油頁巖氣體熱載體干餾爐內(nèi)溫度分布的模擬及驗(yàn)證.pdf

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1、第43卷第5期化工機(jī)械665油頁巖氣體熱載體干餾爐內(nèi)溫度分布的模擬及驗(yàn)證+柏靜儒料馮妍辛思諭張偉王擎秦宏(東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程中心)擒要對直徑400ram、高1089mm、包括中心送風(fēng)和邊壁送風(fēng)的氣體熱栽體于餾爐采用CFD—Fluent方法進(jìn)行仿真。模擬油頁巖在爐內(nèi)干餾過程中的溫度場。由于物料堆積阻礙流動(dòng)和傳熱．因此將區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)模型。并通過對不同流動(dòng)模型(層流模型與湍流模型)和不同邊界條件(中心送風(fēng)裝置壁面恒熱流與恒壁溫)的對比。確定最佳設(shè)置。由最終模擬結(jié)果可以看出溫度在縱向與橫向具有遞減性，流動(dòng)模型不同，溫度滲透不同；邊界條件不同，反應(yīng)進(jìn)行與溫度

2、均勻性表達(dá)不同，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)層流模型下中心管恒熱流邊界條件與實(shí)驗(yàn)更相似相符。關(guān)鍵詞干餾爐油頁巖固定床Fluent多孔介質(zhì)中圖分類號TQ054文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2016)05-0665-07油頁巖作為石油的替代能源，就是將低能量密度的頁巖轉(zhuǎn)變成高品位能源。解決這一問題的核心是油頁巖干餾，目前對油頁巖干餾的研究都通過實(shí)驗(yàn)與模擬的方法進(jìn)行。秦宏等對油頁巖氣體熱載體干餾爐內(nèi)溫度分布和布?xì)夥绞綄囟鹊挠绊懙冗M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出干餾段溫度高并且中心與邊壁聯(lián)合進(jìn)氣使溫度分布較均勻等結(jié)論，卻不能直觀反映整體的溫度分布與影響程度¨。]。范賢振等借助Flue

3、nt軟件模擬了200MW四角切向燃燒煤粉爐爐內(nèi)的燃燒過程H1，鄧中乙等利用Fluent軟件對加壓噴動(dòng)流化床煤氣化進(jìn)行了模擬"o。Fluent軟件作為目前功能全面、適用性廣的CFD軟件之一，不僅可以解決化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)方面的實(shí)際問題，還能直觀、整體地反映爐內(nèi)流動(dòng)、溫度、壓力及生成物濃度等的分布。因此筆者基于Fluent軟件，建立油頁巖熱解的熱解動(dòng)力學(xué)模型，探討在不同流動(dòng)模型和邊界條件下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最相符的設(shè)置，為優(yōu)化油頁巖熱解提供模擬基礎(chǔ)。1幾何模型筆者研究的是基于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)爐體?，爐體結(jié)構(gòu)如圖l所示，爐體由上至下依次分為干燥段、干餾段、冷卻段和出焦段。爐內(nèi)進(jìn)氣分為邊壁進(jìn)氣和中

4、心進(jìn)氣(圖2)，其中，中心管上有4根布?xì)鈣吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140204004SF)。t·柏靜儒，女，1973年6月生，教授。吉林省吉林市，132012。圖l爐體結(jié)構(gòu)666化工機(jī)械2016年管，呈十字形，每根布?xì)夤苌显趦蓚?cè)斜向下45。位置交錯(cuò)布置5個(gè)直徑5mm的圓孔；在中心管四臂橫截平面上爐體外圍設(shè)有一層邊壁進(jìn)氣，在爐體內(nèi)壁沿圓周分為4個(gè)象限，每部分在45。角上布置3個(gè)直徑5mm的圓孑L，相鄰孔夾角為16。。也K氣、1I翰℃^_——一日渺b．邊壁迸氣圖2進(jìn)氣方式示意圖根據(jù)干餾爐實(shí)際尺寸建立幾何模型，并采用Gambit劃分網(wǎng)格(圖3)。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相

5、結(jié)合，進(jìn)氣孔處的網(wǎng)格都進(jìn)行局部加密，共計(jì)112875個(gè)網(wǎng)格。根據(jù)爐體填料位置和物料在干餾爐的堆積特性，將模擬體域分為兩個(gè)部分，上部(圖1中爐頂至n一口線)為氣流區(qū)域，下部(圖l中口．cf線至護(hù)底1為多孔介質(zhì)區(qū)域格劃分為了測量工作時(shí)干餾爐內(nèi)堆積體各區(qū)域的溫度參數(shù)，在爐體內(nèi)部安裝了多個(gè)溫度傳感器，這些傳感器是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的K型熱電偶。由于干餾段溫度是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果最主要的因素，所以大部分熱電偶集中布置在干餾段。爐內(nèi)5個(gè)高度每個(gè)高度有3個(gè)溫度測點(diǎn)，共15個(gè)，分布在堆積區(qū)域內(nèi)，按與爐心的距離將測點(diǎn)分為A、B、C3組，測點(diǎn)位置和測點(diǎn)溫度值見表l。表1實(shí)驗(yàn)中各測點(diǎn)和測點(diǎn)溫度惑一0．080．

6、070．16O．300．45弋＼距爐中心線距離／裔、＼0．06(A組)492．8562．4602．9574．5568．70．12(B組)466．9550．1596．5565．0541．30．18(C組)421．2518．4590．7561．4498．22數(shù)學(xué)模型為合理地簡化計(jì)算，更方便地應(yīng)用Fluent軟件模擬爐內(nèi)的溫度分布，給出以下假設(shè)：熱解進(jìn)行到一定程度時(shí)，干餾爐處于穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)不隨時(shí)間改變；堆積的頁巖為各向均勻的多孔介質(zhì)，邊壁處的空隙率無變化；內(nèi)部與爐邊壁間的換熱完全為對流換熱，各壁面換熱系數(shù)分別給予某定值。由于油頁巖在干餾爐內(nèi)的堆積特性，因此將油頁巖區(qū)域設(shè)為多

7、孑L介質(zhì)區(qū)域，并對多孔介質(zhì)模型下物料反應(yīng)對溫度分布的影響進(jìn)行UDF編程，熱載氣流動(dòng)采用層流模型，整個(gè)爐體場內(nèi)為導(dǎo)熱模型。氣體熱載體在整個(gè)多孔介質(zhì)腔道內(nèi)為湍流的流動(dòng)方式，而從兩粒油頁巖穿過的角度看流動(dòng)偏向?qū)恿?，因此，筆者采用層流模型與湍流模型對比的方法確定最佳模型設(shè)置。2．1基本方程油頁巖熱解的CFD模型包含對流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程的描述，基本方程包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量的守恒方程，分別為：警+蘭(肚)=

8、s。(1)afa石．u‘’‘掣+掣掣：一罷+誓+Pgi堪(2)■礦+—i-2一贏+瓦+¨·¨’÷[印f日+(1一占)p。E