閆放　許開立　賈彥強(qiáng)　張秀敏　姚錫文

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　沈陽 110819)

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風(fēng)機(jī)風(fēng)量對生物質(zhì)氣化套管采暖影響模擬研究*

閆放許開立賈彥強(qiáng)張秀敏姚錫文

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院沈陽 110819)

摘要生物質(zhì)氣化站在氣化間與凈化間之間設(shè)置防火墻后，會使氣化反應(yīng)余熱無法向凈化間內(nèi)傳遞，使得我國北方地區(qū)氣化站在冬季嚴(yán)寒情況下出現(xiàn)濕式凈化裝置凍裂，進(jìn)而發(fā)生燃?xì)庑孤┑那闆r，增加了火災(zāi)、爆炸、中毒隱患。提出了一種利用風(fēng)機(jī)套管將反應(yīng)余熱送入凈化間采暖的技術(shù)，采用CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)對采暖效果進(jìn)行數(shù)值模擬，分析風(fēng)機(jī)風(fēng)量對采暖效果的影響，得出在風(fēng)機(jī)風(fēng)量對應(yīng)進(jìn)氣口空氣流速9 m/s時可獲得最佳采暖效果，可使室外溫度243.15 K時凈化間內(nèi)溫度達(dá)到277～281 K。該技術(shù)利用余熱進(jìn)行采暖，達(dá)到了低碳環(huán)保、節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞生物質(zhì)氣化套管熱環(huán)境CFD風(fēng)量

0引言

作為近年來興起的綠色可再生能源，生物質(zhì)氣化技術(shù)利用農(nóng)業(yè)廢棄秸稈進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成生物質(zhì)燃?xì)猓玫降娜細(xì)庵饕蒀O，H2，CH4構(gòu)成，燃燒后對環(huán)境幾乎無污染，并且生產(chǎn)過程幾乎零排放。截止到2014年，僅遼寧省建成的農(nóng)村生物質(zhì)氣化站就達(dá)到了297家[1]。但由于經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，制約了該技術(shù)的發(fā)展。東北大學(xué)的閆放等[2]提出在氣化間與凈化間之間設(shè)置防火墻，來減少生物質(zhì)氣化站的火災(zāi)、爆炸隱患。由于生物質(zhì)氣化站的供暖主要來自氣化爐內(nèi)氣化反應(yīng)的余熱，而防火墻隔絕了氣化間內(nèi)的熱量向凈化間傳遞，使得我國北方地區(qū)的生物質(zhì)氣化站冬季氣溫達(dá)到0 ℃以下時，凈化間內(nèi)的濕式凈化裝置出現(xiàn)凍裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)無法進(jìn)行、燃?xì)庑孤亩鴰砘馂?zāi)、爆炸、中毒等事故隱患[3]。因此，需要對凈化間進(jìn)行單獨(dú)采暖，現(xiàn)階段采用的采暖措施主要為電暖氣[2]。該采暖方式可滿足防凍的要求，但需要額外耗費(fèi)較多的電能，不符合節(jié)能減排的要求。本文提出一種利用軸流風(fēng)機(jī)與套管將氣化反應(yīng)的余熱送入凈化間進(jìn)行采暖的方法，并采用CFD技術(shù)對采暖效果進(jìn)行模擬。文獻(xiàn)[4]對流體為水的套管換熱器進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，而本文將以空氣作為流體介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時對整個凈化間內(nèi)采暖后的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。這一部分國內(nèi)外學(xué)者并未進(jìn)行過相同的研究，僅有類似的研究，比如文獻(xiàn)[5]對風(fēng)機(jī)盤管采暖系統(tǒng)的溫室熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬研究，文獻(xiàn)[6]對帶有加熱系統(tǒng)的博物館建筑進(jìn)行了室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬研究。本文對比了不同風(fēng)機(jī)風(fēng)量條件下采暖效果的區(qū)別，并找出了最環(huán)保、有效的采暖效果下所使用風(fēng)機(jī)風(fēng)量對應(yīng)的進(jìn)氣口空氣流速，為我國北方地區(qū)生物質(zhì)氣化站的安全技術(shù)改造提供技術(shù)參考。

1基于風(fēng)機(jī)套管的采暖系統(tǒng)

1.1采暖系統(tǒng)介紹

農(nóng)村生物質(zhì)氣化站主要由氣化間與凈化間組成，如圖1所示。氣化間內(nèi)包括氣化爐、干式除塵器、噴淋式除塵器及相應(yīng)的連接管道。氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度可達(dá)到1 000 ℃，使得生成的生物質(zhì)燃?xì)庠谶M(jìn)入噴淋式除塵器之前都具有非常高的溫度。因此，在氣化爐與噴淋式除塵器之間的干式除塵器及管道表面具有很高的溫度，這也是氣化間采暖所利用的反應(yīng)余熱的主要來源。而位于氣化間與凈化間之間的防火墻隔絕了熱量向凈化間的傳遞。因此，凈化間內(nèi)的濕式凈化裝置在冬季溫度低于0 ℃以下時會出現(xiàn)凍裂的情況。本文選擇在噴淋式除塵器之前的管道外裝設(shè)套管，利用置于室外的軸流風(fēng)機(jī)將室外空氣通入套管內(nèi)加熱，加熱后的熱空氣經(jīng)由一段帶有巖棉保溫的管道被送入凈化間內(nèi)，為凈化間供暖。

1-軸流風(fēng)機(jī)；2-氣化爐；3-干式除塵器；4-套管；

1.2模擬區(qū)域尺寸

本文以沈陽市閆家村生物質(zhì)氣化站實(shí)際尺寸為例進(jìn)行模擬。由于從室外軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口到凈化間內(nèi)的出氣口是一個相對封閉的空間，而套管中加熱后的空氣經(jīng)由巖棉保溫管道進(jìn)入凈化間，該段管道可視為完全絕熱，所以如圖2所示對模擬區(qū)域進(jìn)行簡化，將氣化間內(nèi)的區(qū)域只保留套管及其所連接的管道部分，并與凈化間一并構(gòu)成模擬區(qū)域。

如圖2所示，凈化間南北墻上有2個對稱的窗戶，南墻上設(shè)有門；回風(fēng)口設(shè)置了2個，均設(shè)置在北墻上；凈化間內(nèi)的濕式凈化裝置為兩套外形可約等于長方體的設(shè)備；下部分連接的是進(jìn)氣管，套管上部分連接的是送風(fēng)管，送風(fēng)管的出口也就是出風(fēng)口位于凈化間內(nèi)。各部分尺寸如表1所示。

圖2　模擬區(qū)域

名稱尺寸及位置套管外管半徑=0.2m,下端距離地面0.8m套管內(nèi)管半徑=0.086m窗高=1.8m,寬=1.5m,下端距離地面1m門高=2.7m,寬=2.4m出風(fēng)口半徑=0.05m,下端距離地面3m回風(fēng)口半徑=0.2m,下端距離地面3m濕式凈化裝置長=3m,寬=1m,高=2.4m

2數(shù)值模擬模型的建立

2.1基本控制方程的選取與網(wǎng)格劃分

軸流風(fēng)機(jī)將室外空氣通入套管內(nèi)加熱，加熱后的熱空氣以熱風(fēng)的形式進(jìn)入凈化間，凈化間通過熱空氣的強(qiáng)迫對流來提高溫度，因此，在整個模擬區(qū)域內(nèi)不可避免地會引起湍流。所以計算模型選擇在涉及湍流相關(guān)計算時具有較好收斂性與較高精確度的k-ε模型[7]。

本文采用CFD計算軟件Fluent 6.3對套管采暖系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并使用Gambit 2.4.6作為前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用二階迎風(fēng)格式離散偏微分方程組，壓力速度耦合使用SIMPLE算法。劃分網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，其中凈化間內(nèi)采用尺寸為0.075 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共生成1 766 058個網(wǎng)格；進(jìn)氣管、套管與送風(fēng)管內(nèi)因空氣流速大，多為湍流，流動較為復(fù)雜，因此對該部分網(wǎng)格進(jìn)行加密，采用尺寸為0.009 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，共生成928 528個網(wǎng)格。最終一共生成2 694 586個網(wǎng)格。模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格加密部分如圖3所示。

圖3　全部模擬區(qū)域及加密部分的網(wǎng)格劃分

2.2邊界條件與初始條件

如前文所述，需要對模擬區(qū)域進(jìn)行一定的簡化。防火墻的絕熱性能較好，幾乎可以阻絕熱量的傳遞，因此在邊界條件的設(shè)定上把防火墻的壁面設(shè)置為絕熱；同樣，套管外壁、進(jìn)氣管外壁、送風(fēng)管外壁、凈化間地面、濕式凈化裝置壁面均設(shè)置為絕熱；進(jìn)氣管的進(jìn)氣口采用velocity inlet的設(shè)置，通過不同的速度設(shè)置來表示不同的風(fēng)機(jī)風(fēng)量；回風(fēng)口設(shè)置為outflow；套管內(nèi)壁亦即發(fā)熱管道的外壁溫度設(shè)為常壁溫600 K。其余壁面的設(shè)置同時考慮室外的對流與輻射換熱，室外對流換熱系數(shù)按照文獻(xiàn)[8]中的方法進(jìn)行計算，室外風(fēng)速取沈陽地區(qū)冬季的平均風(fēng)速3.2 m/s[2]，計算得室外對流換熱系數(shù)為17.48 W/(m2·K)[8]；其中外墻為普通紅磚墻，外墻厚度0.38 m，鋪設(shè)了厚度為0.1 m的泡沫苯板保溫層，整個外墻的綜合密度為1 277 kg/m3，熱容比為936 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.13 W/(m·K)，外墻外表面發(fā)射率為0.9；房頂采用0.03 m厚的鋼板，并在其上鋪設(shè)厚度為0.1 m的泡沫苯板保溫層，整個房頂綜合密度為1 851 kg/m3，熱容比為1 100 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)，房頂外表面發(fā)射率為0.9；采用雙開式保溫門，保溫門的密度為1 373 kg/m3，熱容比為1 256 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m·K)，外表面發(fā)射率為0.3；窗戶為單層玻璃窗，密度為2 700 kg/m3，熱容比為840 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.78 W/(m·K)，外表面發(fā)射率為0.9。

因?yàn)檎麄€模擬區(qū)域內(nèi)溫度變化范圍為243.15～600 K，變化比較大，因此，對于模擬區(qū)域內(nèi)的流體熱參數(shù)設(shè)置采用以溫度T為變量的多項(xiàng)式表示。查表可知，在該范圍內(nèi)空氣的熱容比c基本保持不變，可設(shè)置為常數(shù)，即c=1 013 J/(kg·K)。其余參數(shù)如密度ρ(kg/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/(m·K))、動力黏性系數(shù)μ(kg/(m·s))則可根據(jù)查表數(shù)據(jù)[9-10]對溫度T與其的關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式線性擬合，擬合結(jié)果如式(1)～式(3)所示。

ρ=3.72-1.42×10-2T+2.32×10-5T2-1.38×10-8T3

(1)

λ=1.17×10-3+9.11×10-5T-2.26×10-8T2

(2)

μ=-1.88×10-6+9.17×10-8T-9.44×10-11T2+5.28×10-14T3

(3)

初始條件采用沈陽地區(qū)冬季極寒條件下的溫度，室外空氣溫度為243.15K，凈化間初始溫度為243.15K，進(jìn)氣口的空氣流速由風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定。

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所用方法對于凈化間熱環(huán)境模擬結(jié)果的可靠性。本文通過對不同風(fēng)機(jī)風(fēng)量條件下模擬區(qū)域內(nèi)溫度場的模擬，來分析風(fēng)機(jī)風(fēng)量對采暖效果的影響。

3.1不同風(fēng)機(jī)風(fēng)量下出風(fēng)口的溫度

根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019—2003)第4.6.6條規(guī)定，出風(fēng)口出風(fēng)速度一般為5～15m/s，因此在初始條件的進(jìn)氣口空氣流速的選取中，以1m/s為間隔，選取5～15m/s的進(jìn)氣速度進(jìn)行數(shù)值模擬，計算出不同風(fēng)機(jī)風(fēng)量亦即不同進(jìn)氣口空氣流速情況下出風(fēng)口熱風(fēng)的溫度。對于出風(fēng)口的溫度，本文選擇出風(fēng)口的中心點(diǎn)，即坐標(biāo)為(1.675,0,1.95)處的溫度來反映出風(fēng)口溫度，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同進(jìn)氣口空氣流速下出風(fēng)口熱風(fēng)溫度

由圖4可知，隨著進(jìn)氣口空氣流速的增大，出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度呈降低趨勢。熱風(fēng)溫度越低，采暖效果越差，但采暖效果同時還受風(fēng)量大小也就是單位時間內(nèi)送入凈化間的熱風(fēng)量影響，因此，還需要根據(jù)凈化間內(nèi)溫度場的分布來確定風(fēng)量大小對采暖效果的影響。

3.2不同風(fēng)機(jī)風(fēng)量下凈化間內(nèi)的溫度

因?yàn)楸疚目紤]的是凈化間內(nèi)濕式凈化裝置的防凍措施，所以對于凈化間內(nèi)的采暖效果，主要考慮模擬區(qū)域凈化間內(nèi)兩個濕式凈化裝置附近的溫度。對于不同進(jìn)氣口空氣流速下的溫度場，取圖5所示的A，B，C，D4個觀測點(diǎn)的溫度作為參考。

圖5　溫度觀測點(diǎn)的位置分布

觀測點(diǎn)A，B，C，D在不同進(jìn)氣口空氣流速下的溫度如圖6所示。

圖6　觀測點(diǎn)A，B，C，D在不同進(jìn)氣口空氣流速下的溫度

由圖6可以看出，隨著進(jìn)氣口空氣流速的增加，各觀測點(diǎn)的溫度大致呈上升的趨勢，但在5～9m/s這一階段溫度的增加幅度較大，9～15m/s這一階段的溫度變化基本保持不變。如前文所述，雖然進(jìn)氣口空氣流速的增加導(dǎo)致出風(fēng)口熱風(fēng)溫度不斷降低，但增加的流速也會導(dǎo)致風(fēng)量增加同時影響到采暖效果，綜合兩個原因并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在進(jìn)氣口空氣流速達(dá)到9～15m/s左右時可獲得最佳采暖效果，但過高的風(fēng)量會增加軸流風(fēng)機(jī)的能耗，不符合節(jié)能減排的要求。因此，9m/s左右的進(jìn)氣口空氣流速，可通過最低的能耗滿足最佳的采暖效果。此時凈化間的溫度分布如圖7所示?？梢钥闯?，在進(jìn)氣口空氣流速為9m/s時，凈化間內(nèi)溫度可達(dá)到277～281K，完全滿足設(shè)備防凍的采暖要求。

圖7　進(jìn)氣口空氣流速為9 m/s時凈化間內(nèi)溫度

4結(jié)語

本文采取了一種通過風(fēng)機(jī)套管利用反應(yīng)余熱進(jìn)行采暖的方法，根據(jù)CFD模擬結(jié)果預(yù)測了該技術(shù)的

可行性。由于該采暖方式為余熱利用，符合低碳環(huán)保、節(jié)能減排的要求。

隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大，凈化間內(nèi)出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度也逐漸升高。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量對應(yīng)的進(jìn)氣口空氣流速為9m/s時可獲得最佳的采暖效果，此時凈化間內(nèi)溫度可達(dá)到277～281K，滿足防凍要求。

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許開立，男，1965年生，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)安全理論、安全技術(shù)、安全評價、危險與危害的預(yù)警及監(jiān)控、生物質(zhì)能等。

Simulation Research of Biomass Gasification Double-tube Heating Influenced by Air Volume of Draught Fan

YAN FangXU KailiJIA YanqiangZHANG XiuminYAO Xiwen

(CollegeofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

AbstractFirewall of biomass gasification station will prevent heat transforming from gasification room to purification room, so wet purification devices will be frost cracking in winter and fire, explosion and poisoning accidents will be possibly caused by leakage of gas. A technology that uses draught fan and double-tube to put waste heat into purification room is proposed, in which the heating effect is made numerical simulation by CFD and the influences of air volume on heating effect are analyzed, finding out that the best heating effect can be obtained when air velocity of air inlet is 9 m/s, which makes the temperature of purification room be 277-281 K when temperature of outdoor is 243.15 K. The technology will achieve the goal of low-carbon environment and energy conservation and emission reduction.

Key Wordsbiomass gasificationdouble-tubethermal environmentCFDair volume

*基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部農(nóng)村能源專項(xiàng)(2015-36)，遼寧省自然科學(xué)基金(2013020137)。

作者簡介閆放，男，1989年生，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能、系統(tǒng)安全理論、風(fēng)險評價等。

(收稿日期：2015-08-10)