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基于fluent的反应器内生物质流动特性对比分析

2021-09-08王志刚

天津理工大学学报 2021年3期
关键词:螺距反应器生物质

王志刚,单 波

(天津理工大学a.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,b.机电工程国家级实验教学示范中心,天津300384)

螺旋输送机可以用来输送或者提升颗粒物料,而且很多研究都主要集中在螺旋输送机输送量和功率要求上[1]。最近螺旋反应器在生物质热化学反应中有了广泛的应用,比如慢速或快速热解[2]。生物质热解的反应程度和产物(热解气、生物油和生物炭)分布依赖于生物质的流动特性以及停留时间[3-4]。而螺旋反应器的不同结构会影响生物质的流动特性以及停留时间[5-6]。因此深入研究不同结构对生物质流动特性以及停留时间的影响有助于提高热解过程中理想产物的产量。

生物质颗粒可以通过螺旋叶片的推动流过螺旋反应器,另外从反应器入口注入的运载气体不仅可以保证反应器内无氧的环境,还可以带走反应器内产生的热解气[7-8]。通常螺旋反应器中生物质热解所需热量通过加热反应器壁面提供,有时也可以将加热的沙子或钢球与生物质混在一起来提供热解的能量[8-9]。因此复杂的相互作用存在于固相和螺旋结构之间,一般的实验很难捕捉反应器内固体流动的瞬时行为、固体颗粒的平均停留时间以及返混程度[7-8]。但是可以通过计算流体力学方法来建立模型去描述反应器内多相流的流动特性[10-11],来深入了解反应器内的固体流动特性。

拉格朗日模型和双欧拉模型都被用来研究反应器内的多相流流动特性。对于使用拉格朗日模型的离散元方法DEM(discrete element method),粒子的运动是通过牛顿运动定律来描述的,粒子之间的相互作用力以及单个粒子的运动轨迹都可以通过DEM得到。但是离散元方法需要大量的计算机资源,所以只能限制在粒子数量比较小的模型中使用。另一方面双欧拉模型将气相和固相作为连续体来处理,可以处理颗粒数量较大的多相流体系。有一些学者已经开始利用双欧拉模型去研究螺旋反应器内的多相流,史晓光等人[11]研究了螺旋反应器内固相颗粒的流动特性以及平均停留时间,但未研究不同的螺旋结构对生物质流动特性以及停留时间的影响。

本文的目的是通过基于双欧拉模型的计算流体力学方法来仿真研究不同螺距的螺旋轴对生物质颗粒流动特性的影响,以此来选择最优的螺距参数。由于史晓光等人[11]已经证明了该仿真方法的可靠性,所以可以利用该仿真方法来模拟研究不同螺旋对生物质流动特性的影响。平均停留时间通过虚拟示踪法得到,通过仿真得到的数据来分析讨论反应器内的生物质流动特性。

1 数学模型

在欧拉-欧拉双流体模型中,主要的控制方程以及本构方程如下所示。

1.1 控制方程

各相的质量守恒方程:

式中:εg和εs为气相和固相的体积分数;ρg和ρs为气相和固相的密度;ug和us为气相和固相的速度。

固相和气相在计算单元中总的体积分数可以表示为:

两相的动量守恒公式如下所示:

1.2 本构方程

气相的应力张量方程为:

固相的应力张量方程为:

式中:u为固相和气相的应力张量;λ为固相和气相的体积黏度。

固相的剪切黏度表示为:

式中:μs,kinetic,μs,collision,μs,friction为固相的动力学黏度,碰撞黏度和摩擦黏度。

固相的体积黏度公式表示为:

相间阻力模型采用Gidaspow的,这种模型适用于稠密的气固系统。公式如下:

其中Cd是阻力系数,被定义为:

Res是相对雷诺数,表示为:

1.3 理论平均固相停留时间

对于螺旋反应器,生物质的平均停留时间可以通过螺旋轴长度、螺旋轴转动频率和螺距这3个变量计算出来,理论上螺旋轴每旋转一周生物质颗粒相当于前进一个螺距。这个理论计算基于所有的生物质颗粒在相同的时间内通过反应器,以及轴向返混被忽略的假设上,所以平均停留时间的计算公式为:

式中:Lscrew为螺旋反应器的总长度,m;Lpitch为螺距的长度,m;Lflight为螺旋叶片的厚度,m;v是螺旋反应器的转动频率。

2 仿真参数设置

2.1 反应器几何形状和模型实现

该模型主要基于史晓光等人[11]的实验装置,他们也研究了生物质在反应器内的流动特性,在该研究中他们获得了固体停留时间和填充度,他们的螺旋热解反应器主要由叶片、螺旋轴和外壳组成,总长度为1.64 m。本文设计了3种不同螺距的螺旋轴,为了减少仿真时间,本文设计螺旋反应器总长度为0.30 m。本文中的参数设置完全参照史晓光等人[11]的实验设置参数,因为本文是在该仿真的基础上研究生物质在不同螺距结构螺旋轴中的流动特性。让空气作为吹动气体,生物质颗粒为平均尺寸2 mm的松木颗粒。螺旋轴转速、气体和固体进口流量等操作参数如表1和表2所示。气体和固体的物理性质以及其他仿真参数如表3所示。

表1 螺旋反应器的结构参数Tab.1 Structural parameters of a spiral reactor

表2 每个螺旋反应器的操作条件Tab.2 Operating conditions of each spiral reactor

图1 反应器模型图Fig.1 Reactor model diagram

本文选用滑移网格技术进行模拟计算,静止域和运动域均采用非结构网格,时间步长设置为0.001 s。

2.2 边界条件和初始条件

固体和气体的质量流量设置如表3所示,大气压力假设为气体和固体的压力出口。对于边界(叶片、螺旋轴和管壁)均设置为无滑移边界条件。初始时假设反应器内部无固相存在,且内部各相的初始速度都设置为零。

表3 物料参数Tab.3 Material parameters

3 结果和讨论

3.1 生物质颗粒体积分数分布

图2是螺旋热解反应器模型的正视图,反映了在相同进料量和螺旋转速的条件下,不同螺距的螺旋反应器内生物质颗粒的固体体积分数和填充度。体积分数由左到右其填充系数逐渐增大,可以看出大部分生物质都沉在反应器的底部以及螺旋的侧壁上,越往上填充系数越小。这是因为重力的作用以及螺旋壁面与生物质颗粒之间摩擦力的作用。从图2中可以看出随着螺距的增大其填充度逐渐减小,但是3个案例中出口流量一致。对于热解反应器,内部生物质质量越少,其传热传质的性能就越好。从图2中还可以看出随着螺距的增大,螺旋叶片的螺旋角也逐渐增大,其推动生物质的能力也更强。

图2 生物质颗粒体积分数的空间分布Fig.2 Spatial distribution of biomass pellet volume fraction

3.2 颗粒流动特性

图3是生物质颗粒在反应器内以固体体积分数标记的流动速度矢量图,可以看出反应器内生物质颗粒主要做周向和轴向流动,周向流动主要发生在靠近螺旋叶片处,主要是因为叶片和生物质颗粒之间存在摩擦力,可以看出生物质沿着叶片达到最高点处大部分颗粒沿着滑移面流向反应器底部,少部分颗粒沿着叶片继续做周向运动,形成生物质流返混。轴向流动主要是因为重力和叶片的推动作用。

图3 生物质颗粒速度矢量标识的体积分数Fig.3 Volume fraction of biomass pellet velocity vector marker

3.3 颗粒流动速度

图4是生物质颗粒速度分布云图,可以看出在每个螺距中生物质颗粒都集中在靠近螺旋叶片和外壳底部的地方,固相速度分布图都远离反应器物理结构,还可以看出靠近底壳处的固体正向速度要比底部中心处的速度低一个数量级,这是因为固体颗粒和壁面之间存在摩擦力,减缓了固体颗粒的正向输送。从case1到case3螺距逐渐增大,可以看出每个螺距底部中心处的固体颗粒轴向速度逐渐增大(螺旋叶片的特殊结构推动生物质颗粒向前运动)。

图4 生物质颗粒轴向方向速度云图Fig.4 Axial velocity cloud diagram of biomass particles

3.4 生物质颗粒流量变化及平均停留时间

图5是3个不同螺距反应器内的固相出口流量,已知3个案例中的进口流量都是一样的,从图5中可以看出它们的平均出口流量大致一样,还可以看出它们的出口流量都在随时间做有规律的波动,这是因为螺旋轴的特殊结构,使得在每一个螺距内生物质沿轴向的分布并不是均匀的(从图2就可以看出)。还可以看出螺距越大其波动就越小,这是因为在相同的转速下,螺距越大物料的轴向速度就越大。

图5是3种不同螺旋反应器内固相颗粒的停留时间表,可以看出螺距越大其停留时间越小,这是因为螺距越大,固相颗粒的轴向速度就越大(从图3可以看出)。但是对于热解反应器而言,一般需要较长的停留时间,以及较好的传热传质性能,而且还要考虑到反应器结构的紧凑性。所以较大的螺距和较小的螺距都不适合应用于螺旋热解反应器内。

图5 生物质颗粒出口质量流量图Fig.5 Mass flow diagram of biomass pellet export

图6 生物质平均停留时间Fig.6 Average residence time of biomass

4 结论

1)当进口流量和螺旋轴转速一致时,随着螺距的增大,其填充度和停留时间逐渐减小,但是固相颗粒的轴向和周向速度逐渐增大,而且随着转速的增加,会使固相颗粒的返混程度也增加。

2)反应器的出口流量随时间呈现有规律的波动,而且螺距的大小也影响其波动的程度。对于螺旋反应器其波动应该越小物料受热越充分。

3)对于螺旋热解反应器,一般热解需要较长的停留时间和较好的传热传质性能,较大的螺距可以增加生物质的传热传质性能,但是会缩短固相颗粒的停留时间,所以在选取螺距时需要综合考虑。

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