王娜娜,張玉春,易維明,柏雪源, 王 祥
(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東 淄博 255049)
豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒運動規(guī)律的研究
王娜娜,張玉春,易維明,柏雪源, 王 祥
(山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東 淄博 255049)
在一套透明冷態(tài)玻璃實驗裝置上利用粒子圖像測速技術(PIV)對豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的運動規(guī)律進行研究.實驗在自由端和抽氣兩種工況下進行,結果表明,在h≥750mm時,管道內(nèi)的生物質(zhì)半焦的速度比較穩(wěn)定.自由端時,軸向速度沿著徑向呈類似拋物線分布;抽氣時,顆粒的速度在軸向X=10~50mm范圍內(nèi),穩(wěn)定在1.2 m/s左右.利用數(shù)值計算方法對管道內(nèi)顆粒的速度分布進行模擬,在抽氣狀態(tài)下,對h=750 mm,h=1 050 mm這兩個截面實驗和模擬結果進行的對比表明,模擬結果在數(shù)值量級以及變化趨勢方面與實驗結果吻合度較好,能夠起到較好的預測作用.
生物質(zhì)半焦;兩相流;PIV;速度場;數(shù)值模擬
生物質(zhì)裂解液化技術是一種典型的生物質(zhì)廢棄物處理和利用技術.其核心是在常壓、中溫(500~650℃)、超高加熱速率 (104~105℃/s )、超短產(chǎn)物停留時間(小于2s)的條件下直接將生物質(zhì)熱裂解,制取生物油,這一技術受到了世界各國的重視.針對生物質(zhì)快速裂解液化技術的反應模式,許多學者已經(jīng)研究出多種類型的反應器結構,如流化床反應器[1-2]、渦旋反應器[3-4]、旋轉錐殼反應器[5]、下降管式反應器[6-7]等.
山東理工大學開發(fā)的下降管式熱解液化裝置是國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權的反應器.具有不需要使用氣體熱載體、液體燃料的收集率高等特點.在反應器內(nèi),加熱的陶瓷球通過對流、導熱、輻射與生物質(zhì)粉進行熱量交換,使其發(fā)生熱裂解.因為顆粒在反應管內(nèi)的流動形式、混合等方面會影響傳熱,所以研究下降管內(nèi)顆粒的運動規(guī)律是非常重要的.由于生物質(zhì)粉與熱陶瓷球發(fā)生熱交換后主要以半焦的形式在管內(nèi)流動,所以本實驗研究的物料選用生物質(zhì)半焦.
粒子圖像測速技術(Particle Image Velocietry,PIV)利用激光技術照亮流場,通過高速CCD相機獲得流場圖像,對所采集的流場圖像利用互相關分析以獲取流場信息.PIV技術是一種先進的非接觸式、全流場、瞬時、高精度速度場測量技術,其應用非常廣泛,許多學者已經(jīng)利用PIV技術對流化床[8-11]、水平攜帶床[12-13]、水平管[14]、豎直管[15-16]、傾斜管[17-18]內(nèi)顆粒運動的二維速度場進行了研究.本文利用PIV技術對豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的運動規(guī)律進行研究.
1.1 實驗裝置
針對豎直下降管內(nèi)顆粒流動的特性,結合PIV技術的實驗要求,設計了豎直下降管顆粒流動實驗臺,該裝置主要由以下部分組成:漏斗形陶瓷球喂料器(為預留裝置,是為了研究陶瓷球和生物質(zhì)半焦混合運動設計的裝置,本文的實驗研究沒有用到)、生物質(zhì)半焦震動喂料器、豎直下降管(66mm×66mm×1 600mm,壁厚為3mm,用透明玻璃材料制造)、落料收集箱和抽氣裝置、PIV測試系統(tǒng)等.PIV測試實驗裝置及測量位置示意圖如圖1所示.
實驗所采用的PIV測試系統(tǒng)由北京立方天地科技發(fā)展公司開發(fā),主要由激光器、同步器、CCD相機及圖像處理系統(tǒng)組成.圖像處理系統(tǒng)采用傅里葉(FFT)互相關算法.
圖1 PIV測試裝置及測量位置示意圖
1.2 實驗方法
對于豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦速度的測量,實驗分兩種情況進行:一是自由端,指豎直下降管的進口和出口與大氣相通,生物質(zhì)半焦在重力作用下自由下落;二是抽氣狀態(tài)下,指豎直下降管的進口封閉,出口與抽氣泵相通,使得管內(nèi)的氣體處于連續(xù)的流動微負壓狀態(tài).
對管內(nèi)顆粒進行抽氣實驗時,管下方收集料斗內(nèi)的氣壓與抽氣流量存在一定的關系,實驗測得數(shù)據(jù)見表1.
表1 抽氣量與氣壓關系
抽氣量Q/m3·h-15111520氣 壓P/Pa-2-7-15-26
為研究抽氣時管內(nèi)氣流對生物質(zhì)半焦的影響,現(xiàn)對抽氣時管內(nèi)空氣的理論速度進行分析.
抽氣時管內(nèi)空氣速度
(1)
式中:v為管內(nèi)空氣速度(m/s);Q為抽氣量(m3/s);A為管橫截面面積(m2).
當管的橫截面面積A一定時,由式(1)得,管內(nèi)氣流速度與抽氣量成正比關系.
當Q=5m3/h、Q=11m3/h時,管內(nèi)氣流的理論速度分別為:
(2)
(3)
選取Q=5m3/h、11m3/h、15m3/h、20m3/h和自由端進行PIV實驗.圖2為h=1 200mm時,不同抽氣量和自由端情況下,生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布.
圖2 h=1 200mm時生物質(zhì)半焦的軸向速度
從圖2中可以看出,在h=1 200mm處,當Q=5 m3/h時,測量速度值的變化范圍在0.2~0.4m/s,通過式(2)的計算可知,此時的理論速度約為0.385m/s.當Q=11m3/h時,在徑向X=10~50mm處,測量值的變化范圍在0.8~0.9m/s,通過式(3)的計算可知,此時的理論速度約為0.848m/s.這表明實驗結果和理論結果相吻合.在自由端條件下,顆粒在豎直下降管內(nèi)主要受到重力和空氣阻力的共同作用,當顆粒運動到軸向h=1 200mm截面時的最大速度已達到0.85m/s左右.從以上分析可以看出,自由端和Q=11m3/h時顆粒的速度相差不大.從圖2中還可以看出,當Q>11m3/h時,生物質(zhì)半焦的速度隨著抽氣量的增大而逐漸增大.這是因為當抽氣量繼續(xù)增大時,氣體的動量作用相對于重力及其他作用力而言成為影響顆粒運動形態(tài)的最主要因素,顆粒在氣流的沖擊帶動下,受到曳力作用.當Q=15m3/h時,中間區(qū)域的速度最為穩(wěn)定,所以本實驗主要研究Q=15m3/h時,豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的速度分布.
圖3為自由端與抽氣量Q=15m3/h時不同測試段生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布.從圖3中可以看出,自由端,h<450mm時,顆粒最大速度偏向管道右側,這是因為實驗時,顆粒是從管道的右側加入的,由于此處位于進料口的下部,所以顆粒進入管道后聚集程度比較高,擴散作用還不明顯,大量顆粒順重力場沿進料口豎直下方運動,隨著顆粒在管道內(nèi)逐漸下降,顆粒在氣流作用下自由擴散,在管道內(nèi)分布均勻.但由于存在邊壁效應,從圖3可見,到達h=750mm處,顆粒的最大速度位于管道中心處.對于抽氣量Q=15m3/h時,在h=150mm處,顆粒的速度在管中出現(xiàn)兩個峰值,分別位于約X=12mm、X=48mm處;到達h=450mm處,顆粒的速度在X=10~50mm,基本穩(wěn)定在1.2 m/s.從圖3中還可以看出,當h>150mm后,抽氣時的速度明顯大于自由端時的速度,并且隨著下落高度的增加,中間區(qū)域速度越趨于平穩(wěn).
(a)h=150mm
(b)h=450mm
(c)h=750mm
(d)h=1 050mm圖3 不同測試段生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布
3.1 湍流模型
Yakhot和Orszag于1986年應用RNG方法建立了第一個湍流模型,RNGk-ε湍流模型是基于重整化群(Renormalization Group)技術的一種湍流模型[19].在RNGk-ε模型中,通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響,而使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除.所得到的k方程和ε方程,與標準k-ε模型非常相似[20].但RNGk-ε湍流模型在計算復雜的流動方面,理論上精度要高于標準的k-ε模型.本文采用的是RNGk-ε湍流模型.
RNGk-ε混合湍流模型為
(4)
(5)
式中:ui為時均速度i=1,2,3;ρm為密度;k為混合相的湍流動能;ε為端流耗散率;μ為動力粘度;μt為湍流粘度;Pk為壓力;Cε1、Cε2為經(jīng)驗常數(shù);σk為與湍動能k對應的prandtl常數(shù).
3.2 邊界條件
利用CFD軟件Fluent6.3.26對其進行數(shù)值模擬.利用三維動態(tài)模擬,邊界條件的設置為:
(1)邊界條件計算介質(zhì)為生物質(zhì)半焦,選用60~80目的生物質(zhì)半焦為研究對象.
(2)進口邊界采用速度入口,根據(jù)已知流量以及入口直徑,直接得到氣相入口速度并計算出其它相應的湍流參數(shù).
(3)出口邊界出口按照湍流流動充分發(fā)展處理,采用自由出流,出口壓力為大氣壓.
(4)固壁邊界壁面為無滑移邊界條件,默認壁面粗糙度為0.5,采用標準壁面函數(shù)法處理邊界湍流.
圖4為顆粒的速度云圖.從圖4中可以看出,進料口的下部顆粒速度比較大,隨著顆粒在管道內(nèi)逐漸下降,顆粒在管道內(nèi)自由擴散且分布趨于均勻,但由于存在邊壁效應,邊壁處速度較低,中心位置附近速度較大.
(a)自由端 (b)抽氣時圖4 顆粒的速度分布云圖
對于抽氣情況下,由上面的實驗結果分析可知,當h≥750 mm時,生物質(zhì)半焦顆粒在管道內(nèi)的速度分布趨于穩(wěn)定,本部分只針對h=750 mm,h=1 050 mm這兩個截面的模擬和實驗結果進行對比分析.
圖5為數(shù)值模擬和實驗結果對比,從圖5中可以看出,在抽氣狀態(tài)下,實驗結果和模擬結果吻合的比較好.
(a)h=750mm
(b)h=1 050mm圖5 數(shù)值模擬和實驗結果對比
(1)利用PIV技術在自行設置的裝置上進了實驗.實驗結果表明,當h≥750mm時,管道內(nèi)生物質(zhì)半焦的速度比較穩(wěn)定.自由端時,軸向速度沿著徑向分布呈類似拋物線分布;抽氣時,顆粒的速度在軸向X=10~50mm時,基本穩(wěn)定在1.2 m/s.
(2) 利用數(shù)值模擬軟件對管道內(nèi)顆粒的速度分布進行模擬,抽氣時,對h=750 mm,h=1 050 mm這兩個截面實驗和模擬結果進行對比.結果表明在抽氣狀態(tài)下,模擬結果在數(shù)值量級以及變化趨勢方面與實驗結果吻合度較好,能夠達到較好的預測作用.
(3) 通過PIV實驗和數(shù)值模擬對顆粒的運動規(guī)律進行研究,可為熱態(tài)實驗顆粒的停留時間計算、顆粒間的傳熱傳質(zhì)提供參考,從而指導熱態(tài)實驗裝置的設計.
[1]Robson A. 25 tpd border biofuels/dynamotive plant in the UK[J]. PyNe Newsletter, 2001, 11:1-2.
[2]任學勇, 常建民, 王鵬起, 等. 噴動循環(huán)流化床生物質(zhì)快速熱解設備的特性分析與發(fā)展研究綜述[J].林產(chǎn)化學與工業(yè), 2009,29(5):122-126.
[3] Diebold J. Scahill J. Production of primary pyrolysis oils in a vortex reactor [C]// Soltes E J,Milne T A. Pyrolysis oils from biomass: producing, analyzing, and upgrading. Washington: ACS Symposium Series, 1988:31-40.
[4] Czernik S, Scahill J, Diebold, J. The production of liquid fuel by fast pyrolysis of biomass [J]. J. Sol. Energy. Eng, 1995, 117: 2-6.
[5] 李俊生. 旋轉錐生物質(zhì)裂解反應器裂解工藝的研究[J]. 環(huán)境工程學報, 2010,4(7):1 609-1 614.
[6]李志合, 柏雪源, 李永軍,等. 下降管生物質(zhì)熱裂解液化反應器設計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(9):115-119.
[7]何芳, 姚福生, 易維明,等. 下降管式生物質(zhì)熱解液化裝置的計算分析[J]. 太陽能學報, 2005,26(3):424-428.
[8]You C F, Zhao H L. Experimental investigation of interparticle collision rate in particulate flow[J]. International Journal of Multiphase Flow,2004 ,30:1 121-1 138.
[9]王勤輝, 趙曉東, 石惠嫻,等. 循環(huán)流化床內(nèi)顆粒運動的PIV測試[J]. 熱能動力工程, 2003,18(4):378-381.
[10]Joachim W. Measurement techniques in fluidized beds[J]. Powder Technology, 1999, 102(1):15-36.
[11]石惠嫻. 循環(huán)流化床流動特性PIV測試和數(shù)值模擬[D]. 杭州: 浙江大學, 2003.
[12]易維明,王娜娜,張波濤,等. 水平攜帶床氣固兩相流動的實驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(1):11-14.
[13]王娜娜, 易維明, 李志合. 水平攜帶床內(nèi)玉米秸稈顆粒運動的PIV測量[J]. 太陽能學報, 2008,29(3):365-369.
[14]Kaoru M, Gang C,F(xiàn)ujio Y,etal. PIV measurement of Particle motion in spiral gas-solid two-Phase flow[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,1999,19(2):194-203.
[15]Guo X L,Dai Z H,Gong X,etal.Performance of an entrained-flow gasification technology of pulverizedcoal in pilot-scale plant[J].Fuel Processing Technology, 2007,88:451-459.
[16]Fohanno S, Oesterle B. Analysis of the effect of collisions on the gravitational motion of large particles in a vertical duct[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2000,26:267-292.
[17]楊延強,易維明,李志合,等. 陶瓷球與生物質(zhì)半焦混合體在斜管中的運動特性[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(14):264-268.
[18]楊延強. 傾斜下降管反應器中顆粒運動規(guī)律的研究[D]. 沈陽:沈陽農(nóng)業(yè)大學, 2011.
[19]Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence [J]. Journal of Scientific Computing, 1986,1(1):3-5.
[20]Versteeg H K, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method [M]. New York: Wiledy, 1995.
(編輯:郝秀清)
Experimental study and numerical simulation onsemi-coke particles movement in vertical down pipe
WANG Na-na, ZHANG Yu-chun, YI Wei-ming, BAI Xue-yuan, WANG Xiang
(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)
The movement of biomass semi-char particles was studied in a vertical down glass pipe using the particle image velocimetry(PIV)techniques. Experiments were carried out under the conditions of the bottom end is open and the bottom end is connected to a suction pump. The velocities of semi-char particles are relatively stable when the falling distanceh≥750mm. The axial distribution is a parabola-like curve along the cross-sections of pipe when the bottom end is open while it is stable at about 1.2 m/s atX=10~50mm when the bottom end is connected to a suction pump. The numerical simulation of the velocity distribution of semi-char particles was also conducted and the simulation results were then compared with the experiment results when the falling distanceh= 750mm and 1 050 mm. The simulation results on numerical magnitude and trends matched well with the experimental results, which could achieve a better prediction.
semi-coke particles; two-phase flow; PIV; velocity field; numerical simulation
2015-03-20
863計劃項目(2012AA101800);國家自然科學基金資助項目(50876056、51276103);山東省自然科學基資助金項目(ZR2011EL041)
王娜娜, 女, wnn@sdut.edu.cn; 通信作者: 柏雪源,男,baixy@sdut.edu.cn
1672-6197(2015)06-0006-05
TK6
A