PDF《旋风分离器内生物质焦油湍流特性的数值模拟》

第26 卷第9期农业工程学报Vol.

26 No.9

2010 年9月Transactions of the CSAE Sep.

2010 171 旋风分离器内生物质焦油湍流特性的数值模拟 董玉平

1 ,董磊1,强 宁1,景元琢

1 ,郭飞强

2 (1.山东大学机械工程学院,高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南 250061;

2.山东百川同创能源有限公司,济南 250101) 摘要:针对旋风分离器去除生物质热解气化产生燃气中的焦油液滴问题,利用雷诺应力湍流模型(RSM)模型和 DPM 模型对旋风分离器内部的三维强旋转湍流场进行了数值模拟,获得了内部流场的等动压、湍流动能、湍流强度、湍流黏 度、速度矢量的分布云图,分析了旋风分离器内各主要因素对焦油分离的影响,为提高旋风分离器除焦效果提供了改进 与优化依据. 关键词:生物质,焦油,旋风分离器,数值模拟,湍流 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.09.029 中图分类号:T6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2010)-09-0171-05 董玉平, 董磊, 强宁, 等.旋风分离器内生物质焦油湍流特性的数值模拟[J].农业工程学报, 2010, 26(9): 171-175. Dong Yuping, Dong Lei, Qiang Ning, et al. Numerical simulation of biomass gas and tar torrential flow characteristics in cyclone separator[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(9): 171-175. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质能的利用比例日益增大,尤其生物质气化得 到了较大的发展,制约生物质气化大规模利用的关键是 气化过程中产生的焦油.对于利用旋风分离器去除焦油 的机理至今未见其相关报道,本文的研究对于去除生物 质气化过程中产生的焦油具有一定的指导作用. 旋风分离器内流场是三维强旋转湍流,具有明显的 各向异性.旋风分离器的分离效率和它内部的流场密切 相关[1-4] ,为了提高其分离效率,必须研究旋风分离器内 部的流场,本文借用流体动力学技术(computer fluid dynamic,CFD)软件 FLUENT 对旋风分离器内部的生物 质燃气和焦油液滴的湍流特性进行了数值模拟,通过模 拟,得到使旋风分离器分离效率与燃气进口速度、温度、 压力等关系,为进一步提高较有分离效率提供理论支持.

1 数值模拟 1.1 分离器工作机理 本文研究主要针对燃气水洗净化后所形成的焦油液 滴,由于其密度和黏度都远高于燃气,故而可以据离心 力的差异采用分离器进行清除.燃气夹带着焦油液滴以 相同的速度进入分离器,由直线运动变成圆周运动,形 成强烈的湍流运动场,离心力较大的焦油形成薄壁外旋 流,撞在分离器内壁而凝结聚集,而燃气则以内旋流的 形式从分离器上部流出. 收稿日期:2009-12-13 修订日期:2010-04-02 项目基金:山东省自然科学基金(ZR2009EZ001) 作者简介:董玉平(1949-) ,男,山东梁山县人,教授、博士生导师,长 期从事生物质能高效清洁转换技术的研究.济南 山东大学机械工程学院,

250061 通信作者:郭飞强(1985-) ,男,山东菏泽人,博士生,主要从事生物 质热解气化和燃气净化技术研究.济南 山东大学机械工程学院,250061. Email: shandaguofeiqiang@163.com 1.2 建立模型 旋风分离器结构如图

1 所示,其主要几何参数按照 洪堡型标准结构的参数设定, 见表 1. 本文采用 GAMBIT 建立几何模型,并对其进行网格划分网格质量的好坏对 模拟结果至关重要,为了提高计算精度,选取与流体的 流动特征相吻合的网格类型[5-8] .另外,划分网格数目也 不是越多越好,当网格超过一定的数目时对计算精度几 乎不再有帮助,却只会增加计算所需内存、减缓解的收 敛. 本文选用混合网格, 共划分了

68 850 个Cells,

144 059 个Faces,15

401 个Nodes. 注:D――旋风分离器直径;

Dc――出气口直径;

H――旋风分 离全长;

h――旋风分离器器筒体柱段长;

S――出气口插入深度;

b――进气口长度;

a――进气口宽度;

B――底流口直径 图1旋风分离器几何模型 Fig.

1 Geometry model of cyclone separator 表1旋风除焦器的几何参数 Table

1 Geometry of hydrocyclone mm 参数项 参数值 参数项 参数值 参数项 参数值 参数项 参数值 D

260 B

50 H

1 040 a

65 Dc

130 S

200 h

520 b

130 172 农业工程学报

2010 年1.3 数值求解 由于旋风分离器内流场是三维强旋转湍流,具有明 显的各向异性.在进行数值迭代求解之前,还需要给几 何模型选取适合实际流场特征的数值计算模型(气相流 和气液两相流模型) 、边界条件和物料属性,以便使数值 模拟结果符合实际情况. 1)生物质燃气作为连续相采用雷诺应力湍流模型 (RSM) 、焦油液滴作为离散相采用 DPM 离散相随即轨 道模型.计算中采用交错网格 SIMPLEC 算法,标准的壁 面函数法进行模拟.离散相在得到连续相收敛后,再注 入做其轨迹计算. 2)边界条件为:速度进口(进口速度为 19.72 m/s) 、 自由出口、壁面采用无滑移边界条件、对于液滴相,壁 面设置成 Escape . 3)生物质燃气和焦油液滴有其特殊的物料属性,焦 油液滴属于重质焦油,黏度和黏性较大,具体属性如表

2 所示. 表2介质特性参数 Table

2 Properties of gas and tar 成分 密度/(kg・m-3 ) 黏度/(kg・(m・s)-1 ) 生物质燃气 1.1757 1.4919e-5 焦油液滴

1560 58.6e-5 1.4 液滴轨道的计算 液滴的轨道计算在拉格朗日坐标下进行,忽略气相 和焦油液滴及液滴与液滴的相互作用,认为液滴与液滴 的轨迹不相互作用,不考虑液滴相和气相之间的热交换, 液滴的瞬态动量方程为[9-13] d ( ) d y n D y x u g F u u g t ? ? ? ? (1) d ( ) d y n D y y v g F v v g t ? ? ? ? (2) d ( ) d y n D y z w g F w w g t ? ? ? ? (3) 式中:u、v、w――气体在 x、y、z 方向上的速度分量, m/s;

uy、vy、wy ――液滴在 x、y、z 方向上的速度分量, m/s;

gx、gy、gz ――液滴在 x、y、z 方向上的重力加速度 分量,m/s;

ξ――脉动系数,呈反正弦分布;

FD ――曳 力加速度系数,当Re0.1 时234DDyyCRe F d ? ? ? 式中:dy ――液滴直径,mm;

CD ――曳力系数,CD = 0.6

24 [1 0.15( ) ] Re Re ? ,Re――雷诺系数, y y d u u Re ? ? ? ? . 液滴轨迹的计算可以通过如下公式对时间积分得到 d d y x u t ? (4) d d y y v t ? (5) d d y z w t ? (6)

2 模拟结果分析 2.1 等动压分布 图2所示的是旋风分离器在 Z =0 平面上的动压分布 云图,该图反映了旋风分离器内部流场速度的分布.图3是旋风分离器在 Y 方向不同高度上的等动压分布云图, Y =1

000 的横截面上,旋风分离器动压左半部比右半部 大,说明生物质燃气刚被鼓入旋风分离器时,速度很大, 当燃气沿器壁转到分离器右部时, 速度减小;

而在 Y =840 和Y=520 的横截面上的等动压呈严格对称分布,并且随 着旋风分离器的高度的降低,动压在减小,说明从分离 器的排气口下方开始,流场的速度对称分布,从排气口 到锥部速度逐渐减小;

在排气口附近动压较高,说明该 区域流速高,极易引起虹吸现象,将旋转至边壁的液滴 迅速带至出口,降低分离器的分离效率. 图2 Z=0平面动压分布云图 Fig.2 Pressure distribution at Z=0 第9期董玉平等:旋风分离器内生物质焦油湍流特性的数值模拟

173 图3Y方向不同高度上动压分布云图 Fig.3 Pressure distribution at different heights of Y direction at Z=0 2.2 湍流动能 湍流动能定义为

2 u v w K ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7) 式中 u? ? 、 v? ? 、 w? ? ――X、Y、Z 方向上脉动速度均方根 值[14-17] . 旋风分离器在 Z=0 平面上的湍流动能分布如图

4 所示.从湍流动能分布云图上看,在旋风分离器内部,从 顶板到排气管口的流场是不均匀的,而且不对称.湍流 动能在分离器的左半部比右半部大,说明刚由进气管口 被鼓入的生物质燃气此时的脉动速度较大,消耗气流的 动能较多,有利于焦油液滴的分离.当生物质燃气运动 到排气管口下方时,流场基本呈对称分布. 2.3 湍流强度 局部总湍流强度定义为 '

2 '

2 '

2

2 2

2 mean mean mean /

3 u v w Tu U V W ? ? ? ? ? ? ? ? (8) 式中

2 mean U 、

2 mean V ――局部测点的脉动速度的均方根和平 均速度[18-20] . 从图

5 中可以看出,各个截面上的湍流强度沿径向 分布呈倒锥状,在Y=1

000 的横截面上湍流强度严格对 称分布, Y =840 和Y=520 横截面上较小范围内分布对称, 在壁面附近急剧增大.湍流动能和局部湍流强度在壁面 附近取得较大值,表明在这里两相流消耗气流的能量较 多,是造成旋风分离器压力损失的主要区域之一. 图4Z=0 平面湍流动能分布云图 Fig.4 Distribution of turbulent kinetic energy at Z=0 图5湍流强度沿径向分布图 Fig.5 Distributions of torrential flow intensity 2.4 湍流黏度 从图

6 中可以看出,各个截面上的湍流黏度沿径向 基本对称分布,在旋风分离器中心达到最小值. 图6湍流黏度沿径向分布 Fig.6 Distributions of torrential flow viscidity 2.5 流量矢量分布 图7所示的是旋风分离器在 Z=0 平面上的速度矢量

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2010 年图.从图中可以看出,在环形空间顶板以下靠近筒壁区 域内有向上的速度分量,到顶板后呈向心流动,形成局 部涡,说明此处有二次流存在.分离器顶板外缘处始终 有一个旋转焦油液滴环存在,它是由二次流引起的.顶 焦油液滴环内的液滴受二次流影响,向里带到排气管外 壁,并沿着排气管向下运动,从底端逃逸出去,降低了 分离效率,一部分燃气未通过下部分离空间就进入排气 管,形成所谓的 短路流 .排气管下口下行流量急剧 下降的这一段空间称为短路流区.在这一段区间中,向 心径向速率很大,影响旋风分离器的分离效率.此外, 有部分气流进入焦油收集器.这些燃气流将反转向上重 新进入锥体的内旋流,搅起已被分离的液滴中较小的液 滴带入到内旋流, 称为 焦油液滴返混 , 也影响旋风分离 器的焦油脱除效率. 图7旋风分离器在 Z=0 平面上的速度矢量图 Fig.7 Velocity vector field at Z=0

3 试验3.1 试验台搭建 为了对旋风分离器的分离效果进行验证评价,本文 搭建了实验台,如图

8 所示,主要仪器设备为:气化炉、 水洗净化设备、旋风分离器、储气柜、焦油含量测试系 统等. 1.气化炉 2.水洗净化设备 3.焦油含量测点

1 4.旋风分离气 5.焦油含量测点

2 6.风机 7.储气柜 图8生物质燃气净化系统试验流程图 Fig.8 Flowchart of biomass gas purification system 3.2 试验步骤 系统中气化炉为

400 m3 /h, 燃气在风机的引导下, 首 先经过水洗净化设备,随后进入旋风分离器清除燃气中 存在的焦油液滴. 控制燃气流速在 18~21 m/s, 对旋风分 离器前后燃气中的焦油含量进行检测,共测试

4 次,每 次持续时间为

30 min,间隔为

20 min,分析水洗净化后 残存的焦油液滴净化效果. 3.3 试验结果 旋风分离器净化前后燃气中焦油质量浓度如图

9 所示. 图9旋风分离器净化效果图 Fig.9 Purification results of cyclone separator 由图

9 中可以看出:水洗净化后燃气通过旋风分离 器后燃气中焦油含量稳定在

20 mg/m3 左右,旋风分离器 的分离效率大于 80%,具有良好的净化效果.

4 结论1)湍流动能和局部湍流强度在壁面附近取得较大 值,表明在这里两相流消耗气流的能量较多,是造成旋 风分离器压力损失的主要区域之一. 2)在........