基于离散颗粒单元法的流化床生物质气化过程研究
发布时间：2022-01-07 17:26
基于离散颗粒单元法提出气相和颗粒相控制方程,结合化学反应动力学方法建立生物质气化模型,通过模拟空间液滴在湿空气中的蒸发过程验证了模型的可靠性,数值模拟流化床内生物质气化过程。模拟结果给出生物质颗粒在反应器内的流动特性与反应特性瞬时分布情况,床层内气泡周期性地产生、上浮最终破裂,进入反应器内的生物质随着床料颗粒一同周期性上浮和下沉,最终与床料充分掺混,并且均匀分布于床料中。燃料颗粒进入反应器后会迅速热解析出挥发分,并由气流从顶部出口带出。模拟给出气体产物质量分数瞬时分布,CH4、CO、CO2、H2这4种产物质量分数分布基本一致,都是集中分布于左壁面,CO和CO2的占比稍高;N2和O2的分布与前4种分布规律正好相反;H2O的分布则稍有不同,在进料口附近的浓度梯度较小。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2019,39(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
液滴温度变化情况0s294.91294.9315s5s10s
憬峁?[21]。将液滴假定悬于计算域中心，周围环境为湿空气。30℃的湿空气从计算域侧面以0.35g/s的质量流量送入。将空气的相对湿度值作为控制变量，运算出不同工况下液滴的恒定温度，并将实验模拟结果与理论值对比。图1展示固定于开放计算域中心的悬浮液滴温度随时间的变化。0s温度/K294.91294.93294.9515s5s10s图1液滴温度变化情况Fig.1Liquiddropletcoloredbytemperature调节空气湿度值，对不同工况进行模拟。得到液滴相应的稳态蒸发温度，将实验模结果与理论值比较，如图2所示。可以观察出空气相对湿度50%以上的工况，模拟结果数值与理论值吻合度非常高，50%以下的工况模拟结果则存在一定的误差允许范围内的数值差异。温度/℃1520相对湿度/%020406080100103025模拟值理论值质量流量0.35g/sTg30℃图2不同相对湿度下液滴蒸发温度理论值与模拟值对比Fig.2Comparisonoftheoreticalresultsandsimulationresultsofliquiddropletunderdifferentrelativehumidity2.2生物质气化过程验证图3给出了Oevermann等[22]实验工况对生物质气化过程模拟研究，Oevermann等采用DEM方法的出口处气体组分以及不同高度下时均温度模拟出口处气体产物摩尔浓度0.000.150.200.25气体组分(a)气体组分COH20.100.05
第17期陈巨辉等：基于离散颗粒单元法的流化床生物质气化过程研究5133时均温度/K06008001000400200反应器高度h/m(b)时均温度0.50.90.7图3生物质气化过程模拟结果与实验数据对比Fig.3Comparisonofsimulationresultsandexperimentaldataofbiomassgasificationprocess结果，与实验数据吻合较好。图中同样给出了本文采用DEM方法的模拟结果，与Oevermann等人的模拟结果基本一致，验证了所建模型在模拟生物质气化方面的准确性。3模拟结果与讨论3.1生物质单颗粒气化反应特性图4表示气化反应生成物气体组分质量分数的瞬时分布情况，时间选取为反应开始的0.16s。在鼓泡流化床的气化器中未加入床料，只悬置2个参数相同的生物质颗粒。气化介质为空气与水蒸气的混合物，温度为400℃，从反应器底部通入。可以看CH4CO2COO20.0000.0620.0500.0400.0300.0200.0100.000.130.100.080.060.040.020.000.300.250.200.150.100.050.000.200.150.100.05H2N2H2O0.00.40.30.20.10.01.00.80.60.40.20.00000.00770.00600.00400.00300.00200.00100.00500.0070图4第0.16s时刻气体组分质量分数瞬时分布Fig.4Instantaneousdistributionofgasspeciesmassfractionat0.16s出，因为热解反应的反应速率很大程度上大于气化介质的扩散速率，所以此时高温气化介质还未扩散至与生物质燃料接触，颗粒周围所释放大量气体是热解反应的产物。甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氢气这4种气化产物的质量分数分布趋势基本一致，2颗生物质热解析出的挥发分随气流向
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷动流化床传热特性的CFD-DEM模拟[J]. 卜昌盛,王昕晔,张居兵,朴桂林. 动力工程学报. 2017(11)
[2]生物质气化技术研究进展[J]. 关海滨,张卫杰,范晓旭,赵保峰,孙荣峰,姜建国,董红海,薛旭方. 山东科学. 2017(04)
[3]气泡修正多尺度曳力模型的鼓泡流化床生物质气化分析[J]. 陈巨辉,殷维杰,王帅,于广滨,胡汀,林枫. 化工进展. 2017(04)
[4]生物质气化技术研究进展[J]. 汤颖,曹辉. 生物加工过程. 2017(01)
[5]细长颗粒与流场双向耦合的气固两相流数值模拟研究[J]. 蔡杰,袁竹林,赵孝保. 中国电机工程学报. 2016(21)
[6]基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性[J]. 吴迎亚,彭丽,和宁宁,高金森,蓝兴英. 化工学报. 2016(08)
[7]CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用[J]. 杨春振,陈成敏,刘光霞,段钰锋. 化工学报. 2016(07)
[8]基于DEM模拟气固鼓泡床中颗粒碰撞参数对流场间歇性的影响[J]. 彭丽,吴迎亚,李佳瑶,高金森,蓝兴英. 化工学报. 2015(06)
[9]提升管内湿颗粒流动特性的离散元模拟[J]. 朱卫兵,李锦时,王猛,孙巧群. 中国电机工程学报. 2013(35)
硕士论文
[1]流化床内燃料/床料多颗粒组分的流动反应耦合过程数值模拟研究[D]. 殷维杰.哈尔滨理工大学 2018
本文编号：3574959
【文章来源】：中国电机工程学报. 2019,39(17)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
液滴温度变化情况0s294.91294.9315s5s10s
憬峁?[21]。将液滴假定悬于计算域中心，周围环境为湿空气。30℃的湿空气从计算域侧面以0.35g/s的质量流量送入。将空气的相对湿度值作为控制变量，运算出不同工况下液滴的恒定温度，并将实验模拟结果与理论值对比。图1展示固定于开放计算域中心的悬浮液滴温度随时间的变化。0s温度/K294.91294.93294.9515s5s10s图1液滴温度变化情况Fig.1Liquiddropletcoloredbytemperature调节空气湿度值，对不同工况进行模拟。得到液滴相应的稳态蒸发温度，将实验模结果与理论值比较，如图2所示。可以观察出空气相对湿度50%以上的工况，模拟结果数值与理论值吻合度非常高，50%以下的工况模拟结果则存在一定的误差允许范围内的数值差异。温度/℃1520相对湿度/%020406080100103025模拟值理论值质量流量0.35g/sTg30℃图2不同相对湿度下液滴蒸发温度理论值与模拟值对比Fig.2Comparisonoftheoreticalresultsandsimulationresultsofliquiddropletunderdifferentrelativehumidity2.2生物质气化过程验证图3给出了Oevermann等[22]实验工况对生物质气化过程模拟研究，Oevermann等采用DEM方法的出口处气体组分以及不同高度下时均温度模拟出口处气体产物摩尔浓度0.000.150.200.25气体组分(a)气体组分COH20.100.05
第17期陈巨辉等：基于离散颗粒单元法的流化床生物质气化过程研究5133时均温度/K06008001000400200反应器高度h/m(b)时均温度0.50.90.7图3生物质气化过程模拟结果与实验数据对比Fig.3Comparisonofsimulationresultsandexperimentaldataofbiomassgasificationprocess结果，与实验数据吻合较好。图中同样给出了本文采用DEM方法的模拟结果，与Oevermann等人的模拟结果基本一致，验证了所建模型在模拟生物质气化方面的准确性。3模拟结果与讨论3.1生物质单颗粒气化反应特性图4表示气化反应生成物气体组分质量分数的瞬时分布情况，时间选取为反应开始的0.16s。在鼓泡流化床的气化器中未加入床料，只悬置2个参数相同的生物质颗粒。气化介质为空气与水蒸气的混合物，温度为400℃，从反应器底部通入。可以看CH4CO2COO20.0000.0620.0500.0400.0300.0200.0100.000.130.100.080.060.040.020.000.300.250.200.150.100.050.000.200.150.100.05H2N2H2O0.00.40.30.20.10.01.00.80.60.40.20.00000.00770.00600.00400.00300.00200.00100.00500.0070图4第0.16s时刻气体组分质量分数瞬时分布Fig.4Instantaneousdistributionofgasspeciesmassfractionat0.16s出，因为热解反应的反应速率很大程度上大于气化介质的扩散速率，所以此时高温气化介质还未扩散至与生物质燃料接触，颗粒周围所释放大量气体是热解反应的产物。甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氢气这4种气化产物的质量分数分布趋势基本一致，2颗生物质热解析出的挥发分随气流向
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷动流化床传热特性的CFD-DEM模拟[J]. 卜昌盛,王昕晔,张居兵,朴桂林. 动力工程学报. 2017(11)
[2]生物质气化技术研究进展[J]. 关海滨,张卫杰,范晓旭,赵保峰,孙荣峰,姜建国,董红海,薛旭方. 山东科学. 2017(04)
[3]气泡修正多尺度曳力模型的鼓泡流化床生物质气化分析[J]. 陈巨辉,殷维杰,王帅,于广滨,胡汀,林枫. 化工进展. 2017(04)
[4]生物质气化技术研究进展[J]. 汤颖,曹辉. 生物加工过程. 2017(01)
[5]细长颗粒与流场双向耦合的气固两相流数值模拟研究[J]. 蔡杰,袁竹林,赵孝保. 中国电机工程学报. 2016(21)
[6]基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性[J]. 吴迎亚,彭丽,和宁宁,高金森,蓝兴英. 化工学报. 2016(08)
[7]CFD-DEM模型并行化及其在流化床气固流动中的应用[J]. 杨春振,陈成敏,刘光霞,段钰锋. 化工学报. 2016(07)
[8]基于DEM模拟气固鼓泡床中颗粒碰撞参数对流场间歇性的影响[J]. 彭丽,吴迎亚,李佳瑶,高金森,蓝兴英. 化工学报. 2015(06)
[9]提升管内湿颗粒流动特性的离散元模拟[J]. 朱卫兵,李锦时,王猛,孙巧群. 中国电机工程学报. 2013(35)
硕士论文
[1]流化床内燃料/床料多颗粒组分的流动反应耦合过程数值模拟研究[D]. 殷维杰.哈尔滨理工大学 2018
本文编号：3574959
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