帶提升管內(nèi)循環(huán)流化床的流動(dòng)特性研究

劉玉浩，張明河，楊 新

（ 1.國(guó)網(wǎng)能源山東建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250000;2.華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北保定 071003）

0 引言

隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，尋找可替代的能源已經(jīng)刻不容緩。生物質(zhì)能作為一種清潔可再生能源，幾乎不含硫，含氮也很少，且具有二氧化碳近零排放的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)估計(jì)，地球上每年生物能相當(dāng)于世界總能耗的十倍［1］，然而目前我國(guó)商品化的生物質(zhì)能源僅占能源總耗的0.5%左右［2］，因此生物質(zhì)氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到迅速的發(fā)展。目前來說，常規(guī)的流化床應(yīng)用于生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的技術(shù)的很廣，但存在著很多問題:產(chǎn)氣質(zhì)量低，顯熱損失大，碳回流難以控制等，因此國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床進(jìn)行了特性研究［3－5］。而帶中心提升管的內(nèi)循環(huán)流化床相比于常規(guī)流化床，結(jié)構(gòu)更緊湊，簡(jiǎn)單，節(jié)約了制造成本［5］。此外，燃燒室散出的熱量可以完全被氣化室吸收，所以熱損失更小。

帶提升管的內(nèi)循環(huán)流化床裝置主要包括一個(gè)環(huán)形鼓泡床(氣化室)和一個(gè)快速床(燃燒室)組成。在環(huán)形鼓泡床中，通過進(jìn)料孔進(jìn)入氣化室的生物質(zhì)與氣化劑(一般是水蒸氣)在循環(huán)物料放出熱量的條件下發(fā)生熱解氣化反應(yīng)生成H2、CO、CH4等產(chǎn)氣通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離儲(chǔ)存;生物質(zhì)未完全反應(yīng)的半焦和放完熱量的循環(huán)物料通過布置在提升管上的返料孔進(jìn)入燃燒室與氧氣混合進(jìn)行燃燒，放出的熱量用來加熱循環(huán)物料以提供氣化室氣化吸熱。加熱后的循環(huán)物料通過錐形分離器返回到氣化室。高溫?zé)煔饨?jīng)過旋風(fēng)分離器后用來加熱水產(chǎn)生水蒸汽作為氣化劑。固體循環(huán)物料流率能在很大程度上決定固體停留時(shí)間、氣固兩相接觸和熱量與質(zhì)量交換律［6］。因此控制實(shí)現(xiàn)較大的顆粒循環(huán)流率Gs是內(nèi)循環(huán)流化床氣化裝置的主要目的之一，顆粒循環(huán)流率越大，越有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行［7］。

由于固體顆粒循環(huán)流率的主要控制因素包括:氣化室風(fēng)速，中心提升管風(fēng)速，物料特性，床體結(jié)構(gòu)等，文中特通過自行搭建的帶提升管的內(nèi)循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)，從運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方面對(duì)循環(huán)物料流率的的影響因素進(jìn)行分析，為內(nèi)循環(huán)流化床顆粒的進(jìn)一步熱態(tài)試驗(yàn)研究提供了一定的依據(jù)，并對(duì)以后的工業(yè)應(yīng)用具有一定的指引意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

內(nèi)循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖1，試驗(yàn)臺(tái)由有機(jī)玻璃制成以便于觀察物料運(yùn)動(dòng)情況并測(cè)量顆粒循環(huán)流率，包括氣化室，提升管，錐形分離器，環(huán)形L閥，布風(fēng)板等。其中提升管內(nèi)徑90 mm，高度為1.2 m，鼓泡床內(nèi)徑 290 mm，高度為2 m，提升管底部開4個(gè)直徑為32 mm的進(jìn)料孔。在距氣化室布風(fēng)板0.1 m和0.5 m處的氣化室壁上設(shè)置放料孔和進(jìn)料孔，以便于放料和加料。提升管設(shè)計(jì)成可以更換的形式，準(zhǔn)備三根提升管，每根提升管上各自有三組不同位置的進(jìn)料孔，三根管上的開孔數(shù)目不同，分別為六個(gè)、四個(gè)和兩個(gè)，但保證不同管上的進(jìn)料孔的總進(jìn)料面積相同。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室，氣化室和燃燒室分別有兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)提供流化風(fēng)，以避免相互影響。風(fēng)量由蝶閥控制并由空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量其流量。保證其他控制因素不變的情況下，只改變單一控制因素通過測(cè)量其質(zhì)量流率，得到其與循環(huán)物料量之間的關(guān)系。其中顆粒循環(huán)量采用容積測(cè)量法測(cè)量。即在環(huán)形L閥下方有一個(gè)測(cè)量容器，計(jì)量物料堆積到某一刻度所需的時(shí)間，根據(jù)物料的堆積密度進(jìn)而計(jì)算出顆粒的循環(huán)流率。實(shí)驗(yàn)物料采用石英砂，其物理粒徑范圍為380～550 um，顆粒球形度為 0.73，真實(shí)密度為 2650 kg/m3，堆積密度為1650 kg/m3，靜床高為8 cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氣化室風(fēng)速的影響

對(duì)于某一高度物料量，保持提升管風(fēng)速Ud不變，依次改變氣化室風(fēng)速Ua。計(jì)算得到的循環(huán)物料流率與Ua的關(guān)系如圖2。在該圖中可以看出當(dāng)Ua大于臨界流化風(fēng)速Umf后，隨著氣化室風(fēng)速的增加，循環(huán)物料流率Gs會(huì)相應(yīng)的增加，但隨著Ua的增大。Gs增大的趨勢(shì)慢慢減小。原因是Ua增大，使得空氣動(dòng)能增加，氣泡擾動(dòng)也更加劇烈，固體物料顆粒的活躍程度加強(qiáng)，流動(dòng)性變得更，除此之外Ua增加會(huì)使得床層界面相應(yīng)的增加，兩床之間的壓差也相應(yīng)的變大，顆粒循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力增加，氣化室中氣固之間的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)［7］，因此 GS隨著 uf的增加而增加［8］。以上兩方面原因都使得進(jìn)入提升管的顆粒增多，因此Gs隨Ub增加而增加較快。但當(dāng)氣化室風(fēng)速達(dá)到0.573 m/s后，由于小孔面積的阻礙作用，氣化室風(fēng)速不再是影響物料的關(guān)鍵因素，因此隨著氣化室風(fēng)速的增大，循環(huán)物料流率增加緩慢，逐步達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.2 提升管風(fēng)速的影響

保證氣化室風(fēng)速不變，依次改變提升管風(fēng)速大小，計(jì)量Gs與提升管風(fēng)速Ud的關(guān)系如圖3，隨著Ud增大，Gs相應(yīng)增大，但增大的速率逐漸減小。

造成該種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)Ud較小時(shí)(Ud＜3.93 m/s時(shí))，大部分顆粒達(dá)不到其終端速度，只有少數(shù)物料參與循環(huán)，物料循環(huán)流率較小，隨著Ud增大，提升管內(nèi)物料濃度降低，從而使提升管上返料孔位置上部的壓力降低，返料孔兩側(cè)的壓差增大，從而使推動(dòng)力增大，循環(huán)物料量增大，除此之外，氣速增大，使氣化室向提升管的串氣增大，也可以相應(yīng)的攜帶物料進(jìn)入提升管的物料量增大，使循環(huán)物料量增大。但提升管風(fēng)速達(dá)到某一值后，氣速再增大，使得提升管的高速氣流對(duì)孔口流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，從而使物料循環(huán)量增長(zhǎng)緩慢，甚至為水平狀態(tài)。

2.3 返料孔高度的影響

返料孔高度Hor的大小對(duì)Gs有著很大的影響。Hor對(duì)Gs影響如圖4所示，隨著Hor變大，循環(huán)物料流率Gs逐漸變低，并且Gs降低的速率逐漸增快。

導(dǎo)致出現(xiàn)如圖所示的曲線的原因是返料孔位置的升高，小孔位置距離氣化室床層界面的距離減小，返料孔上部壓力減小，提升管側(cè)返料孔上部壓力相對(duì)減小較少，導(dǎo)致氣化室提升管之間的壓差ΔPor降低，從而使循環(huán)物料的動(dòng)力降低。除此之外，還導(dǎo)致從氣化室到提升管的串氣也隨著小孔位置的上升而減小，兩者的相互作用到致循環(huán)物料的急劇減小。

2.4 返料孔大小的影響

在保持總返料面積不變的情況下，分別對(duì)四孔和兩孔的提升管進(jìn)行試驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

首先循環(huán)物料量隨返料孔直徑dor的增大而增大，當(dāng)增大到一定程度后，隨dor的增大反而減小。其原因在于當(dāng)返料孔直徑較小時(shí)，返料孔壁對(duì)循環(huán)物料的流動(dòng)的阻礙作用明顯。從而增大了循環(huán)物料的流動(dòng)阻力。隨著返料孔面積的增大，物料通過返料孔時(shí)，不能占據(jù)整個(gè)返料孔的面積，返料孔上部有部分的空隙，從而使氣化室與提升管之間的串氣增加，尤其是對(duì)從氣化室到提升管的串氣影響更加嚴(yán)重，使氣化室中實(shí)際氣體的速度達(dá)不到原來計(jì)算的氣體速度，從而使Gs明顯下降。即Gs隨著返料孔直徑的增大首先增大然后減小。

3 結(jié)論

文中通過對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)的得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)物料循環(huán)流率隨氣化室風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)風(fēng)速超過一定程度(大顆粒粒徑臨界流化風(fēng)速后)，顆粒循環(huán)流率的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

(2)物料循環(huán)流率隨提升管風(fēng)速的增大而增大，提升管風(fēng)速達(dá)到某一值后，氣速再增大，使得提升管的高速氣流對(duì)孔口流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，從而使物料循環(huán)量增長(zhǎng)緩慢。

(3)隨著返料孔位置變高，循環(huán)物料量逐漸變低。循環(huán)物料率降低的速率逐漸增快。

(4)循環(huán)物料量隨返料孔面積的增大而增大，當(dāng)增大到一定程度后，隨返料孔直徑的增大反而減小。

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