稻草及木屑與煤二元混合顆粒的流化特性

徐 陽， 郭志國， 陳雪莉， 劉海峰（華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

稻草及木屑與煤二元混合顆粒的流化特性

徐 陽， 郭志國， 陳雪莉， 劉海峰
（華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

為獲得生物質(zhì)與煤混合顆粒的最小流化速度（Umf）與混合顆粒流化時的分離特性，借助高速攝像儀、壓力在線采集系統(tǒng)等對稻草及木屑兩種生物質(zhì)與煤二元混合顆粒的流化特性進行了研究。當生物質(zhì)摻混比（質(zhì)量分數(shù)）低于5%時，二元混合顆粒的流化性能與煤粉單獨流化接近，甚至在一定程度上提高了流化質(zhì)量；但隨著生物質(zhì)顆粒與煤顆粒的粒徑差異增大以及生物質(zhì)摻混比增大到10%左右，二元混合顆粒流化質(zhì)量變差，逐漸出現(xiàn)分離和穿孔等現(xiàn)象。隨著混合顆粒中生物質(zhì)摻混比的增大，最小流化速度隨之增加?；趯嶒炑芯拷Y(jié)果，提出了用于預測生物質(zhì)與煤二元混合顆粒最小流化速度的改進模型。另外研究還表明隨著生物質(zhì)摻混比的增大，混合顆粒離析程度加劇，床層出現(xiàn)不穩(wěn)定流化現(xiàn)象。

稻草；木屑；煤；混合顆粒；流化；最小流化速度

粉體的流化一直是許多包含氣固兩相流的工業(yè)過程比如氣力輸送和CFB系統(tǒng)［1-4］的楔石，而細顆粒因其本身特殊的物理和化學性質(zhì)，比如強的顆粒間作用力使之更易團聚且流動性較差，從而受到學術(shù)界更多的關(guān)注。1973年，Geldart［5］基于流化特性，獨創(chuàng)性地提出了一種經(jīng)驗性的分類方式，將顆粒物質(zhì)分為4類。根據(jù)這種分類方式，粒徑小于30 μm的顆粒被歸納為C類樣本，因為顆粒間作用力與重力之比較高，它很難甚至不能被流化。學者們對這種黏性顆粒的流化在理論和實驗上進行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)其在流化過程中的許多不穩(wěn)定現(xiàn)象，比如溝流、穿孔、節(jié)涌和結(jié)塊等［6-8］。生物質(zhì)顆粒因其特殊的外形、粒徑和密度很難被流化［9］。Zhong等［10］研究了5種不同生物質(zhì)的流化特性，結(jié)果顯示針形生物質(zhì)顆粒的最小流化速度（Umf）隨長寬比的增加而增加，并且當長寬比高于一個特定值時其不能被流化。Zhou等［11］利用CFD-DEM模型將生物質(zhì)顆粒外形對流化的影響進行了量化研究，發(fā)現(xiàn)當顆粒長寬比大于2之后繼續(xù)增大，其最小流化速度隨之增大。

為了提高包括煤粉和生物質(zhì)顆粒在內(nèi)的難流化樣本的流化質(zhì)量，學者們做了許多研究，比如添加易流化顆?；蛑鲃?、表面涂層技術(shù)、機械力或磁力輔助等，并且其中一些已經(jīng)被用于實際工業(yè)過程［12-15］。Chen等［12］研究發(fā)現(xiàn)一種新型的表面涂層工藝可以降低顆粒間的黏性力從而使顆粒的Geldart分類從C類轉(zhuǎn)變?yōu)锳類，在此基礎(chǔ)上建立了一種用以確定能夠降低黏性的最小涂層覆蓋率的有效模型。宋新朝等［16］發(fā)現(xiàn)向生物質(zhì)床料中加入煤顆粒作為重組分，在生物質(zhì)摻混比（質(zhì)量分數(shù)）低于50%時二元混合顆粒能很好地流化。另外對于包含生物質(zhì)顆粒的混合顆粒，因為顆粒間物理特性的差異，其在流化時很容易發(fā)生分離從而使流化失效。Oliveira等［17］發(fā)現(xiàn)混合顆粒中惰性顆粒與生物質(zhì)顆粒的粒徑比對分離有顯著的影響。粒徑比越大，分離情況越嚴重，流化質(zhì)量越差。

目前因資源與環(huán)境等問題，生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用越來越受到關(guān)注，其中生物質(zhì)與煤共利用是解決生物質(zhì)能規(guī)?；透咝Ю玫闹匾緩街?，具有良好前景［18-19］。在諸多生物質(zhì)與煤共利用關(guān)鍵技術(shù)中，很多時候會涉及到生物質(zhì)與煤二元混合顆粒的流化特性，兩者的混合顆粒能否充分穩(wěn)定流化對于后續(xù)的氣化工段有著非常重要的意義?；诖?，本文借助高速攝像儀、壓力傳感器等研究了生物質(zhì)與細煤粉混合顆粒的流化特性，分析了生物質(zhì)摻混比與粒徑對流化特性的影響，同時考察了生物質(zhì)與煤二元混合顆粒在流化過程中的分離情況。

1　實驗部分

1.1實驗原料

實驗所用顆粒為神府煙煤煤粉與兩種典型的生物質(zhì)顆粒（稻草和木屑），它們的物理特性見表1。圖1（a）示出了用Malvern Mastersizer 2000測得的神府煙煤煤粉的累積粒度分布。圖1（b）示出了用BT-2900測得的稻草與木屑顆粒累積粒度分布。物料濕含量均控制在2%（質(zhì)量分數(shù)）以內(nèi)。

表1　物料參數(shù)Table 1 Material properties

1.2實驗裝置與流程

實驗裝置主要由供風系統(tǒng)、可視化觀測系統(tǒng)、壓力檢測系統(tǒng)和流化床床體組成，如圖2所示。床體材質(zhì)為透明有機玻璃，壁厚20 mm。床體包含上部流化室和下部氣室兩部分。兩部分之間為氣體分布板，其材質(zhì)為多孔燒結(jié)金屬。流化室直徑180 mm，高600 mm；氣室直徑180 mm，高150 mm。流化室壁面沿高度方向設(shè)有3個取樣口，相鄰取樣口相距100 mm。

實驗前從流化床頂部緩慢加入3 kg物料，使其處于自然堆積狀態(tài)，初始床層高度在200 mm左右。然后氣量從0開始以0.043 1 g/s的間隔逐次增加，每次增加氣量后等壓力保持穩(wěn)定再記錄壓力數(shù)據(jù)。為了獲得更加精確的實驗數(shù)據(jù)，每組實驗重復5次，取平均值。同時實驗時由2 000 W的鹵素聚光燈與高速攝像儀拍攝床層側(cè)面邊壁處物料的流化狀況，并通過標尺來記錄床層高度。

圖1　顆粒累積粒徑分布Fig.1 Cumulative distribution functions of particles

圖2　實驗裝置圖Fig.2 Schematic diagram of the fluidized apparatus

1.3測試分析方法

實驗時通過壓力傳感器獲得的是流化床總壓降，以流化床總壓降減去空床壓降（分布板壓降）即可獲得床層壓降，并進一步計算標準化床層比壓降Rp。Rp表征壓降的變化，量綱為一，它可以反映床層流化狀況，其定義如下：

其中：ΔP為床層壓降；A為床層截面積；m為床層中流化顆粒總質(zhì)量；g為重力加速度。當Rp=1時表示流化完全均勻；相反當流化質(zhì)量很差，比如發(fā)生崩裂、穿孔和騰涌時Rp會很低。以Rp為縱坐標，流化氣速ug為橫坐標作圖得到該物料的流化曲線。

為了獲得混合顆粒的分離指數(shù)，在床層充分流化后從不同床層高度取樣，取樣點分別位于布風板向上0，100，200 mm處，3個取樣點分別代表床層底部、中部與頂部。通過對比床層各位置生物質(zhì)摻混比變化的相對標準偏差來反映生物質(zhì)與煤混合顆粒流化時的分離情況。

2　結(jié)果與討論

2.1生物質(zhì)顆粒流化特性

圖3示出了生物質(zhì)顆粒的流化曲線，從中可以看出隨著生物質(zhì)顆粒粒徑的增大，流化曲線越來越不明顯，甚至StrawⅢ與SawdustⅢ因過大的長寬比完全不能流化。其比壓降先隨表觀氣速的增大而緩慢增加，然后在表觀氣速遠遠大于較細生物質(zhì)顆粒的最小流化速度時發(fā)生突降，之后趨于平穩(wěn)。突降的原因可能是床層發(fā)生了嚴重的穿孔。圖4所示為生物質(zhì)顆粒在流化實驗結(jié)束后的顆粒界面圖像。由圖可以清楚地看出大粒徑、大長寬比的生物質(zhì)顆粒流化時的穿孔現(xiàn)象與其流化的不均勻性，當床層發(fā)生穿孔后，比壓降降低的同時床層其他部分區(qū)域依舊保持固定床狀態(tài)而未能流化。

2.2生物質(zhì)與煤混合顆粒流化特性

圖5為不同生物質(zhì)摻混比的混合顆粒流化時的比壓降隨表觀氣速的變化趨勢圖。由圖可以看出在顆粒順利流化的情況下，Rp隨表觀氣速的增加先穩(wěn)定升高之后趨于平穩(wěn)。在生物質(zhì)摻混比低于5%時，混合顆粒流化的Rp和煤粉單獨流化的Rp接近，甚至高于煤粉單獨流化的Rp，表明向細煤粉中添加少量生物質(zhì)在一定程度上能夠提高流化質(zhì)量。而當生物質(zhì)摻混比高于10%后，流化會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，混合顆粒流化的Rp明顯小于煤粉單獨流化的Rp，并且生物質(zhì)顆粒粒徑越大，該現(xiàn)象越明顯。當粒徑相似且摻混比相同時，稻草和木屑分別與煤粉的混合顆粒的流化特性相近，稻草和煤粉混合顆粒的最小流化速度略低于木屑和煤粉混合顆粒。

圖3　生物質(zhì)顆粒流化曲線Fig.3 Fluidized curves of biomass particles

圖4　生物質(zhì)顆粒流化實驗結(jié)束后顆粒界面圖像Fig.4 Granular images after fully fluidization

細煤粉中摻入較少的生物質(zhì)能提高流化質(zhì)量的原因可以歸結(jié)為生物質(zhì)顆粒的加入降低了黏性顆粒間的相互作用力并且其能夠有效地對顆粒結(jié)構(gòu)進行重組。這與較粗的B類煤顆粒［16］情況不同，細顆粒之間范德華力占主導作用，粒徑越小黏性越大，團聚情況越嚴重。Guo等［20］研究發(fā)現(xiàn)，向煤粉中添加生物質(zhì)后，粒徑分布中較細的煤粉會黏附在生物質(zhì)顆粒上，這一方面可以整體上增大顆粒粒徑，打破顆粒之間的團聚現(xiàn)象；另一方面針狀顆粒存在一個微擾長度，它的往返運動能使顆粒之間的應力更加均勻，從而改善流化質(zhì)量。當摻混比大于10%時，床層孔隙率增加，透氣性增強，氣流更容易通過床層而導致了較低的Rp。同時，針狀顆粒這種復雜的顆粒取向?qū)е陆Y(jié)構(gòu)上的不均勻是流化不穩(wěn)定的直接原因。

圖6所示為生物質(zhì)摻混比為15%的混合顆粒流化實驗之后的界面圖像。可以看到木屑與煤混合顆粒流化結(jié)束后界面上有分布均勻的鼓泡痕跡，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的穿孔；而稻草與煤混合顆粒流化結(jié)束后界面上出現(xiàn)了不同程度的穿孔，并且可明顯觀察到稻草的離析現(xiàn)象。與稻草顆粒相比，木屑顆粒的表面相對粗糙［20］，使得木屑顆粒間接觸面積較大，顆粒的黏性力較強。流化過程中，氣固間的強烈相互作用易造成生物質(zhì)與煤顆粒分離，而木屑顆粒與煤顆粒間相對較強的黏附性一定程度上降低了兩者分離的可能。

圖5　生物質(zhì)與煤混合顆粒的流化曲線Fig.5 Fluidized curves of biomass-coal blends after fully fluidization

圖6　生物質(zhì)摻混比為15%的生物質(zhì)與煤混合顆粒流化實驗結(jié)束后顆粒界面圖像Fig.6 Images of biomass-coal blends including 15%（mass fraction）biomass after fully fluidization

2.3生物質(zhì)與煤混合顆粒的最小流化速度

生物質(zhì)與煤混合顆粒的最小流化速度為其流化曲線恒比壓降線起始點對應的速度。圖7所示為兩種生物質(zhì)與煤混合顆粒的最小流化速度隨生物質(zhì)摻混比的變化趨勢。由圖可以看出當生物質(zhì)摻混比較低時，混合顆粒的最小流化速度與純煤的最小流化速度相似；摻混生物質(zhì)顆粒粒徑越大，混合顆粒最小流化速度Umf越大，且最小流化速度均隨生物質(zhì)摻混比的增加而增大。這與許多學者的研究結(jié)果相符［15，21-24］，而與宋新朝等［16］所得結(jié)果存在差異。這應該是因為主體顆粒粒徑差異造成的，本實驗所用煤顆粒屬于粒徑低于30μm較難流化的Geldart C類顆粒，而文獻［16］采用的是粒徑較大（750μm）的Geldart B類顆粒，這屬于兩種不同種類的流化，所以實驗結(jié)果有所偏差。

圖7　混合顆粒最小流化速度隨生物質(zhì)摻混比變化Fig.7 Relationship between Umfand biomass mass fraction of different blends

已有文獻中，計算單一顆?；虿煌蕉旌项w粒的最小流化速度的公式較多，但仍缺乏能準確預測生物質(zhì)與煤二元大差異混合顆粒的最小流化速度的公式。基于此，本文在實驗研究的基礎(chǔ)上，利用量綱為一的分析方法獲得了混合顆粒的Umf，并關(guān)聯(lián)出了預測生物質(zhì)與煤混合顆粒Umf的經(jīng)驗模型。

對于生物質(zhì)與煤混合顆粒，其有效密度ρ—由式（2）計算［22］：

其中：ρb與ρc分別是生物質(zhì)與煤的密度；wc與wb分別是煤與生物質(zhì)的摻混比。式（3）為混合顆粒有效粒徑計算方式：

其中，dc與db分別是煤與生物質(zhì)的索特粒徑。為了計算最小流化速度，選用Wen和Yu［25］簡化了的歐根方程，表示如下：

其中k1和k2是兩個待定常數(shù)。原歐根方程中的K1和K2需要獲得處于最小流化速度狀態(tài)的床層空隙率與顆粒球形度才能計算，而k1和k2的值對于不同的物料在很大的雷諾數(shù)范圍中都幾乎不變，所以本文利用此簡化方程。

定義處于最小流化速度狀態(tài)的雷諾數(shù)與阿基米德數(shù)［21］為

式（6）可用于大差異生物質(zhì)與煤混合顆粒最小流化速度的預測，適用范圍：dc≈10μm，100μm≤db≤440μm（D［3，2］），ρc≈700 kg/m3，160 kg/m3≤ρb≤220 kg/m3，0≤w≤20%。關(guān)聯(lián)式（6）的相關(guān)系數(shù)為0.926。圖8為式（6）的計算值與實驗值的對比圖?？梢钥闯鰧嶒炛蹬c計算值有良好的一致性，誤差控制在10%以內(nèi)，進一步證明了模型的有效性。

其中ρg與μg分別是空氣的密度與黏度。從圖7與式（2）～（4）可以看出最小流化速度與w之間存在關(guān)聯(lián)。據(jù)此可將歐根方程改寫如下：

其中f（w）=k2w＋k3（1－w），然后利用實驗數(shù)據(jù)對式（5）進行擬合，得出以下關(guān)聯(lián)式：

圖8　最小流化速度計算值與實驗值的對比Fig.8 Relationship between calculated Umfand measured Umf

2.4生物質(zhì)與煤混合顆粒流化過程中的離析

通常二元混合顆粒中兩種顆粒的粒徑與密度差異越大越容易發(fā)生離析［26］，而本文所用物料正是這種大差異二元混合顆粒。實驗中使用大摻混比和大粒徑生物質(zhì)顆粒時流化過程中發(fā)生了離析，并對流化質(zhì)量造成了負面影響。為定量描述生物質(zhì)與煤二元混合顆粒在流化過程中的離析情況，特進行了分離實驗測試。當混合顆粒床層完全流化之后從預設(shè)的取樣口對不同高度床層取樣，同一操作條件下每個取樣點取5個。因為生物質(zhì)顆粒與煤顆粒間較強的黏附性，使得常規(guī)的通過篩分確定分離與否以及分離程度的方法存在較大的實驗誤差。為準確表達不同流化條件下混合顆粒的離析程度，本研究選用了測量并比較堆積密度的方式［27］。離析程度具體選用分離指數(shù)Si來表征。

圖9　充分流化后床層各部分分離指數(shù)Fig.9 Separation index as a function of biomass mass fraction after fully fluidization

粒徑與密度都不同的二元混合顆粒的流化行為受平均粒徑與細顆粒摻混比變化的影響較大。二元混合顆粒的初始流化狀態(tài)由其最小流化速度反映。最小流化速度主要受細顆粒的摻混比影響。在粒徑分離體系中，細顆粒摻混比是一個非常重要的影響參數(shù)。從圖9中可以看出隨著摻混比與取樣點高度的增加，Si逐漸升高，分離程度加強。對比木屑與稻草顆粒、木屑與煤混合顆粒Si整體控制在0.15以內(nèi)，而稻草與煤混合顆粒在w≥10%后，床層中上部分分離指數(shù)都大于0.15，分離情況較木屑而言更加嚴重。分離指數(shù)所反應的結(jié)果與實驗所觀察到的情況一致。正如之前所討論過的，較大的摻混比將會導致更復雜與混亂的顆粒結(jié)構(gòu)與顆粒取向，極易產(chǎn)生不穩(wěn)定流化現(xiàn)象。當表觀氣速大于最小流化速度后氣固交互作用劇烈，因生物質(zhì)顆粒與煤顆粒間密度與粒徑的差異，兩種顆粒所受的重力與氣體曳力合力的差值較大，較輕的生物質(zhì)顆粒會傾向于向床層頂部移動。所以頂部截面的生物質(zhì)摻混比要明顯高于其他截面。木屑對比于稻草，更強的黏附性與粗糙的表面使之與煤粉更難分離，混合更加均勻。

3　結(jié) 論

本文在流化床實驗裝置上，利用高速攝像儀和壓力傳感器研究了不同摻混比生物質(zhì)與煤混合顆粒的流化特性，主要結(jié)論如下：

（1）單獨的生物質(zhì)顆粒，粒徑和長寬比越大，流化越難。對于生物質(zhì)與煤混合顆粒，添加少量生物質(zhì)顆粒（w≤5%）可以提升流化質(zhì)量。但隨著生物質(zhì)摻混比的增加，流化質(zhì)量逐漸變差。流化過程的不穩(wěn)定現(xiàn)象（分離和溝流）會在摻混比為10%左右出現(xiàn)。

（2）因粒徑與密度差異，生物質(zhì)與煤混合顆粒在流化過程中會發(fā)生離析，離析程度隨生物質(zhì)摻混比與床層高度的增加而增加。流化過程中木屑與煤混合顆粒比稻草與煤混合顆粒分離程度低，從而具有更佳的流化性能。

（3）生物質(zhì)與煤混合顆粒的最小流化速度隨生物質(zhì)摻混比與生物質(zhì)粒徑的增大而提高。基于此研究結(jié)果，提出了可用于預測生物質(zhì)與煤二元混合顆粒最小流化速度Umf的改進模型。

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Fluidization Behaviours of Sawdust-Straw and Coal Binary Mixed Particles

XU Yang， GUO Zhi-guo， CHEN Xue-li， LIU Hai-feng
（Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education，Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

This paper aimed to study the fluidization and segregation behaviours of sawdust-straw and coal binary mixed particles during fluidization using the high-speed camera and online pressure acquisition system，further to propose an improved model to predict the related minimum fluidization velocity（Umf）. Adding a small amount of biomass particles（mass fraction below 5%）could optimize the fluidization’s characteristic.However，improper fluidization（segregation and channeling）occured when mass fraction was near 10%for rough particles.With an increase of biomass mass fraction，the declined pressure drop and the enlarged Umfare obtained.In addition，the research also shows that as the mass mixing ratio of biomass grows，the segregation degree of mixed particles rises，and the fluidization becomes unstable.

sawdust；straw；coal；mixed particles；fluidization；minimum fluidization velocity

TK6

A

1006-3080（2016）01-0001-08 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.001

2015-07-26

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（NCET-12-0854）；國家自然科學基金（21306050）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金

徐 陽（1991-），男，貴州貴陽人，碩士生，研究方向為煤氣化。E-mail：gentlesun@outlook.com

陳雪莉，E-mail：cxl@ecust.edu.cn