于文凡，易維明，蔡紅珍，任夏瑾，張東紅，張玉春

(1. 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；2. 山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心, 山東 淄博255049)

生物質(zhì)熱裂解(也稱熱解或裂解)是生物質(zhì)能源的一種利用形式，是生物質(zhì)在惰性氛圍下被加熱升溫引起高分子分解產(chǎn)生焦炭、可冷凝液體和氣體產(chǎn)物的過程[1-2]。目前催化熱解技術(shù)包括原位催化熱解與非原位催化熱解[3]。原位催化熱解是生物質(zhì)原材料與催化劑充分混合，通過高溫加熱生成較小分子的反應(yīng)[4]，非原位催化熱解是生物質(zhì)原材料先在高溫下生成生物質(zhì)熱解氣，然后生物質(zhì)熱解氣與催化劑混合進(jìn)一步裂解成較小的分子[5]。

固定床反應(yīng)器與流化床反應(yīng)器是現(xiàn)階段研究生物質(zhì)催化裂解應(yīng)用較為廣泛的兩種反應(yīng)器，但都存在著各自的優(yōu)缺點。固定床反應(yīng)器由于床層薄、流速低，內(nèi)部的流體可認(rèn)為理想置換流動，反應(yīng)速率較快，而且流體在反應(yīng)器內(nèi)部的停留時間與溫度的分布均可控制；但因其傳熱性能相對較差、對于細(xì)粒催化劑的利用能力較弱、催化劑的更換與再生程度差等使其應(yīng)用受到了一定的限制[6]。與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器連續(xù)操作簡單，生產(chǎn)能力強、易于放大，且其反應(yīng)器內(nèi)部的溫度及濃度分布均勻；但催化劑輸運與分離成本較高，在生物質(zhì)催化熱解中的應(yīng)用相對較少[7]。本實驗室設(shè)計了生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器，提高了催化劑的利用和再生能力，降低了其運輸與分離成本，有效增強了熱載體與生物質(zhì)粉的混合流動效果，保證了熱解產(chǎn)物與熱載體和灰分快速分離。

在對反應(yīng)器內(nèi)的流場規(guī)律研究方面，楊密等[8]利用RNGk-ε湍流模型與歐拉雙流體模型研究了入口結(jié)構(gòu)對短接觸旋流反應(yīng)器流場的影響。祝京旭等[9]采用了一種新型高效反應(yīng)器對其內(nèi)部氣固兩相的流動規(guī)律進(jìn)行了研究。王振波等[10]應(yīng)用DPM模型對短接觸旋流反應(yīng)器混合腔內(nèi)離散顆粒分布特性進(jìn)行了模擬，研究了氣固速度和濃度的散布狀況。張玉春等[11]研究了工藝參數(shù)對短接觸旋流反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動特性的影響，分析了操作參數(shù)與旋流反應(yīng)器內(nèi)顆粒濃度、流速及分布規(guī)律的關(guān)系，當(dāng)氣相速度大于基準(zhǔn)條件時，會降低反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相的混合效果，而適當(dāng)增大氣速，對反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相的均勻分布較為有利；同時，催化劑粒徑也是影響氣固混合效果的重要因素，粒徑過大將導(dǎo)致混合均勻性較差，粒徑過小會使氣固分離更加困難，因此選擇一個合適的操作條件對氣固兩相的混合與分離有著至關(guān)重要的作用。針對旋流反應(yīng)器，國內(nèi)外學(xué)者研究了入口結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)的流場影響規(guī)律，但是對操作參數(shù)的研究不夠系統(tǒng)。

本文在新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器[12]的基礎(chǔ)上，通過改變氣相入口速度、催化劑粒徑，分析新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器內(nèi)氣固兩相濃度梯度分布特性、催化劑混合分離影響規(guī)律以及反應(yīng)器內(nèi)的速度分布情況。

1 計算模型與方法

1.1 計算模型

圖1所示為新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器。空氣與催化劑分別由進(jìn)氣管10與催化劑進(jìn)料口11進(jìn)入接觸主反應(yīng)區(qū)7，在強剪切力的作用下，催化劑與空氣得到充分接觸。在導(dǎo)向葉片5的導(dǎo)流作用下，空氣與催化劑的切向速度增大，離心力得到增強，進(jìn)入反應(yīng)分離耦合區(qū)，經(jīng)強離心作用，催化劑固體顆粒分布于筒體內(nèi)表面附近，之后經(jīng)排料錐1排出反應(yīng)器，氣體由排氣管2排出。

1-排料錐；2-排氣管；3-反應(yīng)分離耦合區(qū)；4-筒體；5-導(dǎo)向葉片；6-導(dǎo)流錐；7-接觸主反應(yīng)區(qū)；8-生物質(zhì)熱解蒸汽；9-分子篩催化劑；10-進(jìn)氣管；11-催化劑進(jìn)料管圖1 反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reactor

為了更好地研究新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器的氣固分布特征，本文模型以接觸主反應(yīng)區(qū)頂點中心為坐標(biāo)原點，其中Z軸豎直向上，主要分為上半部分的接觸主反應(yīng)區(qū)與下半部分的反應(yīng)分離耦合區(qū)，計算區(qū)域如圖2所示。利用Gambit對新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格總數(shù)量為32.8萬。

圖2 反應(yīng)器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. 2 Schematic diagram of reactor grid structure

1.2 計算方法

本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε[13]湍流模型，與一方程相比，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型二方程模型，采用了兩個獨立的偏微分方程進(jìn)行求解，進(jìn)而得到湍流黏度系數(shù)。而且標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在一定程度上考慮了流體在流動過程中的湍動能傳遞和流動所起到的歷史效應(yīng)，在處理復(fù)雜流動的過程中，能夠得到較好的結(jié)果。

湍流動能方程k[14]：

(1)

擴(kuò)散方程ε：

(2)

1.3 求解方法及邊界條件

利用Fluent軟件對新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬計算，求解方程模型選用Eulerian模型，壓力與速度的耦合計算采用Phase Coupled SIMPLE算法。反應(yīng)器入口設(shè)置為均勻速度入口，出口設(shè)置為充分發(fā)展的管流條件，并設(shè)置氣固無滑移條件[15]。

1.4 參數(shù)變量設(shè)置

空氣與催化劑同時通入新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器內(nèi)，催化劑由軸向入口進(jìn)入，空氣由軸向與切向入口進(jìn)入，在軸向與切向氣流的強剪切作用下，催化劑與空氣得到充分混合碰撞，增加兩者之間的接觸效果。本文設(shè)置的統(tǒng)一參考條件為：空氣密度ρair=1.29 kg·m-3，催化劑顆粒密度ρcat=1 000 kg·m-3。

通過研究速度變量，分析利于空氣與催化劑顆粒混合分離的最優(yōu)速度值，設(shè)置催化劑粒徑dp=0.01 mm, 入口固相體積分?jǐn)?shù)e=0.1，其中速度參數(shù)變量設(shè)置如表1所示。

表1 入口速度參數(shù)
Tab.1 Inlet velocity parameters m·s-1

參數(shù)軸向入口固相速度軸向入口氣相速度切向入口氣相速度速度v1224速度v2242速度v3222速度v4244

通過控制催化劑粒徑變量，模擬得到利于新型生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器混合分離的最優(yōu)粒徑大小。設(shè)置軸向入口固相速度vs，a=2 m·s-1，軸向入口氣相速度vg，a=4 m·s-1，切向入口氣相速度vg，t=2 m·s-1，入口固相體積分?jǐn)?shù)e=0.1，并設(shè)置dp1=0.01mm,dp2=0.015 mm，dp3=0.02 mm，dp4=0.025 mm。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 實驗與模擬結(jié)果對比分析

為驗證計算方法的有效性，對空氣密度ρair=1.29 kg·m-3，催化劑顆粒密度ρcat=1000 kg·m-3，催化劑粒徑dp=0.01 mm, 入口固相體積分?jǐn)?shù)e=0.1，速度v2工況下的數(shù)值模擬計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，如圖3所示。并采用智能型七孔球探針測試儀對反應(yīng)器內(nèi)Z=-400 mm截面上的速度進(jìn)行測量，得到軸向速度va與切向速度vt值，經(jīng)分析得實驗值與模擬值的誤差在5%之內(nèi)。

圖3 Z=-400 mm截面模擬值與實驗值對比圖Fig.3 Simulation value and experimental value comparison diagram for Z=-400 mm section

2.2 反應(yīng)器內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)分布情況

圖4 Y=0 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.4 Solid holdup distribution for Y=0 mm section

圖4為Y=0 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖可以觀察到在Y=0 mm截面反應(yīng)器內(nèi)部一個總體的體積分?jǐn)?shù)分布情況。

2.2.1 入口速度對固相體積分?jǐn)?shù)的影響

入口速度變量下，Z=-400 mm截面的固相體積分?jǐn)?shù)計算模擬圖像如圖5所示。Z=-400 mm截面處為反應(yīng)器的接觸主反應(yīng)區(qū)，催化劑顆粒與空氣需要充分碰撞混合。結(jié)合圖5中(a)速度v1與圖6Z=-400 mm截面體積分?jǐn)?shù)分布云圖知，圖5(b)、5(c)兩圖的濃度梯度明顯小于圖5(a)，空氣與催化劑顆粒的混合碰撞效果較優(yōu)，圖5(c)速度v3與圖5(b)速度v2相比，圖5(c)圖更加趨近于平緩，催化劑顆粒分布較為均勻，而圖5(d)速度v4中間大部分區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)值接近于零，在強離心力的作用下，催化劑顆粒較集中于反應(yīng)器內(nèi)壁附近，氣固兩相的混合效果較差。

(b)速度v2工況

(c)速度v3工況

(d)速度v4工況圖5 Z=-400 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.5 Solid holdup distribution for Z=-400 mm section

圖6 Z=-400 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖Fig.6 Solid holdup distribution curves for Z=-400 mm section

圖7 Z=-800 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖Fig.7 Solid holdup distribution curves for Z=-800 mm section

圖7是Z=-800 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖。根據(jù)圖6中的速度v1結(jié)合圖7得，經(jīng)導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用，切向速度增大，強離心力作用增強，催化劑顆粒在離心力的作用下，大部分分布于反應(yīng)器內(nèi)壁附近，中心大部分區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)為0。由Z=-800 mm截面曲線圖可知，圖7中的速度v2體積分?jǐn)?shù)梯度要小于速度v1，根據(jù)各個速度條件下進(jìn)氣量可知，v2、v4要大于v1、v3，固相在反應(yīng)器內(nèi)的滯留時間要更短，因此體積分?jǐn)?shù)梯度要更小，分離效果較好。

2.2.2 催化劑粒徑對固相體積分?jǐn)?shù)分布的影響

催化劑粒徑變量下，Z=-400 mm截面的固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖如圖8所示。在Z=-400 mm截面，隨著顆粒粒徑的增大，固相體積分?jǐn)?shù)梯度逐漸增大，催化劑顆粒與空氣的混合碰撞程度逐漸降低。

圖8 Z=-400 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖Fig.8 Solid holdup distribution curves under Z=-400 mm section

圖9是Z=-800 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖。根據(jù)圖9中的粒徑10 μm工況得知，經(jīng)過導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用后，固相顆粒明顯分布于壁面附近。在反應(yīng)分離耦合區(qū)，15 μm、20 μm、25 μm三條曲線中間大部分的固相體積分?jǐn)?shù)為0，氣固分離效果較好，而10 μm曲線圖體積分?jǐn)?shù)梯度較小，催化劑顆粒有少部分分布于中間區(qū)域附近。

圖9 Z=-800 mm截面固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖Fig.9 Solid holdup distribution curves for Z=-800 mm section

2.3 反應(yīng)分離耦合區(qū)切向速度對比分析

2.3.1 催化劑粒徑對固體切向速度的影響

圖10是催化劑粒徑變量下Z=-800 mm截面切向速度曲線圖。Z=-800 mm截面為反應(yīng)分離耦合區(qū)，氣固兩相在此處發(fā)生分離。固體顆粒在靠近壁面附近速度達(dá)到最大值，由壁面到中心，速度逐漸減小，在中心處速度接近于0。在強離心力的狀態(tài)下，固體顆粒被分離到壁面，與空氣分離。而隨著催化劑粒徑的逐漸增大，切向速度逐漸減小，10 μm粒徑下，切向速度最大值接近4 m·s-1，25 μm粒徑下，切向速度最大值接近2 m·s-1，由向心加速度公式F=mv2/r可知，離心力受速度的影響大于重量的影響，因此在速度較大的情況下離心力更大，更有利于固體顆粒與空氣的分離。在四種固體顆粒中，10 μm狀態(tài)下，固體顆粒與空氣的分離效果最好。

圖10 Z=-800 mm截面切向速度曲線圖Fig.10 Tangential velocity curve for Z=-800 mm section

2.3.2 入口速度對固體切向速度的影響

圖11是入口速度變量下Z=-800 mm截面切向速度曲線圖。在入口處固體顆粒速度均為2 m·s-1，對Z=-800 mm截面的固體顆粒速度無影響，僅有入口氣速對固體顆粒速度產(chǎn)生影響。四種工況下，在Z=-800 mm截面速度為v4>v1>v2>v3,v4工況下的軸向與切向入口氣速均為四種工況下的最大值,在反應(yīng)分離耦合區(qū)切向速度同樣為最大值,而v1工況為軸向2 m·s-1、切向4 m·s-1狀態(tài)下的曲線圖，由于切向進(jìn)口直徑為40 mm，氣體流量較大，在Z=-800 mm截面速度明顯大于v2、v3工況，考慮到氣固兩相在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，v4工況下軸向速度較大。因此，v1工況更有利于氣固兩相的混合分離。

圖11 Z=-800 mm截面切向速度曲線圖Fig.11 Tangential velocity curve for Z=-800 mm section

3 結(jié)論

1)保持氣固相入口速度不變，采用智能型七孔球探針測試儀對Z=-400 mm截面軸向與切向速度進(jìn)行測量，與實驗結(jié)果大致相同，證明本文所采用的數(shù)值模擬方法可以預(yù)測生物質(zhì)催化裂解旋流反應(yīng)器的流動特性。

2)在速度變量下，軸向氣相速度的改變對反應(yīng)器內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)分布影響較小，而切向氣相速度的改變對其影響較大。通過改變催化劑粒徑得出，在接觸主反應(yīng)區(qū)，dp=10 μm時，混合程度最優(yōu)，而在反應(yīng)分離耦合區(qū)內(nèi)，四種顆粒粒徑的改變對分離效果無顯著影響，綜合分析得出dp=10 μm左右時，混合分離效果最佳。

3) 四種催化劑粒徑工況下，粒徑10 μm狀態(tài)更有利于氣固兩相的分離；入口速度改變時，較大的切向入口速度對應(yīng)較大的氣體流量，加速反應(yīng)器內(nèi)的氣固流動，可以提升氣固分離效果。