基于fluent的生物质气化炉压力与流场模拟研究

张 翼 缪俊杰 杜泓飞

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201316）

0 前言

固定床气化炉炉内流场和床层压降决定气化装置的动力系统以及传质、传热过程，因此合理预测气化炉内的流场和床层压降对于气化炉的设计、操作及优化有十分重要的意义[1]。影响气化炉流场和床层压降的影响因素众多，例如物料特性、物料尺寸、物料分布、床层高度与空隙率等[2]。现已有许多文献通过不同手段探讨了固定床压降的影响因素：冯振君[2]使用CFD 模拟软件分析固定床全床流场和床层压降，从而优化了催化剂区域和出入口区域的设计。王春雷[3]研究了不同粒径颗粒对床层压降的影响。颗粒粒径变化会影响床层空隙率和空隙率分布，从而影响床层压降。许多学者研究了不同固定床的流场与压降，但鲜有文献探讨气化炉床层差异和进气差异对气化剂在床层中停留时间的影响。该文基于fluent 模拟软件，考察了二次进气位置、数量以及流量分布对固定床气化炉床层压降和气化剂停留时间分布的影响。

1 实验部分

1.1 气化炉及网格划分

国产化美国SynTech 公司的BioMax 下吸式-二次气化固定床气化炉如图1（a）所示。气化炉主要由位于炉顶的一次进气和五层二次进气提供的空气作为气化剂，炉体床层高度为1.44 m。关于气化炉详细情况见文献[4]。

由于BioMax 气化炉较为复杂，气路众多，因此出于降低计算成本、提高模拟精度的目的对气化炉进行适当简化处理。一次进气简化后为4 个对称45°向下的进气口。二次进气原本为深入炉体圆管并在圆管下方开2 排小孔，2排小孔进气方向成90°夹角；现将其简化为2 组成90°夹角的长矩形。原第一层～第五层共5 层二次进气简化为第一层（距床层顶部0.4 m）、第三层（距床层顶部0.7 m）和第五层（距床层顶部1.0 m）共3 层二次进气，每层简化为4 根对称进气管。基于Ansys Mesh 软件，使用四面体网格对BioMax 气化炉进行网格划分，气化炉网格划分示意图如图1（b）所示，网格总数为662 166 个。

图1 气化炉结构和网格划分示意图

1.2 数学模型

该文使用CFD 商用软件fluent 对BioMax 固定床气化炉进行计算分析。气化炉内质量与动量守恒方程描述[5]如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；为瞬时速度，m/s；p为气体组分分压，Pa；µ为流体动力黏度，Pa·s；SP为源项，kg/（s·m3）；SN为源项，N/m3。

该文采用欧拉-拉格朗日法处理气化炉反应区多相流模拟，并使用k-ε 模型考虑湍流的影响[6]。气化炉内床层使用各向同性的均匀多孔介质模型来模拟[7]。该气化炉常用物料为破碎后的木片，根据原料的堆积密度与其自身密度的关系得出填料层孔隙率为0.3，物料当量直径约为5 mm。采用公式计算料层的黏性阻力和惯性阻力。黏性阻力、惯性阻力分别如公式（3）、公式（4）所示[8]。

式中：a为渗透率；DP为颗粒当量直径；ε 为床层孔隙率。

2 结果与讨论

2.1 不同二次进气位置

BioMax 作为下吸式二次进气生物质气化炉，二次进气位置的变化会直接影响固定床的流场和床层压降。实验探讨了分别在第一层、第三层和第五层通入二次进气对床层压降、气体流速和气化剂停留时间的影响。一次进气和二次进气的进气量比例为1︰1。图2（a）给出了不同二次进气位置对床层压降的影响，图2（b）给出了不同进气位置对床层气速和气化剂停留时间的影响。

如图2（a）所示，二次进气位置的改变对床层压降有较明显的影响。随着二次进气位置高度的降低，床层压降也会明显降低。一次进气整体床层压降约为1 120 Pa；当二次进气位置处于距离床层顶部0.4 m（第一层）、0.7 m（第三层）和1.0 m（第五层）时，床层压降为926 Pa、789 Pa 以及653 Pa。并且根据图2（a）中曲线变化趋势可推测，对于二次进气固定床气化炉来说，其一次进气的进气量相对较少，在二次进气通入前，床层压降较低，从而降低了整体床层压降；随着二次进气的通入，床层压降会有所增大。

二次进气同时会改变气体流速，从而改变气化剂在床层中的停留时间。图2（b）给出了气体流速、停留时间与床层位置的关系。从图2（b）中可见，由于二次进气分流的缘故，一次进气床层气速降低，当二次进气通入后，气流速度提升并最终与单独一次进气相同。二次进气位置的改变会显著改变气化剂在床层中的停留时间。随着二次进气位置的下降，气体停留时间明显增长。只有一次进气时，气化剂通过床层所用时间为7.58 s；二次进气位置分别为0.4 m（第一层）、0.7 m（第三层）和1.0 m（第五层）时，气化剂通过床层所用时间分别为9.71 s、11.35 s 以及12.99 s。

图2 不同位置对气化炉床层压降和气体流速的影响

2.2 不同二次进气数量

美国SynTech 的BioMax 气化炉通过多股二次进气和众多温度测点精确控制气化炉物料床层的气化剂分布以及温度分布，从而极大降低了焦油产率，增大了有效合成气成分的比例，同时提升了气化装置的整体寿命。BioMax 二次进气位置分布较广，不同的进气位置与数量势必会改变固定床床层的压降情况。模拟实验对气化炉进行了部分简化，在此只分析第一层、第三层和第五层对气化炉床层压降的影响。图3 给出了不同二次进气数量对床层压降、气体流速和气化剂停留时间的影响。其中气流总量一定且在各气路中均匀分配。

如图3（a）所示，随着二次进气管路数量的增多，床层压降有明显降低。随着二次进气为1 路、2 路和3 路时，床层压降分别为926 Pa、783 Pa 以及650 Pa。综合2.1 中进气位置对床层压降的影响可以发现，影响整体床层压降的主要因素是二次进气的位置，进气数量对整体床层压降的影响较小。但同时从图3（a）可以看到，虽然二次进气数量对整体床层压降影响较小，但是改变了床层压降的分布。增加二次进气气路数量有利于降低床层上部压降。

图3（b）给出了床层气速和气化剂停留时间。从图3（b）中可见，随着二次进气的通入，气流速度有明显提高。当二次进气为1 路、2 路和3 路时，气化剂停留时间分别为9.71 s、12.68 s 和16.25 s。当二次进气气路数量增加时，气化剂停留时间也明显提高，并明显高于章节2.1 中单独一路进气时的气化剂停留时间。

图3 不同二次进气气路对气化炉床层压降和气体流速的影响

综上可知，二次进气位置对床层压降有显著影响，随着二次进气位置的降低，床层压降也明显降低。二次进气气路数量对固定床床层压降的影响较小，但能够有效提高气化剂在床层上段的停留时间，在热解气化过程保持富氧状态，从而减少焦油的生成。

2.3 进气比例对床层压降的影响

由章节2.1 和2.2 可知，床层压降主要与二次进气的最后进气位置有关。为简化模拟过程，选择第五层作为二次进气通气口考察一次进气与二次进气比例对床层压降的影响。床层压降随一、二次进气比例变化如图4 所示。气化炉床层压力随着二次进气比例的增高而降低。当一次进气与二次进气比例由4︰1 降低到1︰4 时，气化炉床层压降从943 Pa降低至445 Pa。可见，适当减少一次进气的比例，有助于降低床层压降，节省能耗。

图4 一次进气与二次进气比例对床层压降影响

3 结论

基于fluent 模拟二次进气对BioMax 气化炉的床层压降和流场的影响。实验发现，二次进气位置是影响固定床气化炉床层压降的重要因素之一，床层压降随着二次进气位置的下降而明显降低。二次进气气路数量对整体床层压降影响较小，但二次进气气路数量变化会导致床层压降的分布发生变化，从而改变气化剂在床层中停留时间的分布，使一次进气在床层上端的停留时间增长，有利于提高热解和氧化区域氧含量，有利于减少焦油的产生。同时，一次进气和二次进气的比例变化也将影响床层压降，床层压降随着一次进气比例的上升而增大。

通过模拟研究BioMax 固定床气化炉的床层压降和流场，对于BioMax 的操作与调试工作有重要作用，且对于后续气化炉优化也有一定借鉴意义。