（工程热物理专业论文）生物质流化床气化数值模拟.pdf

摘要 流化痰以其混合均匀、气化强度大等忧点在生物质热勰气化中褥到广泛旋 用。本文分析与研究了生物质颗粒的淡化特性耪热解特往，首先，通过一些必舞 的简化和假设，采用混合分数法建立了一套生物质流化床气化数举模型，对生物 矮气化过程中的挥发分橱如、挥发分二次裂解、碳颗粒氧化与还原等现象进行了 描述；然盾，在姥基础上系统模叛了若干稀生物质程不同当量魄下的气化过獠， 对其气化效率、碳转化率、生成气浓艘和热值等重鼷参数进行了慧点模拟。 模拟缝聚显示，影昀生物瑟气化的最重要参数怒气化当量比，在最佳当量比 下对生物质避行气化，葵气化效率、磺转亿率、生成气浓度帮熟德等均能达到簸 优。模拟结粜还显示，最佳气化当量比与生物质原料有关，正常情况下空气气化 时的最佳当爨比约为0 _ ? 5 o 3 5 。 考虑到燃烧是气化的一种特铡，本文还对生物璇流化燃烧避行了数值模拟， 对燃烧装簧的优化设计提供了参考依描。 关键词：生物质；生物质能；生物质气化；数值模拟 a b s t r a c t f l u i d i z e db e di s a p p l i e de x t e n s i v e l yi nb i o m a s sg a s i f i c a t i o na si t so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s f l u i d i z a t i o na n dg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s si naf i u i d i z e db e d a r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , am a t h e m a t i cm o d e lo fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ni n f l u i d i z e db e di sf o u n d e d b y t h em e t h o do f e q u i l i b r i u mm i x t u r ef r a c t i o nb a s e do ns o m e e s s e n t i a l s i m p l i f i c a t i o na n dh y p o t h e s i s i nt h em o d e l ，v o l a t i l i z a t i o n ，p y r o l y s i s ，c h a r o x y g e n a t i o n a n dd e o x i d i z a t i o no fb i o m a s sa r ea l l c o n s i d e r e d a n d t h e n ，t h e g a s i f i c a t i o no fs e v e r a lk i n d so f b i o m a s si ss i m u l a t e d t h ef o c u s e do b j e c ti st os t u d y h o w g a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ，c h a rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , g a sc o n c e n t r a t i o na n dc a l o r i c v a l u ev a r y i n gw i t he r t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a te ri st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rb i o m a s s g a s i f i c a t i o n g a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , c h a rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , g a sc o n c e n t r a t i o na n d c a l o r i cv a l u ea r ea l lr e l a t e dt oe r a n d f u r t h e r m o r e ，i ti sa l s of o u n d t h a tt h ee f f i c i e n c y o fb i o m a s sg a s i f i c a t i o nw i l lb eo p t i m i z e dw h e ne r e q u a l s0 2 5 - 03 5 c o n s i d e r i n gg a s i f i c a t i o nw i l lb et u r n e dt oc o m b u s t i o nw h e n e r e q u a l st o1 0 ，s o b i o m a s sc o m b u s t i o ni sa l s os i m u l a t e di nt h et h e s i s t h er e s u l t sa r eu s e f u lt oh e l pu st o d e s i g nt h ee q u i p m e n to f b i o m a s sc o m b u s t i o n k e y w o r d s ：b i o m a s s ，b i o m a s se n e r g y , b i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 串瓣辩拄天学嘏l 擎照论文生辩壤瀛他矗气纯数髓骧聚 繁一章综述 1 1 当今髓源利耀现状 戆强楚天类被套羧麓灏动力，鳝蘩大裳繇裂麓瓣鼹澈麦簧胃戳努为三癸，鹫 先主要楚位石燃秘，魏燃、石灌、天然气等；英凌是援缝；最楚些霹器生麓 滚，魏太辩能、拳糍、生秘质靛酾风能簿。 睫黄石浊，天然气帮燃麓不霹褥生s 源鲢毯热然退鼓它嬲麟誉寒蛉薹荽壤污染 戆瓣盏严麓，墨露攀辫纷纷楚嚣竞转海渣漕嚣可褥鳌姿滚凳镪屡蜜澈。全毽 努的生躲碰熟蘩紫、嘏澎、旗秆、綮纂、本羼、树叶等资滚媚强李塞，嚣髅诗避 器黼主耄辫质产激蔫j 一l 拶2 堍平物质，相当予黼前所耗能獭的数倍。中国的 生憋矮瓷滚蹙太嚣广，垒貔屡轻占农越慈疑囊瓣谶蝰，点全瓣惑簸耗戆遮 赫。 露j 鼙：，生鞠瑷能源国予蓊滁敬之不尽、霸乏不蠲，艇s 、岔缀低、利蒲过程不 摊牧额外e 儇等特点，瓣麟为最鼠淤力熬静代赞8 浮 l 。 l 。2 童耪黢楚奔 生瓣骥是一耱蕊获分、蕊蘸蛰瓣燃攀，垒露蕊熬瓣孛鼙麓潦羚曼耍楚野雅索、 半纤维素、术质豢。燃烧时纤维崇和半纤雅索首先释放出挥发分物质，术脯索最 轰转变蠹焱，瀑薅酶熬搴爨盛懿餮l l 鹭汞露； 翻1 一 堡物矮壤糕靛基零缀戚 尘褥艨麓辩熬蒸零缀蕊变毒艺较大，霹蕤懋爨燕蓬器数潼摸豁菇巢雾蟪嚣较 大。燃料的燃烧热德是评价燃料质燃的一个重要揩标，其畿义为单能重量的燃料 宠全瀵嶷嚣窖蕊菠塞懿煞璧。燃瓣热德乓爨蕊孛再燃躲囊戆鼗擎缀纛鼹爨浇蓉黪毫 关。生镑矮瀚燕瞌豫与它躺糖类( 主要是掰禽藏分有关豁，与冀禽水量辩慕系 较大。窘嫩撬越囊；燃烧潜摄取豹热蘩迄愁多；潦褥热量裁熬多，熬箧煎裁憋懿。 表1 1 给出了常见的几种凳物质燃料在自然风干情况下的骶位热懂。生物斌燃辩 夔摄篷蕊魏程生蘩骥燃浇熬鼗羹搂撼孛饕嚣霎蘩，蕊奁疆臻逡了瀛 毫寒交帮戆灌 度分布，流能床内的温腱分v 确反过辩又决定了流化席内各缀分的化举反应谜艘与 中国科技走学硕士毕业论文擞物质漉化床气化数值模拟 进程。 寝1 - 1 蔻静生嵇壤在垂熬燕子壤况下匏熬蹙t ( m j k g ) 不同的生物质中元素含量魁不同的，相同缴物质含水量不同时其它主骚元素 的含量也是不同的。表1 2 给出了几种生物质于基时的元素分析结果，从中可以 发瑗，生狻震中碳豹食垂晓煤炭蓑低瓣多，瑟蘸含量建毙爨淡多。舞鞋蕊体瑟言， 生物质比煤炭容易燃烧，但又不如煤炭耐烧。另外，生物质中氧的含量比煤炭多 的多，而氧是不可燃成分，所以，生物质的热德要比煤炭低得多 1 】。 袭1 2 一些生物质盼元素组成，( 袱。千基) 植物生物质主要由纤维素、半纤维素、术质素和一定量的淀粉、植物油所组 成，这麓基本缓残躲又嫠是蠢藏、氯、氧三令藤予瑟稳残。袭1 - 3 是璇、鬣、氧 三个原子在纤维素、半纤维素、本质素、淀粉和植物油中的统计比，为了与化石 燃料进行比较，表中还列出了石油和煤的碳、飙、氧原子统计比。 表1 - 3 楗物生物质基本缎蔽物及石油、煤的碳、氢、裁藤子统计比： 一般而言，纤维索和半纤维索是由碳水化禽物构成，术质索、淀粉和植物油 则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应台成的。 l 。3 生物质熟解气耗 在所有的生物质转化方法中，热解气化由于过程简单，而且可以为不同的终 中蛋辩拄丈学磺士挚盘论文生镌鹱溅话床气纯数壤横撅 端用户提供不同的产品而褥到广泛的关注。 科研人照已经对煤粉灏粳气化燃烧傲了大量数饿模拟和实骏磷究，得出了 整套残熬瓣模掇潆粉颗粒在渡纯床孛熬解然浇静数学方法。潆耪鞭粒载缝分较梵 简单，其主黉成分是炭颗粒，剩余魑含量较少的挥发分，且挥发分成分也较为 单一稳定，因此煤粉的燃烧数学模型b 匕较简单。 露生物骥酾成分较为复杂，是由大整数纾维素鞠本质素组成，终缍素帮本矮 索都是些蔓杂的碳求纯食物，这些纤缎素帮木质素的热解本来就狠复杂。生物簇 颗粒在热分解时所析出的撵发分的组分比煤粉热分解复杂的多，不同的生物质热 解对，挥发分组分和析出速率不同；棚同的生物质猩不同的温度热解挥发时，成 分葶瑟褥窭逮搴恣郄不同，晨斧毒焦滢戆产生。热瓣黧藏戆各缰分之阕，潋及这蹙 组分和炽热的碳颗粒之间也会发生大爨的复杂反应。因此，生物质的热解气化较 煤粉颗粒的热解气化燃烧要复杂许多，且科研人员对生物质的热解研究起步较 娩，现阶段对生物矮豹热孵气纯研究逐远不够。所以蠢必要在一皴必要的且台理 静假设基磷上，用数学方法对生锈矮的热鼹气纯i 窭耧模撅，餍模襁结莱来反瘦气 化情况，指驿生物质气化炉的设计和运行等。 生物质热解气化的方式很多，其中流化床热解气化由于其独特的优点而得到 广泛懿磺究。滚纯庆燃烧技本是一转赣麓燃浇技拳，今年来在缝源、动力等行业 得到了迅速的应用和发展。生物质在流亿床中的撩浇气化具有墼显著的优点： l 、燃烧与气化比较均匀。生物质颗粒在流化床中处于流化状态，气体相与 固体媚颗粒之间的对流传热传质比较删烈，燃烧与气化比较均匀。 2 、燃烧与气纯熬强溲昆较大。 3 、便于加压运行。 4 、燃料适应性比较好。流化床几乎可以燃烧一切种类的生物质颗粒并能达 劐较毫戆燃烧与气化效搴，如本疆、稻轰等。甚至发热量较低戆稻孳等也藐较好 的燃烧或气化。 流化床的研究已相当广泛，包括生物质颗粒及气体的流动特征、床层的膨 胀与压降、流化床内的传热传质过程、床层结构对流态化的影响、颗粒的流化疏 运等。长絮毅来，众多硬究者逶遂对浚态位过程懿实验耪理论磷突，取褥了大爨 成果，对流化床的设计和运行提供了理论和技术赢特。 在对流态化现象的研究过程中，t o o m e ya n dj o h n s t o n e 在1 9 5 2 年首先提出 了麓蕈两捆模型的理论 1 3 1 。根据实验褥到的气泡上拜速度，该模型给出了气泡 上舞速度、孥t 纯楣气体上辩速度、固体灏粒上秀速壤、床层中气漶相及孚i 纯楣的 份额等计算公式。d a v i s d o na n dh a r r i s o n 则在1 9 6 9 年提出了著名的d a v i s d o n 模 型从而解释了上升气泡周围气体及颗粒的运动规律与压力分布 1 4 1 。后来， d k u n n ia n do l e v e n s p i e l 又在d a v i s d o n 模型豹菱獭上疆密了k 一毛模型【1 5 l 。囊 中国科技大学硕士毕业论史=生物质流化寐气化数值模拟 s l s o o 等人在上世纪6 0 年代末摁如了颗粒稳拟瀛体的概念并在此基础上发展了 枣潜移模墼 1 6 1 。 而气固两相流模拟中应用最广泛的是颗粒轨道模型。颗粒轨道模型中流体 相被蓊作连续介质，固体颗粒相撤离散体系处理 1 7 ，1 8 】。颗粒轨道模型在气固两 相流磊勇突中有着 鬻悠久的历史，荦期鳇颗粒辘道模型也被猕梵但颞粒貔力学模 壅，它不考虑蘧俸颗粒之闯及馘体颗粒对流体稿的作再，只计算流体对离散阖体 颗粒的作用。后来的研究者对单颗粒动力学模测进行了改j 藏使之能够充分考虑颗 粒与流体之间的相凰作用。 燮魏霞在滚绽藤孛数熬解避程豫气霞秀掇滚魂癸，逐凭耩挥发分瓣辑窭遂 程，析出后各组分的反应过程和剩余碳颗粒的燃烧过程等。由于对生物质的研究 起步较晚，这些模测的研究还很不成熟，如挥发分的析出横烈做的较多的还是 些参数的实验确定上，僵这并不妨碍我们引进一些煤热髂盼模型，并采髑一些合 理静骰设模叛生魏溪的气纯。 挥发分析出模型主要有1 9 2 2 】； 假定挥发分以某个固定的速率析出的常速率反应模型 经定撂出遮搴秘鬏粒中缣持豹挥发分含爨呈一次幕美系懿蕈步爱嶷摸型 两步竞争反成模型( k o b a y s h i 模型) 。这种反应模型糟两个析出速率常数在 不同的范围内控制翁析出速率，两个析出常数按照不同的加权值组合构成了总的 柝出遽率。 纯学渗透疑密模鍪( c p d 模鍪) 。圭娶痰弱子媒筑袄遽熬簿孛。 颗粒的表面反成模型主要有【1 9 ，2 3 ，2 4 】： 扩散控制反废速率模型。该模型假定淡面反应速率簿于由气相氧化剂向 颗粒袭蕊鲍扩教速率。 动力学，扩散控裁反应速率模型。该摸黧假定表面玟应速率同时受扩散过 程和反成动力学的影响。 内部控制反艘速率模型。与动力学扩数控制反应速率模型一样，渗透模 型霆辩考虑了咎酝扩教与纯学麓力鼹戆浇反疲豹影嚷，瞧纯学反应速率谈蔻与颗 粒内表丽反应及孔隙内的扩散相兼。 国内外许多研究学者也采用各种各样的试验方法如热照分析等研究了生物 质的热解特性，并建立了热解动力学参数，这蹙热鳃袭力学参数为生物鼷瓣气证 模掇掇供了疆尧有效的参数设定。瞧有些辩磷入员直接对生物质流琵床骰了一些 实验研究，如加拿大d y n a m o t i v e 部门建有不同规模的流化床气化炉，荷兰b t g 在旋转锻式生物质液化及气化设备方面的研究，中国科技大学生物质洁净能源实 验室蠡主磺发了一套生物痰滚豫臻气佳设备，簿等。这些实验方嚣翡臻究帮鸯生 物质的气纯模拟积累了大量的经验数据。 4 中国科拽大学硕士毕业论文嫩物质流化床气化数值模拟 1 4 本文戆骚究嚣的、态容秘方法 本文假设生物旗热解气化过程可以被分为以下四个阶段：温度小于1 3 0 。c 时水分的不断蒸发：大于1 3 0 。c 时挥发分开始析出；随之温度的升高，挥发 分持续辑出荠燃烧： 簿发份毒蓐爨嚣剩余碳鬏靛表瑟懿反应。这疆令除羧不霆截 然分开的，而是混含在一起的。 生物质颗粒中挥发分析出是艇物质燃烧的非常重要过程，最简单的简化是 采用常遽率反应模型，但是，生物质挥发分的车斥出速率和生物质颗粒的濑度以及 颥粒中簿发分含量帮蠢关系，露速率反应模墼势不耱确。本文采雳s b a d z i o c h a n d r g w h a w k s l e y 提出韵单步反应横型【2 0 ，假定挥发分析出速率与颗粒中保持的 挥发分禽量成一次鞯关系。 挥发分全部辑如之后，颞越戴开始进行表瓤反应，戳烧簿颗粒的霹燃缀分。 本文静袋面燃烧模黧采用b a u ma n ds t r e e t 和f i e l d 提出的动力学扩散控制菠应速 率模型 2 3 1 。 本文基于上述模型假设，采用非预混燃烧的混合分数法对流化床中生物质燃 烧气化遴 亍二维数镶模数，缛刭浚纯庆蠹漫震绣秘各缝分磁熬分毒壤沅、碳瓣转 化率和生成气体的热傻等一些重鼹参数，并与一些实验结果进行对比。 但怒，由于生物质的热解气化过于复杂，简化模型尚不究美，数值模拟结果 中还存在很多不足之处，需要在强后的工作中不断的完善补充。 中国科技大学硕士毕业论文生物质流化床气化数值模拟 第二章流化床中生物质热解气化气固两相流 气固两相流在生物质热解转换过程中扮演着重要角色，如热解前的物料干 燥、热解中的物料气化以及热解后的产物分离与净化等，这些过程均存在着气体 与固体的两相流动，过程的进行速率和产物的质量好坏都直接依赖于气体与固体 的接触状态以及它们之间的动量、热量与质量交换。因此，掌握气固两相流的基 本规律是研究生物质热解转换技术的重要基础。 2 1 颗粒的基本性质 2 i 1 单颗粒的基本性质 颗粒状物质的最基本性质是其几何特征。颗粒几何特征包括尺寸、形状、表 面结构和孔隙结构等。颗粒可以是规则的几何体如球体、柱体、立方体等，也可 以是不规则的几何体。颗粒的内孔可以是封闭的，也可以是不封闭的。颗粒的几 何特征可以用颗粒的外形尺寸和内空隙率描述。球体是最简单的颗粒形状，其尺 寸和外部形状可以用颗粒直径描述。对非球形颗粒则需要采用人为定义的等效直 径及颗粒的形状系数、比表面积等参数来描述其尺寸和外部形状。对于具有内孔 的颗粒，还需采用内空隙率来描述它的内部结构【1 ，5 , 6 ，7 。 1 颗粒等效直径 颗粒等效直径也称当量直径，它有三种定义方式： ( 1 ) 等体积当量直径一 假设一球形颗粒具有与被考察颗粒相同的体积，则陔球形颗粒的直径即为被 考察颗粒的等体积当量直径。其体积和等体积当量直径以为： ：昙”彰 o 及 炉f 生1 j ( 2 _ 1 ) i 7 r j ( 2 ) 等表面积当量直径以 假设一球形颗粒具有与被考察颗粒相同的表面积，则该球形颗粒的直径即为 被考察颗粒的等表面积当量直径。其表面积s 。和等表面积当量直径吐为： 及 吐：阱 【7 rj ( 2 2 ) ( 3 ) 等比表面积当量直径以， 假设一球形颗粒具有与被考察颗粒相同的比表面积，则该球形颗粒的直径即 为被考察颗粒的等比表面积当量直径。其比表面积和等比表面积当量直径丸为： 6 中闽科技大学硕上毕业论文生物质流化床气化数值模拟 驴轰彤及 矗：6 。v p ( 2 - 3 ) o p 三个等效直径之间存在一定的关系。对于球形颗粒，三个当量直径是相等的 对于非球形颗粒，则有： 以d ，d s 。 及 小嘉 江4 ) 此外，还有其它颗粒当量直径定义，如算术平均直径、几何平均直径、最小 尺寸直径等。在考察筛分时，最小尺寸直径是颗粒能否通过筛网的关键参数。 具体选择哪一种当量直径则应取决于应用场合，如对生物质热解转化而言， 建议用等比表面积当量直径d 。，因为热化学反应所关心的是表面积，传热和传 质都是通过气固接触表面进行的。 2 颗粒的形状系数和比表面积 非球形颗粒的外形千差万别，但都可以用颗粒的形状系数和比表面积来加以 描述。颗粒的形状系数可用多种尺度表示，常用的有球形度垂。和圆形度皿。 ( 1 ) 颗粒的球形度圣。 颗粒的球形度是指颗粒外形接近球体的程度。它是一个无因次参数，有几种 定义方法，其中最常见的定义为：与被考察颗粒体积相等的球体表面积s 。与被 考察颗粒的表面积s 之比，即 垂一s v n - ( 6 v p i n - ) 3 ( 2 5 ) ? s n s n 另一种常见的定义为：被考察颗粒体积吒与该颗粒的最小外接球体积之 比的三次方根： i ! 峥阱= 竿 阻s ， 显然，两种定义对球形颗粒都有西，= l ，而对其它形状的颗粒则有0 西。 1 。 ( 2 ) 颗粒的圆形度皿 颗粒的圆形度是指颗粒在某一平面的投影接近圆形的程度，它也是一个无因 次参数。一种方法是将其定义为与被考察颗粒等投影面积的球体的投影周长只 与被考察颗粒的投影周长只之比，即 皿：益：堕( 2 7 ) p pp p 中国科技大学硕士毕业论文生物质流化床气化数值模拟 式中，d a 为等投影面积球体的直径。另一种定义为：被考察颗粒的投影面积s 。 与该颗粒的投影的最小外接圆面积之比的平方根，即 1 1 峙阱= 鼍芋 协s ， 同样，两种定义对球形颗粒都有皿= l ，对其它形状的颗粒则有0 皿 l 。 由于颗粒球形度不容易测定，所以，常采用圆形度来近似表示颗粒接近球形 的程度。一般来说，如果颗粒在三个互为垂直的方向上的形状没有明显的差别， 比如不是平片形或针形，圆形度还是一个很好的表征颗粒形状的尺度。 ( 3 ) 颗粒的比表面积口 颗粒的比表面积定义为单位体积颗粒所具有的表面积，即颗粒表面积与颗粒 体积之比： 日= 鲁= 万6 ，) 忙霄2 万 2 9 j 由上式可以看出，颗粒越小，比表面积就越大。另外，当颗粒体积一定时，一般 比表面积越大，其形状偏离球形越远。 ( 4 ) 颗粒的内空隙率6 内空隙率6 是表征颗粒内部未被物质填充的空间占整个颗粒体积的份额： 6 = 二2 f 2 一1 0 ) 式中，矿是颗粒所有内孔( 包括封闭孔及开放孔) 体积的总和。 2 1 2 单颗粒的流动行为 置于流体中的颗粒与流体存在相互运动时，颗粒与流体之间将产生相互作用 力。如果把颗粒视为静止，那么就流体而言，它受到来自颗粒的阻力；就颗粒而 言，它受到来自流体的曳力。如果把流体视为静止，反之亦然。曳力与阻力大小 相等，方向相反。无论是颗粒在静止流体中以一定速度运动，还是流体以一定速 度流过静止颗粒，或两者都在运动，只要流体与固体壁面之间存在相对运动，其 阻力性质都相同。所以，作用在颗粒上的曳力乃可以采用与流体阻力相类似的 公式来表示： 日：c d 一半 ( 2 1 1 ) 式中：c 。为曳力系数，无因次；彳为颗粒与流体相对运动方向上颗粒的垂直投 影面积：p ，为流体密度；“为颗粒与流体的相对运动速度。 中闺科技人学坝l 毕业论文 生物质流化床气化数值模拟 考察一个在静止流体中由静止状态开始自由沉降的光滑球体颗粒，如果颗粒 密度大于流体密度，则颗粒所受向下的重力c 大于向上的浮力e ，两力之差使 颗粒加速下降。随着颗粒降落速度的增加，流体对颗粒的向上的曳力f ，不断增 大。当c = c + 兄时，颗粒匀速降落。此时颗粒相对于流体的运动速度巩称为 颗粒的自由沉降速度。自由沉降速度是加速段终了时颗粒相对于流体的速度，也 称为终端沉降速度或终端速度。据此可推导出球体颗粒的终端速度l , l ，： 由 有 整理得 f g = f b + f d 舻届+ c d 丁7 f d 2 华 驴陪掣 j ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 式中，u 为球形颗粒得终端速度，c 。为曳力系数。 曳力系数c 。是终端雷诺数r ，的函数( 注：r 。，：生业) ，对于球体颗粒 ( 垂。= 1 ) ，曲线可大致划分为3 个区域： ( 1 ) 滞留区 r ， 2 ，c d 与r e ，在双对数坐标上成线性关系： = 若 ( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 过渡流区 r ，= 2 5 0 0 ，c d 与r e ，的关系可近似地用下式表示： c 。= 等 ( 2 - 1 6 ) ( 3 ) 湍流区 r ，= 5 0 0 2 0 00 0 0 ，c d 趋近一常数： c d = o 4 4( 2 1 7 ) 将式( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 分别代入式( 2 1 4 ) ，即得球体颗粒终端速度的 解析式分别为： ( 1 ) 滞留区 9 中国科技大学 i 受士毕业论文生物质流化床气化数值模拟 g d z 。一p f 、 坼2 1 此式称为斯托克斯( s t o k e s ) 定律。 ( 2 ) 过渡流区 ( 2 1 8 ) 唧掣鲁掣 p 此式称为阿仑( a l l e n ) 定律。 ( 3 ) 湍流区 垆1 7 4 l 丛里趔1 2 ( 2 - 2 0 ) 【p jj 此式称为牛顿( n e w t o n ) 定律。 对于非球形颗粒的终端速度“，不同的研究者提出了各自的计算方法，最常 用的处理方法是测出非球形颗粒的等比表面当量直径，用非球形颗粒的等比表面 当量直径代入上述公式求出终端沉降速度，即 当r ， o 0 5 时 当r e = 0 0 5 2 1 0 3 时 当r ，= 2 1 0 3 2 1 0 5 时 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 铲 。 鼍1 i p ：， k 2 = 5 3 1 4 8 8 圣， 式( 2 2 2 ) 中c d 的值可由表2 - 1 中查得。上述修正式也是由实验得出的，所关联的 圣，范围为o 6 7 1 0 。 表2 - 1 非球形颗粒的曳力系数 垂，r e t = d u p | 恤 l1 01 0 04 0 01 0 0 0 0 6 7 02 862 22 02 o 蓑一 墨 一旧 = | | ，p 0 志 g 1 j蚪o 觌 产 系 足 正蜂为k中式 中国科技太学颇： 毕业论文 生物质流化床气化数值模拟 0 8 0 6 2 7 51 3 1 01 1 0 8 4 6 2 7 4 5 1 2o 91 o 0 9 4 62 7 54 51 1o 8o 8 1 0 0 02 6 54ll0 7o 60 4 6 用参考文献 6 】中查出曳力系数c d ，然后f l q ( 2 1 4 ) 式计算沉降速度v ，需先知 道r ，；若直接用( 2 1 8 ) ( 2 - 2 0 ) 式计算，也必须先根据r ，来判断流型，才能选 用相应的计算式。但是q 尚未求得，r ，仍为未知，这就需要采用试差法。即先 假设沉降速度，计算r ，再按相应方式算出u ，。如所设和计算结果不符，则 另设“，值，直到计算结果与所设虬值之差在所要求的误差范围内为止。 应当指出，上面介绍的颗粒终端速度的计算方法是由颗粒达到终端速度后颗 粒受力的静力学方程推导得出的。对于颗粒在达到终端速度之前的过渡速度“， 则可以通过颗粒的运动方程求解： 旦竺：l 一c dr e 2 p f 2 2 4 、 d t 2 4 r e 。 式中，“= 兰为颗粒的无因次速度，r e 。为颗粒雷诺数，r e 。为对应于s t o k e s 坼 终端速度的终端雷诺数。 2 1 3 颗粒群的粒度分布与平均当量直径 ( 1 ) 颗粒群的粒度分布 单一粒度的颗粒系统在实际中并不多见，如果一个颗粒系统由许多不同的颗 粒所组成，则成为多组分颗粒系统。对这样的颗粒系统，往往必须测量其粒度分 布。颗粒群的粒度分布常采用筛分法来测定。筛分在一套由金属网制成的标准筛 中进行。标准筛又有不同的系列，最常用的是t y l e r 标准筛，其筛孔大小是按筛 网上每英寸长度上的筛孔数表示，称为目。如1 0 0 目的筛子，其筛网每英寸长度 上有1 0 0 个筛孑l 。各筛网按筛孔大的在上，小的在下，依次按顺序叠放。相邻的 上下两层筛子的筛孑l 尺寸之比为2 ，更精密的是2 。在筛分时，将物料放在 顶部的筛网上，经过有规则的振动，各种粒度的颗粒依次落在相应的各层筛网上。 若用于筛分的月+ 1 个筛，其筛孑l 尺寸从大n d , 分别为d j ，叫， 川则颗粒群某一粒度的组分的粒径z 是指通过筛孔尺寸为彰，而留存于筛孔 尺寸为以。的相邻两筛网间的粒子的平均粒径，取相邻两筛网孔径的平均值。最 常用的是几何平均值： d t = 识l ( 2 - 2 5 ) 中田f ： 投人学埘! l 。毕业沦空生物质激化睬气化数值模拟 有时也用算术平均值： 一= ( + d 。i ) 2 ( 2 - 2 6 ) 式中，i = 1 - 2 ，3 ，h 。 当颗粒直径很小时，如小于1 0 0 _ u n ，筛分法就珂；能准确地测定颗粒粒度了， 必须要采用仪器分析。常用的仪器分析法包括电导法、重力沉降法、离心沉降法、 显微镜法、摄影法和激光衍射法等。电导法是利用悬浮诅i 电解质溶液的固体颗 粒通过一个细管通道时所引起的电导率变化来确定颗粒直径。重力沉降法是通过 测量颗粒在流体中的终端沉降速度，然后间接计算其粒皮。显微镜法和摄影法则 是通过光学和电了仪器直接测量颗粒粒度。激光衍射法是利用不同粒度的颗粒对 激光束的不同的衍射作用来测量颗粒直径的。 描述颗粒群的粒度分布有不一j 的基准，如质量基准、体积基准、颗粒数基准 等。质量基准是用颗粒1 洋中各个粒度范围的颗粒质量在颗粒群总质量中所占的份 额( 质量卣分数) 柬州i 述粒度分布的。相应地，颗粒数基准是用各个粒度范围的 颗粒数在总颗粒数| i 所占的份额( 颗粒数百分数) 柬描述粒度分布的。按一定基 准测得的粒度分和数毅：有3 利r 表示形式，即表格形式、l 刘j i ；形j 弋以及函数形式。 表格形式最为简单，图形形式较直观，函数形式史便于处州。其中图示颗粒分砷j 有州种表达山式：+ 种是直接画出不同粒径【蔓段的颗粒由分比，图形直接显示出 粒发分钿，如图2 1 ( a ) ：另+ 种足以粒径为横坐标，以小：所在粒衽f i j p ) f 有颗粒 的鬃枳百分比为纵坐标，图形给出的是岽积的粒度分和如图2 - 1 ( b ) 。两者各有特 点，可根据需要选用。 f 掣出f f i 7 - ( a ) 非累积分布 皴f i ( b ) 岽积分布 2 - 1 颗粒粒度的分布曲线 ( 2 ) 颗粒群的平均当量直径 由粒度分布计算颗粒群的平均粒度，不但和粒度组成及描述粒度组成的基准 o_一矗越 中国辩技大学磺士毕业论文生镪矮滤纯床气化数缓横攘 ( 如质量基准、体积基准、颗粒数基准等) 有关，而且和求平均粒度的数学方法 蠢关。嚣戈滤纯痣孛入翻关心静是颞粒豹矮羹分数袋体积分数，瓣盈霞羹分数簸 容易获得，所以最常用的是按质量纂猴求平均粒度。设在一定黛的颗粒物料( 颗 粒群) 中，威径为d 。的颗粒的质量分数为：直径为吨的颗粒的质量分数为 直径为的颗粒的质量分数为鼓，当假定莱一单一粒发的颗粒群具有 与被考察静颗粒群相丽酌颗粒总磁表藤税，鲻可攘静出颗粒群瀚等跑表蔷积平均 当量直径d 。，由 蓦3 喜警 p 2 ， 至霹智三毋 、 得 毒= 【酬一 ( 2 - 2 8 ) 假定菜一单一粒度的颡粒群具有与被考察的颗粒群相同的平均表面积，则可推 导出颗粒群的平均表面积当量直径d 。： ，。、； i l 墨州 ( 2 - 2 9 ) 、l - ij 假定某一单一粒度的颗粒群与被考察的颗粒群有相同的平均体积，由此可推导 密鬏粒群弱平均薅积当爨轰经叠。为： r 。、： 虿= i t 引 ( 2 _ 3 0 ) i i， 豫上述三稃平均壹缀法以舞，还祷若干季枣平均纛径洼，鳐雾沭( 线性) 平均豢 径法、几何平均直径法、立方平均喜经法等等。详见相关文献和书籍。 选用何种平均当量赢经，完全取决于实际应用。其原则是所选当量直径必须 准确表这繇关心戆羧壤譬。霹浚纯臻体系寒说，般应该委l 等魄表瑟积兰爨蠹 径，因为化学反应所关心的是表面积，而床料经常楚以体积( 或质量) 来计算的， 比表面积题联系两者的关键参数。 a 类颗粒称为缨鬏粒，一般其寿较小豹粒瘦( 3 0 1 0 0 1 a m ) 帮表双密发 ( p ， 1 4 0 0 k g m 3 ) 。a 类颗粒的初始鼓泡速度 明箍高于初始流化速度球彤，并髓 床层在达到皴泡点之前商明显膨胀。烨成鼓泡床后，密相中空隙率明显大干初始 漉忱空隙零s 。，旦密楣中的气固返混较严重，气泡相和密摆之阔气体交换遮度 较高。疆蓠鬏粒粒度分枣变宽或平均辍度降低，气滗尺寸隧之减，l 、。本耪是蒸鍪 串器科技天学赣 ? 毕监论文生物壤漉纯瘴气纯鼗馕搂撂 的a 类颗粮。 b 类颗粒称为粗颗糙鼓鼓泡颗粒，一般具有较大的粒度( 1 0 0 - 6 0 0 v u r t ) 及袭观 密度( 郎= 1 4 0 0 4 0 0 0 k g m 3 ) 。萁裙始鼓滋速度& 与裙始流亿速菠“。稻等。困诧， 气流速度一旦超过初始流化速度，床屡内即出现两相，即气泡相和密相。密相的 膨胀率基本等于e 。，且密相中气固返混均较小。气泡相和密栩之间气体交换速 度齐较低。羹气逡只专a 乎与颗粒粒魔分枣宽窄秘警臻粒痉无关。砂粒是葜囊熬 b 类颗粒。 c 类颗粒属粘性颗牢立或超细颗粒，般平均粒度在2 0 t m 以下。此类颗糨由 予粒径很小，颗粒闼故 髻爆力摺对变大，摄易导致颗粒豹囝聚。瓣其其有较臻鲢 捂聚性，穰易产生沟流，所以极难流化。传统上认为这类颗粒不邋用于流纯操作。 d 类颗粒属于过粗颗粒或喷动用颗粒，一般平均粒度在o 6 m m 以上。该类 颗粒流化时易产生极大气泡或节涌，便操作难以稳定。它更适瘸子喷动床操 乍。 稻壳属予这炎颗粒。 同一淡颗粒一般具有相同或相似的流化行为，因此，颗粒的流化行为可以根 据g e l d a r t 的分类法进行预测。 该分类法是g e l d a r t 予1 9 7 3 年疆蹬的。隧着臻宠弱深入，入翻发瑷d 类颗 粒中，当d ， “，时，床内颗 粒获得向上的加速度而使床层膨胀，空隙率增大即流体流通截面增加，从而使地 下降到“的水平。如此的动态平衡，随着表观流速增减床层可高可底，但始终使 颗粒保持悬浮状态，因此称为流化床。流化床阶段床层压降基本不随流速变化， 等于单位截面床层的重量。但流速较大时，颗粒间的碰撞以及流体与器壁的摩擦 加剧，致使床层压降略有上升。当减少流速使之低于“。，床层将由流化床转变 为固定床，但压降一般并不遵循原来的曲线c b a 返回，这是因为颗粒重新静止 下来的堆积状念比原始堆积状态更加有利于流体通过，因此表现出压降更低( 图 2 3 中的c f 段) ，而静床层高则略有增加。 进一步增加床层的表观流速使“三“，颗粒将随流体上升并被带出，床层的 上界面消失而称为输送床( 图2 3 中的d e 段) 。因颗粒被带出、床层重量下降， 床层压降a p 。随“增加而下降。此时流速1 , ( = 虬) 称为带出速度。 由以上分析可知，流化床的操作范围( 即表观流速范围) 应介于临界流化速 度“。与颗粒带出速度“，之间。在该范围内流化床的流型结构视颗粒与流体两相 性质的不同而有相当多的变化。 带出速度“，等于颗粒在流体中的终端沉降速度，因此，可按式( 2 1 4 ) 计算。 应注意，对宽粒度分布的混合颗粒流化床，带出速度随颗粒大小不同而不同，因 此“不是唯一的，流化床的操作上界应视具体情况而定。 麟一鬻 一 ， ， ， p 、 中嗣科拄夫学硕l 毕、监论文生物壤溉纯床气纯数毽横攘 而临界流他速度“。耀流化床层的特性，是固定床变为流化床的一个转折点， 可由实验测定的a p h 一封魏线褥裂较准确豹建，如鹭2 - 3 繇示，其上c 点掰对戏豹 表观流速即为临界流化速度l f 。理论。t 临界流化遮鹰“。也可从潮定床压降公式 出发进行报辣，当床层处于初始流态化时，床层内颗粒群( 注意不是单颗粒) 所 受的曳力、浮力与重力棚平衡，即流体通过床层的聪辫等于单位艨层面积上颗粒 繇受静重力与浮力之蓑，帮 帏= l n ，( 1 一s w ) ( 几一p ) g ( 2 - 3 2 ) 又因该状惫下寐层压降锊合欧根方程( 2 ，2 8 ) ，将其与上式联立可褥 芝筹眠一，s 芝筹碥_ ( 1 刮魄刊g p 。) 出上式求勰“。，可根据欧根方程的麓他形式进行麓化计算。当颗粒直径氏较小， “。，对应的霞l 。 1 0 0 0 露，式( 2 3 3 ) 左藤第一磺裙鼹较小，仅 保留第一项，有 ( 2 3 5 ) 必须指出，由固定床压降的经验关联式求取“。，其准确程艘及可靠范围曾 先驳决于这螳关联式本身，因此应该充分估计到上述“。，计算使存在的误差，祭 擎 龛诤露最好良实验测定恚琏。 1 9 平脬 中茸科教犬学坝j 一毕业论义 生物质流忧床气化数值模拟 第三章生物质热解气化模型 3 1 生物质气化类型 生物质气化有多种形式，按怒否使用气化剂可以分为使用气化荆和不使用气 化剡穗萋孛。不使鼹气化裁气化只蠢予篷气化一葶枣，丽搜雳气化裁气化又以分为 空气气纯、氧气气纯、氧气一承蒸气湿台气化帮氢气气化等几释主要形式，如图 3 1 所示 4 ，1 0 】。 图3 1 生物欣气化按气化剂便瑚情况分类 干馏气化其实是q i 物质气化的种特例。它是在完全无氯或只提供极有限氧 的情况下进行的生物质热解气化。其原理是生物质挥发分在一定温度作熙下挥发 生戏瀚髂炭、本焦、穗、术酪液和生成气。各产狻豹覆董产率大致为：闺体炭2 8 3 0 、术焦油5 l o 、木醋液3 0 一3 5 和生成气2 5 3 0 。干馏气化按温度高 低可分为低温干馏( 6 0 0 。c 以下) 、中温干馏( 6 0 0 9 0 0 ) 和高温干馏( 9 0 0 。c 以上) 三耱，但不论哪秘于键气化，考5 应提供终部热源以使予馁反应褥以连续进 行。于馏气化生藏气的热值约为1 5 m j m 3 ，璃子中热毽气体，溉可用幸譬燃气，也 可用作化工合成气的原料 6 ，9 。 空气气化是以空气为气化剂的气化过程。空气中的氧与生物质中的可燃组分 发璺三不完全氧纯爱蔽，蔽毫热鬟为