孔大力¹，羅坤¹，林俊杰¹，王帥¹，胡陳樞¹，李德波²，樊建人¹

（1.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江杭州310027；2.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東廣州510080）

　　摘要：基于多相質(zhì)點網(wǎng)格方法（multi-phase particle-in-cell，MP-PIC）對工業(yè)尺度的雙流化床生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了三維全循環(huán)數(shù)值模擬。其中，在拉格朗日框架下求解顆粒團(tuán)運動，采用大渦模擬法（large-eddy simulation，LES）求解氣相湍流，同時考慮復(fù)雜的氣固耦合以及生物質(zhì)的熱解、氣化、均相/異相反應(yīng)。首先，通過獨立性檢驗確定了計算所需的最佳網(wǎng)格數(shù)與計算顆粒數(shù)，且模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比良好。其次，揭示了流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程中的氣固流動特性及氣體組分分布規(guī)律，研究了床內(nèi)溫度、生物質(zhì)粒徑、曳力模型等因素對產(chǎn)物氣體組分分布的影響。結(jié)果表明：溫度升高，出口處的CO摩爾分?jǐn)?shù)增加，而其余組分都減小；較小生物質(zhì)粒徑的氣化效果要優(yōu)于較大的生物質(zhì)顆粒粒徑；曳力模型對各產(chǎn)物氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)幾乎無影響。

　　引言

　　化石燃料是目前工業(yè)最主要的能源，但其日益枯竭且不可再生，因此亟需尋找一種新的可替代燃料[1]。生物質(zhì)作為一種可再生能源，儲量豐富，來源廣泛[2-3]。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年都產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，對這些廢棄物傳統(tǒng)的處理方式是堆積自然腐爛和燃燒，這些傳統(tǒng)的處理方式不僅是對能源資源的極大浪費，而且還會嚴(yán)重污染環(huán)境[4]。加強(qiáng)生物質(zhì)的合理開發(fā)利用，對實現(xiàn)我國環(huán)境經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大意義。

　　在生物質(zhì)利用技術(shù)中，最常用和最有效的是生物質(zhì)氣化技術(shù)，該技術(shù)可生成具有多種用途的合成氣，具有很高的工業(yè)利用價值[5-6]。在眾多氣化技術(shù)中，循環(huán)流化床技術(shù)由于具有高效、低污染、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點而備受關(guān)注[7]。然而，循環(huán)流化床內(nèi)存在復(fù)雜的氣固兩相流動，并伴隨著強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)以及生物質(zhì)的熱解、氣化、均相/非均相等化學(xué)反應(yīng)[8]。這一系列復(fù)雜的氣化過程導(dǎo)致實驗測量費時費力，因此，數(shù)值模擬作為一種替代方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，循環(huán)流化床內(nèi)稠密氣固兩相流動的數(shù)值模擬方法主要分為兩種：歐拉-歐拉模型以及歐拉-拉格朗日模型[9-10]。前者將顆粒視作一種擬流體，因而無法處理寬篩分顆粒且無法獲取豐富的顆粒信息。與之相反，以多相質(zhì)點網(wǎng)格方法（multi-phase particle-in-cell，MP-PIC）為代表的歐拉-拉格朗日模型具有諸多優(yōu)點[11]，其在歐拉框架下采用大渦模擬法（large-eddy simulation,LES）求解氣相湍流，在拉格朗日框架下求解顆粒團(tuán)運動。相關(guān)學(xué)者采用此方法對生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了大量研究，但是絕大多數(shù)的研究都是基于具有簡單幾何模型的實驗室尺度氣化設(shè)備，且僅關(guān)注某一特定部件[12-17]。對于具有復(fù)雜幾何模型的工業(yè)尺度循環(huán)流化床氣化過程的三維全循環(huán)數(shù)值模擬則鮮有人進(jìn)行[18]。

　　基于工程的迫切需要，同時為加深對循環(huán)流化床內(nèi)流動、傳熱、反應(yīng)過程的理解，本文采用MP-PIC方法對工業(yè)尺度的雙流化床生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了三維全循環(huán)數(shù)值模擬。首先，進(jìn)行了網(wǎng)格與計算顆粒數(shù)的獨立性檢驗，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比，檢驗了模型。其次，揭示了流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程中的氣固流動特性、氣體組分、氣固相溫度及壓強(qiáng)的分布規(guī)律，研究了床內(nèi)溫度、生物質(zhì)粒徑、曳力模型等因素對產(chǎn)物氣體組分分布的影響。

　　1模型建立及求解方法

　　1.1氣固流動控制方程

　　1.2化學(xué)反應(yīng)模型

　　生物質(zhì)顆粒進(jìn)入氣化室以后，在氣化室的氣化過程可分為以下三種化學(xué)反應(yīng)過程：（1）熱解。在此過程中，生物質(zhì)析出揮發(fā)分，灰分和焦炭；（2）異相反應(yīng)。主要是焦炭和H₂，H₂O等發(fā)生的反應(yīng)；（3）均相反應(yīng)。氣相之間的反應(yīng)。其中，異相反應(yīng)和均相反應(yīng)并無先后之分，同時存在于雙流化床體系內(nèi)。本文所用到的生物質(zhì)材料為杏仁顆粒[22]，生物質(zhì)的工業(yè)分析及元素分析如表1所示。

　　1.3模擬對象及參數(shù)設(shè)置

　　本文的研究對象是位于奧地利的一個工業(yè)尺度的雙流化床氣化裝置[22]，其包括生物質(zhì)氣化室，返料器，燃燒器和旋風(fēng)分離器。所用物料為杏仁顆粒，密度為550kg/m³，采用寬篩分粒徑，平均粒徑為5.5mm。床料為硅砂，密度為2650kg/m³，采用寬篩分粒徑，平均粒徑為480μm，初始堆積的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.58。氣化室、返料器、燃燒室的初始床高分別為2.1、0.4、2.5m。對于邊界條件，采用質(zhì)量流量入口，常大氣壓出口，氣化室壁面設(shè)為等溫壁面，溫度為973K，燃燒室壁面設(shè)為絕熱壁面。在氣化室出口處設(shè)置監(jiān)測面，用以監(jiān)測出口產(chǎn)物氣體的組分。如圖1所示，生物質(zhì)從氣化室的左側(cè)進(jìn)入，蒸汽從底部通過噴嘴引入氣化室，一、二、三級空氣分別從底部通過噴嘴引入燃燒室，甲烷和其燃燒所需空氣從側(cè)面進(jìn)入燃燒室，返料器處蒸汽用于顆粒流化。整個裝置初始狀態(tài)充滿氮氣，床層溫度為973K，顆粒-壁面法向動量保持系數(shù)為0.3，切向動量保持系數(shù)為0.99，計算時間步長為1×10^-4s。具體操作參數(shù)列于表3。

　　2敏感性分析及模型驗證

　　2.1敏感性分析

　　在計算中，網(wǎng)格數(shù)與計算顆粒數(shù)的選取直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，將計算區(qū)域分別劃分為223125、286875、354375個網(wǎng)格單元。為研究計算顆粒數(shù)對結(jié)果的影響，分別采用了347705、474369、539796個計算顆粒數(shù)。對旋風(fēng)分離器入口處的水平截面上的顆粒流量進(jìn)行監(jiān)測，對比了幾種模型的顆粒流量的瞬時值及在氣固流動達(dá)穩(wěn)態(tài)后的顆粒流量的平均值，結(jié)果列于圖2和表4之中。

　　表4給出了氣固流動達(dá)動態(tài)穩(wěn)定后監(jiān)測面的平均顆粒流量，結(jié)果顯示，不同網(wǎng)格數(shù)和計算顆粒數(shù)下的平均顆粒流量相互接近，無明顯差異。從圖2中可以看出，其瞬時顆粒流量的趨勢也相近。上述結(jié)果表明本節(jié)所選取的幾種網(wǎng)格數(shù)及計算顆粒數(shù)并未對計算結(jié)果造成明顯的影響。然而，基于計算的準(zhǔn)確性和減少計算量的原則，本文的網(wǎng)格單元數(shù)選取為286875，計算顆粒數(shù)選取為474369，平均每個計算顆粒中包含真實顆粒13198個。

　　除了網(wǎng)格數(shù)和計算顆粒數(shù)，在后處理時，統(tǒng)計時間的長短也會對最終的計算結(jié)果造成影響。從圖3(a)可以看出，各組分的摩爾分?jǐn)?shù)在15.0s后均在一個穩(wěn)定值附近波動，意味著系統(tǒng)達(dá)到了動態(tài)穩(wěn)定?；谒矐B(tài)的計算結(jié)果，本文選取了15~20s、15~25s、15~30s三個時間段統(tǒng)計了各產(chǎn)物氣體組分的時均摩爾分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖3(b)所示?？梢钥闯?，這三個統(tǒng)計時間段內(nèi)各產(chǎn)物氣體組分的時均摩爾分?jǐn)?shù)幾乎一致，只有CO和CO₂的摩爾分?jǐn)?shù)稍有差異，但是也在可以接受的范圍之內(nèi)。為縮短計算時間，因此下文中均選取15~25s時間段的內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計平均。

　　2.2模型驗證

　　經(jīng)過參數(shù)敏感性分析，選取了合適的參數(shù)進(jìn)行計算和統(tǒng)計計算結(jié)果。圖4給出了出口各氣體產(chǎn)物的平均摩爾分?jǐn)?shù)和實驗結(jié)果[22]的對比。從圖中可以看出，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合性良好。其中，CO和CO₂的對比略有差異，這可能是由于焦炭的表面反應(yīng)以及相關(guān)氣相反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)不準(zhǔn)造成的。通過模型驗證，表明可以采用此方法對雙流化床氣化做進(jìn)一步的研究。

　　3計算結(jié)果與分析

　　3.1流型發(fā)展

　　圖5給出了雙流化床裝置中氣固流型隨時間的變化云圖。初始狀態(tài)下，氣化室、燃燒室、返料器中堆積了一定量的床料顆粒?？諝庾鳛榱骰瘹怏w從燃燒室底部引入，由于曳力作用，床層底部顆粒在氣體的裹挾下加速向上運動，進(jìn)入旋風(fēng)分離器中，隨后在返料器料腿處產(chǎn)生堆積。這些堆積的顆粒隨著返料器底部的撥料蒸汽進(jìn)入氣化室，料腿處的顆粒堆積高度逐漸下降，最終趨于一個穩(wěn)定高度。在氣化室中，生物質(zhì)顆粒與蒸汽分別從氣化室底部和側(cè)面進(jìn)入氣化室，并發(fā)生氣化過程。殘?zhí)考盎曳蛛S著床料顆粒在蒸汽流化及重力作用下進(jìn)入燃燒室，殘?zhí)吭谌紵抑腥紵曳纸?jīng)過旋風(fēng)分離器被分離出去。整個系統(tǒng)大約在15s左右實現(xiàn)全循環(huán)，其后氣固流動達(dá)到了動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

　　3.2氣體組分分布

　　圖6給出了系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定后裝置內(nèi)氣體組分濃度的分布情況。由圖所示，H₂O在返料器與氣化室和燃燒器的連通管中起到密封作用，防止O₂進(jìn)入氣化室，與氣化產(chǎn)物氣體發(fā)生反應(yīng)。O₂濃度在燃燒室下部較高，在丙烷入口及燃燒室上部區(qū)域，由于丙烷燃燒消耗了大量的O₂，使得O₂濃度有較大幅度的下降，且由于H₂O以及堆積顆粒的隔離，O₂無法進(jìn)入氣化室，在氣化室中O₂濃度基本為0。在進(jìn)料口附近，由于生物質(zhì)顆粒濃度較大，且熱解析出揮發(fā)分，所以在此區(qū)域，CO₂、CO、C₂H₄、CH₄的濃度均較大，并且濃度隨著氣化室高度的增加而降低，在自由空域基本保持不變。在氣化室內(nèi)，這些氣體之間及氣體與熱解后產(chǎn)生的焦炭顆粒之間發(fā)生了多種均相和異相反應(yīng)，最終各氣體組分濃度達(dá)到平衡狀態(tài)。在燃燒室中，CO₂主要由丙烷燃燒生成，并最終經(jīng)過旋風(fēng)分離器排出。

　　3.3氣固溫度分布

　　圖7考察了20s時刻裝置內(nèi)氣相和顆粒相的溫度分布。可以看出，在生物質(zhì)入口區(qū)域，由于進(jìn)氣溫度較低，使得該區(qū)域的溫度明顯低于其他區(qū)域，而在燃燒室內(nèi)甲烷入口處，由于甲烷燃燒產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致該區(qū)域的溫度明顯高于其他區(qū)域。裝置內(nèi)其他區(qū)域溫度分布都較為均勻，顆粒相的溫度分布與氣相基本一致，但顆粒相整體溫度略低于氣相溫度，這是由于床料顆粒為惰性顆粒，不參與化學(xué)反應(yīng)，其溫度的升高主要來源于相內(nèi)及相間的傳熱，而氣相溫度的升高則主要是由于甲烷燃燒產(chǎn)生的熱量，因而氣相整體溫度要高于顆粒相。但從整體來看，二者之間溫度相差不大，表明了整個裝置良好的循環(huán)及傳熱特性。

　　3.4壓強(qiáng)分布

　　圖8給出了整個裝置內(nèi)的壓強(qiáng)分布云圖及中心線上壓強(qiáng)散點圖。燃燒室與氣化室底部及返料器料腿處壓力較大，并隨著高度增加而減小。在氣化室，燃燒室底部及返料器料腿處壓力梯度很大，在上部壓力梯度很小。顆粒在氣化室、燃燒室底部，以及返料器料腿處大量堆積，顆粒濃度較大，使得這些區(qū)域壓強(qiáng)較大。此外，物料顆粒濃度的突變也會造成壓強(qiáng)的突變。這和Li等[32]的研究結(jié)論是一致的。

　　4操作參數(shù)對產(chǎn)物氣體組分濃度的影響

　　本文研究了不同床層溫度，不同生物質(zhì)顆粒粒徑對產(chǎn)物氣體組分濃度的影響。其中，床層溫度分別設(shè)為700、750、800℃；生物質(zhì)顆粒粒徑采用寬篩分形式，平均粒徑分別為1.5、3.5、5.5、7.5mm。

　　圖9(a)給出了床層溫度分別為700、750和800℃時，各產(chǎn)物氣體組分的濃度的對比情況。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，C₂H₄濃度基本不變，CH₄濃度略有下降，這是由于C₂H₄基本來自于揮發(fā)分的熱解，幾乎不參與氣化室中的氣化以及其他反應(yīng)，所以溫度變化對其影響不大，而CH₄主要來源于揮發(fā)分的熱解以及殘?zhí)款w粒與H₂的反應(yīng)，隨著溫度升高，殘?zhí)款w粒與H₂反應(yīng)生成CH₄的正反應(yīng)速率增加幅度小于其逆反應(yīng)速率的增加幅度，導(dǎo)致CH₄濃度隨溫度的升高而略有下降。CO的摩爾分?jǐn)?shù)隨床層溫度的升高而升高，CO₂隨床層溫度的升高而下降，且幅度較大，二者趨勢幾乎相反。從反應(yīng)速率方程上也可以看出，氣化室中的殘?zhí)款w粒與CO₂生成CO的反應(yīng)受溫度影響較大，隨著溫度升高，該反應(yīng)速率增幅較大，因此大量CO₂被消耗并轉(zhuǎn)化成了CO。對于H₂，其主要來源于揮發(fā)分的熱解以及殘?zhí)款w粒與H₂O的氣化反應(yīng)，從反應(yīng)速率方程中可以看出，殘?zhí)款w粒與H₂O氣化反應(yīng)的逆反應(yīng)速率受溫度影響更大，因此隨著床層溫度升高，殘?zhí)款w粒與H₂O氣化反應(yīng)的逆反應(yīng)速率增幅要大于其正反應(yīng)速率的增幅，所以隨著床層溫度的升高，H₂濃度隨之下降，但下降幅度不大。圖9(b)給出了在四種不同生物質(zhì)顆粒粒徑下，各產(chǎn)物氣體組分的濃度的對比情況。由圖所示，在生物質(zhì)顆粒粒徑為1.5mm和3.5mm的條件下，產(chǎn)物氣體中的氫氣濃度明顯高于顆粒粒徑為5.5mm和7.5mm時的氫氣濃度。并且在生物質(zhì)顆粒粒徑為1.5mm和3.5mm的條件下，產(chǎn)物氣體中CO₂的濃度要低于其他兩種粒徑，綜合來看，相比于較大的顆粒粒徑，在較小的生物質(zhì)顆粒粒徑條件下，所得氣化產(chǎn)物中可利用氣體濃度較高，氣化效果較好。這是由于在進(jìn)料總量不變的情況下，生物質(zhì)粒徑減小，則顆粒數(shù)目增多，顆粒的總面積也隨之增大，顆粒受熱面積以及與H₂O的接觸面積也就更大，揮發(fā)分的熱解以及氣化反應(yīng)都可以進(jìn)行得更加充分。總體而言，較小的生物質(zhì)顆粒粒徑的氣化效果要優(yōu)于較大的生物質(zhì)顆粒粒徑。

　　5結(jié)論

　　本文基于多相質(zhì)點網(wǎng)格方法（multi-phase particle-in-cell，MP-PIC）對工業(yè)尺度的雙流化床生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了三維全循環(huán)數(shù)值模擬。其中，在拉格朗日框架下求解顆粒團(tuán)運動，采用大渦模擬法（large-eddy simulation,LES）求解氣相湍流，同時考慮復(fù)雜的氣固耦合以及生物質(zhì)的熱解、氣化、均相/異相反應(yīng)。通過獨立性檢驗確定了計算所需的最佳網(wǎng)格數(shù)與計算顆粒數(shù)，且模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比良好。揭示了流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過程中的氣固流動特性及產(chǎn)物氣體組分分布規(guī)律。整個系統(tǒng)溫度分布比較均勻，氣固兩相溫度差異不大，表明了整個裝置良好的循環(huán)及傳熱特性。氣化室與燃燒室底部，返料器料腿處壓力較大，壓力梯度也較大，并隨著高度增加而減小，在這些區(qū)域，大量顆粒堆積聚集，導(dǎo)致壓力突變。研究了床內(nèi)溫度、生物質(zhì)粒徑、曳力模型等因素對產(chǎn)物氣體組分分布的影響。溫度升高，出口處的CO摩爾分?jǐn)?shù)增加，而其余組分都減?。惠^小生物質(zhì)粒徑的氣化效果要優(yōu)于較大的生物質(zhì)顆粒粒徑；曳力模型對各組分的生成幾乎無影響。