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卧式搅拌床内生物质颗粒的轴向混合与停留时间

来源: china-nengyuan.com   更新时间:2019-01-10 10:23:57    

刘贤东,奚英涛,由长福

(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)

  摘要:采用离散单元法(DEM)模拟卧式搅拌床内非球形大颗粒流动过程并进行实验检验。对颗粒流场进行分析,讨论颗粒性质和结构参数对颗粒流动行为的影响。结果表明:轴向扩散系数随颗粒尺寸、反应器尺寸的增大以及叶片与壁面间隙的减小而增大。挡板高度增大时,轴向扩散系数先增大后减小。平均停留时间随颗粒尺寸的减小,反应器直径、挡板高度的增大以及叶片与壁面间隙的增大而增大。停留时间相对方差则随颗粒尺寸、反应器直径、挡板高度的增大以及叶片与壁面间隙的减小而增大。材料的颗粒密度对于卧式搅拌床内轴向混合及停留时间分布并无显著影响。

  0引言

  生物质热解技术逐渐成为发展和利用生物质能的一个重要方向,反应器的结构与操作条件对热解过程具有重要影响。其中卧式搅拌床对于具有不同尺寸和性质的生物质颗粒具有广泛的适应性,并且可以降低生物质物料的前处理成本、扩大原料种类的选择范围。作为一种生物质定向热解的重要反应装置,其内部颗粒轴向混合程度与颗粒停留时间分布对热解产物的调控具有重要影响。轴向扩散模型是用于模拟各类非理想反应器内颗粒流动及混合行为最常用的模型之一。该模型中轴向扩散系数可很好地反映出反应器内颗粒轴向混合的强度。随后,Sherritt等研究了回转圆筒中相对速度、反应器尺寸、颗粒尺寸以及物料填充料与轴向扩散系数的关系式。Laurent等副采用PEPT技术测量卧式搅拌床混合器内的颗粒轴向扩散系数,研究了叶片数量、填充率和叶片角度与轴向扩散系数之间的关系。

  对于颗粒停留时间分布的测量是研究反应器内颗粒流动行为的重要方法。颗粒停留时间分布也是影响反应转化率的重要因素。大部分关于反应器中颗粒停留时间分布的实验研究都采用脉冲示踪法。Portillo等将正电子发射追踪技术(PEPT)应用到卧式搅拌混合器颗粒停留时间的测量上,通过与脉冲示踪法的实验结果比较并发现2种方法获得的停留时间分布规律一致。先前的研究工作关注了给料速度”、搅拌器转速”、叶片数量和叶片角度、搅拌床仰角对颗粒停留时间分布的影响,但均缺少对卧式搅拌床内颗粒流动行为的影响因素的全面考察。本文用DEM方法研究反应器内部的生物质颗粒流场,以及颗粒性质(颗粒尺寸和颗粒密度)和结构参数(反应器直径、出口挡板高度和叶片与壁面间隙)对颗粒流动行为的影响,尤其关注颗粒流动行为用轴向扩散系数、平均停留时间(MRT)和停留时间相对方差(σ20)来描述的变化规律。

  1实验方法和数学模型

  本文所研究的反应器结构如图1所示。反应器外壳是长度为1200mm,直径为500mm的不锈钢圆筒,装有矩形桨叶的搅拌轴偏心布置于反应器中心下方40mm处。本实验设计高度为250mm,转速可在0~33r/min之间无级调节。搅拌器由10组叶片组成,叶片角度为0°,可通过脉冲示踪法获得轴向扩散系数、平均停留时间和停留时间相对方差。

  离散单元法(DEM)方法被广泛用于颗粒堆积、漏斗流、颗粒混合、流态化及气力输送等颗粒系统的模拟中。本文采用DEM方法中的软球模型描述颗粒碰撞过程,过程被简化为弹簧振子的阻尼振动。本文采用球面簇方法构造非球形颗粒的形状,即通过按照一定的相对位置排列的若干个相互重叠的球面定义颗粒的外轮廓。图2显示了本文采用9个球面构造的正方体颗粒模型,本文中模拟的颗粒形状都采用该方式构造。

  2 DEM模拟结果与实验结果的对比

  本节通过DEM模拟结果与实验结果的比较,考察DEM方法对卧式搅拌床内非球形生物质大颗粒流动过程模拟的适用性。表1为本节计算中所用到的模拟参数。

  对不同搅拌轴转速n条件下,轴向扩散系数、MRT和σ20的模拟结果和实验结果进行比较,结果如图3所示。在所计算的搅拌轴转速(也是实际工程应用的转速范围)条什下,这3个参数的模拟结果与实验结果变化趋势基本一致,在定量上存在一定偏差。引起该偏差的原因主要在于生物质颗粒物性参数的计算值与实际颗粒存在一定差异,诸如实际过程中生物质颗粒难以做到单一粒径,且颗粒表面粗糙度不均匀。此外,计算参数的选取与实际存在一定差异也是造成该偏差的原因之一。

  3颗粒流动行为的模拟研究

  3.1模拟条件

  表2列出了本节计算所用的模拟条件。本节从颗粒性质及反应器结构参数2个方面着手,考察卧式搅拌床内颗粒流动过程的影响因素。考虑到不同种类、来源的生物质物料在尺寸及密度等颗粒性质方面的差异。表2中颗粒尺寸表示正方体颗粒模型的边长。结构参数方面,主要考察反应器直径、挡板高度以及叶片与壁面间隙的影响规律。

  3.2结果与讨论

  3.2.1卧式搅拌床内的颗粒运动

  图4展示了搅拌床内纵截面上颗粒的速度流场分布情况。卧式搅拌床内引起颗粒混合的因素主要有3个,分别是“颗粒真空区”的形成与填补、料床表面的颗粒随机滚落运动以及自由颗粒的抛体运动。“颗粒真空区”是指由于叶片运动过程中,叶片前方颗粒受叶片作用产生切向位移并在紧靠叶片后方的小区域内产生一个料床内部颗粒填充率近似为零的区域;料床表面颗粒的随机滚落运动是指当叶片运动时料床表面处的颗粒逐渐被抬升并向叶片两侧做随机滚落运动;自由颗粒的抛体运动是指叶片在离开料床表面时部分颗粒被抛出并做抛体运动。

  在一个搅拌周期内,根据主导颗粒间混合的因素可将任意一级叶片附近的颗粒运动分为4个阶段,表3列出了每个阶段的起讫时间以及引起颗粒混合的主导因素。

  3.2.2颗粒性质的影响

  图5显示了颗粒性质(颗粒尺寸和颗粒密度)对轴向扩散系数、MRT和σ20的影响。当颗粒尺寸从10mm增至15mm时,轴向扩散系数从4.83×10-5增大到7.09×10-5,增加了47%;而当颗粒尺寸进一步增大到20mm时,轴向扩散系数只比15mm时增加了17%。MRT随颗粒尺寸的增大而减少,这是由床内持料量减小引起的,这也意味着颗粒的轴向净流动速度增加。然而由于轴向扩散系数增长速度更快,导致σ20随颗粒尺寸的增大而增加。当颗粒密度从240kg/m3增至460kg/m3,轴向扩散系数变化率不到1%,MRT和σ20也无明显变化。这是因为气固作用力在计算中可以忽略,所以密度对于卧式搅拌床内颗粒流动过程无显著影响。

  3.2.3结构参数的影响

  图6显示了结构参数(反应器直径、出口挡板高度和叶片与壁面间隙)对轴向扩散系数、MRT和σ20的影响。在其他参数不变的条件下,反应器直径从0.3m增至0.5m,对应的轴向扩散系数增加了40%。这是因为叶片转动的平均线速度随叶片长度的增大而增加,导致叶片对料床的搅拌作用增强。MRT也增加了100%,这是由于持料量增大引起的。同时σ20增大了1.94倍,这是由于颗粒间轴向混合增加以及轴向净流动速度降低的同时作用。而轴向扩散系数随挡板高度的增大先增大后减小,最大变化仅为14%。而挡板高度的增大显然会增加持料量,进而导致MRT和σ20的增加。如图6b所示,对于内径0.3m的卧式搅拌床,当挡板高度由0.10m增至0.20m时,MRT增加了88%,σ20增加了90%。

  在叶片与壁面间隙内,搅拌作用只能通过颗粒间作用力传递到位于间隙内的颗粒,导致该区域内颗粒间混合弱于叶片运动经过的区域。因此,轴向扩散系数随叶片与壁面间隙的增大而减小。当叶片与壁面间隙η从10mm升高至30mm时,轴向扩散系数减小了48%。得益于轴向混合的减弱,随着叶片与壁面从10mn增至30mm,MRT从0.081h增至0.113h,增加了39%;与之相反,σ20逐渐降低。

  4结论

  本文采用DEM方法模拟了卧式搅拌床内非球形生物质颗粒的流动过程,获取了反应器结构参数以及颗粒性质等条件对于颗粒流动与混合行为、停留时间分布以及多尺寸颗粒系统中颗粒分离的影响规律。得到主要结论如下:

  1)通过流场分析,卧式搅拌床内引起颗粒间混合的因素主要是“颗粒真空区”的形成与填补、料床表面的颗粒随机滚落运动以及自由颗粒的抛体运动。在一个搅拌周期内,颗粒混合过程可分为4个阶段,每个阶段内颗粒混合的主导因素不同。

  2)单一尺寸颗粒组分的卧式搅拌床内颗粒流动过程的DEM模拟结果显示,对于相同原料的生物质颗粒,相比于颗粒尺寸,颗粒密度对于流动过程无显著影响。而颗粒尺寸的增大会导致轴向扩散系数、σ20的增大和MRT的减小。对于结构参数:反应器尺寸的增大以及叶片与壁面间隙的减小会导致轴向扩散系数的增大,而挡板高度的增大会使其先增大后减小。反应器直径、挡板高度以及叶片与壁面间隙的增大会导致MRT增大。反应器直径、挡板高度的增大以及叶片与壁面间隙的减小会导致σ20的增大。

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