摘要： 在農(nóng)作物秸稈的流化床燃燒發(fā)電應用中，秸稈顆粒在床內(nèi)的氣、固兩相流動特性會對燃燒、積灰情況等產(chǎn)生影響。該文采用ANSYS FLUENT軟件對秸稈顆粒在流化床內(nèi)的流化特性進行數(shù)值模擬，分析顆粒直徑對最小流化速度的影響，得到了隨直徑變化的最小流化風速特性。模擬結(jié)果能夠為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設計和運行提供指導。

關鍵詞：流化床；秸稈顆粒；流化特性；數(shù)值模擬

周文平. 秸稈顆粒流化特性的數(shù)值模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術，2017，37（26）：23-24.

在農(nóng)作物秸稈的綜合利用中，流化床燃燒發(fā)電由于獨特的優(yōu)點而具有較好的應用前景[1-2]。但相對于傳統(tǒng)的煤粉流化床發(fā)電，農(nóng)作物秸稈燃料具有密度較小、粉碎效果較差、質(zhì)地較疏松等特有的性質(zhì)[3]，在實際利用過程中容易導致顆粒在流化床內(nèi)流化失敗，引起嚴重的后果。

引發(fā)流化失敗的主要原因是入口流化風對秸稈顆粒的曳力不足以克服顆粒重力及相對運動阻力[4]。對曳力及顆粒間的運動阻力的模擬非常關鍵。本文采用商用軟件ANSYS FLUENT，對秸稈顆粒在流化床內(nèi)的流化特性進行數(shù)值模擬，分析顆粒直徑對最小流化速度的影響，為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設計和運行提供指導。

1 計算模型

由于氣固相間沒有質(zhì)量的交換，因此可將顆粒相看作一種假想的連續(xù)介質(zhì)，使其也具備與氣相相似的動力學特性，從而可用連續(xù)方程及動量方程描述顆粒的運動[5]。

1.1 控制方程

連續(xù)方程為：

其中，下標g表示氣相，s表示固相，ρ是密度，α是相體積分數(shù)，V是相的速度矢量。

動量方程為：

其中，G為重力加速度，p為壓力，τ為應力張量。β為氣-固相間的曳力系數(shù)。在雙流體模型中，曳力模型的選取對數(shù)值模擬的正確性有重要的影響。相對于其他曳力模型，Syamlal-OBrien模型[6]更適合于氣固流化床顆粒的計算，因此本文曳力系數(shù)β的計算選取Syamlal-OBrien模型。

1.2 數(shù)值模擬方法

對某長為200 mm，寬為200 mm，高為400 mm的流化床[7]內(nèi)秸稈顆粒的流動特性進行模擬。

首先進行網(wǎng)格劃分。本文采用ICEM-CFD軟件對流化床進行網(wǎng)格劃分，并將流化床的底部設為進口速度邊界，頂部設為出口壓力邊界，其余壁面為無滑移壁面邊界，如圖1所示。

數(shù)值計算時，湍流模型采用標準 模型，速度和壓力耦合采用PC-SIMPLE算法，體積分數(shù)方程采用QUICK格式，其余方程采用二階迎風格式。模擬過程為：先在床內(nèi)隨機生成60000個顆粒，在只考慮顆粒重力和碰撞力的作用下使其自由落體，從而確定床內(nèi)顆粒的初始位置。模擬的時間步長為0.001 s，每個時間步長的最大迭代次數(shù)為15。

2 流化特性分析

對流化床內(nèi)填充不同直徑的秸稈顆粒時，床內(nèi)顆粒的流動進行模擬分析。

圖2為流化床床層壓降（即進口壓力與出口壓力之差）隨入流風速及秸稈顆粒直徑的變化曲線。從圖中可以看出，當流化床內(nèi)填充某一直徑的顆粒時，入流風速較小的時候，床內(nèi)秸稈顆?；咎幱陟o止或運動較小的狀態(tài)，此時的床層屬于固定床；若增加入流風速，則床層壓降會逐漸增加。且從圖中可以看出，床層壓降的增加與入流風速的增加兩者呈現(xiàn)近似正比的關系。隨著入流風速繼續(xù)增加，達到某一風速后，床層壓降不再變化，這一風速被稱為最小流化速度。

對比不同直徑的顆粒間的流化特性可以發(fā)現(xiàn)，在入流風速未達到最小流化速度前，床層壓降隨顆粒的直徑增加而降低；當入流風速達到最小流化風速后，壓降不再隨顆粒直徑的變化而變化，始終處于約475 Pa左右的壓差。

3 結(jié)論

采用商用軟件ANSYS FLUENT對農(nóng)作物秸稈顆粒的直徑對顆粒在流化床內(nèi)的流化特性的影響進行分析計算，得到了一些有意義的結(jié)論。本文的分析能夠為秸稈流化床鍋爐的優(yōu)化設計和運行提供指導。

參考文獻

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