王娜娜，張玉春，易維明，柏雪源, 王 祥

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049)

豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

王娜娜，張玉春，易維明，柏雪源, 王 祥

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049)

在一套透明冷態(tài)玻璃實(shí)驗(yàn)裝置上利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)對(duì)豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)在自由端和抽氣兩種工況下進(jìn)行，結(jié)果表明，在h≥750mm時(shí)，管道內(nèi)的生物質(zhì)半焦的速度比較穩(wěn)定.自由端時(shí)，軸向速度沿著徑向呈類(lèi)似拋物線(xiàn)分布；抽氣時(shí)，顆粒的速度在軸向X=10～50mm范圍內(nèi)，穩(wěn)定在1.2 m/s左右.利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)管道內(nèi)顆粒的速度分布進(jìn)行模擬，在抽氣狀態(tài)下，對(duì)h=750 mm，h=1 050 mm這兩個(gè)截面實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行的對(duì)比表明，模擬結(jié)果在數(shù)值量級(jí)以及變化趨勢(shì)方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，能夠起到較好的預(yù)測(cè)作用.

生物質(zhì)半焦；兩相流；PIV；速度場(chǎng)；數(shù)值模擬

生物質(zhì)裂解液化技術(shù)是一種典型的生物質(zhì)廢棄物處理和利用技術(shù).其核心是在常壓、中溫(500～650℃)、超高加熱速率 (104～105℃/s )、超短產(chǎn)物停留時(shí)間(小于2s)的條件下直接將生物質(zhì)熱裂解，制取生物油，這一技術(shù)受到了世界各國(guó)的重視.針對(duì)生物質(zhì)快速裂解液化技術(shù)的反應(yīng)模式，許多學(xué)者已經(jīng)研究出多種類(lèi)型的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，如流化床反應(yīng)器[1-2]、渦旋反應(yīng)器[3-4]、旋轉(zhuǎn)錐殼反應(yīng)器[5]、下降管式反應(yīng)器[6-7]等.

山東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的下降管式熱解液化裝置是國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的反應(yīng)器.具有不需要使用氣體熱載體、液體燃料的收集率高等特點(diǎn).在反應(yīng)器內(nèi)，加熱的陶瓷球通過(guò)對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射與生物質(zhì)粉進(jìn)行熱量交換，使其發(fā)生熱裂解.因?yàn)轭w粒在反應(yīng)管內(nèi)的流動(dòng)形式、混合等方面會(huì)影響傳熱，所以研究下降管內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非常重要的.由于生物質(zhì)粉與熱陶瓷球發(fā)生熱交換后主要以半焦的形式在管內(nèi)流動(dòng)，所以本實(shí)驗(yàn)研究的物料選用生物質(zhì)半焦.

粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocietry,PIV)利用激光技術(shù)照亮流場(chǎng)，通過(guò)高速CCD相機(jī)獲得流場(chǎng)圖像，對(duì)所采集的流場(chǎng)圖像利用互相關(guān)分析以獲取流場(chǎng)信息.PIV技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式、全流場(chǎng)、瞬時(shí)、高精度速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，其應(yīng)用非常廣泛，許多學(xué)者已經(jīng)利用PIV技術(shù)對(duì)流化床[8-11]、水平攜帶床[12-13]、水平管[14]、豎直管[15-16]、傾斜管[17-18]內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的二維速度場(chǎng)進(jìn)行了研究.本文利用PIV技術(shù)對(duì)豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)豎直下降管內(nèi)顆粒流動(dòng)的特性，結(jié)合PIV技術(shù)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了豎直下降管顆粒流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該裝置主要由以下部分組成：漏斗形陶瓷球喂料器(為預(yù)留裝置，是為了研究陶瓷球和生物質(zhì)半焦混合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的裝置，本文的實(shí)驗(yàn)研究沒(méi)有用到)、生物質(zhì)半焦震動(dòng)喂料器、豎直下降管(66mm×66mm×1 600mm，壁厚為3mm，用透明玻璃材料制造)、落料收集箱和抽氣裝置、PIV測(cè)試系統(tǒng)等.PIV測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量位置示意圖如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)所采用的PIV測(cè)試系統(tǒng)由北京立方天地科技發(fā)展公司開(kāi)發(fā)，主要由激光器、同步器、CCD相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)組成.圖像處理系統(tǒng)采用傅里葉(FFT)互相關(guān)算法.

圖1 PIV測(cè)試裝置及測(cè)量位置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦速度的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行：一是自由端，指豎直下降管的進(jìn)口和出口與大氣相通，生物質(zhì)半焦在重力作用下自由下落；二是抽氣狀態(tài)下，指豎直下降管的進(jìn)口封閉，出口與抽氣泵相通，使得管內(nèi)的氣體處于連續(xù)的流動(dòng)微負(fù)壓狀態(tài).

對(duì)管內(nèi)顆粒進(jìn)行抽氣實(shí)驗(yàn)時(shí)，管下方收集料斗內(nèi)的氣壓與抽氣流量存在一定的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 抽氣量與氣壓關(guān)系

抽氣量Q/m3·h-15111520氣 壓P/Pa-2-7-15-26

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為研究抽氣時(shí)管內(nèi)氣流對(duì)生物質(zhì)半焦的影響，現(xiàn)對(duì)抽氣時(shí)管內(nèi)空氣的理論速度進(jìn)行分析.

抽氣時(shí)管內(nèi)空氣速度

(1)

式中:v為管內(nèi)空氣速度(m/s)；Q為抽氣量(m3/s)；A為管橫截面面積(m2).

當(dāng)管的橫截面面積A一定時(shí)，由式(1)得，管內(nèi)氣流速度與抽氣量成正比關(guān)系.

當(dāng)Q=5m3/h、Q=11m3/h時(shí)，管內(nèi)氣流的理論速度分別為：

(2)

(3)

選取Q=5m3/h、11m3/h、15m3/h、20m3/h和自由端進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn).圖2為h=1 200mm時(shí)，不同抽氣量和自由端情況下，生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布.

圖2 h=1 200mm時(shí)生物質(zhì)半焦的軸向速度

從圖2中可以看出，在h=1 200mm處，當(dāng)Q=5 m3/h時(shí)，測(cè)量速度值的變化范圍在0.2～0.4m/s，通過(guò)式(2)的計(jì)算可知，此時(shí)的理論速度約為0.385m/s.當(dāng)Q=11m3/h時(shí)，在徑向X=10～50mm處，測(cè)量值的變化范圍在0.8～0.9m/s，通過(guò)式(3)的計(jì)算可知，此時(shí)的理論速度約為0.848m/s.這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果相吻合.在自由端條件下，顆粒在豎直下降管內(nèi)主要受到重力和空氣阻力的共同作用，當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到軸向h=1 200mm截面時(shí)的最大速度已達(dá)到0.85m/s左右.從以上分析可以看出，自由端和Q=11m3/h時(shí)顆粒的速度相差不大.從圖2中還可以看出，當(dāng)Q>11m3/h時(shí)，生物質(zhì)半焦的速度隨著抽氣量的增大而逐漸增大.這是因?yàn)楫?dāng)抽氣量繼續(xù)增大時(shí)，氣體的動(dòng)量作用相對(duì)于重力及其他作用力而言成為影響顆粒運(yùn)動(dòng)形態(tài)的最主要因素，顆粒在氣流的沖擊帶動(dòng)下，受到曳力作用.當(dāng)Q=15m3/h時(shí)，中間區(qū)域的速度最為穩(wěn)定，所以本實(shí)驗(yàn)主要研究Q=15m3/h時(shí)，豎直下降管內(nèi)生物質(zhì)半焦顆粒的速度分布.

圖3為自由端與抽氣量Q=15m3/h時(shí)不同測(cè)試段生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布.從圖3中可以看出，自由端，h<450mm時(shí)，顆粒最大速度偏向管道右側(cè)，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)，顆粒是從管道的右側(cè)加入的，由于此處位于進(jìn)料口的下部，所以顆粒進(jìn)入管道后聚集程度比較高，擴(kuò)散作用還不明顯，大量顆粒順重力場(chǎng)沿進(jìn)料口豎直下方運(yùn)動(dòng)，隨著顆粒在管道內(nèi)逐漸下降，顆粒在氣流作用下自由擴(kuò)散，在管道內(nèi)分布均勻.但由于存在邊壁效應(yīng)，從圖3可見(jiàn)，到達(dá)h=750mm處，顆粒的最大速度位于管道中心處.對(duì)于抽氣量Q=15m3/h時(shí)，在h=150mm處，顆粒的速度在管中出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別位于約X=12mm、X=48mm處；到達(dá)h=450mm處，顆粒的速度在X=10～50mm，基本穩(wěn)定在1.2 m/s.從圖3中還可以看出，當(dāng)h>150mm后，抽氣時(shí)的速度明顯大于自由端時(shí)的速度，并且隨著下落高度的增加，中間區(qū)域速度越趨于平穩(wěn).

(a)h=150mm

(b)h=450mm

(c)h=750mm

(d)h=1 050mm圖3 不同測(cè)試段生物質(zhì)半焦軸向速度沿徑向的分布

3 數(shù)值模擬

3.1 湍流模型

Yakhot和Orszag于1986年應(yīng)用RNG方法建立了第一個(gè)湍流模型，RNGk-ε湍流模型是基于重整化群(Renormalization Group)技術(shù)的一種湍流模型[19].在RNGk-ε模型中，通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除.所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似[20].但RNGk-ε湍流模型在計(jì)算復(fù)雜的流動(dòng)方面，理論上精度要高于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型.本文采用的是RNGk-ε湍流模型.

RNGk-ε混合湍流模型為

(4)

(5)

式中：ui為時(shí)均速度i=1,2,3；ρm為密度；k為混合相的湍流動(dòng)能；ε為端流耗散率；μ為動(dòng)力粘度；μt為湍流粘度；Pk為壓力；Cε1、Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk為與湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的prandtl常數(shù).

3.2 邊界條件

利用CFD軟件Fluent6.3.26對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬.利用三維動(dòng)態(tài)模擬，邊界條件的設(shè)置為：

(1)邊界條件計(jì)算介質(zhì)為生物質(zhì)半焦，選用60～80目的生物質(zhì)半焦為研究對(duì)象.

(2)進(jìn)口邊界采用速度入口，根據(jù)已知流量以及入口直徑，直接得到氣相入口速度并計(jì)算出其它相應(yīng)的湍流參數(shù).

(3)出口邊界出口按照湍流流動(dòng)充分發(fā)展處理，采用自由出流，出口壓力為大氣壓.

(4)固壁邊界壁面為無(wú)滑移邊界條件，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流.

圖4為顆粒的速度云圖.從圖4中可以看出，進(jìn)料口的下部顆粒速度比較大，隨著顆粒在管道內(nèi)逐漸下降，顆粒在管道內(nèi)自由擴(kuò)散且分布趨于均勻，但由于存在邊壁效應(yīng)，邊壁處速度較低，中心位置附近速度較大.

(a)自由端 (b)抽氣時(shí)圖4 顆粒的速度分布云圖

對(duì)于抽氣情況下，由上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)h≥750 mm時(shí)，生物質(zhì)半焦顆粒在管道內(nèi)的速度分布趨于穩(wěn)定，本部分只針對(duì)h=750 mm，h=1 050 mm這兩個(gè)截面的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

圖5為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從圖5中可以看出，在抽氣狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合的比較好.

(a)h=750mm

(b)h=1 050mm圖5 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)利用PIV技術(shù)在自行設(shè)置的裝置上進(jìn)了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)h≥750mm時(shí)，管道內(nèi)生物質(zhì)半焦的速度比較穩(wěn)定.自由端時(shí)，軸向速度沿著徑向分布呈類(lèi)似拋物線(xiàn)分布；抽氣時(shí)，顆粒的速度在軸向X=10～50mm時(shí)，基本穩(wěn)定在1.2 m/s.

(2) 利用數(shù)值模擬軟件對(duì)管道內(nèi)顆粒的速度分布進(jìn)行模擬，抽氣時(shí)，對(duì)h=750 mm，h=1 050 mm這兩個(gè)截面實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明在抽氣狀態(tài)下，模擬結(jié)果在數(shù)值量級(jí)以及變化趨勢(shì)方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，能夠達(dá)到較好的預(yù)測(cè)作用.

(3) 通過(guò)PIV實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，可為熱態(tài)實(shí)驗(yàn)顆粒的停留時(shí)間計(jì)算、顆粒間的傳熱傳質(zhì)提供參考，從而指導(dǎo)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì).

[1]Robson A. 25 tpd border biofuels/dynamotive plant in the UK[J]. PyNe Newsletter, 2001, 11:1-2.

[2]任學(xué)勇, 常建民, 王鵬起, 等. 噴動(dòng)循環(huán)流化床生物質(zhì)快速熱解設(shè)備的特性分析與發(fā)展研究綜述[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2009,29(5):122-126.

[3] Diebold J. Scahill J. Production of primary pyrolysis oils in a vortex reactor [C]// Soltes E J,Milne T A. Pyrolysis oils from biomass: producing, analyzing, and upgrading. Washington: ACS Symposium Series, 1988:31-40.

[4] Czernik S, Scahill J, Diebold, J. The production of liquid fuel by fast pyrolysis of biomass [J]. J. Sol. Energy. Eng, 1995, 117: 2-6.

[5] 李俊生. 旋轉(zhuǎn)錐生物質(zhì)裂解反應(yīng)器裂解工藝的研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2010,4(7)：1 609-1 614.

[6]李志合, 柏雪源, 李永軍,等. 下降管生物質(zhì)熱裂解液化反應(yīng)器設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(9):115-119.

[7]何芳, 姚福生, 易維明，等. 下降管式生物質(zhì)熱解液化裝置的計(jì)算分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2005,26(3):424-428.

[8]You C F, Zhao H L. Experimental investigation of interparticle collision rate in particulate flow[J]. International Journal of Multiphase Flow，2004 ,30:1 121-1 138.

[9]王勤輝, 趙曉東, 石惠嫻，等. 循環(huán)流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的PIV測(cè)試[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2003,18(4):378-381.

[10]Joachim W. Measurement techniques in fluidized beds[J]. Powder Technology, 1999, 102(1):15-36.

[11]石惠嫻. 循環(huán)流化床流動(dòng)特性PIV測(cè)試和數(shù)值模擬[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2003.

[12]易維明,王娜娜,張波濤,等. 水平攜帶床氣固兩相流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(1):11-14.

[13]王娜娜, 易維明, 李志合. 水平攜帶床內(nèi)玉米秸稈顆粒運(yùn)動(dòng)的PIV測(cè)量[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2008,29(3):365-369.

[14]Kaoru M, Gang C，F(xiàn)ujio Y，etal. PIV measurement of Particle motion in spiral gas-solid two-Phase flow[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，1999,19(2):194-203.

[15]Guo X L，Dai Z H，Gong X，etal．Performance of an entrained-flow gasification technology of pulverizedcoal in pilot-scale plant[J]．Fuel Processing Technology, 2007，88:451-459.

[16]Fohanno S, Oesterle B. Analysis of the effect of collisions on the gravitational motion of large particles in a vertical duct[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2000，26:267-292.

[17]楊延強(qiáng),易維明,李志合,等. 陶瓷球與生物質(zhì)半焦混合體在斜管中的運(yùn)動(dòng)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(14):264-268.

[18]楊延強(qiáng). 傾斜下降管反應(yīng)器中顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[19]Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence [J]. Journal of Scientific Computing, 1986,1(1):3-5.

[20]Versteeg H K, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method [M]. New York: Wiledy, 1995.

(編輯：郝秀清)

Experimental study and numerical simulation onsemi-coke particles movement in vertical down pipe

WANG Na-na, ZHANG Yu-chun, YI Wei-ming, BAI Xue-yuan, WANG Xiang

(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The movement of biomass semi-char particles was studied in a vertical down glass pipe using the particle image velocimetry(PIV)techniques. Experiments were carried out under the conditions of the bottom end is open and the bottom end is connected to a suction pump. The velocities of semi-char particles are relatively stable when the falling distanceh≥750mm. The axial distribution is a parabola-like curve along the cross-sections of pipe when the bottom end is open while it is stable at about 1.2 m/s atX=10～50mm when the bottom end is connected to a suction pump. The numerical simulation of the velocity distribution of semi-char particles was also conducted and the simulation results were then compared with the experiment results when the falling distanceh= 750mm and 1 050 mm. The simulation results on numerical magnitude and trends matched well with the experimental results, which could achieve a better prediction.

semi-coke particles; two-phase flow; PIV; velocity field; numerical simulation

2015-03-20

863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA101800)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50876056、51276103)；山東省自然科學(xué)基資助金項(xiàng)目(ZR2011EL041)

王娜娜, 女， wnn@sdut.edu.cn； 通信作者： 柏雪源，男，baixy@sdut.edu.cn

1672-6197(2015)06-0006-05

TK6

A