基于fluent的生物質氣化爐壓力與流場模擬研究

張 翼 繆俊杰 杜泓飛

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316）

0 前言

固定床氣化爐爐內流場和床層壓降決定氣化裝置的動力系統以及傳質、傳熱過程，因此合理預測氣化爐內的流場和床層壓降對于氣化爐的設計、操作及優化有十分重要的意義[1]。影響氣化爐流場和床層壓降的影響因素眾多，例如物料特性、物料尺寸、物料分布、床層高度與空隙率等[2]。現已有許多文獻通過不同手段探討了固定床壓降的影響因素：馮振君[2]使用CFD 模擬軟件分析固定床全床流場和床層壓降，從而優化了催化劑區域和出入口區域的設計。王春雷[3]研究了不同粒徑顆粒對床層壓降的影響。顆粒粒徑變化會影響床層空隙率和空隙率分布，從而影響床層壓降。許多學者研究了不同固定床的流場與壓降，但鮮有文獻探討氣化爐床層差異和進氣差異對氣化劑在床層中停留時間的影響。該文基于fluent 模擬軟件，考察了二次進氣位置、數量以及流量分布對固定床氣化爐床層壓降和氣化劑停留時間分布的影響。

1 實驗部分

1.1 氣化爐及網格劃分

國產化美國SynTech 公司的BioMax 下吸式-二次氣化固定床氣化爐如圖1（a）所示。氣化爐主要由位于爐頂的一次進氣和五層二次進氣提供的空氣作為氣化劑，爐體床層高度為1.44 m。關于氣化爐詳細情況見文獻[4]。

由于BioMax 氣化爐較為復雜，氣路眾多，因此出于降低計算成本、提高模擬精度的目的對氣化爐進行適當簡化處理。一次進氣簡化后為4 個對稱45°向下的進氣口。二次進氣原本為深入爐體圓管并在圓管下方開2 排小孔，2排小孔進氣方向成90°夾角；現將其簡化為2 組成90°夾角的長矩形。原第一層～第五層共5 層二次進氣簡化為第一層（距床層頂部0.4 m）、第三層（距床層頂部0.7 m）和第五層（距床層頂部1.0 m）共3 層二次進氣，每層簡化為4 根對稱進氣管。基于Ansys Mesh 軟件，使用四面體網格對BioMax 氣化爐進行網格劃分，氣化爐網格劃分示意圖如圖1（b）所示，網格總數為662 166 個。

圖1 氣化爐結構和網格劃分示意圖

1.2 數學模型

該文使用CFD 商用軟件fluent 對BioMax 固定床氣化爐進行計算分析。氣化爐內質量與動量守恒方程描述[5]如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；為瞬時速度，m/s；p為氣體組分分壓，Pa；μ為流體動力黏度，Pa·s；SP為源項，kg/（s·m3）；SN為源項，N/m3。

該文采用歐拉-拉格朗日法處理氣化爐反應區多相流模擬，并使用k-ε 模型考慮湍流的影響[6]。氣化爐內床層使用各向同性的均勻多孔介質模型來模擬[7]。該氣化爐常用物料為破碎后的木片，根據原料的堆積密度與其自身密度的關系得出填料層孔隙率為0.3，物料當量直徑約為5 mm。采用公式計算料層的黏性阻力和慣性阻力。黏性阻力、慣性阻力分別如公式（3）、公式（4）所示[8]。

式中：a為滲透率；DP為顆粒當量直徑；ε 為床層孔隙率。

2 結果與討論

2.1 不同二次進氣位置

BioMax 作為下吸式二次進氣生物質氣化爐，二次進氣位置的變化會直接影響固定床的流場和床層壓降。實驗探討了分別在第一層、第三層和第五層通入二次進氣對床層壓降、氣體流速和氣化劑停留時間的影響。一次進氣和二次進氣的進氣量比例為1︰1。圖2（a）給出了不同二次進氣位置對床層壓降的影響，圖2（b）給出了不同進氣位置對床層氣速和氣化劑停留時間的影響。

如圖2（a）所示，二次進氣位置的改變對床層壓降有較明顯的影響。隨著二次進氣位置高度的降低，床層壓降也會明顯降低。一次進氣整體床層壓降約為1 120 Pa；當二次進氣位置處于距離床層頂部0.4 m（第一層）、0.7 m（第三層）和1.0 m（第五層）時，床層壓降為926 Pa、789 Pa 以及653 Pa。并且根據圖2（a）中曲線變化趨勢可推測，對于二次進氣固定床氣化爐來說，其一次進氣的進氣量相對較少，在二次進氣通入前，床層壓降較低，從而降低了整體床層壓降；隨著二次進氣的通入，床層壓降會有所增大。

二次進氣同時會改變氣體流速，從而改變氣化劑在床層中的停留時間。圖2（b）給出了氣體流速、停留時間與床層位置的關系。從圖2（b）中可見，由于二次進氣分流的緣故，一次進氣床層氣速降低，當二次進氣通入后，氣流速度提升并最終與單獨一次進氣相同。二次進氣位置的改變會顯著改變氣化劑在床層中的停留時間。隨著二次進氣位置的下降，氣體停留時間明顯增長。只有一次進氣時，氣化劑通過床層所用時間為7.58 s；二次進氣位置分別為0.4 m（第一層）、0.7 m（第三層）和1.0 m（第五層）時，氣化劑通過床層所用時間分別為9.71 s、11.35 s 以及12.99 s。

圖2 不同位置對氣化爐床層壓降和氣體流速的影響

2.2 不同二次進氣數量

美國SynTech 的BioMax 氣化爐通過多股二次進氣和眾多溫度測點精確控制氣化爐物料床層的氣化劑分布以及溫度分布，從而極大降低了焦油產率，增大了有效合成氣成分的比例，同時提升了氣化裝置的整體壽命。BioMax 二次進氣位置分布較廣，不同的進氣位置與數量勢必會改變固定床床層的壓降情況。模擬實驗對氣化爐進行了部分簡化，在此只分析第一層、第三層和第五層對氣化爐床層壓降的影響。圖3 給出了不同二次進氣數量對床層壓降、氣體流速和氣化劑停留時間的影響。其中氣流總量一定且在各氣路中均勻分配。

如圖3（a）所示，隨著二次進氣管路數量的增多，床層壓降有明顯降低。隨著二次進氣為1 路、2 路和3 路時，床層壓降分別為926 Pa、783 Pa 以及650 Pa。綜合2.1 中進氣位置對床層壓降的影響可以發現，影響整體床層壓降的主要因素是二次進氣的位置，進氣數量對整體床層壓降的影響較小。但同時從圖3（a）可以看到，雖然二次進氣數量對整體床層壓降影響較小，但是改變了床層壓降的分布。增加二次進氣氣路數量有利于降低床層上部壓降。

圖3（b）給出了床層氣速和氣化劑停留時間。從圖3（b）中可見，隨著二次進氣的通入，氣流速度有明顯提高。當二次進氣為1 路、2 路和3 路時，氣化劑停留時間分別為9.71 s、12.68 s 和16.25 s。當二次進氣氣路數量增加時，氣化劑停留時間也明顯提高，并明顯高于章節2.1 中單獨一路進氣時的氣化劑停留時間。

圖3 不同二次進氣氣路對氣化爐床層壓降和氣體流速的影響

綜上可知，二次進氣位置對床層壓降有顯著影響，隨著二次進氣位置的降低，床層壓降也明顯降低。二次進氣氣路數量對固定床床層壓降的影響較小，但能夠有效提高氣化劑在床層上段的停留時間，在熱解氣化過程保持富氧狀態，從而減少焦油的生成。

2.3 進氣比例對床層壓降的影響

由章節2.1 和2.2 可知，床層壓降主要與二次進氣的最后進氣位置有關。為簡化模擬過程，選擇第五層作為二次進氣通氣口考察一次進氣與二次進氣比例對床層壓降的影響。床層壓降隨一、二次進氣比例變化如圖4 所示。氣化爐床層壓力隨著二次進氣比例的增高而降低。當一次進氣與二次進氣比例由4︰1 降低到1︰4 時，氣化爐床層壓降從943 Pa降低至445 Pa。可見，適當減少一次進氣的比例，有助于降低床層壓降，節省能耗。

圖4 一次進氣與二次進氣比例對床層壓降影響

3 結論

基于fluent 模擬二次進氣對BioMax 氣化爐的床層壓降和流場的影響。實驗發現，二次進氣位置是影響固定床氣化爐床層壓降的重要因素之一，床層壓降隨著二次進氣位置的下降而明顯降低。二次進氣氣路數量對整體床層壓降影響較小，但二次進氣氣路數量變化會導致床層壓降的分布發生變化，從而改變氣化劑在床層中停留時間的分布，使一次進氣在床層上端的停留時間增長，有利于提高熱解和氧化區域氧含量，有利于減少焦油的產生。同時，一次進氣和二次進氣的比例變化也將影響床層壓降，床層壓降隨著一次進氣比例的上升而增大。

通過模擬研究BioMax 固定床氣化爐的床層壓降和流場，對于BioMax 的操作與調試工作有重要作用，且對于后續氣化爐優化也有一定借鑒意義。