秸秆颗粒流化特性的数值模拟分析

摘要： 在农作物秸秆的流化床燃烧发电应用中，秸秆颗粒在床内的气、固两相流动特性会对燃烧、积灰情况等产生影响。该文采用ANSYS FLUENT软件对秸秆颗粒在流化床内的流化特性进行数值模拟，分析颗粒直径对最小流化速度的影响，得到了随直径变化的最小流化风速特性。模拟结果能够为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。

关键词：流化床；秸秆颗粒；流化特性；数值模拟

周文平. 秸秆颗粒流化特性的数值模拟分析[J]. 农业工程技术，2017，37（26）：23-24.

在农作物秸秆的综合利用中，流化床燃烧发电由于独特的优点而具有较好的应用前景[1-2]。但相对于传统的煤粉流化床发电，农作物秸秆燃料具有密度较小、粉碎效果较差、质地较疏松等特有的性质[3]，在实际利用过程中容易导致颗粒在流化床内流化失败，引起严重的后果。

引发流化失败的主要原因是入口流化风对秸秆颗粒的曳力不足以克服颗粒重力及相对运动阻力[4]。对曳力及颗粒间的运动阻力的模拟非常关键。本文采用商用软件ANSYS FLUENT，对秸秆颗粒在流化床内的流化特性进行数值模拟，分析颗粒直径对最小流化速度的影响，为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。

1 计算模型

由于气固相间没有质量的交换，因此可将颗粒相看作一种假想的连续介质，使其也具备与气相相似的动力学特性，从而可用连续方程及动量方程描述颗粒的运动[5]。

1.1 控制方程

连续方程为：

其中，下标g表示气相，s表示固相，ρ是密度，α是相体积分数，V是相的速度矢量。

动量方程为：

其中，G为重力加速度，p为压力，τ为应力张量。β为气-固相间的曳力系数。在双流体模型中，曳力模型的选取对数值模拟的正确性有重要的影响。相对于其他曳力模型，Syamlal-OBrien模型[6]更适合于气固流化床颗粒的计算，因此本文曳力系数β的计算选取Syamlal-OBrien模型。

1.2 数值模拟方法

对某长为200 mm，宽为200 mm，高为400 mm的流化床[7]内秸秆颗粒的流动特性进行模拟。

首先进行网格划分。本文采用ICEM-CFD软件对流化床进行网格划分，并将流化床的底部设为进口速度边界，顶部设为出口压力邊界，其余壁面为无滑移壁面边界，如图1所示。

数值计算时，湍流模型采用标准 模型，速度和压力耦合采用PC-SIMPLE算法，体积分数方程采用QUICK格式，其余方程采用二阶迎风格式。模拟过程为：先在床内随机生成60000个颗粒，在只考虑颗粒重力和碰撞力的作用下使其自由落体，从而确定床内颗粒的初始位置。模拟的时间步长为0.001 s，每个时间步长的最大迭代次数为15。

2 流化特性分析

对流化床内填充不同直径的秸秆颗粒时，床内颗粒的流动进行模拟分析。

图2为流化床床层压降（即进口压力与出口压力之差）随入流风速及秸秆颗粒直径的变化曲线。从图中可以看出，当流化床内填充某一直径的颗粒时，入流风速较小的时候，床内秸秆颗粒基本处于静止或运动较小的状态，此时的床层属于固定床；若增加入流风速，则床层压降会逐渐增加。且从图中可以看出，床层压降的增加与入流风速的增加两者呈现近似正比的关系。随着入流风速继续增加，达到某一风速后，床层压降不再变化，这一风速被称为最小流化速度。

对比不同直径的颗粒间的流化特性可以发现，在入流风速未达到最小流化速度前，床层压降随颗粒的直径增加而降低；当入流风速达到最小流化风速后，压降不再随颗粒直径的变化而变化，始终处于约475 Pa左右的压差。

3 结论

采用商用软件ANSYS FLUENT对农作物秸秆颗粒的直径对颗粒在流化床内的流化特性的影响进行分析计算，得到了一些有意义的结论。本文的分析能够为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。

参考文献

[1] 尚琳琳. 生物质流化床燃烧粘结特性及控制研究[D]. 北京：中国科学院工程热物理研究所，2012.

[2] 苏世伟，朱文，聂影.农作物秸秆资源生态转化方式分析[J].江苏农业科学，2015，43（11）：452-455.

[3] 陈汉平，李斌，杨海平. 生物质燃烧技术现状与展望[J]. 工业锅炉，2009 （5）：1-7.

[4] 沈国章，鲁许鳌，钟振成，等. 流化床燃烧稻草床料聚团及灰行为[J]. 清华大学学报（自然科学版），2011（5）：651-656.

[5] 罗碧辉，郑艳真，张建辉. 流化床内稠密气固两相流的数值模拟[J]. 杭州电子科技大学学报（自然科学版），2017，37（2）：62-67.

[6] 李 斌，周遵凯，姚 路，等. 流化床内不同密度颗粒流动特性的数值模拟[J]. 动力工程学报，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