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      秸稈顆粒流化特性的數(shù)值模擬分析

      2018-01-02 22:18:02周文平
      關(guān)鍵詞:流化床數(shù)值模擬

      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)果能夠為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設(shè)計和運行提供指導(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)電由于獨特的優(yōu)點而具有較好的應(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動阻力[4]。對曳力及顆粒間的運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)計和運行提供指導(dǎo)。

      1 計算模型

      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動[5]。

      1.1 控制方程

      連續(xù)方程為:

      其中,下標g表示氣相,s表示固相,ρ是密度,α是相體積分數(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算,因此本文曳力系數(shù)β的計算選取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行模擬。

      首先進行網(wǎng)格劃分。本文采用ICEM-CFD軟件對流化床進行網(wǎng)格劃分,并將流化床的底部設(shè)為進口速度邊界,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)值計算時,湍流模型采用標準 模型,速度和壓力耦合采用PC-SIMPLE算法,體積分數(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)隨機生成60000個顆粒,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。模擬的時間步長為0.001 s,每個時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,床內(nèi)顆粒的流動進行模擬分析。

      圖2為流化床床層壓降(即進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,當流化床內(nèi)填充某一直徑的顆粒時,入流風(fēng)速較小的時候,床內(nèi)秸稈顆?;咎幱陟o止或運動較小的狀態(tài),此時的床層屬于固定床;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)速未達到最小流化速度前,床層壓降隨顆粒的直徑增加而降低;當入流風(fēng)速達到最小流化風(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行分析計算,得到了一些有意義的結(jié)論。本文的分析能夠為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設(shè)計和運行提供指導(dǎo)。

      參考文獻

      [1] 尚琳琳. 生物質(zhì)流化床燃燒粘結(jié)特性及控制研究[D]. 北京:中國科學(xué)院工程熱物理研究所,2012.

      [2] 蘇世偉,朱文,聶影.農(nóng)作物秸稈資源生態(tài)轉(zhuǎn)化方式分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(11):452-455.

      [3] 陳漢平,李斌,楊海平. 生物質(zhì)燃燒技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 工業(yè)鍋爐,2009 (5):1-7.

      [4] 沈國章,魯許鰲,鐘振成,等. 流化床燃燒稻草床料聚團及灰行為[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(5):651-656.

      [5] 羅碧輝,鄭艷真,張建輝. 流化床內(nèi)稠密氣固兩相流的數(shù)值模擬[J]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,37(2):62-67.

      [6] 李 斌,周遵凱,姚 路,等. 流化床內(nèi)不同密度顆粒流動特性的數(shù)值模擬[J]. 動力工程學(xué)報,2014,34(12):932-937.

      [7] Sun J,Battaglia F. Hydrodynamic modeling of particle rotation for segregation in bubbling gas-fluid-ized beds[J]. Chemical Engineering Science,2006,61(5):1470-1479.endprint

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