絲狀生物質(zhì)顆粒在矩形提升管內(nèi)的分布特性

摘 要：采用歐拉-拉格朗日法對生物質(zhì)顆粒群在提升管內(nèi)流動與分布特性方面展開研究。根據(jù)生物質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)特征建立鏈狀可彎曲三維顆粒模型，考察表觀氣速（5.71、6.89、7.58、9.10 m/s）、顆粒質(zhì)量流量（0.018、0.0216、0.0259、0.0311 kg/s）對絲狀顆粒在提升管內(nèi)軸向和徑向分布特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：絲狀顆粒在提升管軸向呈下密上疏的分布規(guī)律，在徑向上隨高度的增加顆粒分布由不均勻的倒C形分布向[ω]形轉(zhuǎn)變。隨著表觀氣速的增加，顆粒體積分?jǐn)?shù)沿提升管徑向逐漸降低。當(dāng)表觀氣速[ug]=9.10 m/s時，顆粒處于快速流化狀態(tài)，氣固間相互作用增強(qiáng)、混合良好，沿提升管軸向分布更均勻。當(dāng)顆粒質(zhì)量流量增加，絲狀顆粒聚集區(qū)域向上延伸，顆粒體積分?jǐn)?shù)沿徑向升高，且各水平截面的分布特征沿軸向差別不大。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；計算流體力學(xué)；流化床；氣固兩相流；絲狀顆粒

中圖分類號：TQ021.1" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

生物質(zhì)被譽(yù)為繼煤、石油、天然氣之外的“第四大能源”，具有綠色、低碳排放、可再生的優(yōu)勢［1-2］，在雙碳目標(biāo)導(dǎo)向下其被廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域［3-5］。然而生物質(zhì)顆粒在預(yù)處理前具有較高的水分含量，高含水率會大大降低其能源利用效率［6］，因此在生物質(zhì)顆粒加工使用前需先對其干燥處理來降低水分含量。目前，常用的干燥方式包括氣流式干燥［7］和滾筒式干燥［8］兩種。其中，流化床是一種常見的氣流式干燥設(shè)備，借助產(chǎn)生的高溫氣體實現(xiàn)生物質(zhì)顆粒的干燥與輸送［9］。在自然界中生物質(zhì)顆粒形態(tài)是多種多樣的，有棒狀、片狀、絲狀等，而絲狀顆粒在干燥過程中極易出現(xiàn)纏繞、聚團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒水分含量不均勻、干燥效率低以及能源利用不充分等問題。由此可見，絲狀顆粒在干燥設(shè)備中的流動狀態(tài)對其干燥效率有重要影響，亟需對絲狀顆粒在提升管內(nèi)的流動與分布特性展開研究。

針對以上問題，部分學(xué)者對生物質(zhì)顆粒流動規(guī)律開展了試驗研究，Rezaei等［10］探究了木屑顆粒的尺寸、密度和形狀對顆粒流動特性的影響。陳然等［11］用高速相機(jī)采集煙絲在提升管中的運(yùn)動圖像，利用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)測量少量煙絲的二維運(yùn)動速度。然而，顆粒在復(fù)雜流動過程中存在多因素變量，且受實驗測量條件的限制，設(shè)備內(nèi)部顆粒運(yùn)動與分布情況難以獲取。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，從而可利用數(shù)值計算和數(shù)據(jù)分析對顆粒的流動和熱物理過程展開研究［12-13］。馬華慶等［14］采用超橢球模型對桿狀顆粒進(jìn)行描述，考察了流化氣速、噴動氣速和顆粒形狀對流動與混合的影響。文獻(xiàn)［15］研究了片狀顆粒在三維鼓泡流化床中的流化行為，發(fā)現(xiàn)表觀氣速和縱橫比對顆粒的混合分散特性有影響。文獻(xiàn)［16-17］通過拉格朗日粒子跟蹤法探究了表觀氣速和提升管高度等參數(shù)對細(xì)長顆粒在流化床中的速度分布、固體滯留量和停留時間的影響。

綜上所述，目前針對絲狀顆粒這一典型非球形顆粒結(jié)構(gòu)建模研究相對不足，尤其是研究大規(guī)模絲狀顆粒在提升管內(nèi)的三維運(yùn)動特性及分布規(guī)律的文獻(xiàn)較少。基于此，本文采用歐拉-拉格朗日法對絲狀生物質(zhì)顆粒在提升管內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律展開研究，構(gòu)建鏈狀可彎曲顆粒模型，探究表觀氣速、顆粒質(zhì)量流量對絲狀顆粒群在三維管道內(nèi)的流動規(guī)律和分布特性。

1 提升管內(nèi)氣流-顆粒兩相流動運(yùn)動模型

1.1 氣相控制方程

氣相流體連續(xù)性方程和動量守恒方程分別為：

1.3 提升管幾何模型

提升管以燃油烘絲機(jī)為原型縮尺構(gòu)建，主要由進(jìn)風(fēng)管、提升管、旋風(fēng)分離器、儲料倉和風(fēng)機(jī)組成。為研究絲狀生物質(zhì)顆粒在提升管內(nèi)的流動行為，本文對進(jìn)風(fēng)管和提升管兩部分進(jìn)行建模，其中提升管尺寸為217 mm（長）[×]149 mm（寬）[×]685 mm（高），如圖2所示。氣流從前端的進(jìn)風(fēng)口由風(fēng)機(jī)鼓入進(jìn)風(fēng)管，顆粒從儲料倉落入進(jìn)風(fēng)管進(jìn)而被上升的氣流攜帶進(jìn)入提升管。在生物質(zhì)顆粒輸送與干燥的生產(chǎn)應(yīng)用中，表觀氣速和顆粒質(zhì)量流量是經(jīng)常使用且對顆粒輸送過程有較大影響的兩個因素，因此本文主要探究表觀氣速和顆粒質(zhì)量流量對生物質(zhì)顆粒流動與分布特性的作用規(guī)律。本文所使用的流化床系統(tǒng)按照實際生產(chǎn)設(shè)備1∶5的比例縮尺搭建，數(shù)值仿真的幾何模型與實驗裝置按1∶1比例建模?；谠搶嶒炑b置的表觀氣速與顆粒質(zhì)量流量可控范圍，在實驗基礎(chǔ)上對可操作條件范圍進(jìn)行擴(kuò)大，模擬工況如表2所示。

2 網(wǎng)格無關(guān)性分析與實驗對比驗證

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性分析

基于流化床裝置，實驗可調(diào)節(jié)最小顆粒質(zhì)量流量為0.0180 kg/s，在該流量下使生物質(zhì)顆粒達(dá)到完全流化的表觀氣速為5.71 m/s， 故以表觀氣速[ug=5.71] m/s、顆粒質(zhì)量流量[Ms=0.0180] kg/s作為基準(zhǔn)工況。為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，模型使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。提升管網(wǎng)格長寬高節(jié)點數(shù)量分別為25、16、72。在基準(zhǔn)工況條件下，本文對89145、120678、148248這3種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計算，得到3種網(wǎng)格下鏈狀可彎曲顆粒模型在提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的軸向分布，如圖3所示。從圖3可看出，3種網(wǎng)格數(shù)量下提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的軸向分布趨勢基本一致，在提升管上部網(wǎng)格數(shù)量為89145的顆粒體積分?jǐn)?shù)計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量為148248差異較大，網(wǎng)格數(shù)量為89145與網(wǎng)格數(shù)量為148248的顆粒軸向體積分?jǐn)?shù)平均相對誤差最大為4.57%，而網(wǎng)格數(shù)量為120678的計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量為148248相比，二者之間的相對誤差為1.93%。在保證計算精度的前提下，為節(jié)約計算時間、減少計算成本，最終選擇采用120678網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行計算。

2.2 模擬計算與實驗結(jié)果對比驗證

仿真模型采用CFD-DEM耦合求解氣固兩相流動，首先計算氣體流場的初始數(shù)據(jù)，流場數(shù)據(jù)通過耦合接口傳輸?shù)筋w粒相；模型結(jié)合氣體流場對顆粒的作用和粒子間的碰撞計算出每個粒子的受力和運(yùn)動軌跡；粒子數(shù)據(jù)發(fā)生變化后將結(jié)果反饋給氣流場，模型重新計算得到新的流場數(shù)據(jù)，用于下一次耦合迭代計算。

圖4為顆粒質(zhì)量流量為0.0180 kg/s時，絲狀顆粒在不同表觀氣速下的床層壓降模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比。結(jié)果表明，模擬計算得到的床層壓降與實驗壓降基本一致，兩者之間的誤差可能是由顆粒模型與實際形狀存在幾何差異所致。

3 結(jié)果與討論

3.1 表觀氣速對顆粒分布特性的影響

3.1.1 顆粒軸向分布

當(dāng)顆粒質(zhì)量流量為0.0180 kg/s時，不同表觀氣速下提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的軸向分布如圖5所示。顆粒體積分?jǐn)?shù)沿提升管軸向高度逐漸下降，總體呈下高上低的分布趨勢。在高度[Zlt;0.23 m]的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)表觀氣速[ug]從5.71 m/s增至9.10 m/s時，顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，這是因為表觀氣速越大顆粒受到的曳力越大，會有更多的顆粒被攜帶向上運(yùn)動。在[ug=6.89] m/s時，顆粒在軸向高度[Z=0.30] m的體積分?jǐn)?shù)相比[ug=5.71] m/s略微升高；而當(dāng)[ug=7.58] m/s時，體積分?jǐn)?shù)在[Z=0.54] m處出現(xiàn)上升，這是因為隨著表觀氣速的增大提升管內(nèi)顆粒發(fā)生了輕微的聚集，并且聚集位置會隨表觀氣速的增大而上升；當(dāng)[ug=9.10] m/s時，提升管內(nèi)顆粒流動處于低質(zhì)量流量的快速流化狀態(tài)，顆粒在提升管軸向中上部分布較均勻，相較其他工況在提升管各位置的顆粒體積分?jǐn)?shù)均有所下降。

3.1.2 顆粒徑向分布

沿流化床提升管向上的方向上，在高度[Z=0.15]、0.30、0.45和0.60 m的水平截面采集絲狀顆粒數(shù)據(jù)，每個水平截面在徑向上劃分為6個區(qū)域，分別獲取絲狀顆粒在各區(qū)域的平均體積分?jǐn)?shù)。本文以無因次半徑[r/R]來表示顆粒在提升管徑向的相對位置，例如[r/R=0.1]表示在該水平截面上顆粒所處位置距提升管中軸面的距離占提升管1/2寬度的1/10，且顆粒位于提升管右側(cè)。

不同表觀氣速下提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)在不同水平位置沿徑向分布如圖6所示。在[Z=0.15] m的水平截面上，當(dāng)[-0.6lt;r/Rlt;0.6]時顆粒在各位置的體積分?jǐn)?shù)分布十分均勻；當(dāng)[r/Rgt;0.6]或[r/Rlt;-0.6]時，顆粒體積分?jǐn)?shù)大幅升高，在壁面處最高達(dá)到0.11%，此時顆粒在徑向呈現(xiàn)倒C形狀分布。隨著高度的增加，顆粒徑向分布由倒C形向[ω]形轉(zhuǎn)變，顆粒在[-0.2lt;r/Rlt;0.2]的體積分?jǐn)?shù)逐漸高于[-0.6lt;r/Rlt;-0.2]和[0.6lt;r/Rlt;0.2]，提升管中心氣流攜帶固體顆?？焖傧蛏弦苿有纬珊诵膮^(qū)。顆粒體積分?jǐn)?shù)在徑向上呈現(xiàn)兩端高中間低的分布，這與流化床中典型的環(huán)核結(jié)構(gòu)特征相符合。在[-0.6lt;r/Rlt;0.6]的區(qū)域，顆粒體積分?jǐn)?shù)最大為0.04%，在提升管各水平截面上隨著表觀氣速的增大，顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。同一表觀氣速下，隨著提升管水平截面高度的升高，中心區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

在[Z=0.15]、0.45 m水平截面、[-0.6lt;r/Rlt;0.6]區(qū)域內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)最大值分別為0.039%、0.027%，此時顆粒在徑向分布均勻性較好。在[Z=0.60] m的水平截面，由于受到出口彎管的影響顆粒在中心區(qū)域的分布出現(xiàn)波動。壁面附近顆粒之間的碰撞、纏繞和顆粒與壁面之間的相互作用導(dǎo)致顆粒速度降低，出現(xiàn)了嚴(yán)重的聚集現(xiàn)象，如圖7所示。聚集的產(chǎn)生會減小單顆粒與氣流的接觸面積，不利于生物質(zhì)物料在干燥工序中進(jìn)行熱質(zhì)交換，隨著表觀氣速的增大，顆粒在邊壁處的體積分?jǐn)?shù)有所下降，顆粒聚集得到改善。

3.2 顆粒質(zhì)量流量對其分布特性的影響

3.2.1 顆粒軸向分布

表觀氣速為5.71 m/s時，不同顆粒質(zhì)量流量下提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)沿軸向分布如圖8所示。提升管不同高度位置的顆粒體積分?jǐn)?shù)均隨顆粒質(zhì)量流量的增大而升高，并且隨顆粒質(zhì)量流量的增大顆粒積累的位置也逐漸向上延伸，例如顆粒質(zhì)量流量[Ms=0.0180] kg/s時，顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.1%的位置高度約為0.70 m，而[Ms=0.0216]、0.0259、0.0311 kg/s時，其體積分?jǐn)?shù)為0.1%的位置高度分別為0.120、0.150、[0.180 m]。在提升管高度[Zlt;0.23] m 的區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)最大達(dá)到0.18%，在該階段顆粒速度較小與氣流之間滑移速度較大，顆粒被氣流向上吹起時仍處在加速狀態(tài)；當(dāng)[Zgt;0.23] m后高度對顆粒體積分?jǐn)?shù)影響較小，顆粒在提升管呈現(xiàn)較均勻的軸向分布，這種變化在低顆粒質(zhì)量流量條件下更為明顯。[Ms=0.0311] kg/s時，顆粒在提升管上端的顆粒體積分?jǐn)?shù)略微升高，相較于中間位置增大0.015%，這是由于在提升管上端顆粒速度降低導(dǎo)致的。

3.2.2 顆粒徑向分布

不同顆粒質(zhì)量流量下提升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)在不同水平位置沿徑向分布如圖9所示。隨著顆粒質(zhì)量流量的增大提升管各水平截面的顆粒體積分?jǐn)?shù)升高，顆粒徑向分布與沿軸向基本相似。[Z=0.60]m、[Ms=0.0311]kg/s時，在[-1lt;r/Rlt;0]區(qū)域的顆粒體積分?jǐn)?shù)比[0lt;r/Rlt;1]高0.09%，該分布不同于其他3種工況。這是因為[Z=0.60] m的水平截面位于提升管上部靠近彎管的位置，氣流在[-1lt;r/Rlt;0]區(qū)域的速度小于[0lt;r/Rlt;1]。當(dāng)顆粒質(zhì)量流量大于0.0259 kg/s時，在[-1lt;r/Rlt;0]區(qū)域內(nèi)的氣流無法提供更多動能以維持顆粒向上的運(yùn)動，所以在[-1lt;r/Rlt;0]區(qū)域內(nèi)會形成不同于其他3種工況的高固體體積分?jǐn)?shù)的顆粒團(tuán)簇。因此，為使顆粒與氣流充分接觸，保證顆粒在提升管的分布均勻性，在該氣速下顆粒質(zhì)量流量可保持在0.0180～0.0259 kg/s之間。

4 結(jié) 論

為探究絲狀生物質(zhì)顆粒在干燥設(shè)備內(nèi)的流動狀態(tài)，本文構(gòu)建了鏈狀可彎曲顆粒模型，探討了表觀氣速和顆粒質(zhì)量流量對絲狀顆粒在提升管內(nèi)的流動與分布特性，得到以下主要結(jié)論：

1）顆粒在提升管軸向呈下疏上密的分布特征，[ug=9.10 m/s]時，顆粒在提升管處于低流量的快速流化狀態(tài)，此時顆粒在中上部具有較高的均勻性。提升管沿軸向顆粒體積分?jǐn)?shù)隨顆粒質(zhì)量流量的增大而升高，顆粒聚集區(qū)域也向上延伸。

2）在徑向顆粒體積分?jǐn)?shù)兩邊高中間低，隨著高度的增加顆粒分布由不均勻的倒C形分布向[ω]形轉(zhuǎn)變。提升管[r/Rgt;0.6]或[r/Rlt;-0.6]的邊壁區(qū)域，顆粒在壁面發(fā)生聚集，顆粒體積分?jǐn)?shù)最大值達(dá)到0.11%。在[-0.6lt;r/Rlt;0.6]的中心區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)最大值為0.04%，隨著ug的增加，顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

3）隨著顆粒質(zhì)量流量的增大，提升管各水平截面處顆粒體積分?jǐn)?shù)升高，顆粒徑向分布與沿軸向基本相似。為保證顆粒在提升管分布的均勻性，顆粒質(zhì)量流量在0.0180～0.0259 kg/s范圍內(nèi)，氣流與顆粒之間相互作用加強(qiáng)、顆粒在提升管內(nèi)分布更加均勻，有利于提高干燥效率。

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STUDY ON DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF FILAMENTOUS BIOMASS PARTICLES IN RECTANGULAR FLUIDIZED RISER

Zhao Haichao1，Xu Bingyang2，Zhang Jun2，Gu Conghui1，Yang Junjie2 ，Yuan Zhulin3

（1. School of Energy and Power， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China；

2. China Tobacco Jiangxi Industrial Co.， Ltd.， Nanchang 330096， China；

3. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：Euler-Lagrange method is adopted to study the flow and distribution characteristics of the filamentous biomass particles in the fluidized riser. According to the structural characteristics of filamentous biomass particles， a chain bendable three-dimensional particle model is established， and the effects of superficial gas velocity （5.71， 6.89， 7.85 and 9.10 m/s），particles mass flow （0.018， 0.0216， 0.0259， 0.0311 kg/s） on the axial and radial distribution characteristics of particles were investigated. The results indicate that the filamentous biomass particles exhibit a distribution law of dense lower and upper sparse in the axial direction of the riser， and the particle distribution changes from a non-uniform inverted C-shaped to an ω distribution with the increasing height in the radial direction. When the superficial gas velocity [ug=9.10]m/s， the filamentous biomass particles stay in a fast fluidization state. The interaction between the gas and solid is enhanced， and well mixed. Additionally， the filamentous biomass particles are evenly distributed along the axial direction of the fluidized riser. With the increase of the mass flow rate of particles， the aggregated area of filamentous biomass particles extends upward. The volume fraction of particles increases along the radial direction as well， and the distribution characteristics of each horizontal cross-sections have slight difference along the axial direction.

Keywords：biomass； computational fluid dynamics； fluidized beds； gas solid two-phase flow； filamentous particles

收稿日期：2022-06-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目（51906092）

通信作者：顧叢匯（1990—），女，博士、副教授，主要從事多相流與傳熱傳質(zhì)方面的研究。guconghuigch@163.com