油頁巖氣體熱載體干餾爐冷態速度場模擬及優化

柏靜儒，劉卓卓,2，孫燦輝 ，徐向明，劉 斌

(1.東北電力大學 油頁巖綜合利用教育部工程中心，吉林 吉林 132012；2.中國農業銀行萊州市支行，山東 萊州 261441；3.撫順礦業集團有限責任公司 頁巖煉油勝利實驗廠，遼寧 撫順 113001)

作為石油的替代能源，油頁巖能夠從地能量密度的頁巖轉變成高品位的能量，解決這一問題的核心是油頁巖干餾[1～2].模擬方法是研究油頁巖干餾煉油技術的一個非常重要的手段，通常采用Aspen plus軟件對油頁巖干餾系統的研究[3～5]，而對干餾爐結構的研究通?？梢圆捎玫氖荈luent軟件。

油頁巖干餾熱態試驗研究表明，油頁巖其他熱載體干餾爐內的布氣方式影響爐內的溫度分布和爐內壓力梯度[6～7]，冷態試驗結果表明，不同結構的布氣方式會對爐內布氣均勻性產生一定的影響[8].雖然國內外學者做了大量的有關于干餾爐數值模擬方面的研究，但Fluent具體到干餾問題中，特別是冷態干餾，目前研究的不多，但煤、生物質等能源的燃燒和氣化模擬有一些先例[9～11]，為干餾爐內的速度場與壓力場模擬提供了理論依據.從工業分析和元素分析來看，油頁巖和生物質有很大的區別，即使和煤有很大相似之處，在研究中也不能完全按照煤和生物質氣化方法來進行，干餾爐爐型不同，配風方式也不同，而且國外大多是對爐子的溫度分布做了模擬計算，對冷態模擬比較少[13～14].隨著油頁巖干餾爐的大型化，油頁巖干餾實驗成本有所提高，同時降低了反復實驗的可行性，并且熱態實驗時溫度較高，工作人員的安全也無法得到保證.因此，對干餾爐的冷態模擬研究也變得十分重要.

本研究針對上述問題，對油頁巖氣體熱載干餾爐進行冷態模擬，研究不同布氣方式下的速度分布，并根據反映出的流場情況對干餾爐進行結構優化，以確定布氣更加均勻的爐型，并為干餾爐熱態模擬分析提供依據.

Fluent軟件是目前功能全面、適用性廣的CFD軟件之一，不僅可以解決化學反應和流動方面的實際問題，還直觀的、整體的反映爐內的流動、壓力、速度等的分布情況，因而采用Fluent軟件對油頁巖干餾進行模擬研究.

1 幾何模型

本文研究模擬是基于等比例縮小的干餾爐干餾段[8]，爐體結構如圖1所示，干餾段為立式圓柱體，總高2.792 m，半徑R=1.6 m.干餾爐布氣方式采用中心進氣，氣體經中心進氣管進入爐內，由沿圓周方向均勻分布的四層布氣管噴入干餾爐內.布氣器分為4層，每層8根布氣管.布氣管截面為菱形，向下傾斜角度為10°，如圖2所示，分別在每根布氣管的兩側斜向下45°的面上布置若干個布氣孔，每面十個布氣孔，總計640個.

因干餾爐本身結構較復雜，布氣孔較多，且進氣管初始段沒有通入干餾段，為方便而準確的進行數值模擬，對干餾爐進行簡化處理，建模時省去了該段進氣管.根據干餾爐干餾段實際尺寸在Gambit中建立幾何模型，并劃分網格，如圖3所示.網格為結構化與非結構化網格相結合，進氣孔處的網格都進行局部加密，共計1 849 526個網格.

根據爐體填料位置及物料在干餾爐的堆積特性，將模擬體域分為兩個部分，上部(圖1中2 000 mm處至頂部)為氣流區域，下部(圖1中2 000 mm處至干餾段底部)為多孔介質區域.

圖1 爐體結構 圖2 中心進氣 圖3 網格劃分

速度測點布置:以中心進氣管上的第四層布氣管為基準面，在距離基準面上方200 mm的截面處的外筒壁上開孔，測點分布如圖2所示，在布氣管正上方和兩根布氣管夾角中間分別開孔，共開8個孔，用熱式風速儀分別通過8個開孔沿截面半徑方向測量爐內速度，測點位置為沿半徑方向測點坐標分別為0 mm、252.98 mm、357.78 mm、438.18 mm、505.96 mm、565.69 mm、619.68 mm、669.33 mm、715.54 mm、758.95 mm.

2 數學模型

本研究采用Fluent 6.3軟件建立干餾爐冷態模型，為合理地簡化計算，更方便地應用Fluent軟件模擬爐內的流場分布，現給出以下假設：(1)干餾進行到一定程度，干餾爐處于穩定狀態，各參數不隨時間改變；(2)堆積的頁巖為各向均勻的多孔介質，爐內各處的空隙率無變化.

由于油頁巖在干餾爐內的堆積特性，將油頁巖區域設為多孔介質區域[15].滿料時，塊狀頁巖之間空隙不均勻，空氣進入干餾爐后運動不規則，每一點的速度隨機變化著，氣體在整個多孔介質腔道內流動狀態是湍流.因此，本文采用標準Realizablek-ε湍流模型來模擬干餾爐內的流場分布.

2.1 基本方程

油頁巖熱解的CFD模型包含對流動、傳熱傳質以及化學反應過程的描述，其基本方程包括質量、動量、能量的守恒方程[16]；但是本文僅對冷態時，即通入的氣體熱載體為常溫空氣時，進行速度場與壓力場的分析，不涉及溫度的變化，因此只考慮流動過程.干餾爐內的氣體流動由質量守恒方程和動量守恒方程來描述.連續性方程的一般形式為

(1)

式中：Sm為源項.

動量方程在慣性坐標系中i方向上的動量守恒方程為

(2)

式中：p為靜壓；τij為應力張量；gi、Si為i方向上的重力體積力和外部體積力，Si包含了模型的相關源項.

2.2 邊界和初始條件

多孔介質模型中有粘性阻力和慣性阻力的設定，其中粘性阻力和慣性阻力分別用下式[13]計算：

(3)

(4)

式中：1/η為黏性阻力系數；C2為慣性阻力系數；ε為多孔介質的孔隙率；dp為等比表面積直徑；A=150；B=1.75.根據原料堆積特性確定空隙率為0.4，根據油頁巖自身密度計算得出其當量直徑為20 mm.

將布氣孔設置為速度入口(Velocity Inlet)，爐內微負壓出口為自然出流(Outflow)，入口速度根據總進氣流量與進氣孔面積、個數可以確定[17].當進氣量為5 378 m3/h時，其對應的兩層布氣速度為41.2 m/s，四層滿料的入口速度為20.6 m/s，溫度為300 K，工作壓力為101 325 Pa，各壁面均為無滑移.

3 模型驗證

圖4 半徑1和半徑2處實驗值與模擬值的對比曲線

本研究對半徑為438.18 mm和669.33 mm的八個開孔點的模擬結果與實驗結果進行了比較，如圖4所示.由圖4可知，實驗值略低于模擬值，這是由于實驗時存在漏氣等密閉性問題，但在誤差允許范圍內，半徑438.18 mm和669.33 mm(分別記為半徑1和半徑2)的八個開孔測點的速度的實驗結果和模擬結果在一定程度上比較吻合，由此可以看出本文選取的k-ε湍流模型可以對氣體熱載體油頁巖干餾爐的冷態情況進行模擬預測.

4 結果分析

4.1 不同布氣方式下的速度分布

為了更好的確定干餾爐的最佳布氣方式，本研究采用兩層布氣與四層布氣進行對比，用Gambit建立了二層布氣方式的干餾爐物理模型，與四層布氣方式的干餾爐模型唯一不同的是布氣的層數，然后通過Fluent數值模擬計算.

兩層布氣和四層布氣方式下不同截面的速度分布云圖，如圖5和圖6所示.由圖5(a)和圖6(a)中x=0 mm截面的速度分布云圖可知，無論是哪種布氣方式，速度分布大致為：由于接近進氣口，在中心進氣管各分支的下方，氣體流速較快，并且速度由進氣口向爐頂遞減，但是減小的過程不是很均勻，且爐內速度基本呈軸對稱分布.與四層布氣相比，兩層布氣時兩層布氣管間低速區域明顯較大，速度偏小，這是因為料層厚度大，氣體向上穿透油頁巖時受到頁巖的阻擋速度降低，同時降低的速度又得不到及時的補充，將直接影響熱態時的干餾效率.

圖5(b)和圖6(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖，即布氣管所在的截面，對比二者發現，速度由中心向邊壁處先增大后減小再增大，在相鄰布氣管之間都出現藍色的速度較小區域，這是因為布氣孔是在布氣管的兩側斜向下45°的面上，速度斜向下垂直射入，在縱向上有很大分量，并且氣流間擾動比較強烈；但圖6(b)中四層布氣的低速區域面積相對較大，四層布氣的布氣管間距小，相鄰兩層布氣管間的氣流相互影響的結果.可是四層布氣的截面平均流速比兩層布氣要大，并且速度分布的更加均勻.由圖5(c)和圖6(c)中z=590 mm截面的速度分布也可以得到證實，四層布氣中z=590 mm截面的氣體速度雖然由于物料顆粒的阻力有能量損失，不如截面z=400 mm的速度大，但仍然分布得比兩層布氣更加均勻，速度分布的越均勻將越有利于油頁巖干餾.

由此可見，四層布氣比兩層布氣更加均勻，更加有利于油頁巖干餾.

圖6 四層布氣下不同截面的速度分布

4.2 結構優化后的速度分布

雖然四層布氣方式有其較大的優越性，但仍然沒有避免與二層共有的缺陷，并且同層的相鄰布氣管間存在速度極小的區域，為了改善這種趨勢，將四層布氣的干餾爐結構進行改造，改變沿著半徑方向上的布氣孔間距，開孔數量和孔徑大小仍然不變，改造后的模型數值模擬計算結果如圖7所示.

對比圖6(a)和圖7(a)中x=0 mm截面的速度分布發現，優化后最底層布氣管下方的速度幾乎擴展到爐體底部，且上方的氣流區域速度也有所增加；對比圖6(b)和圖7(b)中z=400 mm截面的速度分布云圖可見優化以后，同層布氣管相鄰分支之間的低速區域明顯減小，高速區域增加，截面平均速度有所增大，且速度分布相對均勻，尤其表現在截面z=590 mm上的速度分布.

綜合優化后三個截面的速度云圖可見，速度分布要比優化前對應的三個截面速度分布更為均勻，均勻性的提高將有利于油頁巖的干餾，提高干餾效率.

圖7 優化后不同截面的速度分布

5 結 論

(1)模擬結果與實驗結果比較吻合，k-ε湍流模型和多孔介質模型結合的研究方法可以計算氣體熱載體干餾爐內的速度場，為后期的實驗提供了理論指導.

(2)由云圖分析得到干餾爐四層布氣比二層布氣更為合理，截面平均速度大，分布更為均勻，有助于提高干餾效率.

(3)半徑方向上適當的改變孔間距，在中心進氣管上合理的開孔，可以明顯改善爐內氣體分布，使得四層布氣方式更為優越，有助于提高干餾爐內反應效率，對以后干餾爐的改造提供了理論依據.