结果和试验结果误差为23.1%，这说明本文所采用的计算模型对于鼓泡状的两相流动状态有较好的预测效果，这对于分析鼓泡床内的流动状态具有一定的意义。