油页岩气体热载体干馏炉内温度分布的模拟及验证.pdf

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1、第43卷第5期化工机械665油页岩气体热载体干馏炉内温度分布的模拟及验证+柏静儒料冯妍辛思谕张伟王擎秦宏(东北电力大学油页岩综合利用教育部工程中心)擒要对直径400ram、高1089mm、包括中心送风和边壁送风的气体热栽体于馏炉采用CFD—Fluent方法进行仿真。模拟油页岩在炉内干馏过程中的温度场。由于物料堆积阻碍流动和传热．因此将区域设置为多孔介质模型。并通过对不同流动模型(层流模型与湍流模型)和不同边界条件(中心送风装置壁面恒热流与恒壁温)的对比。确定最佳设置。由最终模拟结果可以看出温度在纵向与横向具有递减性，流动模型不同，温度渗透不同；边界条件不同，反应进行与温度

2、均匀性表达不同，同时与实验数据对比，发现层流模型下中心管恒热流边界条件与实验更相似相符。关键词干馏炉油页岩固定床Fluent多孔介质中图分类号TQ054文献标识码A文章编号0254-6094(2016)05-0665-07油页岩作为石油的替代能源，就是将低能量密度的页岩转变成高品位能源。解决这一问题的核心是油页岩干馏，目前对油页岩干馏的研究都通过实验与模拟的方法进行。秦宏等对油页岩气体热载体干馏炉内温度分布和布气方式对温度的影响等进行了实验研究，得出干馏段温度高并且中心与边壁联合进气使温度分布较均匀等结论，却不能直观反映整体的温度分布与影响程度¨。]。范贤振等借助Flue

3、nt软件模拟了200MW四角切向燃烧煤粉炉炉内的燃烧过程H1，邓中乙等利用Fluent软件对加压喷动流化床煤气化进行了模拟"o。Fluent软件作为目前功能全面、适用性广的CFD软件之一，不仅可以解决化学反应和流动方面的实际问题，还能直观、整体地反映炉内流动、温度、压力及生成物浓度等的分布。因此笔者基于Fluent软件，建立油页岩热解的热解动力学模型，探讨在不同流动模型和边界条件下与实验结果最相符的设置，为优化油页岩热解提供模拟基础。1几何模型笔者研究的是基于实际的实验炉体⋯，炉体结构如图l所示，炉体由上至下依次分为干燥段、干馏段、冷却段和出焦段。炉内进气分为边壁进气和中

4、心进气(图2)，其中，中心管上有4根布气}吉林省重点科技攻关项目(20140204004SF)。t·柏静儒，女，1973年6月生，教授。吉林省吉林市，132012。图l炉体结构666化工机械2016年管，呈十字形，每根布气管上在两侧斜向下45。位置交错布置5个直径5mm的圆孔；在中心管四臂横截平面上炉体外围设有一层边壁进气，在炉体内壁沿圆周分为4个象限，每部分在45。角上布置3个直径5mm的圆孑L，相邻孔夹角为16。。也K气、1I翰℃^_——一日渺b．边壁迸气图2进气方式示意图根据干馏炉实际尺寸建立几何模型，并采用Gambit划分网格(图3)。网格为结构化与非结构化网格相

5、结合，进气孔处的网格都进行局部加密，共计112875个网格。根据炉体填料位置和物料在干馏炉的堆积特性，将模拟体域分为两个部分，上部(图1中炉顶至n一口线)为气流区域，下部(图l中口．cf线至护底1为多孔介质区域格划分为了测量工作时干馏炉内堆积体各区域的温度参数，在炉体内部安装了多个温度传感器，这些传感器是经济实惠的K型热电偶。由于干馏段温度是影响实验结果最主要的因素，所以大部分热电偶集中布置在干馏段。炉内5个高度每个高度有3个温度测点，共15个，分布在堆积区域内，按与炉心的距离将测点分为A、B、C3组，测点位置和测点温度值见表l。表1实验中各测点和测点温度惑一0．080．

6、070．16O．300．45弋＼距炉中心线距离／裔、＼0．06(A组)492．8562．4602．9574．5568．70．12(B组)466．9550．1596．5565．0541．30．18(C组)421．2518．4590．7561．4498．22数学模型为合理地简化计算，更方便地应用Fluent软件模拟炉内的温度分布，给出以下假设：热解进行到一定程度时，干馏炉处于稳定状态，各参数不随时间改变；堆积的页岩为各向均匀的多孔介质，边壁处的空隙率无变化；内部与炉边壁间的换热完全为对流换热，各壁面换热系数分别给予某定值。由于油页岩在干馏炉内的堆积特性，因此将油页岩区域设为多

7、孑L介质区域，并对多孔介质模型下物料反应对温度分布的影响进行UDF编程，热载气流动采用层流模型，整个炉体场内为导热模型。气体热载体在整个多孔介质腔道内为湍流的流动方式，而从两粒油页岩穿过的角度看流动偏向层流，因此，笔者采用层流模型与湍流模型对比的方法确定最佳模型设置。2．1基本方程油页岩热解的CFD模型包含对流动、传热传质和化学反应过程的描述，基本方程包括质量、动量、能量的守恒方程，分别为：警+兰(肚)=

8、s。(1)afa石．u‘’‘掣+掣掣：一罢+誓+Pgi堪(2)■矿+—i-2一赢+瓦+¨·¨’÷[印f日+(1一占)p。E