PDF《文丘里洗涤器净化生物质燃气流场数值模拟及试验研究》

第28 卷第21 期农业工程学报Vol.

28 No.21

186 2012 年11 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov.

2012 文丘里洗涤器净化生物质燃气流场数值模拟及试验研究 常加富

1 ,董玉平

1 ,刘庆磊

1 ,郭飞强

1 ,张彤辉

1 ,张文康

2 (1. 山东大学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: 针对文丘里洗涤器净化生物质气化燃气中的焦油液滴问题, 借助 CFD 软件 Fluent 对文丘里管内部流场进 行数值模拟,得出其压力与速度分布特性,从能量转化角度分析了文丘里除焦过程流场变化规律,结果表明文丘 里喉管段压力大幅减小,其压力能转化为燃气流体动能,形成了较大的湍流提高净化效率.通过试验和数值模拟 研究文丘里内部流场总体压力损耗,将液气比

3 L/m3 、喉口气速 70~120 m/s 条件下的文丘里管总体压力损失试验 与模拟数据对比表明二者结果基本吻合.对文丘里净化生物质燃气除焦效率的研究表明喉口气速大于

90 m/s 时, 利用经验公式根据文丘里洗涤器实际总体压力损失可以有效估算除焦效率,误差范围在 7%以内;

喉口气速大于

90 m/s、液气比高于

2 L/m3 时除焦效率可以达到 90%以上.研究结果可以为文丘里洗涤器净化生物质燃气的工程 应用提供参考. 关键词:生物质,焦油,净化,文丘里洗涤器,压力损失,除焦效率 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.21.026 中图分类号:TK6;

TU834.6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-21-0186-07 常加富, 董玉平, 刘庆磊, 等. 文丘里洗涤器净化生物质燃气流场数值模拟及试验研究[J]. 农业工程学报, 2012, 28(21):186-192. Chang Jiafu, Dong Yuping, Liu Qinglei, et al. Experimental study and numerical simulation on flow field of venturi scrubber purifying biomass gas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 186-192. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质热解气化能够将丰富的生物质资源转 化为燃气,可替代传统化石燃料作为生活能源,满 足城镇和农村地区生活用能中高品位能源需求,并 可用于供热与发电,缓解能源供求紧张形势,同时 可以解决农村地区季节性、结构性的秸秆生物质资 源过剩问题[1-3] .由于热化学转化工艺条件的局限, 生物质热解气化过程中不可避免的产生焦油等副 产物,不仅导致了气化效率降低,甚至堵塞腐蚀设 备管道,造成系统无法正常运行和安全隐患,已成 为影响生物质燃气规模化开发利用的技术难题之 一[4-5] .因此,必须寻求经济实用的生物质燃气净化 除焦设备,解决其终端利用的焦油问题. 生物质解热气化燃气需要使用多级设备联合 除焦,使燃气中焦油等杂质含量控制在一定范围. 文丘里洗涤器以其结构简单紧凑、 占地少、 成本低、 收稿日期:2012-06-11 修订日期:2012-09-28 基金项目:国家科技支撑计划(2010BAC66B02,2011BAD15B05-05) 作者简介:常加富(1987-) ,男,河南淮阳人,主要从事机械设计及 生物质能源转化利用技术研究. 济南 山东大学机械工程学院, 250061. Email: cjf6886@126.com 通信作者:董玉平(1949-) ,男,山东梁山人,教授,博士生导师, 主要从事机械及生物质能源转化技术研究. 济南 山东大学机械工程学 院,250061.Email: dongyp@sdu.edu.cn 除焦效率高等优点,已经应用于中小型生物质气化 燃气细微焦油液滴颗粒的末端除焦系统[6-8] . 不少学 者研究了喷淋塔、旋风分离器等设备的净化除焦性 能[9-12] ,而关于文丘里洗涤器在生物质燃气焦油液 滴净化中的研究报道较少. 本文采用 CFD 软件 Fluent 对文丘里洗涤器除 焦过程中的流场特性进行模拟,避免了试验研究方 法在文丘里管壁多处开孔对流场的影响,得出了不 同操作条件下的文丘里管内流场压力变化.根据流 场特性从能量转化角度分析了焦油液滴颗粒捕捉 凝结机理,并通过试验研究了文丘里洗涤器整体系 统的压力损耗与净化除焦效果,以期为文丘里除焦 的设计和工程应用提供技术支撑.

1 文丘里洗涤器内部流场模拟 1.1 建立模型 生物质气化系统通常包括生物质气化炉,喷淋 塔、文丘里洗涤器等生物质燃气净化设备及风机、 储气柜等燃气输送存储设备,根据图

1 所示生物质 气化工程中应用的典型文丘里洗涤器结构,建立文 丘里洗涤器几何结构模型如图

2 所示,其主要几何 参数列于表 1. 文丘里洗涤器主要由收缩段、喉管和扩散段组 成,在收缩段洗涤液 (水) 经过喷嘴雾化形成水滴, 第21 期 常加富等:文丘里洗涤器净化生物质燃气流场数值模拟及试验研究

187 借助净化水滴与燃气焦油之间的碰撞、拦截和凝 聚,将焦油气体冷凝成焦油液滴,并黏附于净化水 液滴上分离出来. 1.气化炉 2.喷淋塔 3.焦油含量测点 A 4.文丘里洗涤器 5.压力测 点C6.压力测点 D 7.焦油含量测点 B 8.除雾器 9.风机

10 储气柜 11.燃气管道 12.水泵 13.水箱 14.水管 图1生物质气化及燃气净化系统流程图 Fig.1 Flowchart of biomass gasification and gas purification system 注:D0 为进气管直径;

D1 为喉口直径;

D2 为出气管直径;

L0 为喉口段 长度;

α

1 为收缩角;

α

2 为扩散角;

A 为含焦油燃气入口;

B 为净化水入 口;

C 为燃气与净化水出口 图2文丘里洗涤器几何结构模型 Fig.2 Geometrical model of venturi scrubber 表1文丘里洗涤器的主要几何参数设置 Table

1 Geometrical parameters of venturi scrubber 参数项 D0/mm D1/mm D2/mm α 1/(° ) α 2/(° ) L0/mm 参数值

150 50

150 24

7 100 注:D0 为进气管直径;

D1 为喉口直径;

D2 为出气管直径;

α

1 为收缩角;

α

2 为扩散角;

L0 为喉口段长度. 本文采用 Fluent 前处理建模软件 Gambit 对文 丘里管和洗涤液进液管进行三维建模,综合考虑计 算精度和收敛速度选择网格类型进行网格划分. 1.2 数值求解 选取生物质燃气为连续相,采用标准 k-ε湍流 模型;

选取焦油液滴和净化水为离散相,采用 DPM 模型分别设置一个 injection,其中净化水选用 atomizer 模型雾化.考虑离散相对连续相的影响, 得到连续相收敛后,注入离散相求解其运动轨迹, 然后再计算连续相直至收敛[13-14] . 为使模拟结果符合实际情况,在数值求解之前 还需要设置合适的边界条件和物料属性:①进口条 件为速度进口,文丘里进气管顶端截面 y0 燃气流速 为10 m/s;

②出口条件为自由出口;

③壁面条件为 无滑移边界条件;

④在进水管出口和文丘里接触处 采用 interface 交换信息;

⑤生物质燃气和焦油的物 料属性设置如表

2 所示[15] . 表2物料属性 Table

2 Properties of gas and tar 成分 密度/(kg・ m-3 ) 动力黏度/(kg・ (m・ s)-1 ) 生物质燃气 1.1757 1.4919* 10-5 焦油液滴

1 560 58.6* 10-5 1.3 模拟结果与分析 1.3.1 文丘里管内流场分布特性 文丘里管内气液混合的流场特性是文丘里洗 涤器高效净化焦油液滴的决定性因素.定义净化水 液体与燃气的体积比为液气比, 用Lg=L 液/L 气表示. 根据生物质燃气净化工程中常取 Lg=3 L/m3 [16] ,文 丘里管内的流场压力分布云图和速度分布云图分 别如图 3a、图3b 所示. 图3文丘里管内部流场分布云图 Fig.3 Distribution of flow field in venturi tube 农业工程学报

2012 年188 由图 3a 可以看出,在收缩段由于进水管道和 喷嘴处雾化水滴的作用引起了一定的压力波动,除 此以外文丘里管内压力呈现梯级层界明显的分布 特点,并呈现先剧烈下降后缓慢回升的趋势.文丘 里顶部压力最大,收缩段以上为正压,随后压力沿 轴向剧烈减小到负值,在喉口处压力最低,经扩散 段压力又有一定的回升. 由图 3b 可见,文丘里管内速度也呈现梯级分 布的特点.经过收缩段和喉口段流通截面收缩,气 流剧烈加速,在喉口处速度达到最大值,随后由于 扩散段的流通截面扩大,流体流速下降. 在文丘里洗涤器工作过程中,气流携带焦油液 滴从文丘里上端进入,由于惯性作用,接近液滴的 焦油将不随气流前进,而是脱离气体流线并碰撞在 水滴上.在喉口段,由于高速气流摩擦力摩擦和焦 油颗粒惯性力碰撞的作用,一方面迫使大粒径水滴 变形破碎分裂成若干较小粒径的水滴,另一方面将 流体的压力能转化为动能,在喉口处造成较大的湍 动,提高焦油与水滴之间的碰撞机率,进而提高了 净化除焦效率. 1.3.2 文丘里洗涤器压力损失 Shekar 等[17] 研究表明, 文丘里洗涤器的捕集杂 质净化效率取决于其压力损失.定义文丘里洗涤器 每段的压力损失 Δpi 为由燃气入口处 y0 至该段出口 yi 截面轴线处的压力差,即Δpi=py0? pyi.由模拟结 果可得,液气比 Lg 取3L/m3 时,气液混合流体在 不同喉口气速 Vt 下流经文丘里洗涤器的每段压力 损耗 Δp 如图 4a 所示;

喉口气速 Vt 取90 m/s 时, 不同液气比 Lg 下的文丘里洗涤器的每段压力损耗 Δp 如图 4b 所示. 注:液气比 Lg=3 L/m3 a. 不同喉口流速时文丘里压力损耗 注:喉口气速 Vt=90 m/s b. 不同液气比时文丘里压力损耗 图4文丘里压力损耗变化 Fig.4 Pressure drop curve in venturi scrubber 从图

4 可以看出,随着文丘里管内流场喉口气 流速度的升高或液气比的增大,文丘里的压力损失 变化趋势相同:收缩段流场压力有一定的损耗,喉 管处的压力损耗最大,经过扩散段后文丘里管内部 的流场压力有一定的回升.液气比一定时,喉口处 气速越大则文丘里压力损耗越大;

喉口气速一定 时,液气比越大则文丘里压力损耗越大. Mak C Y、Azzopardi B J 和段振亚等[18-19] 研究 认为文丘里洗涤器压力损失主要由摩擦、液滴加速 和气体流动 3部分组成, 王晋刚等[20] 研究认为摩擦、 扩散段的流动分离和流体加速是文丘里压力损失 产生的重要因素.当文丘里洗涤器的扩散角 α 2≤7° 时,可忽略扩散段的流动分离压力损失[21-22] ,则文 丘里压力损失主要由摩擦阻力和加速流体流动造 成.由图 3b 可知文丘里管壁处的气流流速明显低 于管轴线部位的流速,说明文丘里管壁与气流的摩 擦造成了一定的压力损失.但由图 3b 中喉管段流 速升高达到最大和图

4 中出现的文丘里........