风机风量对生物质气化套管采暖影响模拟研究*

闫放　许开立　贾彦强　张秀敏　姚锡文

(东北大学资源与土木工程学院　沈阳 110819)



风机风量对生物质气化套管采暖影响模拟研究*

闫放许开立贾彦强张秀敏姚锡文

(东北大学资源与土木工程学院沈阳 110819)

摘要生物质气化站在气化间与净化间之间设置防火墙后，会使气化反应余热无法向净化间内传递，使得我国北方地区气化站在冬季严寒情况下出现湿式净化装置冻裂，进而发生燃气泄漏的情况，增加了火灾、爆炸、中毒隐患。提出了一种利用风机套管将反应余热送入净化间采暖的技术，采用CFD(computational fluid dynamics)技术对采暖效果进行数值模拟，分析风机风量对采暖效果的影响，得出在风机风量对应进气口空气流速9 m/s时可获得最佳采暖效果，可使室外温度243.15 K时净化间内温度达到277～281 K。该技术利用余热进行采暖，达到了低碳环保、节能减排的目的。

关键词生物质气化套管热环境CFD风量

0引言

作为近年来兴起的绿色可再生能源，生物质气化技术利用农业废弃秸秆进行气化反应，生成生物质燃气，得到的燃气主要由CO，H2，CH4构成，燃烧后对环境几乎无污染，并且生产过程几乎零排放。截止到2014年，仅辽宁省建成的农村生物质气化站就达到了297家[1]。但由于经常发生火灾、爆炸、中毒等事故，制约了该技术的发展。东北大学的闫放等[2]提出在气化间与净化间之间设置防火墙，来减少生物质气化站的火灾、爆炸隐患。由于生物质气化站的供暖主要来自气化炉内气化反应的余热，而防火墙隔绝了气化间内的热量向净化间传递，使得我国北方地区的生物质气化站冬季气温达到0 ℃以下时，净化间内的湿式净化装置出现冻裂的现象，导致生产无法进行、燃气泄漏从而带来火灾、爆炸、中毒等事故隐患[3]。因此，需要对净化间进行单独采暖，现阶段采用的采暖措施主要为电暖气[2]。该采暖方式可满足防冻的要求，但需要额外耗费较多的电能，不符合节能减排的要求。本文提出一种利用轴流风机与套管将气化反应的余热送入净化间进行采暖的方法，并采用CFD技术对采暖效果进行模拟。文献[4]对流体为水的套管换热器进行了CFD数值模拟，而本文将以空气作为流体介质进行数值模拟，同时对整个净化间内采暖后的热环境进行数值模拟。这一部分国内外学者并未进行过相同的研究，仅有类似的研究，比如文献[5]对风机盘管采暖系统的温室热环境进行数值模拟研究，文献[6]对带有加热系统的博物馆建筑进行了室内热环境的数值模拟研究。本文对比了不同风机风量条件下采暖效果的区别，并找出了最环保、有效的采暖效果下所使用风机风量对应的进气口空气流速，为我国北方地区生物质气化站的安全技术改造提供技术参考。

1基于风机套管的采暖系统

1.1采暖系统介绍

农村生物质气化站主要由气化间与净化间组成，如图1所示。气化间内包括气化炉、干式除尘器、喷淋式除尘器及相应的连接管道。气化炉内的反应温度可达到1 000 ℃，使得生成的生物质燃气在进入喷淋式除尘器之前都具有非常高的温度。因此，在气化炉与喷淋式除尘器之间的干式除尘器及管道表面具有很高的温度，这也是气化间采暖所利用的反应余热的主要来源。而位于气化间与净化间之间的防火墙隔绝了热量向净化间的传递。因此，净化间内的湿式净化装置在冬季温度低于0 ℃以下时会出现冻裂的情况。本文选择在喷淋式除尘器之前的管道外装设套管，利用置于室外的轴流风机将室外空气通入套管内加热，加热后的热空气经由一段带有岩棉保温的管道被送入净化间内，为净化间供暖。

1-轴流风机；2-气化炉；3-干式除尘器；4-套管；

1.2模拟区域尺寸

本文以沈阳市闫家村生物质气化站实际尺寸为例进行模拟。由于从室外轴流风机的进气口到净化间内的出气口是一个相对封闭的空间，而套管中加热后的空气经由岩棉保温管道进入净化间，该段管道可视为完全绝热，所以如图2所示对模拟区域进行简化，将气化间内的区域只保留套管及其所连接的管道部分，并与净化间一并构成模拟区域。

如图2所示，净化间南北墙上有2个对称的窗户，南墙上设有门；回风口设置了2个，均设置在北墙上；净化间内的湿式净化装置为两套外形可约等于长方体的设备；下部分连接的是进气管，套管上部分连接的是送风管，送风管的出口也就是出风口位于净化间内。各部分尺寸如表1所示。

图2　模拟区域

名称尺寸及位置套管外管半径=0.2m,下端距离地面0.8m套管内管半径=0.086m窗高=1.8m,宽=1.5m,下端距离地面1m门高=2.7m,宽=2.4m出风口半径=0.05m,下端距离地面3m回风口半径=0.2m,下端距离地面3m湿式净化装置长=3m,宽=1m,高=2.4m

2数值模拟模型的建立

2.1基本控制方程的选取与网格划分

轴流风机将室外空气通入套管内加热，加热后的热空气以热风的形式进入净化间，净化间通过热空气的强迫对流来提高温度，因此，在整个模拟区域内不可避免地会引起湍流。所以计算模型选择在涉及湍流相关计算时具有较好收敛性与较高精确度的k-ε模型[7]。

本文采用CFD计算软件Fluent 6.3对套管采暖系统进行模拟仿真，并使用Gambit 2.4.6作为前处理软件进行网格划分。采用二阶迎风格式离散偏微分方程组，压力速度耦合使用SIMPLE算法。划分网格采用四面体网格，其中净化间内采用尺寸为0.075 m的网格进行划分，共生成1 766 058个网格；进气管、套管与送风管内因空气流速大，多为湍流，流动较为复杂，因此对该部分网格进行加密，采用尺寸为0.009 m的网格进行划分，共生成928 528个网格。最终一共生成2 694 586个网格。模拟区域网格划分与网格加密部分如图3所示。

图3　全部模拟区域及加密部分的网格划分

2.2边界条件与初始条件

如前文所述，需要对模拟区域进行一定的简化。防火墙的绝热性能较好，几乎可以阻绝热量的传递，因此在边界条件的设定上把防火墙的壁面设置为绝热；同样，套管外壁、进气管外壁、送风管外壁、净化间地面、湿式净化装置壁面均设置为绝热；进气管的进气口采用velocity inlet的设置，通过不同的速度设置来表示不同的风机风量；回风口设置为outflow；套管内壁亦即发热管道的外壁温度设为常壁温600 K。其余壁面的设置同时考虑室外的对流与辐射换热，室外对流换热系数按照文献[8]中的方法进行计算，室外风速取沈阳地区冬季的平均风速3.2 m/s[2]，计算得室外对流换热系数为17.48 W/(m2·K)[8]；其中外墙为普通红砖墙，外墙厚度0.38 m，铺设了厚度为0.1 m的泡沫苯板保温层，整个外墙的综合密度为1 277 kg/m3，热容比为936 J/(kg·K)，导热系数为0.13 W/(m·K)，外墙外表面发射率为0.9；房顶采用0.03 m厚的钢板，并在其上铺设厚度为0.1 m的泡沫苯板保温层，整个房顶综合密度为1 851 kg/m3，热容比为1 100 J/(kg·K)，导热系数为0.04 W/(m·K)，房顶外表面发射率为0.9；采用双开式保温门，保温门的密度为1 373 kg/m3，热容比为1 256 J/(kg·K)，导热系数为0.15 W/(m·K)，外表面发射率为0.3；窗户为单层玻璃窗，密度为2 700 kg/m3，热容比为840 J/(kg·K)，导热系数为0.78 W/(m·K)，外表面发射率为0.9。

因为整个模拟区域内温度变化范围为243.15～600 K，变化比较大，因此，对于模拟区域内的流体热参数设置采用以温度T为变量的多项式表示。查表可知，在该范围内空气的热容比c基本保持不变，可设置为常数，即c=1 013 J/(kg·K)。其余参数如密度ρ(kg/m3)、导热系数λ(W/(m·K))、动力黏性系数μ(kg/(m·s))则可根据查表数据[9-10]对温度T与其的关系进行多项式线性拟合，拟合结果如式(1)～式(3)所示。

ρ=3.72-1.42×10-2T+2.32×10-5T2-1.38×10-8T3

(1)

λ=1.17×10-3+9.11×10-5T-2.26×10-8T2

(2)

μ=-1.88×10-6+9.17×10-8T-9.44×10-11T2+5.28×10-14T3

(3)

初始条件采用沈阳地区冬季极寒条件下的温度，室外空气温度为243.15K，净化间初始温度为243.15K，进气口的空气流速由风机风量确定。

3数值模拟结果与分析

文献[4]、文献[5]的模拟与实验结果证明了本文所用方法对于净化间热环境模拟结果的可靠性。本文通过对不同风机风量条件下模拟区域内温度场的模拟，来分析风机风量对采暖效果的影响。

3.1不同风机风量下出风口的温度

根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003)第4.6.6条规定，出风口出风速度一般为5～15m/s，因此在初始条件的进气口空气流速的选取中，以1m/s为间隔，选取5～15m/s的进气速度进行数值模拟，计算出不同风机风量亦即不同进气口空气流速情况下出风口热风的温度。对于出风口的温度，本文选择出风口的中心点，即坐标为(1.675,0,1.95)处的温度来反映出风口温度，结果如图4所示。

图4　不同进气口空气流速下出风口热风温度

由图4可知，随着进气口空气流速的增大，出风口的热风温度呈降低趋势。热风温度越低，采暖效果越差，但采暖效果同时还受风量大小也就是单位时间内送入净化间的热风量影响，因此，还需要根据净化间内温度场的分布来确定风量大小对采暖效果的影响。

3.2不同风机风量下净化间内的温度

因为本文考虑的是净化间内湿式净化装置的防冻措施，所以对于净化间内的采暖效果，主要考虑模拟区域净化间内两个湿式净化装置附近的温度。对于不同进气口空气流速下的温度场，取图5所示的A，B，C，D4个观测点的温度作为参考。

图5　温度观测点的位置分布

观测点A，B，C，D在不同进气口空气流速下的温度如图6所示。

图6　观测点A，B，C，D在不同进气口空气流速下的温度

由图6可以看出，随着进气口空气流速的增加，各观测点的温度大致呈上升的趋势，但在5～9m/s这一阶段温度的增加幅度较大，9～15m/s这一阶段的温度变化基本保持不变。如前文所述，虽然进气口空气流速的增加导致出风口热风温度不断降低，但增加的流速也会导致风量增加同时影响到采暖效果，综合两个原因并根据数值模拟结果可知，在进气口空气流速达到9～15m/s左右时可获得最佳采暖效果，但过高的风量会增加轴流风机的能耗，不符合节能减排的要求。因此，9m/s左右的进气口空气流速，可通过最低的能耗满足最佳的采暖效果。此时净化间的温度分布如图7所示。可以看出，在进气口空气流速为9m/s时，净化间内温度可达到277～281K，完全满足设备防冻的采暖要求。

图7　进气口空气流速为9 m/s时净化间内温度

4结语

本文采取了一种通过风机套管利用反应余热进行采暖的方法，根据CFD模拟结果预测了该技术的

可行性。由于该采暖方式为余热利用，符合低碳环保、节能减排的要求。

随着风机风量的增大，净化间内出风口的热风温度也逐渐升高。当风机风量对应的进气口空气流速为9m/s时可获得最佳的采暖效果，此时净化间内温度可达到277～281K，满足防冻要求。

参考文献

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[3]闫放，许开立，姚锡文，等. 基于BN-bow-tie的生物质气化中毒事故分析[J]. 东北大学学报，2015，36(3)：437-441.

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[7]陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2001.

[8]Warren M R. Handbook of heat transfer fundamentals[M]. New York：McGraw Hill Higher Education，1985.

[9]赵镇南. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[10]Kays W M，Crawford M E，Weigand B. Convective heat and mass transfer[M]. New York：McGraw Hill Higher Education，2004：189-213.

许开立，男，1965年生，东北大学教授，博士生导师，研究方向为系统安全理论、安全技术、安全评价、危险与危害的预警及监控、生物质能等。

Simulation Research of Biomass Gasification Double-tube Heating Influenced by Air Volume of Draught Fan

YAN FangXU KailiJIA YanqiangZHANG XiuminYAO Xiwen

(CollegeofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

AbstractFirewall of biomass gasification station will prevent heat transforming from gasification room to purification room, so wet purification devices will be frost cracking in winter and fire, explosion and poisoning accidents will be possibly caused by leakage of gas. A technology that uses draught fan and double-tube to put waste heat into purification room is proposed, in which the heating effect is made numerical simulation by CFD and the influences of air volume on heating effect are analyzed, finding out that the best heating effect can be obtained when air velocity of air inlet is 9 m/s, which makes the temperature of purification room be 277-281 K when temperature of outdoor is 243.15 K. The technology will achieve the goal of low-carbon environment and energy conservation and emission reduction.

Key Wordsbiomass gasificationdouble-tubethermal environmentCFDair volume

*基金项目：农业部农村能源专项(2015-36)，辽宁省自然科学基金(2013020137)。

作者简介闫放，男，1989年生，东北大学资源与土木工程学院博士研究生，研究方向为生物质能、系统安全理论、风险评价等。

(收稿日期：2015-08-10)