, 张秀敏东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-02-16
基金项目：农业部农村能源专项(2015-36)。
作者简介：闫放(1989-)，男，湖南长沙人，东北大学博士研究生;
许开立(1965-)，男，山东郓城人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：针对装设防火墙导致我国北方生物质气化站存在湿式净化装置冬季防冻的问题, 提出了一种基于风机套管的余热回收系统.采用商用CFD软件Fluent以及k-ε模型对采暖效果进行非稳态数值模拟, 结果表明，当进气口空气流速分别为9m/s(供暖90min后)，13m/s(供暖40min后)满足防冻要求, 证明了技术的可行性; 同时模拟了进气口空气流速分别为5，9，13m/s在不同时刻的采暖效果, 得出增大风机风量可提高采暖效果、缩短达到防冻要求所需时间以及使得净化间内温度分布更加均匀, 但风机风量不可无限增加, 需要考虑规范对风速的限制以及能耗的增加.
关键词：生物质气化采暖风机套管数值模拟
Unsteady Simulation on Biomass Gasification Heating System with Fan & Double-Tube
YAN Fang, XU Kai-li
, ZHANG Xiu-minSchool of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: XU Kai-li, professor, E-mail: kaili_xu@aliyun.com
Abstract: Aimed at solving the antifreezing problem of the wet purification device of biomass gasification station due to the installation of the firewall in winter time of north China, a waste-heat recovery system based on fan & double-tube is proposed. The Fluent and k-ε model is used to simulate the unsteady state of heating. The results indicate that the antifreezing requirement can be met in 90 or 40min when the inlet air velocity is 9 or 13m/s, respectively. Then the feasibility of the technique can be proved. The heating effects of different inlet air velocities of 5, 9, 13m/s at different times are also simulated. It shows that the heating effect can be raised and the time needed to reach the antifreezing requirement can be shortened and the temperature distributed in purification room can be more even by increasing the fan air volume. But the air speed should be restricted according to the corresponding standard and the energy consumption considerations.
Key Words: biomass gasificationheatingfandouble-tubenumerical simulation
开展农村小型生物质气化站的建设能回收农业废弃秸秆, 减少秸秆焚烧, 从而减少因秸秆焚烧而导致的雾霾天气[1];并实现农村清洁能源的供应.但现阶段该技术并不完善, 导致其推广受到了阻碍, 其中一个主要的问题就是安全性问题.因为生物质燃气的主要成分包括CO，H2，CH4[2]等易燃、易爆气体, 一旦发生燃气泄漏将可能导致火灾、爆炸事故的发生, 因此在气化间与净化间之间应设置防火墙来增加气化站的安全性.但防火墙的设置阻碍了气化间内的反应余热向净化间的传递, 又由于农村小型生物质气化站缺乏集中供暖, 所以我国北方地区的气化站一旦设置了防火墙, 在冬季气温降低到0℃以下时会出现湿式净化装置冻裂的情况, 进而导致燃气泄漏, 增加了中毒事故发生的可能[3].导致大部分设置了防火墙的气化站在冬季无法开工, 部分开工的气化站只能采用成本较高的电暖炉等采暖方式来保证冬季生产, 因此提出了一种利用风机套管将气化间余热送入净化间进行采暖的方法.套管换热器应用领域广泛, 但将风机套管采暖系统应用到农业相关领域的研究相对较少, 王谦等[4]对风机盘管供热系统在温室中的应用进行了研究.利用CFD(computational fluid dynamics)技术的非稳态模型, 可以对不同时刻区域内的环境参数进行模拟预测[5], 毕纪葛等[6]利用CFD非稳态模型对盘管冷却搅拌釜进行了模拟, 得出了冷却温度随时间变化的曲线.本文采用CFD非稳态模型对采用风机套管采暖系统的净化间热环境进行模拟, 研究不同的风机风量下净化间内采暖效果随时间的变化情况, 得出风机风量与时间对采暖效果的影响.
1 风机套管采暖系统的生物质气化站构造1.1 生物质气化站构造农村小型生物质气化站主要由气化间与净化间构成, 如图 1所示, 气化装置、旋风除尘器、喷淋式除尘器与真空泵位于气化间内; 水浴式除尘器与脱水器位于净化间内.气化装置的产气速率为300m2/h, 产生的燃气成分主要为CO, H2, CH4, CO2, 焦油和灰分等.生产过程中, 气化装置内的温度可达到1000℃, 这使得生成的生物质燃气在进入湿式净化装置降温前也具有很高的温度.因此, 选择在旋风除尘器与喷淋式除尘器之间的管道处装设套管, 以此来收集余热, 而该段管道的温度在生产过程中一般可达到200~300℃.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 风机套管采暖系统与气化站Fig.1 Fan & double-tube heating system and biomass gasification station |
1.2 风机套管采暖系统如图 2所示, 室外冷空气通过设置与室外的风机由进气管进入套管一端的底部, 冷空气在套管内通过高温管道加热后, 热空气从套管另一端的上部输出, 经由出气管最终送入净化间内.由此, 利用该套管换热装置可将气化反应产生的余热进行回收，并送入净化间进行采暖.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 套管换热器Fig.2 Double-tube heat exchanger |
2 非稳态传热模型的建立2.1 模拟区域的选择本文以沈阳市闫家村生物质气化站为例确定模拟区域内的各尺寸, 如前文所述, 套管采暖系统通过风机将室外的冷空气引入套管内加热并送入净化间, 因此进气管、套管、出气管与净化间为一个整体的封闭区域, 所以在确定模拟区域时可不考虑气化站内的其他部分.模拟区域及相关尺寸如图 3所示, 净化间内南墙与北墙分别设有窗户, 其中南墙还设置有门, 回风口设置在北墙上端位置.风机设置于气化站的北墙外, 并连接进气管将空气从套管底部送入套管内.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 模拟区域及尺寸Fig.3 Simulated area and its size |
2.2 网格划分本文采用CFD前处理软件Gambit进行网格划分, 采用四面体非结构化网格进行划分, 因进气管、套管及出气管内的空气流动较为复杂, 因此对该区域网格进行加密, 从而整个模拟区域的网格划分分为两个区域.加密区域网格如图 4所示, 进气管、套管与出气管部分采用网格尺寸为0.009m, 共生成928528个体网格.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 进气管、套管与出气管部分网格划分Fig.4 Mesh of the inlet pipe, the double-tube and the outlet pipe |
对净化间内采用网格尺寸为0.075m, 共生成1766058个体网格.最终整个模拟区域的网格划分如图 5所示, 体网格数量一共为2694586个.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 模拟区域网格划分Fig.5 Mesh of the simulated area |
2.3 求解设置本文采用商用CFD软件Fluent进行数值模拟.由于文献[4]中所模拟的对象与本文类似并获得了较好的模拟结果, 因此本文参照文献[4], 湍流模型选择在该模拟模型中具有较高精确性与较好收敛性的k-ε模型[7], 采用二阶迎风格式离散偏微分方程组, 压力速度耦合使用SIMPLE算法.连续性方程、动量方程、能量方程和湍流方程如式(1) 所示.
 | (1) |
2.4 边界条件及参数设置在软件Fluent设置中, 将进气管的进气口设置为velocity inlet; 净化间内的两个回风口设置为outflow; 进(出)气管管壁与套管管壁做绝热壁面处理; 同时防火墙因属于内墙, 也做绝热壁面处理; 净化间外墙、房顶、门、窗等围护均考虑为室外温度为243.15K时的对流与热辐射耗热.其中外墙为普通砖结构, 房顶材质为钢板, 它们均考虑为装设了厚度为0.1m的保温层; 门为不锈钢保温门; 窗户为普通单层玻璃窗.围护参数设置如表 1所示.因整个模拟区域内的温度变化范围为[243.15K, 600K], 在该范围内的空气参数除了热容比c基本保持不变, 其余参数如密度ρ、导热系数λ、动力黏性系数μ均有较大变化.根据查表[8-10]得出其数值随温度在[243.15K, 600K]范围内的变化规律, 得出该范围内以上系数由温度T表示成的多项式.其中空气密度(ρ)随温度变化的表达式为3.72-1.42×10-2T+2.32×10-5T2-1.38×10-8T3, 空气导热系数(λ)随温度变化的表达式为1.17×10-3+9.11×10-5T-2.26×10-8T2, 空气动力黏性系数(μ)随温度变化的表达式为-1.88×10-6+9.17×10-8T-9.44×10-11T2+5.28×10-14T3.另外室外对流换热系数设置为17.48W/(m2·K), 余热回收部分管道外壁温度设置为600K, 空气热容比设置为1013J/(kg·K), 其余参数的设置则如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 参数设置Table 1 Setting of the parameters
| 表 1 参数设置 Table 1 Setting of the parameters |
非稳态参数设置取时间步长为0.1s, 每个步长的最大迭代次数设为200次.
3 数值模拟结果与分析因为将进气口设置为速度入口, 所以通过设置不同的速度来表示不同的风机风量.本文中分别采用了5, 9, 13m/s三种不同的进气口空气流速, 采用数值模拟分别得到了这三种情况下采暖效果随时间的变化.分别取净化间内湿式净化装置顶部、中部、底部位置的四个点A, B, C, D作为观测点, 以5min为间隔, 取其不同空气流速下不同时刻的温度, A, B, C, D各点坐标如图 6所示.采暖要求设置为防冻的最低要求, 即为0℃以上.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 四个点的坐标Fig.6 Coordinates of the four points |
各点的模拟结果如图 7所示.由图 7a可知, 在0~250min时温度持续上升, 在250min之后温度就基本不再变化了, 而此时温度最高的点A处的温度也只有272.84K, 并不能达到防冻要求, 其余B, C, D三点由于相较于A点距离出风口较远, 所以温度更低, 说明在风机风量对应进气口空气流速为5m/s时, 由于进入净化间内的热空气量较少, 使得采暖后的净化间并不能达到防冻效果.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 进气口不同空气流速下温度随时间的变化Fig.7 Changing of temperature with time under different air velocity in the air inlet (a)—5 m/s；(b)—9 m/s; (c)—13 m/s. |
由图 7b可知，在采暖后90min时, A, B, C, D四个点的温度均达到了273.15K(0℃)以上, 满足了防冻要求, 并且四个点的温度在35min之前有一定的差距, 在35min之后的差距较小, 差距在1K以内.说明当提高风机风量, 使得对应进气口空气流速为9m/s时, 在余热回收系统开启90min后净化间内可达到防冻要求, 并且风机风量的增大使得净化间内的温度在采暖系统工作一段时间后分布较为均匀.
由图 7c可知，在采暖后40min时, A, B, C, D四个点的温度均达到了273.15K以上, 满足了防冻要求, 同时四个点的温度值从采暖开始阶段便非常接近, 说明风机风量的进一步增大, 当对应进气口空气流速为13m/s时, 不仅使得采暖后的净化间内温度分布更加均匀, 也使得采暖效果更好, 达到满足防冻要求所需的采暖时间也更短.
对比图 7中不同空气流速下的采暖效果可知, 提高风机风量可以提高采暖后净化间的温度; 并可以使净化间内达到防冻要求所需的时间减少; 还可以使得房间内温度的分布更加均匀.
如图 8所示, 进气口空气流速分别为9与13m/s时, 当使得A, B, C, D四点温度刚达到273.15K以上时(分别对应时刻为90min与40min)湿式净化装置中间面即平面X=4.175处的温度分布.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同条件下平面X=4.175的温度分布Fig.8 Temperature distributions in the face of X=4.175 under different conditions (a)—进气口空气流速9m/s；(b)—进气口空气流速13m/s. |
由图 8可以看出，当采用不同风机风量在不同的采暖时间内虽可达到相似的采暖效果, 但风机风量增大会使得净化间内的温度分布梯度更小, 采暖效果更佳.
所以理论上增加风机风量可以提高采暖效果, 但是根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003) 第4.6.6条规定, 出风口出风速度为5~15m/s, 所以风机风量的增加需要考虑到空气流速不可超过15m/s的限制.同时, 增加风机风量会带来能耗的增加, 所以在净化间内可达到防冻的采暖要求后即可不必再增大风机风量.在本文的算例中, 采用风机风量对应进气口空气流速为13m/s时即可达到较好的采暖效果.
本文所采用的采暖方式在一定的进气口风量及时间条件下可使得净化间内达到防冻的采暖要求, 但也存在不能达到要求的情况, 这是由于生物质气化余热并未得到最大化的充分利用.因此, 未来的研究重点将会放在提高采暖效率上, 比如将进气口直接设在气化间内以提高新风的温度; 套管换热装置采用逆流换热方式等.
4 结论1) 提出一种利用风机套管将生物质气化反应余热进行回收并送入净化间进行采暖的方法, 并采用商用CFD软件Fluent以某生物质气化站为例进行建模与计算, 模拟结果表明该余热回收系统可以为净化间进行供暖并达到防冻要求, 证明了该方法的可行性.
2) 增大风机风量可以提升采暖效果, 并使得达到防冻要求所需要的时间大大减少.
3) 不同风机风量在不同的采暖时间内虽可达到相似的采暖效果, 但更大的风机风量可使得净化间内温度分布更加均匀, 温度分布梯度更小.
4) 在风机风量的选取上要注意《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003) 中对出风口风速为5~15m/s的设定, 同时在满足防冻要求后即可不需要再增大风机风量.
参考文献
| [1] | Cao G L, Zhang X Y, Wang Y Q, et al. Estimation of emissions from field burning of crop straw in China[J].Chinese Science Bulletin, 2008, 53(5): 784–790.DOI:10.1007/s11434-008-0145-4 |
| [2] | Sreejith C C, Muraleedharan C, Arun P. Thermo-chemical analysis of biomass gasification by Gibbs free energy minimization model:part Ⅱ (optimization of biomass feed and steam to biomass ratio)[J].International Journal of Green Energy, 2013, 10(6): 610–639.DOI:10.1080/15435075.2012.709203 |
| [3] | Cummer K R, Brown R C. Ancillary equipment for biomass gasification[J].Biomass & Bioenergy, 2002, 23: 113–128. |
| [4] | 王谦, 郭泽宇, 吉恒松, 等. 基于风机盘管热风供热系统的温室热环境研究[J].农业机械学报, 2013, 44(8): 219–223. ( Wang Qian, Guo Ze-yu, Ji Heng-song, et al. Investigation of thermal environment in greenhouse based on fan coil unit forced-air heating system[J].Transactions of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2013, 44(8): 219–223.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.08.037) |
| [5] | Nelson O M, César E R, Valeri I B, et al. Unsteady fluid mechanics and heat transfer study in a double-tube air-combustor heat exchanger with porous medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(13/14): 3353–3363. |
| [6] | 毕纪葛, 周俊超, 吴可君, 等. 四斜叶桨搅拌下釜内盘管非稳态对流传热过程的模拟和实验研究[J].高校化学工程学报, 2015, 29(3): 1–9. ( Bi Ji-ge, Zhou Jun-chao, Wu Ke-jun, et al. CFD simulation and equipped with a pitched-blade turbine and helical coils[J].Journal of Chemical Engineering of Chinese University, 2015, 29(3): 1–9.DOI:10.3969/j.issn.1003-9015.2015.04.30.03) |
| [7] | Fluent Inc.FLUENT 6.3 documentation[M]. Lebanon:Fluent Inc, 2006. |
| [8] | 赵镇南. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008. ( Zhao Zhen-nan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 2008.) |
| [9] | Kays W M, Crawford M E, Weigand B. Convective heat and mass transfer[M]. New York: McGraw Hill Higher Education, 2004: 189-213. |
| [10] | Rohsenow W M. Handbook of heat transfer fundamentals[M]. New York: McGraw Hill Higher Education, 1985. |
