王娜娜，张玉春，易维明，柏雪源, 王 祥

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255049)

竖直下降管内生物质半焦颗粒运动规律的研究

王娜娜，张玉春，易维明，柏雪源, 王 祥

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255049)

在一套透明冷态玻璃实验装置上利用粒子图像测速技术(PIV)对竖直下降管内生物质半焦颗粒的运动规律进行研究.实验在自由端和抽气两种工况下进行，结果表明，在h≥750mm时，管道内的生物质半焦的速度比较稳定.自由端时，轴向速度沿着径向呈类似抛物线分布；抽气时，颗粒的速度在轴向X=10～50mm范围内，稳定在1.2 m/s左右.利用数值计算方法对管道内颗粒的速度分布进行模拟，在抽气状态下，对h=750 mm，h=1 050 mm这两个截面实验和模拟结果进行的对比表明，模拟结果在数值量级以及变化趋势方面与实验结果吻合度较好，能够起到较好的预测作用.

生物质半焦；两相流；PIV；速度场；数值模拟

生物质裂解液化技术是一种典型的生物质废弃物处理和利用技术.其核心是在常压、中温(500～650℃)、超高加热速率 (104～105℃/s )、超短产物停留时间(小于2s)的条件下直接将生物质热裂解，制取生物油，这一技术受到了世界各国的重视.针对生物质快速裂解液化技术的反应模式，许多学者已经研究出多种类型的反应器结构，如流化床反应器[1-2]、涡旋反应器[3-4]、旋转锥壳反应器[5]、下降管式反应器[6-7]等.

山东理工大学开发的下降管式热解液化装置是国内具有自主知识产权的反应器.具有不需要使用气体热载体、液体燃料的收集率高等特点.在反应器内，加热的陶瓷球通过对流、导热、辐射与生物质粉进行热量交换，使其发生热裂解.因为颗粒在反应管内的流动形式、混合等方面会影响传热，所以研究下降管内颗粒的运动规律是非常重要的.由于生物质粉与热陶瓷球发生热交换后主要以半焦的形式在管内流动，所以本实验研究的物料选用生物质半焦.

粒子图像测速技术(Particle Image Velocietry,PIV)利用激光技术照亮流场，通过高速CCD相机获得流场图像，对所采集的流场图像利用互相关分析以获取流场信息.PIV技术是一种先进的非接触式、全流场、瞬时、高精度速度场测量技术，其应用非常广泛，许多学者已经利用PIV技术对流化床[8-11]、水平携带床[12-13]、水平管[14]、竖直管[15-16]、倾斜管[17-18]内颗粒运动的二维速度场进行了研究.本文利用PIV技术对竖直下降管内生物质半焦颗粒的运动规律进行研究.

1 实验

1.1 实验装置

针对竖直下降管内颗粒流动的特性，结合PIV技术的实验要求，设计了竖直下降管颗粒流动实验台，该装置主要由以下部分组成：漏斗形陶瓷球喂料器(为预留装置，是为了研究陶瓷球和生物质半焦混合运动设计的装置，本文的实验研究没有用到)、生物质半焦震动喂料器、竖直下降管(66mm×66mm×1 600mm，壁厚为3mm，用透明玻璃材料制造)、落料收集箱和抽气装置、PIV测试系统等.PIV测试实验装置及测量位置示意图如图1所示.

实验所采用的PIV测试系统由北京立方天地科技发展公司开发，主要由激光器、同步器、CCD相机及图像处理系统组成.图像处理系统采用傅里叶(FFT)互相关算法.

图1 PIV测试装置及测量位置示意图

1.2 实验方法

对于竖直下降管内生物质半焦速度的测量，实验分两种情况进行：一是自由端，指竖直下降管的进口和出口与大气相通，生物质半焦在重力作用下自由下落；二是抽气状态下，指竖直下降管的进口封闭，出口与抽气泵相通，使得管内的气体处于连续的流动微负压状态.

对管内颗粒进行抽气实验时，管下方收集料斗内的气压与抽气流量存在一定的关系，实验测得数据见表1.

表1 抽气量与气压关系

抽气量Q/m3·h-15111520气 压P/Pa-2-7-15-26

2 实验结果分析

为研究抽气时管内气流对生物质半焦的影响，现对抽气时管内空气的理论速度进行分析.

抽气时管内空气速度

(1)

式中:v为管内空气速度(m/s)；Q为抽气量(m3/s)；A为管横截面面积(m2).

当管的横截面面积A一定时，由式(1)得，管内气流速度与抽气量成正比关系.

当Q=5m3/h、Q=11m3/h时，管内气流的理论速度分别为：

(2)

(3)

选取Q=5m3/h、11m3/h、15m3/h、20m3/h和自由端进行PIV实验.图2为h=1 200mm时，不同抽气量和自由端情况下，生物质半焦轴向速度沿径向的分布.

图2 h=1 200mm时生物质半焦的轴向速度

从图2中可以看出，在h=1 200mm处，当Q=5 m3/h时，测量速度值的变化范围在0.2～0.4m/s，通过式(2)的计算可知，此时的理论速度约为0.385m/s.当Q=11m3/h时，在径向X=10～50mm处，测量值的变化范围在0.8～0.9m/s，通过式(3)的计算可知，此时的理论速度约为0.848m/s.这表明实验结果和理论结果相吻合.在自由端条件下，颗粒在竖直下降管内主要受到重力和空气阻力的共同作用，当颗粒运动到轴向h=1 200mm截面时的最大速度已达到0.85m/s左右.从以上分析可以看出，自由端和Q=11m3/h时颗粒的速度相差不大.从图2中还可以看出，当Q>11m3/h时，生物质半焦的速度随着抽气量的增大而逐渐增大.这是因为当抽气量继续增大时，气体的动量作用相对于重力及其他作用力而言成为影响颗粒运动形态的最主要因素，颗粒在气流的冲击带动下，受到曳力作用.当Q=15m3/h时，中间区域的速度最为稳定，所以本实验主要研究Q=15m3/h时，竖直下降管内生物质半焦颗粒的速度分布.

图3为自由端与抽气量Q=15m3/h时不同测试段生物质半焦轴向速度沿径向的分布.从图3中可以看出，自由端，h<450mm时，颗粒最大速度偏向管道右侧，这是因为实验时，颗粒是从管道的右侧加入的，由于此处位于进料口的下部，所以颗粒进入管道后聚集程度比较高，扩散作用还不明显，大量颗粒顺重力场沿进料口竖直下方运动，随着颗粒在管道内逐渐下降，颗粒在气流作用下自由扩散，在管道内分布均匀.但由于存在边壁效应，从图3可见，到达h=750mm处，颗粒的最大速度位于管道中心处.对于抽气量Q=15m3/h时，在h=150mm处，颗粒的速度在管中出现两个峰值，分别位于约X=12mm、X=48mm处；到达h=450mm处，颗粒的速度在X=10～50mm，基本稳定在1.2 m/s.从图3中还可以看出，当h>150mm后，抽气时的速度明显大于自由端时的速度，并且随着下落高度的增加，中间区域速度越趋于平稳.

(a)h=150mm

(b)h=450mm

(c)h=750mm

(d)h=1 050mm图3 不同测试段生物质半焦轴向速度沿径向的分布

3 数值模拟

3.1 湍流模型

Yakhot和Orszag于1986年应用RNG方法建立了第一个湍流模型，RNGk-ε湍流模型是基于重整化群(Renormalization Group)技术的一种湍流模型[19].在RNGk-ε模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除.所得到的k方程和ε方程，与标准k-ε模型非常相似[20].但RNGk-ε湍流模型在计算复杂的流动方面，理论上精度要高于标准的k-ε模型.本文采用的是RNGk-ε湍流模型.

RNGk-ε混合湍流模型为

(4)

(5)

式中：ui为时均速度i=1,2,3；ρm为密度；k为混合相的湍流动能；ε为端流耗散率；μ为动力粘度；μt为湍流粘度；Pk为压力；Cε1、Cε2为经验常数；σk为与湍动能k对应的prandtl常数.

3.2 边界条件

利用CFD软件Fluent6.3.26对其进行数值模拟.利用三维动态模拟，边界条件的设置为：

(1)边界条件计算介质为生物质半焦，选用60～80目的生物质半焦为研究对象.

(2)进口边界采用速度入口，根据已知流量以及入口直径，直接得到气相入口速度并计算出其它相应的湍流参数.

(3)出口边界出口按照湍流流动充分发展处理，采用自由出流，出口压力为大气压.

(4)固壁边界壁面为无滑移边界条件，默认壁面粗糙度为0.5，采用标准壁面函数法处理边界湍流.

图4为颗粒的速度云图.从图4中可以看出，进料口的下部颗粒速度比较大，随着颗粒在管道内逐渐下降，颗粒在管道内自由扩散且分布趋于均匀，但由于存在边壁效应，边壁处速度较低，中心位置附近速度较大.

(a)自由端 (b)抽气时图4 颗粒的速度分布云图

对于抽气情况下，由上面的实验结果分析可知，当h≥750 mm时，生物质半焦颗粒在管道内的速度分布趋于稳定，本部分只针对h=750 mm，h=1 050 mm这两个截面的模拟和实验结果进行对比分析.

图5为数值模拟和实验结果对比，从图5中可以看出，在抽气状态下，实验结果和模拟结果吻合的比较好.

(a)h=750mm

(b)h=1 050mm图5 数值模拟和实验结果对比

4 结论

(1)利用PIV技术在自行设置的装置上进了实验.实验结果表明，当h≥750mm时，管道内生物质半焦的速度比较稳定.自由端时，轴向速度沿着径向分布呈类似抛物线分布；抽气时，颗粒的速度在轴向X=10～50mm时，基本稳定在1.2 m/s.

(2) 利用数值模拟软件对管道内颗粒的速度分布进行模拟，抽气时，对h=750 mm，h=1 050 mm这两个截面实验和模拟结果进行对比.结果表明在抽气状态下，模拟结果在数值量级以及变化趋势方面与实验结果吻合度较好，能够达到较好的预测作用.

(3) 通过PIV实验和数值模拟对颗粒的运动规律进行研究，可为热态实验颗粒的停留时间计算、颗粒间的传热传质提供参考，从而指导热态实验装置的设计.

[1]Robson A. 25 tpd border biofuels/dynamotive plant in the UK[J]. PyNe Newsletter, 2001, 11:1-2.

[2]任学勇, 常建民, 王鹏起, 等. 喷动循环流化床生物质快速热解设备的特性分析与发展研究综述[J].林产化学与工业, 2009,29(5):122-126.

[3] Diebold J. Scahill J. Production of primary pyrolysis oils in a vortex reactor [C]// Soltes E J,Milne T A. Pyrolysis oils from biomass: producing, analyzing, and upgrading. Washington: ACS Symposium Series, 1988:31-40.

[4] Czernik S, Scahill J, Diebold, J. The production of liquid fuel by fast pyrolysis of biomass [J]. J. Sol. Energy. Eng, 1995, 117: 2-6.

[5] 李俊生. 旋转锥生物质裂解反应器裂解工艺的研究[J]. 环境工程学报, 2010,4(7)：1 609-1 614.

[6]李志合, 柏雪源, 李永军,等. 下降管生物质热裂解液化反应器设计[J]. 农业机械学报,2011,42(9):115-119.

[7]何芳, 姚福生, 易维明，等. 下降管式生物质热解液化装置的计算分析[J]. 太阳能学报, 2005,26(3):424-428.

[8]You C F, Zhao H L. Experimental investigation of interparticle collision rate in particulate flow[J]. International Journal of Multiphase Flow，2004 ,30:1 121-1 138.

[9]王勤辉, 赵晓东, 石惠娴，等. 循环流化床内颗粒运动的PIV测试[J]. 热能动力工程, 2003,18(4):378-381.

[10]Joachim W. Measurement techniques in fluidized beds[J]. Powder Technology, 1999, 102(1):15-36.

[11]石惠娴. 循环流化床流动特性PIV测试和数值模拟[D]. 杭州: 浙江大学, 2003.

[12]易维明,王娜娜,张波涛,等. 水平携带床气固两相流动的实验研究[J]. 农业工程学报,2006,22(1):11-14.

[13]王娜娜, 易维明, 李志合. 水平携带床内玉米秸秆颗粒运动的PIV测量[J]. 太阳能学报, 2008,29(3):365-369.

[14]Kaoru M, Gang C，Fujio Y，etal. PIV measurement of Particle motion in spiral gas-solid two-Phase flow[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，1999,19(2):194-203.

[15]Guo X L，Dai Z H，Gong X，etal．Performance of an entrained-flow gasification technology of pulverizedcoal in pilot-scale plant[J]．Fuel Processing Technology, 2007，88:451-459.

[16]Fohanno S, Oesterle B. Analysis of the effect of collisions on the gravitational motion of large particles in a vertical duct[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2000，26:267-292.

[17]杨延强,易维明,李志合,等. 陶瓷球与生物质半焦混合体在斜管中的运动特性[J].农业工程学报,2010,26(14):264-268.

[18]杨延强. 倾斜下降管反应器中颗粒运动规律的研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学, 2011.

[19]Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence [J]. Journal of Scientific Computing, 1986,1(1):3-5.

[20]Versteeg H K, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method [M]. New York: Wiledy, 1995.

(编辑：郝秀清)

Experimental study and numerical simulation onsemi-coke particles movement in vertical down pipe

WANG Na-na, ZHANG Yu-chun, YI Wei-ming, BAI Xue-yuan, WANG Xiang

(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

The movement of biomass semi-char particles was studied in a vertical down glass pipe using the particle image velocimetry(PIV)techniques. Experiments were carried out under the conditions of the bottom end is open and the bottom end is connected to a suction pump. The velocities of semi-char particles are relatively stable when the falling distanceh≥750mm. The axial distribution is a parabola-like curve along the cross-sections of pipe when the bottom end is open while it is stable at about 1.2 m/s atX=10～50mm when the bottom end is connected to a suction pump. The numerical simulation of the velocity distribution of semi-char particles was also conducted and the simulation results were then compared with the experiment results when the falling distanceh= 750mm and 1 050 mm. The simulation results on numerical magnitude and trends matched well with the experimental results, which could achieve a better prediction.

semi-coke particles; two-phase flow; PIV; velocity field; numerical simulation

2015-03-20

863计划项目(2012AA101800)；国家自然科学基金资助项目(50876056、51276103)；山东省自然科学基资助金项目(ZR2011EL041)

王娜娜, 女， wnn@sdut.edu.cn； 通信作者： 柏雪源，男，baixy@sdut.edu.cn

1672-6197(2015)06-0006-05

TK6

A