引言生物质能是能够固定碳的可再生能源，属于清洁能源，被研究人员视为继煤炭、石油、核电后的第四种能源。生物质能的储存量大，分布面广，开发潜力巨大。中国的生物质资源十分丰富，但尚未得到充分利用。碳达峰碳中和背景下，开发生物质高效清洁利用技术具有显著意义[1-2]。上吸式固定床气化炉是工业生产中应用较广泛的气化设备。传统生物质气化设备的气化率较低，主要原因为固定床气化炉的上料速度、床层厚度、气化剂的数量等参数设置不够合理，需要进一步优化；固定床气化炉体的结构设计不够合理，不利于气化过程的进行。生物质气化过程存在传热传质、气固流动等物理和化学现象。气化炉具有体型庞大、气化过程影响因素较多、试验成本高昂等特点，研究人员无法快速准确地获取气化炉的物理参数。数值模拟研究具有投资较小、简单、灵活、功能丰富、计算迅速等特点，为研究人员研究和设计气化炉提供依据。因此，研究多利用数值模拟方式改进生物质气化设备[3]。利用数值模拟方法优化上吸式固定床气化炉的结构。1模型简化按照广州某公司的上吸式生物质气化炉的真实尺寸绘制数值计算使用的几何模型。生物质气化炉的结构较复杂，运行影响因素较多。为了节约数值模拟计算的时间和资源，对气化炉结果影响较小的因素进行简化处理：（1）忽略支撑结构对整个气化炉的影响。（2）气化炉内的原料形状一般为圆柱形颗粒，将其简化为圆柱形状，高度值为底面直径的3倍，为了加工方便，取平均直径为140 mm。（3）实际气化时难以控制送料过程，假定炉内的物料保持动态平衡。（4）灰渣层也对气流有一定的影响，将其简化为圆柱体，其直径和高度设定为生物质颗粒的1/2。利用UG 12.0三维软件建立气化炉几何模型，如图1所示。气化炉几何模型的尺寸为炉体高度7.8 m、炉排直径2.6 m、进风口直径300 mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F001图1气化炉几何模型2数值计算模型上吸式生物质气化炉燃烧过程中产生的化学反应和存在的流动机理可以利用数学方程描述[4]。2.1流体力学方程（1）质量守恒方程。根据质量守恒原理，单位时间内微元体的流入流出质量差与微元体的质量变化相同[5]。三维瞬态可压缩质量守恒方程为：∂ρ∂t+∂(ρu)∂x+∂(ρv)∂y+∂(ρw)∂z=0 (1)式中：ρ——密度，kg/m3；t——时间，s；u、v和w——速度矢量u在x，y和z方向上的分量。针对不可压缩的流体，质量守恒方程为：∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0 (2)（2）动量守恒方程。根据动量守恒，流体系统动量对时间的一阶导数和同时作用在系统上的外力的矢量和相等，可以在3个坐标轴方向进行投影。∂ρu∂t+divρuu=-∂p∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z+Fx (3)∂ρv∂t+divρvu=-∂p∂y+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z+Fy (4)∂ρw∂t+divρwu=-∂p∂y+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z+Fz (5)式中：p——各微元体受到的压力，Pa；τ——微元体表面的黏性应力；Fx、Fy和Fz——x，y和z方向上的微元体质量力。2.2湍流模型随着计算机技术的不断发展，研究人员对数值模拟技术的开发利用和湍流理论知识的认识不断地深入，越来越多的湍流模型被应用于计算机流体学计算[6]。试验过程中研究人员可以根据不同的需求使用不同的湍流模型，常见的模型包括大涡模拟型、雷诺应力模型(RSM)、标准的k-ε模型、修正的k-ε模型等模型。标准k-ε模型可以较精确地反映研究对象的流动状况。3网格划分及无关解验证划分网格是数值模拟计算中较关键的步骤。网格类型包括四面体和六面体，根据模型的复杂程度，结构相对简单的部分采用六面体单元进行划分，复杂的部分采用四面体单元进行划分[7]。计算结果的精确度与网格数量与质量密不可分，网格数量越多、质量越好，数值计算的结果越精确，耗费的资源与时间也越多。因此，需要在网格数量与计算结果精确度之间找到平衡点，在计算结果精确度足够的前提下，尽可能降低网格数量，降低数值计算时间与资源消耗。采用网格划分软件对单面进风气化炉模型进行网格划分，靠近生物质颗粒和灰渣的部位尺寸较小，采用六面体和四面体相结合的局部加密方法进行划分；结构简单尺寸较大的部位直接采用六面体单元划分并减少网格数量。网格划分流程如图2所示。气化炉网格模型如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F002图2网格划分流程10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F003图3气化炉网格模型数值模拟计算前需要对计算结果进行网格无关解验证。针对生物质气化炉模型，分别建立网格数量为400万、500万、600万、700万、800万、900万、1 000万的网格模型，记录气化炉出口处（图3中1#白点）的速度和压力。速度、压力网格无关解结果如图4、图5所示。网格数量为800万~1 000万时，速度值稳定为17 m/s，压力稳定为40 Pa，为了节省计算时间，降低计算资源占用量，网格数量选取约800万。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F004图4速度网格无关解结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F005图5压力网格无关解结果4数值结果模拟与分析生物质气化炉的气化性能与炉内流场分布均匀性具有密切关系[8-9]。文中的数值模拟着重探究炉内气流分布的均匀性。气化炉的通风量为6 000 m3/h，保证通风量不变的情况下，进风口设置单面、双面和三面水平进风三种工况，进风口与水平面的夹角设定0°、30°、45°和60°共4种情况，分别进行冷态流场模拟。4.1不同进风结构下气化炉内流场模拟结果与分析为了更直观地展现气化炉内气流分布的均匀性，在灰渣层下部靠近灰渣层处截取一个平面。截取平面的位置如图6所示。根据文献[9]，采用等面积法在截取平面上取6个点。截取平面节点位置如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F006图6截取平面的位置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F007图7截取平面节点位置研究6个点的速度分布不均匀度，流动速度的不均匀度为[10]：θ=1n∑i=1nvi-v¯v¯2×100% (6)式中：θ——流体速度的不均匀度；vi——第i个节点处流体的轴向速度；v¯——各个节点处流体平均速度；n——节点个数。3种进风结构时气化炉内气流速度如图8~图10所示。截取平面节点的气流速度如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F008图8单面进风时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F009图9双面进风时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F010图10三面进风时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F011图11截取平面节点的气流速度单面进风工况的不均匀度为θ1=3.1%，双面进风工况的不均匀度为θ2=2.1%，三面进风工况的不均匀度为θ3=1.9%。与单面进风结构相比，双面进风结构的均匀性提高了32.3%；与双面进风结构相比，三面进风结构的均匀性提高了9.5%。与双面进风相比，三面进风的安装成本较高，且均匀程度未提高太多，采用双面进风的配风方式。4.2不同水平面下倾角的气化炉内速度分布模拟结果与分析4种水平面下倾角时气化炉内气流速度如图12~图15所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F012图120°下倾角时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F013图1330°下倾角时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F014图1445°下倾角时气化炉内气流速度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F015图1560°下倾角时气化炉内气流速度不同下倾角时气化炉截取平面各节点的速度如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.T001表1不同下倾角时气化炉截取平面各节点的速度与不均匀度项目0°30°45°60°气流速度/(m/s)节点16.36.26.26.2节点25.85.65.75.8节点36.46.46.36.3节点46.05.85.95.9节点55.45.65.75.8节点66.76.26.16.1不均匀度/%2.101.891.651.58下倾角为0°、30°、45°和60°时，速度不均匀度分别为2.10%、1.89%、1.65%、1.58%。下倾角为60°时，炉内气流的分布最为均匀，但后续试验的现场安装工作难度较大。与下倾角为45°的工况相比，下倾角为60°的工况的均匀性未明显提高；下倾角为45°时，炉内气流分布相对均匀，安装难度较小。因此，采用45°下倾角为宜。4.3不同下倾角的气化炉内压力分布模拟结果与分析流体在气化炉内流动时存在压力损失。其中，气体流过管道时，管道横截面突然增加造成能量损失；气流与气化炉壁面摩擦造成能量损失；气流在气化炉内产生旋流，造成动能损失；气流分子间的撞击造成动能损失[11]。气化炉的数值模拟计算中，气流通过管道的横截面不变，气流与气化炉壁面的摩擦对压力损失的影响较小[11]；减少气化炉内旋流的问题已在上文气流均匀性中讨论。主要讨论气流分子间撞击对压力损失的影响，气流分子间的撞击主要发生在气化炉底部两个进风口的气流交界处。4种水平面下倾角时气化炉内压力如图16~图19所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F016图160°下倾角时气化炉内压力10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F017图1730°下倾角时气化炉内压力10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F018图1845°下倾角时气化炉内压力10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F019图1960°下倾角时气化炉内压力压差随下倾角的变化如图20所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.014.F020图20压差随下倾角的变化下倾角为0°时，气化炉底部中间区域由两个进风口通进的气流相互撞击，造成压力损失；下倾角为30°时，两个进风口通进气流分子间的碰撞概率减小；下倾角为45°时，气化炉底部几乎没有因为碰撞而造成的压力损失；下倾角为60°时，通进的气流直接撞击气化炉最底层，造成压力损失。综合考虑进风口下倾角对气化炉进出口压差的影响，采用45°下倾角为宜。5结语使用数值模拟方法对上吸式固定床生物质气化炉的炉内流场进行研究，并给出了炉体结构的优化方案，得到如下结论：（1）单面、双面和三面进风时，气化炉典型测点的速度不均匀度分别为3.1%、2.1%和1.9%，考虑安装成本与难度，采用双面进风口为宜。（2）计算了进风口下倾角为0°、30°、45°和60°时的炉内气流分布，相同位置测点的速度不均匀度分别为2.1%、1.89%、1.65%和1.58%，考虑安装成本与难度，采用45°下倾角为宜。（3）计算了进风口下倾角为0°、30°、45°和60°时的气化炉进出口的压差，分别为852 Pa、774 Pa、684 Pa和702 Pa，得出采用45°下倾角为宜。