油頁(yè)巖氣體熱載體干餾爐冷態(tài)速度場(chǎng)模擬及優(yōu)化

柏靜儒，劉卓卓,2，孫燦輝 ，徐向明，劉 斌

(1.東北電力大學(xué) 油頁(yè)巖綜合利用教育部工程中心，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行萊州市支行，山東 萊州 261441；3.撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 頁(yè)巖煉油勝利實(shí)驗(yàn)廠，遼寧 撫順 113001)

作為石油的替代能源，油頁(yè)巖能夠從地能量密度的頁(yè)巖轉(zhuǎn)變成高品位的能量，解決這一問(wèn)題的核心是油頁(yè)巖干餾[1～2].模擬方法是研究油頁(yè)巖干餾煉油技術(shù)的一個(gè)非常重要的手段，通常采用Aspen plus軟件對(duì)油頁(yè)巖干餾系統(tǒng)的研究[3～5]，而對(duì)干餾爐結(jié)構(gòu)的研究通常可以采用的是Fluent軟件。

油頁(yè)巖干餾熱態(tài)試驗(yàn)研究表明，油頁(yè)巖其他熱載體干餾爐內(nèi)的布?xì)夥绞接绊憼t內(nèi)的溫度分布和爐內(nèi)壓力梯度[6～7]，冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)的布?xì)夥绞綍?huì)對(duì)爐內(nèi)布?xì)饩鶆蛐援a(chǎn)生一定的影響[8].雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的有關(guān)于干餾爐數(shù)值模擬方面的研究，但Fluent具體到干餾問(wèn)題中，特別是冷態(tài)干餾，目前研究的不多，但煤、生物質(zhì)等能源的燃燒和氣化模擬有一些先例[9～11]，為干餾爐內(nèi)的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)模擬提供了理論依據(jù).從工業(yè)分析和元素分析來(lái)看，油頁(yè)巖和生物質(zhì)有很大的區(qū)別，即使和煤有很大相似之處，在研究中也不能完全按照煤和生物質(zhì)氣化方法來(lái)進(jìn)行，干餾爐爐型不同，配風(fēng)方式也不同，而且國(guó)外大多是對(duì)爐子的溫度分布做了模擬計(jì)算，對(duì)冷態(tài)模擬比較少[13～14].隨著油頁(yè)巖干餾爐的大型化，油頁(yè)巖干餾實(shí)驗(yàn)成本有所提高，同時(shí)降低了反復(fù)實(shí)驗(yàn)的可行性，并且熱態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度較高，工作人員的安全也無(wú)法得到保證.因此，對(duì)干餾爐的冷態(tài)模擬研究也變得十分重要.

本研究針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)油頁(yè)巖氣體熱載干餾爐進(jìn)行冷態(tài)模擬，研究不同布?xì)夥绞较碌乃俣确植?，并根?jù)反映出的流場(chǎng)情況對(duì)干餾爐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確定布?xì)飧泳鶆虻臓t型，并為干餾爐熱態(tài)模擬分析提供依據(jù).

Fluent軟件是目前功能全面、適用性廣的CFD軟件之一，不僅可以解決化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)方面的實(shí)際問(wèn)題，還直觀的、整體的反映爐內(nèi)的流動(dòng)、壓力、速度等的分布情況，因而采用Fluent軟件對(duì)油頁(yè)巖干餾進(jìn)行模擬研究.

1 幾何模型

本文研究模擬是基于等比例縮小的干餾爐干餾段[8]，爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示，干餾段為立式圓柱體，總高2.792 m，半徑R=1.6 m.干餾爐布?xì)夥绞讲捎弥行倪M(jìn)氣，氣體經(jīng)中心進(jìn)氣管進(jìn)入爐內(nèi)，由沿圓周方向均勻分布的四層布?xì)夤車娙敫绅s爐內(nèi).布?xì)馄鞣譃?層，每層8根布?xì)夤?布?xì)夤芙孛鏋榱庑危蛳聝A斜角度為10°，如圖2所示，分別在每根布?xì)夤艿膬蓚?cè)斜向下45°的面上布置若干個(gè)布?xì)饪?，每面十個(gè)布?xì)饪?，總?jì)640個(gè).

因干餾爐本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，布?xì)饪纵^多，且進(jìn)氣管初始段沒(méi)有通入干餾段，為方便而準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)干餾爐進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建模時(shí)省去了該段進(jìn)氣管.根據(jù)干餾爐干餾段實(shí)際尺寸在Gambit中建立幾何模型，并劃分網(wǎng)格，如圖3所示.網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，進(jìn)氣孔處的網(wǎng)格都進(jìn)行局部加密，共計(jì)1 849 526個(gè)網(wǎng)格.

根據(jù)爐體填料位置及物料在干餾爐的堆積特性，將模擬體域分為兩個(gè)部分，上部(圖1中2 000 mm處至頂部)為氣流區(qū)域，下部(圖1中2 000 mm處至干餾段底部)為多孔介質(zhì)區(qū)域.

圖1 爐體結(jié)構(gòu) 圖2 中心進(jìn)氣 圖3 網(wǎng)格劃分

速度測(cè)點(diǎn)布置:以中心進(jìn)氣管上的第四層布?xì)夤転榛鶞?zhǔn)面，在距離基準(zhǔn)面上方200 mm的截面處的外筒壁上開(kāi)孔，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，在布?xì)夤苷戏胶蛢筛細(xì)夤軍A角中間分別開(kāi)孔，共開(kāi)8個(gè)孔，用熱式風(fēng)速儀分別通過(guò)8個(gè)開(kāi)孔沿截面半徑方向測(cè)量爐內(nèi)速度，測(cè)點(diǎn)位置為沿半徑方向測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為0 mm、252.98 mm、357.78 mm、438.18 mm、505.96 mm、565.69 mm、619.68 mm、669.33 mm、715.54 mm、758.95 mm.

2 數(shù)學(xué)模型

本研究采用Fluent 6.3軟件建立干餾爐冷態(tài)模型，為合理地簡(jiǎn)化計(jì)算，更方便地應(yīng)用Fluent軟件模擬爐內(nèi)的流場(chǎng)分布，現(xiàn)給出以下假設(shè)：(1)干餾進(jìn)行到一定程度，干餾爐處于穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)不隨時(shí)間改變；(2)堆積的頁(yè)巖為各向均勻的多孔介質(zhì)，爐內(nèi)各處的空隙率無(wú)變化.

由于油頁(yè)巖在干餾爐內(nèi)的堆積特性，將油頁(yè)巖區(qū)域設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域[15].滿料時(shí)，塊狀頁(yè)巖之間空隙不均勻，空氣進(jìn)入干餾爐后運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，每一點(diǎn)的速度隨機(jī)變化著，氣體在整個(gè)多孔介質(zhì)腔道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)是湍流.因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)Realizablek-ε湍流模型來(lái)模擬干餾爐內(nèi)的流場(chǎng)分布.

2.1 基本方程

油頁(yè)巖熱解的CFD模型包含對(duì)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的描述，其基本方程包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量的守恒方程[16]；但是本文僅對(duì)冷態(tài)時(shí)，即通入的氣體熱載體為常溫空氣時(shí)，進(jìn)行速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的分析，不涉及溫度的變化，因此只考慮流動(dòng)過(guò)程.干餾爐內(nèi)的氣體流動(dòng)由質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程來(lái)描述.連續(xù)性方程的一般形式為

(1)

式中：Sm為源項(xiàng).

動(dòng)量方程在慣性坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為

(2)

式中：p為靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi、Si為i方向上的重力體積力和外部體積力，Si包含了模型的相關(guān)源項(xiàng).

2.2 邊界和初始條件

多孔介質(zhì)模型中有粘性阻力和慣性阻力的設(shè)定，其中粘性阻力和慣性阻力分別用下式[13]計(jì)算：

(3)

(4)

式中：1/η為黏性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)；ε為多孔介質(zhì)的孔隙率；dp為等比表面積直徑；A=150；B=1.75.根據(jù)原料堆積特性確定空隙率為0.4，根據(jù)油頁(yè)巖自身密度計(jì)算得出其當(dāng)量直徑為20 mm.

將布?xì)饪自O(shè)置為速度入口(Velocity Inlet)，爐內(nèi)微負(fù)壓出口為自然出流(Outflow)，入口速度根據(jù)總進(jìn)氣流量與進(jìn)氣孔面積、個(gè)數(shù)可以確定[17].當(dāng)進(jìn)氣量為5 378 m3/h時(shí)，其對(duì)應(yīng)的兩層布?xì)馑俣葹?1.2 m/s，四層滿料的入口速度為20.6 m/s，溫度為300 K，工作壓力為101 325 Pa，各壁面均為無(wú)滑移.

3 模型驗(yàn)證

圖4 半徑1和半徑2處實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比曲線

本研究對(duì)半徑為438.18 mm和669.33 mm的八個(gè)開(kāi)孔點(diǎn)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖4所示.由圖4可知，實(shí)驗(yàn)值略低于模擬值，這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)存在漏氣等密閉性問(wèn)題，但在誤差允許范圍內(nèi)，半徑438.18 mm和669.33 mm(分別記為半徑1和半徑2)的八個(gè)開(kāi)孔測(cè)點(diǎn)的速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果在一定程度上比較吻合，由此可以看出本文選取的k-ε湍流模型可以對(duì)氣體熱載體油頁(yè)巖干餾爐的冷態(tài)情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè).

4 結(jié)果分析

4.1 不同布?xì)夥绞较碌乃俣确植?/h3>

為了更好的確定干餾爐的最佳布?xì)夥绞?，本研究采用兩層布?xì)馀c四層布?xì)膺M(jìn)行對(duì)比，用Gambit建立了二層布?xì)夥绞降母绅s爐物理模型，與四層布?xì)夥绞降母绅s爐模型唯一不同的是布?xì)獾膶訑?shù)，然后通過(guò)Fluent數(shù)值模擬計(jì)算.

兩層布?xì)夂退膶硬細(xì)夥绞较虏煌孛娴乃俣确植荚茍D，如圖5和圖6所示.由圖5(a)和圖6(a)中x=0 mm截面的速度分布云圖可知，無(wú)論是哪種布?xì)夥绞剑俣确植即笾聻椋河捎诮咏M(jìn)氣口，在中心進(jìn)氣管各分支的下方，氣體流速較快，并且速度由進(jìn)氣口向爐頂遞減，但是減小的過(guò)程不是很均勻，且爐內(nèi)速度基本呈軸對(duì)稱分布.與四層布?xì)庀啾?，兩層布?xì)鈺r(shí)兩層布?xì)夤荛g低速區(qū)域明顯較大，速度偏小，這是因?yàn)榱蠈雍穸却螅瑲怏w向上穿透油頁(yè)巖時(shí)受到頁(yè)巖的阻擋速度降低，同時(shí)降低的速度又得不到及時(shí)的補(bǔ)充，將直接影響熱態(tài)時(shí)的干餾效率.

圖5(b)和圖6(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖，即布?xì)夤芩诘慕孛?，?duì)比二者發(fā)現(xiàn)，速度由中心向邊壁處先增大后減小再增大，在相鄰布?xì)夤苤g都出現(xiàn)藍(lán)色的速度較小區(qū)域，這是因?yàn)椴細(xì)饪资窃诓細(xì)夤艿膬蓚?cè)斜向下45°的面上，速度斜向下垂直射入，在縱向上有很大分量，并且氣流間擾動(dòng)比較強(qiáng)烈；但圖6(b)中四層布?xì)獾牡退賲^(qū)域面積相對(duì)較大，四層布?xì)獾牟細(xì)夤荛g距小，相鄰兩層布?xì)夤荛g的氣流相互影響的結(jié)果.可是四層布?xì)獾慕孛嫫骄魉俦葍蓪硬細(xì)庖?，并且速度分布的更加均?由圖5(c)和圖6(c)中z=590 mm截面的速度分布也可以得到證實(shí)，四層布?xì)庵衵=590 mm截面的氣體速度雖然由于物料顆粒的阻力有能量損失，不如截面z=400 mm的速度大，但仍然分布得比兩層布?xì)飧泳鶆?，速度分布的越均勻?qū)⒃接欣谟晚?yè)巖干餾.

由此可見(jiàn)，四層布?xì)獗葍蓪硬細(xì)飧泳鶆?，更加有利于油?yè)巖干餾.

圖6 四層布?xì)庀虏煌孛娴乃俣确植?/p>

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的速度分布

雖然四層布?xì)夥绞接衅漭^大的優(yōu)越性，但仍然沒(méi)有避免與二層共有的缺陷，并且同層的相鄰布?xì)夤荛g存在速度極小的區(qū)域，為了改善這種趨勢(shì)，將四層布?xì)獾母绅s爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改變沿著半徑方向上的布?xì)饪组g距，開(kāi)孔數(shù)量和孔徑大小仍然不變，改造后的模型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示.

對(duì)比圖6(a)和圖7(a)中x=0 mm截面的速度分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后最底層布?xì)夤芟路降乃俣葞缀鯏U(kuò)展到爐體底部，且上方的氣流區(qū)域速度也有所增加；對(duì)比圖6(b)和圖7(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖可見(jiàn)優(yōu)化以后，同層布?xì)夤芟噜彿种еg的低速區(qū)域明顯減小，高速區(qū)域增加，截面平均速度有所增大，且速度分布相對(duì)均勻，尤其表現(xiàn)在截面z=590 mm上的速度分布.

綜合優(yōu)化后三個(gè)截面的速度云圖可見(jiàn)，速度分布要比優(yōu)化前對(duì)應(yīng)的三個(gè)截面速度分布更為均勻，均勻性的提高將有利于油頁(yè)巖的干餾，提高干餾效率.

圖7 優(yōu)化后不同截面的速度分布

5 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，k-ε湍流模型和多孔介質(zhì)模型結(jié)合的研究方法可以計(jì)算氣體熱載體干餾爐內(nèi)的速度場(chǎng)，為后期的實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo).

(2)由云圖分析得到干餾爐四層布?xì)獗榷硬細(xì)飧鼮楹侠?，截面平均速度大，分布更為均勻，有助于提高干餾效率.

(3)半徑方向上適當(dāng)?shù)母淖兛组g距，在中心進(jìn)氣管上合理的開(kāi)孔，可以明顯改善爐內(nèi)氣體分布，使得四層布?xì)夥绞礁鼮閮?yōu)越，有助于提高干餾爐內(nèi)反應(yīng)效率，對(duì)以后干餾爐的改造提供了理論依據(jù).