流化床热解反应器布风系统的优化设计

发布时间：2020-05-12 06:33

【摘要】：生物质来源广泛,总量十分可观,且可再生,并与环境友好,具有十分广阔的应用前景。生物质的利用方式多种多样,其中最受关注的技术之一是热解液化。流化床具有结构简单、工作可靠、调控方便和传热传质效率高等优点,常被用作生物质热解反应器制备生物油。流化床布风系统的布风效果是影响生物质热解的主要因素之一,布风效果好则可强化生物质颗粒流化、提高热解反应效率和提升生物油品质。流化床布风系统的布风均匀性不仅与布风板结构有关,而且还受到布风板前流场状态的影响。为防止床料落入风机,通常采用侧向进风,但这样做又会导致气流偏斜。本文从侧向进风引起气流偏斜这一问题入手,对流化床生物质热解反应器布风系统开展深入研究,利用数值模拟分析影响气流偏斜和附壁的主要因素,并有针对性地对生物质热解流化床的布风系统进行改进设计。本文主要在以下方面开展了研究:1、气流偏斜影响因素的分析侧向进风是导致气流偏斜的直接原因。对比初始结构模型,在保持原有竖直方向存在扩散管的情况下,通过适当增大送风管内径,又在水平方向设置一个扩散管,使风机通入的高速气流能够充分预扩散,从而降低风室内部气流速度分布的不均匀性;仅仅采取增大送风管内径的措施,对减小气流偏斜作用不大,但为进一步优化送风管的结构设计预留了一定的空间。从右侧流入竖直送风管的气流,容易形成向左偏的射流;该射流进入竖直扩散管时由于更偏向左侧管壁,从左侧无法卷吸足够的空气,而从右侧卷吸大量空气形成较大的回流,致使射流加快向左侧壁面偏移而产生附壁效应。气流在风室内上升时,严重偏向左壁,不利于布风板布风,从而影响床体内的流场特性和传热传质效果。2、整流管结构对流场特性影响的研究当从右侧通入的气流转向流入竖直送风管时,存在向左的分速度。在竖直送风管内设置小内径的整流管,迫使靠近壁面的气流转向,减小左向的分速度,同时增大右向的分速度,从而减轻气流偏斜。为避免出现附壁效应,整流管出口处不与扩散管直接连接。相比于其它改进模型,整流管长50 mm的M1模型存在明显的气流偏斜,但相较于初始模型,气流不再附壁。相比于整流管长150 mm的M3模型,采用二级整流管结构的Mts模型能够获得较好的气流分布特性,气流速度的峰值较低、偏斜较小、扩散较快、均匀性较好。继续增大整流管出口段的管道长度,会导致气流偏斜程度加大,不利于风室内流场的稳定。3、送风管和整流管内径对改善流场特性的研究竖直送风管和整流管的尺寸都会对整流效果产生影响。竖直送风管内径越大,气流进入风室前就越容易扩散,平均气流速度则越小,但送风管所占空间也越大;而要使进气气流充分扩散,还需要加长水平方向上的扩散管;而竖直送风管内径越小,气流进入风室前就越不容易扩散,气流平均速度越大。整流管的尺寸越大,则出口射流速度越小,但偏斜越大;整流管尺寸越小,则偏斜越小,但出口射流速度越大。当整流管内径为送风管内径的1/2时,整流效果总体最好,兼有大内径和小内径的优点。其中,送风管内径为80 mm、整流管内径为40 mm的M80-40模型对于改善流场特性的效果最好。利用M80-40模型改进原有装置,对带有布风板的流化床流场特性进行模拟研究,发现能够明显改善床体内的流场特性。
【图文】：

流化床装置

Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ邋ｂｅｄ逡逑２．２．２流化床物理模型逡逑由图２．１可知，在流化床热解反应器中，风机从右侧通入的高速气流由水平逡逑送风管转向竖直送风管时，在惯性作用下向左侧壁面严重偏斜。为减小甚至消除逡逑气流偏斜，改善流场均匀性，通过数值模拟对反应器布风系统进行优化设计。床逡逑体内径一定时，，进风管内径越小，可调节进气气流速度范围越大，但内径过小易逡逑形成射流，上行时紧贴左壁，不利于气流均匀扩散。气流由水平转向竖直后向左逡逑侧偏斜，轴向气流速度呈左高右低分布［５９】。竖直管道足够长时，气流经充分发展逡逑能以均匀向上的速度进入风室，但会造成空间浪费，经济性较差。适当增大送风逡逑管内径，由此在水平送风管前设置一个扩散管，既能保证较大的气流速度调节范逡逑围

视图,改进模型,初始模型

利用ＩＣＥＭ软件对模型进行六面体网格划分，导入商用软件ＡＮＳＹＳ邋Ｈｕｅｎｔ逡逑进行数值模拟计算，采用室温条件下基于压力的非稳态三维数值模拟。流化气体逡逑为空气，密度为１．２２５邋ｋｇ／ｍ３。图２．２所示三维结构模型纵截面，平行于当前视图，逡逑右侧进风导致气流偏向左侧壁面；相较而言，垂直于当前视图的纵截面上的气流逡逑分布基本对称，流场均匀性更好。因此，本文针对上图２．２所示纵截面的流场状逡逑况进行分析。逡逑进口选用速度进口，气流速度为１５．０ｍ／ｓ，出口选用压力出口，近壁处采用逡逑标准壁面函数，湍流模型懫用标准／ｔ－ｅ模型。逡逑揣流动能方程灸：逡逑—（ｐＫ：）邋＋邋—邋（ｐｓ：ｕｌ）＾—邋／／邋＋邋—邋—邋＋Ｇｋ＋Ｇｈ－ｐｓ－ＹＭ邋＋Ｓｋ逦（１）逡逑Ｏｔ逦ＯＸ，逦ＯＸ－逦ｃｒ，．逦ｏｘ，逡逑１逦Ｊ逦［＿邋Ｖ逦Ｋ逦ｙ邋Ｊ邋＿逡逑扩散方程逡逑ｆ（ｗ）＋最一，）＝是卜鸯兄⑵逡逑上式中
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK229.66;TK6

【参考文献】