|
楊俊峰，楊明山
（廣東人峰實業有限公司，廣東廣州510220）
摘要：為模擬周圍湍流氣體中生物質顆粒的熱化學轉化和交互作用，提出了生物質熱解和燃燒的數值模擬方法。反應混合氣模擬氣相質量、動量和能量交換的氣體粒子交互作用包括在雙向耦合項中。通過雙向耦合對生物質顆粒轉化時間影響的分析發現：顆粒體積分數大于10-5。在恒定體積分數下，由于在較小顆粒的情況下總熱交換面積較高，雙向耦合的影響隨著顆粒尺寸的減小而增加。由于較高的氣體溫度，DNS模型包含的氣相均相反應而減少了生物質熱解時間。相反，包括氣相反應由于顆粒表面氧濃度較低而增加了生物質的燃燒時間。
生物質燃料是實現能源可持續清潔生產目標的主要方向之一[1]。為了提高人們對生物質能轉化過程的認識，國內外學者對單顆粒生物質熱解、燃燒與氣化進行了深入研究[2~5]。更深入地了解并應用生物質顆粒與周圍湍流氣體的交互作用有助于實現化工單元的快速設計。同時，開發湍流氣體中生物質轉化的DNS模型有助于更好地理解裂解爐內部物理化學反應過程[6,7]。本文提出了開發DNS模型的框架，該框架涉及化學反應粒子與氣體的雙向交互作用。
為了模擬周圍湍流氣體中生物質顆粒的熱化學轉化和交互作用，DNS模型需要與生物質的單粒子化學模型相結合。模擬大量顆粒的生物質熱解和燃燒，需要簡化模型來減少計算量。根據顆粒表面溫度、揮發物釋放量以及顆粒在熱解和燃燒過程中的轉化時間等關鍵參數，開發了簡化模型。
通過考慮與氣相的雙向交互作用，建立了顆粒跟蹤和模擬3D湍流顆粒載流通道的模型。本文通過添加固氣非均相燃燒反應和氣相均相反應擴展了上述模型的應用范圍。
1方法論
1.1氣體模型
該模型基于歐拉-拉格朗日方程，其中氣相和顆粒相以不同的方式處理[7]。由于此過程涉及的溫度范圍很寬，導致了質量密度變化明顯；氣相由可壓縮Navier-Stokes方程描述。控制方程基于質量守恒、動量守恒、總能量守恒和物種質量守恒；這種守恒性質在數值模型中應用了氮體積法[8]。氣體的控制方程可寫為守恒定律在任意體積（V）上的積分，其邊界為S由式（1）表示。
氣相控制方程中的雙向耦合項解釋了氣體和粒子之間的質量，動量和能量的傳遞。解釋了模型的離散相和連續相之間的轉移[9]。假設所有這些雙向耦合項作為氣相守恒定律中的點源。粒子所在的控制體積可以根據粒子中心的坐標來確定。因此，由這個粒子產生的耦合項將只包含在此控制體積的氣體方程中。
氣體物質之間的反應作為氣體物質平衡方程源項的動力學速率定律來模擬。目前，該模型包括6種氣體：O2、CO2、CO、H2O、H2、N2。均相氣相反應包括CO和H2的燃燒以及水氣變換反應[10]。
1.2生物質顆粒模型
每個生物質顆粒視為質點。圖1顯示了生物質轉化過程中的步驟。模擬生物質顆粒熱解過程，在該模型中，求解顆粒內焦炭前沿和溫度分布的方程組。熱解結束后，下一階段是焦炭的燃燒。在本模型中，熱解和燃燒反應依次發生而不是同時發生。
燃燒反應(2)中O2的化學計量系數（v）取決于基于顆粒表面溫度。該模型是基于傳統的收縮核近似而制定的。這意味著發生反應(2)和(3)的炭-氣反應前沿開始于顆粒表面，然后隨著燃燒的進行向中心移動，導致粒徑減小。在整個轉換過程中，收縮核心的密度保持不變。對于粒子跟蹤，使用拉格朗日公式，對0到1000之間的粒子雷諾數有效，用于計算假定為球形粒子上阻力。顆粒在燃燒室內的小尺寸和很短的停留時間可忽略重力的作用[11]。
1.3數值模擬方法
所有氣體和粒子的方程都是使用無量綱化的參考值。粒子方程是常微分方程的形式。基于二階精確有限體積法，氣體方程在空間離散后呈現這種形式[12]。流向和后向的邊界條件是周期性的。在壁法線方向上，通道的壁與鄰近壁的細胞的邊界重合。在所有三個速度分量的壁面上應用無滑移邊界條件。對于上、下壁均為恒溫的節能方程，應用等溫壁面條件。通過將氣體物質濃度的梯度設置為0。
所有的固氣反應只發生在生物質顆粒表面[13]。據觀察，與熱解相比，燃燒過程相當快。燃燒過程的快速性以方程組的形式表示。因為需要大量的小時間步長來實現穩定性，使用混合隱式顯式法。為了降低模擬時間，降低數值算法的復雜度，將混合方案的顯式部分用于氣相方程和粒子跟蹤和熱解過程中。
1.4仿真設置
通道內的氣體-粒子系統，由兩個平行的水平面界定（圖2）。反應范圍表述為流向上的長度為4πH，寬度為4πH，其中H是通道高度的一半。用近似等于Re=150的摩擦雷諾數進行仿真，改變顆粒的體積分數，使其始終小于10-3，粒子間碰撞可忽略不計。
反應區域劃分為1283個控制單元。網格間距沿流線方向和跨線方向是均勻的，而在壁法線方向是不均勻的，網格點在壁附近聚集。初始氧摩爾分數為XO2=0.1，其余為氮氣。初始氣體溫度設定為1400K，并且粒子以300K的恒定溫度初始化。
通道壁保持在1400K。最初，粒子隨機且均勻地分布在通道上，粒子速度等于粒子位置處的氣體速度。在這些初始條件下，模擬湍流通道中生物質顆粒的熱解和燃燒。表1列出了模擬中使用的原始生物質性質和生物質熱解后形成焦炭的性質。
2結果與討論
燃燒室設計的關鍵參數之一是燃料顆粒的轉化時間。對于生物質顆粒，總轉化時間(t1)是原始生物質在熱解階段轉化為焦炭所需時間(t2)與焦炭顆粒在燃燒階段燃燒所需時間(t3)之和。本文分析了雙向耦合、粒徑、氣相反應對生物質顆粒轉化時間的影響[14~16]。
2.1雙向耦合效應
如果顆粒濃度較大，則顆粒的轉化時間與單顆粒生物質轉化模型的轉化時間不同。顆粒與氣體的雙向交互作用影響周圍氣體溫度和氣體物質濃度，進而影響顆粒轉化過程。本文提出DNS模型用于分析氣體和粒子之間雙向耦合對轉換時間的影響。圖3顯示了雙向耦合對生物質熱解所用時間的影響。對于單向耦合，沒有從粒子到氣體的反饋，并且氣體溫度不受粒子轉換過程的影響。因此，熱解時間也沒有變化。另一方面，通過雙向耦合，粒子的存在影響氣體溫度。對于沒有氣相反應的雙向耦合的情況，可以看出在體積分數Φ>10時雙向耦合是明顯的。
2.2顆粒尺寸的影響
在熱解過程中，對于較小的顆粒，氣體和顆粒之間較高的對流換熱會增加熱解時間，因為顆粒會從氣體中抽出更多的熱量，從而降低氣體的溫度。相反，在燃燒階段，由于相間表面積較大，更多的熱量傳遞到氣體中，因此與較大的顆粒相比，降低了顆粒溫度。降低的溫度降低了表面反應的動力學速率，從而增加了燃燒時間。在圖4中，給出了從單粒子模型計算出的燃燒時間的相應值。單粒子模型具有恒定的周圍氣體溫度和恒定的氧質量分數。從圖4中可以看出，單粒子模型的轉換時間最短。雙向耦合、單向耦合和單粒子模型在燃燒時間上的相對偏差突出了雙向耦合對燃燒階段的重要性。
2.3氣相反應的影響
實驗中，在DNS模型中包含氣相反應在生物質轉化的熱解和燃燒階段具有相反的結果。在熱解過程中，揮發性氣體燃燒會增加氣體溫度，從而減少熱解時間。圖5給出了在有和沒有氣體反應的情況下，不同粒徑的生物質顆粒的熱解時間。可以看出，氣相反應對熱解時間的影響較大。熱解是由從氣體傳遞到顆粒的熱量控制的。對于較小的顆粒，較高的總熱交換面積意味著更多的熱量將傳遞給顆粒，從而減少了熱解時間。同時也可以看出，對于較大的顆粒，氣相反應的范圍非常小。與之相反，熱解反應包括氣相反應增加了生物質顆粒的燃燒時間。由于揮發性氣體與氣相中的氧發生反應，消耗固體顆粒可用于焦炭燃燒的總氧氣的一部分，降低顆粒表面的氧濃度，導致顆粒燃燒時間更長。在圖6中，給出了不同粒徑的燃燒時間。與熱解過程不同，對于較大的顆粒，氣相反應的效率更高。這是由于較大顆粒的燃燒過程持續時間較長。需要注意的是，在的模型中的氧濃度和溫度條件下，焦炭燃燒反應的速率遠大于均相氣相燃燒反應，焦炭燃燒過程的持續時間越長，氣相反應中消耗的氧氣分數就越高。因此，對于較大的顆粒，氣相反應的要求更高。
3結論
通過模擬包括非均相顆粒燃燒和均相氣相反應，建立了生物質燃燒模型，該模型適用于大量質點粒子DNS實現。雙向耦合項模擬氣體和粒子之間的交互作用，DNS模型中的氣體反應由于較高的氣體溫度降低了生物質熱解時間。相反，包括氣相反應由于顆粒表面氧的可利用性較低而增加了生物質的燃燒時間。由于較高的熱交換面積，對于較小的顆粒，氣相反應對熱解的影響較大。
參考文獻
[1]董楠航,王擎,劉榮厚.玉米秸稈鼓泡床內快速熱解過程數值模擬研究[J].太陽能學報,2018,39(10):2869-2875.
[2]孫琳.高溫生物質氣旋流燃燒特性的數值模擬研究[D].哈爾濱工業大學,2018.
[3]喬旭.生物油霧化特性的數值研究[D].中國科學技術大學,2018.[4]馬善為.生物質熱解氣建模與分級冷凝研究[D].中國科學技術大學,2018.
[5]魏炫坤.新型生物質成型燃料熱解氣化裝置結構及鍋爐輸出特性研究[D].華南理工大學,2018.
[6]顧雅蘭.生物質熱裂解中的顆粒形變及形變機理研究[D].青島科技大學,2018.
[7]張政清.秸稈成型顆粒燃燒過程的模擬和實驗[D].山東理工大學,2018.
[8]劉雪嬌.非球形顆粒噴動床流體動力學特性及放大規律研究[D].東南大學,2017.
[9]王俊麗.低階煤熱解動力學特性及與生物質共熱解、熱解產物深加工試驗研究[D].太原理工大學,2017.
[10]方海林.可燃固體廢棄物爐排爐燃燒數值模擬及其爐膛結構設計與優化運行[D].華南理工大學,2018.
[11]李永玲.城市生活垃圾與棉稈成型燃料混合燃燒特性研究[D].合肥工業大學,2017.
[12]李延吉.生活垃圾制備RDF及能源化利用研究[D].浙江大學,2018.
[13]王茜.秸稈成型燃料提質及清潔燃燒特性研究[D].山東大學,2017.
[14]王躍鵬.生物質快速熱解雙流化床反應器的流體動力學研究[D].鄭州大學,2017.
[15]薛騰.生物質燃料氣流干燥及燃燒特性的模擬與實驗研究[D].合肥工業大學,2017.
[16]袁聰聰.生物質在CO2下熱解、氣化的動力學研究[D].昆明理工大學,2017. |
