生物质流化床热解焦油演化的CFD–DEM数值模拟研究1)

2022-08-19 11:37谢诞梅岳亚楠侯佑民
力学与实践 2022年4期
关键词:焦油流化床生物质

陈 涛 谢诞梅 岳亚楠 侯佑民

(武汉大学动力与机械学院,武汉 430072)

生物质高效热化学转化利用是新能源领域的研究热点之一[1-3],生物质热解气化研究中的一个关键问题是探索颗粒的热化学转化机理,这不仅是大规模流化床设计的基础,更为优化现有转化设备、提高转化效率提供了理论依据。生物质颗粒的热化学转化过程包括一系列复杂的物理、化学变化,如热传导、结构相变、化学反应以及对流扩散等,是一个典型的多学科交叉问题。目前生物质热化学转化常用的设备有固定床、流化床和气流床等[4],其中流化床气化技术较为成熟且容易进行大规模工业化应用,因此在未来具有广阔的发展空间。然而由于流化床的操作温度通常在600℃~800℃左右,在该温度区间内生物质热解产物中焦油的成分所占比重通常能达到30%左右,该问题也是制约生物质流化床应用的主要技术瓶颈之一[5-8]。

在热化学转化方面,Wang等[9]对目前常用的生物质热解机理进行了总结,其中,最简单的是单步热解模型[10],认为生物质经过热解直接分解成小分子气体、焦油和固定碳,这种模型难以对焦油和合成气组分进行精确预测。第二种是多步热解模型[11],考虑了焦油的二次分解。以上两种热解模型均为全局动力学模型,没有考虑详细热解过程。Debiagi等[12-13]和Gentile等[14]针对生物质的三种基本组分,即纤维素、木质素和半纤维素分别建模,提出了一种基于组分的热解动力学模型,该模型能较为准确地预测不同生物质种类的热解产物。Sheng等[15]提出了一种基于生物质微观结构的化学渗透脱挥发分模型并得到了与实验测量较为接近的预测结果。此外,Gillespie[16]还提出了一种动态蒙特卡罗热解模型,该模型在热解过程中通过求解化学主方程来确定不同组分的生成概率。

需要指出的是,各种热解模型均有优缺点[17-20],全局热解模型计算简单,节省计算资源,适用于大量颗粒热解过程的数值模拟。但根据实验结果来看,单步热解模型的动力学参数如指前因子和活化能在不同生物质种类、不同热解温度和升温速率情况下有较大差异,采用统一动力学参数进行模拟会造成很大误差[21]。多步热解模型以及多组分热解模型等虽然更加详细地考虑了热解动力学过程,但从应用情况来看,与实验结果还有一定差距,这主要是由生物质热解机理的高度复杂性导致的,特别是焦油的生成及二次分解难以准确模拟[22]。

为解决多步热解模型中焦油裂解计算难题,本课题组开发了一种基于反应分子动力学模拟的焦油二次裂解模型,该模型在单颗粒生物质高温热解中表现出了与实验测量较好的一致性,大大拓展了原始多步热解模型在高温条件下的应用范围。本文将基于该焦油裂解模型研究生物质流化床热解过程中的焦油裂解特性,为揭示生物质中高温热化学转化机理提供重要依据。

1 计算模型

生物质流化床热解中包含一系列复杂的物理化学变化,生物质颗粒会经历运动、升温、水分蒸发和挥发分释放等一系列过程,此外,生物质颗粒间及其与床料颗粒的碰撞也会显著改变其运动轨迹和升温过程,从而对热解产物产生重要影响。本文的数值模拟采用课题组前期开发的CFD–DEM(computational fluid dynamics–discrete element method)跟踪每个生物质颗粒的运动和演化过程[23-24],图1给出了算法流程图,该算法在OpenFOAM开源软件中实现。在热解建模中采用Ranzi等提出的多步热解模型[12],分别对纤维素、半纤维素和木质素进行热解模拟。该模型考虑了生物质热解过程中形成的多种中间产物及其二次分解特性,并且能够捕捉升温速率对热解路径和热解产物的影响。以纤维素为例,表1列出了相应的多步热解机理。然而,需要指出的是,原始多步热解模型中没有包含焦油裂解反应,因此在高温条件下模型的应用受到较大限制,为解决该问题,本课题组采用反应分子动力学方法开发了一种新的焦油二次裂解模型,如表2所示。表3给出了单个生物质颗粒在800℃条件下分别采用简化焦油裂解模型和新裂解模型的热解产物计算结果对比,可以看到新模型预测的小分子气体产量精度比简化模型结果提高了至少一倍以上,说明新的焦油裂解模型在热解产物预测方面可以极大拓展多步热解模型的适用范围。本文将采用该模型对流化床反应器中生物质在600℃~800℃条件下的热解特性进行详细模拟。

图1 CFD–DEM算法流程图Fig.1 Flow chart of the CFD–DEM algorithm

表1 纤维素多步热解模型[12]Table 1 Multistep pyrolysis model of cellulose[12]

表2 基于反应分子动力学开发的焦油裂解模型[25]Table 2 Tar cracking model based on reactive molecular dynamics simulations[25]

表3 单颗粒高温热解产物对比(%,T = 800℃)[25]Table 3 Comparison of the single particle pyrolysis products under high-temperature[25]

2 计算结果与分析

本文选取一种典型流化床反应器进行生物质中高温热解的CFD–DEM数值模拟研究,图2给出了流化床反应器示意图,表4给出了计算条件设置。其中,反应器尺寸为0.072 m×0.65 m×0.000 85 m,床料颗粒采用石英砂,生物质原料为松木和云杉木的混合物,表5给出了生物质材料组分(包括水分、灰分和木质纤维素含量)分析结果,其中LIG-H、LIG-O和LIG-C分别为木质素中不同成分的含量。另外,石英砂与生物质颗粒的尺寸均为850 mm。计算条件方面,采用20×130×1的网格划分,时间步长采用1.0×10–5s,该计算设置已在前期研究中进行了充分的验证。需要指出的是,由于CFD–DEM计算极为耗时,为简化计算,本文将反应器结构简化为二维模型,在Open FOAM数值模拟中反应器厚度方向仅有一个网格,即不考虑厚度方向的流动,前期对于该反应器的低温热解模拟工作表明这种简化模拟方法能够准确预测主要热解产物的产率特性[24]。图3给出了分别采用三种网格(grid 1:18×115×1; grid 2: 20×130×1; grid 3: 22×135×1)计算的热解产物与实验结果的对比(T=463℃),由图可知,本文中采用的20×130×1计算网格能够达到计算收敛。

图2 流化床反应器示意图Fig.2 The geometry of the fluidized bed reactor

图3 不同网格计算结果与实验对比(T = 463℃)Fig.3 Comparison of the computational results with experimental measurement for different computational grids(T = 463℃)

表4 计算条件设置[24]Table 4 Computational setup[24]

表5 生物质材料组分分析结果[24]Table 5 Component analysis of the biomass material[24]

图4展示了在700℃考虑和不考虑焦油裂解计算的水分、轻质气体、焦油和生物质炭的含量,对比可知当不考虑焦油裂解时小分子挥发分(H2,CH4,CO,CO2,C2H4)的含量约为25%,当考虑焦油裂解后,小分子挥发分比例上升到了37%。相应的焦油含量从47%降到了30%。而生物质炭的含量几乎没有变化。由此可见,在中高温条件下焦油裂解对小分子挥发分的产量有较大影响。图5展示了600℃,700℃和800℃三种操作温度条件下考虑焦油裂解后的热解产物统计结果,并且进一步给出了小分子气体产物的体积分数。由图5可知,当操作温度由600℃上升到700℃时,热解产物中的水蒸气和小分子挥发分含量上升了2%左右,焦油和生物质炭的含量均随温度升高而减小。当操作温度进一步增加到800℃时,水蒸气含量几乎没有变化,小分子挥发分含量上升约2%,焦油和生物质炭的含量进一步下降。此外,由图5还可以看到小分子挥发分中H2,CH4,CO,CO2,C2H4体积分数分别在20%,10%,45%,15%和10%左右,其中CH4和CO随操作温度升高呈上升趋势,而CO2呈下降趋势。

图4 考虑和不考虑焦油裂解计算结果对比(T = 700℃)Fig.4 Comparison of the pyrolysis products with and without considering tar cracking (T = 700℃)

图5 不同温度条件下考虑焦油裂解的热解产物结果Fig.5 Pyrolysis products under different operation temperatures with considering tar cracking

图6分别给出了700℃热解条件下两种小分子挥发分和焦油组分的演化过程,由图6(a)可知,焦油裂解使得CO的相对生成速率由1.5降至1.0左右,而C2H4生成速率只有略微上升(图6(b))。对于焦油演化过程,图6(c)表明C5H8O4在700℃条件下裂解较为缓慢,而图6(d)中C6H10O5生成速率有大幅度下降,其稳态平均值由1.1降至约0.2。由此可见,在中高温热解条件下必须考虑焦油裂解的影响,并且焦油裂解对合成气中的主要成分CO产量有较大影响。

图6 考虑和不考虑焦油裂解的挥发分产物生成过程(T = 700℃)Fig.6 Volatile evolution process with and without considering tar cracking (T = 700℃)

为进一步分析流化床中生物质热解过程,图7给出了700℃条件下稳态流化现象。由图可见,在入口气流作用下床料颗粒发生复杂的流化现象并带动生物质颗粒运动,在原料入口附近和靠近壁面附近C6H10O5含量出现峰值,这也说明焦油组分容易在壁面附近聚集,从而对反应器设备维护带来较大困难。此外,还可以发现焦油组分在气流携带作用下在床料上部高温区继续发生裂解并且含量迅速降低,在流化床上部出口处焦油组分中的C6H10O5含量降低了一个量级,因此焦油裂解产物含量还与其停留时间有关。

图7 不同时刻CO和颗粒炭含量的演化过程(T = 700℃)Fig.7 CO and char evolution process at different times (T = 700℃)

3 结论

生物质焦油是流化床热化学转化研究中最为突出的问题之一,本文通过结合CFD–DEM模型和多步热解模型建立了一种新的生物质热解多相反应流算法,并且采用基于反应分子动力学模拟开发的焦油裂解模型研究了流化床热解中生物质焦油的演化特性。针对典型流化床反应器研究了600℃~800℃条件下的热解产物含量变化规律和焦油裂解的影响,结论如下。

(1)在给定热解条件下,当操作温度为700℃时,焦油裂解使得焦油的相对含量下降了36%,同时小分子挥发分产物的相对含量上升了48%。

(2)随着热解温度的上升(600℃~800℃),小分子挥发分含量由35%上升到了40%,而焦油和生物质炭含量均有所下降。此外,小分子气体产物中CO含量有所增加。

(3)在中高温热解条件下,部分焦油组分如C6H10O5含量由于裂解大幅度下降,而C5H8O4含量仅有较小变化。

(4)对于所研究的流化床反应器,观察到焦油组分在靠近壁面附近发生聚集,并且沿高度方向由于裂解而含量逐渐降低,因此适当降低流化速度可能有利于焦油的裂解。

需要指出的是,本文只是初步开展了流化床热解焦油裂解特性的数值仿真研究,后续仍需进一步开展实验验证工作。

猜你喜欢
焦油流化床生物质
焦油渣干化处理的应用与实践
生物质发电:秸秆变燃料环保又增收
生物质挥发分燃烧NO生成规律研究
循环流化床锅炉省煤器防磨改进
《生物质化学工程》第九届编委会名单
有机硅流化床气体分布板主要参数设计
《造纸与生物质材料》(英文)2020年第3期摘要
鞍钢鲅鱼圈焦油渣回配装置的应用与改进
关于循环流化床锅炉集控运行研究
单沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟