秸稈顆粒流化特性的數(shù)值模擬分析

摘要： 在農(nóng)作物秸稈的流化床燃燒發(fā)電應(yīng)用中，秸稈顆粒在床內(nèi)的氣、固兩相流動特性會對燃燒、積灰情況等產(chǎn)生影響。該文采用ANSYS FLUENT軟件對秸稈顆粒在流化床內(nèi)的流化特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析顆粒直徑對最小流化速度的影響，得到了隨直徑變化的最小流化風(fēng)速特性。模擬結(jié)果能夠?yàn)榻斩捔骰插仩t的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：流化床；秸稈顆粒；流化特性；數(shù)值模擬

周文平. 秸稈顆粒流化特性的數(shù)值模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（26）：23-24.

在農(nóng)作物秸稈的綜合利用中，流化床燃燒發(fā)電由于獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而具有較好的應(yīng)用前景[1-2]。但相對于傳統(tǒng)的煤粉流化床發(fā)電，農(nóng)作物秸稈燃料具有密度較小、粉碎效果較差、質(zhì)地較疏松等特有的性質(zhì)[3]，在實(shí)際利用過程中容易導(dǎo)致顆粒在流化床內(nèi)流化失敗，引起嚴(yán)重的后果。

引發(fā)流化失敗的主要原因是入口流化風(fēng)對秸稈顆粒的曳力不足以克服顆粒重力及相對運(yùn)動阻力[4]。對曳力及顆粒間的運(yùn)動阻力的模擬非常關(guān)鍵。本文采用商用軟件ANSYS FLUENT，對秸稈顆粒在流化床內(nèi)的流化特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析顆粒直徑對最小流化速度的影響，為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型

由于氣固相間沒有質(zhì)量的交換，因此可將顆粒相看作一種假想的連續(xù)介質(zhì)，使其也具備與氣相相似的動力學(xué)特性，從而可用連續(xù)方程及動量方程描述顆粒的運(yùn)動[5]。

1.1 控制方程

連續(xù)方程為：

其中，下標(biāo)g表示氣相，s表示固相，ρ是密度，α是相體積分?jǐn)?shù)，V是相的速度矢量。

動量方程為：

其中，G為重力加速度，p為壓力，τ為應(yīng)力張量。β為氣-固相間的曳力系數(shù)。在雙流體模型中，曳力模型的選取對數(shù)值模擬的正確性有重要的影響。相對于其他曳力模型，Syamlal-OBrien模型[6]更適合于氣固流化床顆粒的計(jì)算，因此本文曳力系數(shù)β的計(jì)算選取Syamlal-OBrien模型。

1.2 數(shù)值模擬方法

對某長為200 mm，寬為200 mm，高為400 mm的流化床[7]內(nèi)秸稈顆粒的流動特性進(jìn)行模擬。

首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文采用ICEM-CFD軟件對流化床進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將流化床的底部設(shè)為進(jìn)口速度邊界，頂部設(shè)為出口壓力邊界，其余壁面為無滑移壁面邊界，如圖1所示。

數(shù)值計(jì)算時(shí)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) 模型，速度和壓力耦合采用PC-SIMPLE算法，體積分?jǐn)?shù)方程采用QUICK格式，其余方程采用二階迎風(fēng)格式。模擬過程為：先在床內(nèi)隨機(jī)生成60000個(gè)顆粒，在只考慮顆粒重力和碰撞力的作用下使其自由落體，從而確定床內(nèi)顆粒的初始位置。模擬的時(shí)間步長為0.001 s，每個(gè)時(shí)間步長的最大迭代次數(shù)為15。

2 流化特性分析

對流化床內(nèi)填充不同直徑的秸稈顆粒時(shí)，床內(nèi)顆粒的流動進(jìn)行模擬分析。

圖2為流化床床層壓降（即進(jìn)口壓力與出口壓力之差）隨入流風(fēng)速及秸稈顆粒直徑的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)流化床內(nèi)填充某一直徑的顆粒時(shí)，入流風(fēng)速較小的時(shí)候，床內(nèi)秸稈顆粒基本處于靜止或運(yùn)動較小的狀態(tài)，此時(shí)的床層屬于固定床；若增加入流風(fēng)速，則床層壓降會逐漸增加。且從圖中可以看出，床層壓降的增加與入流風(fēng)速的增加兩者呈現(xiàn)近似正比的關(guān)系。隨著入流風(fēng)速繼續(xù)增加，達(dá)到某一風(fēng)速后，床層壓降不再變化，這一風(fēng)速被稱為最小流化速度。

對比不同直徑的顆粒間的流化特性可以發(fā)現(xiàn)，在入流風(fēng)速未達(dá)到最小流化速度前，床層壓降隨顆粒的直徑增加而降低；當(dāng)入流風(fēng)速達(dá)到最小流化風(fēng)速后，壓降不再隨顆粒直徑的變化而變化，始終處于約475 Pa左右的壓差。

3 結(jié)論

采用商用軟件ANSYS FLUENT對農(nóng)作物秸稈顆粒的直徑對顆粒在流化床內(nèi)的流化特性的影響進(jìn)行分析計(jì)算，得到了一些有意義的結(jié)論。本文的分析能夠?yàn)榻斩捔骰插仩t的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)。

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