Simulation of gas-solids heat transfer in cyclone pyrolyzer using CFD-DEM model
张楠，潘雪儿，杨景轩*，刘乾，连文豪，杜晓，张忠林，郝晓刚*，官国清
Keywords: Cyclone pyrolyzer; Rapidly heating; Heat convection; Natural cyclone length; CFD-DEM
DOI: 10.1016/j.partic.2023.03.025
下行床热解反应器具有气固分布均匀、停留时间短、停留时间分布窄等特点，属近平推流气固反应器，适用于低阶煤热解制焦油等以中间产物为产品的反应过程。但其固含率较低，不利于传热。太原理工大学郝晓刚教授团队在PARTICUOLOGY发表研究论文，将离心力场与气旋湍流产生的协同作用引入下行床，形成旋风热解器；与传统下行床热解器对比，发现场-流协同作用可显著改善传热速率，并对旋风热解器的主要传热机制和传热控速步骤进行深入分析。
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研究背景
下行床热解器具有气固分布均匀、停留时间短、停留时间分布窄等特点，适合低阶煤快速热解。大量研究也表明，低阶煤热解过程中升温速率越快，热解气和焦油的产率越高，而且高升温速率在一定程度上还可以改善焦油品质。众多学者通过研究还发现，增大气速能够提高气固传热系数，从而强化传热过程；此外，高固含率同样也能带来好的换热效果。然而，由于下行床顺重力场的特性，使高气速和高固含率难以兼得，从而限制了下行床中煤颗粒升温速率的提升。为了解决上述问题，太原理工大学郝晓刚教授研究团队通过在下行床中引入离心力场，提出了旋风热解器。与下行床热解器相比，旋风热解器能同时实现高气速和高固含率，使传热速率进一步提升。本文采用CFD-DEM方法，系统研究了旋风热解器中的传热特性，结合流动特性考察了操作条件对煤颗粒升温过程的影响，并对比了煤颗粒在旋风热解器与下行床热解器中的升温速率。
论文亮点
1.将离心力场和气旋湍流引入下行床，克服了常规下行床中高气速和高固含率难以兼得的难题，颗粒间的传热速率得以成倍提升。
2.利用CFD-DEM方法分别统计碰撞导热、对流传热和辐射传热三类方式在旋风热解器内发挥的作用，结果表明气固对流是贡献最大的传热机制。
3.旋风热解器内的气流下行一段距离后会自然折返。在自然折返点以上，气固速度差较大，气流湍动强，是气固对流传热的主要区域。
4.提高旋风热解器入口气速可以增大气固速度差，从而提高传热速率，但气流量过大也增加了气流的总吸热量，因此通过提高气速强化传热的方法存在极限。
要点精读
1．旋风热解器中温度分布
系统研究了旋风热解器中载热颗粒、煤颗粒和气体的轴向温度分布，将煤颗粒升温过程的控制机理分为热对流、热传导和热辐射。研究发现，煤颗粒在反应器上半段升温速率较快，而在中下部升温速率逐渐平缓，如图1所示。煤颗粒升温过程的主要控制机理为气固之间的对流传热，其次为热辐射，而热传导几乎可以忽略。由此也表明，气体和煤颗粒在反应器上半段区域的对流传热在整个升温过程中占据主导地位。
图1.（a）气体、煤和载热颗粒温度轴向分布，（b）三种传热机理轴向分布
2．旋风热解器与下行床热解器的传热过程对比
分别在旋风热解器与下行床热解器中设置相等的煤颗粒停留时间和质量通量，对比了两种反应器的传热过程。研究发现，当煤颗粒在两个反应器中停留时间为0.7秒时，旋风热解器中煤颗粒的升温速率接近400 K/s，而下行床热解器中的升温速率为100 K/s，如图2所示。这是由于旋风热解器中颗粒在离心力作用下聚集在近壁面区域形成高固含率区，同时旋风热解器中高气速引起了剧烈的气固湍动，两种因素共同作用下显著提高了煤颗粒的升温速率。此外，随旋风热解器中气速增大，颗粒的旋转速率和所受离心力增加，更容易聚集在近壁面区域，表明旋风热解器能够同时实现高固含率和高气速，从而强化传热过程。
图2. 下行床和旋风热解器中煤颗粒出口温度
3．气固对流传热过程分析
由于气固对流传热在煤颗粒升温过程中占据主导地位，本文进一步分析了气体与煤颗粒之间的对流传热过程。研究结果表明，对流传热速率在入口附近区域迅速上升，然后再迅速下降，在反应器中部出现明显转折点，随后沿流动方向保持稳定，如图3（a）所示。考虑到气固对流传热过程与气体流动状态密切相关，本文提取了旋风热解器中气体下行流量沿轴向变化趋势，如图3（b）所示，对流传热速率和下行流量的变化趋势几乎吻合。当气体的下行流量大于0时，气体的湍动和对流传热速率相应增大；当下行流量为0时，表明该区域内气体处于静止状态，传热速率降低。其中，从入口顶部到旋风尾端的距离被认为是自然旋风长，而旋风尾端的位置可以通过计算下行流量为0的位置确定。表明旋风热解器中以旋风尾端为界，上方区域对流传热速率较高，而下方区域对流传热速率相对较低，两个区域传热机理不同。这是由于旋风尾端上方区域的气体湍流运动剧烈，导致对流传热速率较高；而在下方区域气体湍流运动较弱，导致对流传热速率较低。
图3. (a) 对流传热速率沿轴向分布，(b)下行流量沿轴向分布
4．气速对传热过程的影响
由于气体在传热过程的作用至关重要，本文又详细探讨了气速对载热颗粒和煤颗粒温度的影响。由图4结果显示，随着气速增大，煤颗粒的温度逐渐升高，载热颗粒的温度却逐渐降低。而且，高气速时（70和90 m/s），增加气速对煤颗粒出口温度的影响明显减小。这是由于在旋风热解器中气速增加对传热过程有两方面影响：一方面，气速增加导致气体湍流程度增加，从而增强了传热过程；另一方面，气体消耗的热量随气速增加而迅速增加。因此，在高气速条件下（70和90 m/s），两种效果相互抵消，煤获得热量的比值逐渐降低，高气速时煤的传热速率相对稳定。
图4. 不同气速下（a）煤和（b）沙颗粒的轴向温度分布
总结与展望
本文采用计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）系统地研究了旋风热解器内气固传热过程。由于离心力“场”和气旋涡“流”的协同作用，在相同时间下，煤颗粒在下行过程中的升温速率提高了近3倍，颗粒下行高度缩短了2/3。分析气固对流，碰撞导热和辐射传热三种机制的传热量，发现气固对流传热占据主导。在旋风热解器内，自然旋风长所在区域气固速度差更大，气流湍动更强，是气固对流传热的主要区域。提高旋风热解器入口气速可强化对流传热，但也会因气流量的增大而带出更多热量，冷颗粒升温速率达到极限。因此从传热角度分析，该设备的操作气速存在一个极限。此项工作为后续旋风热解反应器的设计、优化及工业应用提供了理论基础。
通讯作者
杨景轩，男，副教授，工学博士，入选山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才。中国颗粒学会第四届青年理事，山西省化工学会专业委员会工作部部长，山西省化工学会理事，山西省化工学会流态化专业委员会秘书长。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目，作为骨干成员参与国家重点研发计划项目两项，科技部国际科技合作项目一项，国家自然基金面上项目两项，省级项目三项。发表SCI论文近三十篇，授权发明专利七项。主要研究方向：多相流动、传递、反应过程及装备。
郝晓刚，男，教授，工学博士，博士生导师。中国化工学会理事、中国颗粒学会理事，山西省科协委员、中国化工学会工程热化学专委会委员、中国膜工业协会电驱动膜专委会委员；山西省新世纪学术技术带头人“333人才工程”省级人选，山西省“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才。毕业于四川大学化工系，分别于1987、1990年获学士、硕士学位，1997年获博士学位；2002年~2003年美国华盛顿大学访问学者、2007年～2008年加拿大滑铁卢大学高访、2011年日本东京大学、神户大学访问学者、2013年加拿大西安大略大学高访。国家重点研发计划中日政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目负责人，已完成多项国家自然科学基金、省基金、国际合作项目和回国留学人员基金项目；在国内外学术期刊发表科研论文四百余篇，授权国家发明专利五十余项，出版教材/专著六部。国际期刊《Carbon Resources Conversion》、《Resource Chemicals and Materials》编委、《太原理工大学学报》副主编、《水处理技术》及《煤炭转化》等期刊编委，国内外百余种主流学术期刊审稿人。主要研究方向：碳资源清洁转化、电活性功能材料、膜分离、计算化学工程。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Zhang, N., Pan, X., Yang, J., Liu, Q., Lian, W., Du, X., . . . Guan, G. (2024). Simulation of gas-solids heat transfer in cyclone pyrolyzer using CFD-DEM model. Particuology, 85, 155-166. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.025.