三維流化床內(nèi)生物質(zhì)及石英砂混合顆粒的流動特性

顧佳雯，仲兆平，王恒

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

三維流化床內(nèi)生物質(zhì)及石英砂混合顆粒的流動特性

顧佳雯，仲兆平，王恒

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

選擇鋸花、花生殼、稻殼、蔗渣為實驗對象，將不同質(zhì)量的生物質(zhì)與石英砂混合作為床料，加入三維流化床試驗臺內(nèi)混合流動，測量床內(nèi)的壓差脈動信號，床高1000mm，截面尺寸為120mm×32mm。實驗結(jié)果表明當(dāng)生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于2%時，生物質(zhì)的種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對最小流化速度的影響可以忽略不計。利用快速傅里葉變換變換分析壓差脈動信號，研究雙組分流動特征。結(jié)果表明，添加稻殼時壓力脈動在低氣速下主頻位于10～15Hz區(qū)間內(nèi)，并隨著氣速的增加向20～25Hz的高頻區(qū)移動；蔗渣、花生殼及鋸花等片狀生物質(zhì)在較低氣速下主頻消失，較高氣速下主頻存在于10～15Hz區(qū)間內(nèi)。

生物質(zhì)；壓力脈動；流化床；功率譜密度

在生物質(zhì)熱解的手段中，流化床反應(yīng)器因其較好的傳熱及流動特性，成為研究的焦點[1]。生物質(zhì)顆粒粒徑大且形狀極不規(guī)則，水分高，易彎折，很難流化[2]，因此需要加入石英砂等介質(zhì)進(jìn)行混合，優(yōu)化床內(nèi)流動。石英砂及生物質(zhì)雙組分混合物流動特性的研究是熱解研究的基礎(chǔ)。

壓力脈動信號是流化床內(nèi)流動特性的重要體現(xiàn)，不僅可以反映探測位置處的空隙率及顆粒行為[3]，判斷流化水平及流型轉(zhuǎn)換[4]，還可以判斷不同床料的最小流化速度[5]，這對研究流化床內(nèi)復(fù)雜的流動特性提供了一個操作簡便的方法。ZHANG等[6]研究了柱形生物質(zhì)和石英砂按不同質(zhì)量比混合時的運(yùn)動特性，發(fā)現(xiàn)流型隨表觀氣速的增加而變化。OR-AMPAI等[7]研究了流化床內(nèi)表觀氣速對平均頻率和功率譜密度的平均強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)鼓泡及騰涌流型下出現(xiàn)明顯主頻，證明功率譜密度是判斷流型的有效手段。

LEON等[8]采用功率譜密度法分析了冷凝劑在不同管子內(nèi)凝結(jié)過程的壓力脈動信號，結(jié)果表明微型鰭形管中從環(huán)流到間斷流轉(zhuǎn)換過程中功率譜密度急劇上升，并且湍流渦旋的存在使得壓力信號的功率譜密度明顯增大。HIROYUKI等[9]采用功率譜密度法分析了鼓泡床內(nèi)壓力脈動信號，證明不同種類的顆粒流動及不同的流型所對應(yīng)的主頻不同。SCHAAF等[10]采用非侵入性測量法測得鼓泡床內(nèi)的壓力脈動信號，得出在鼓泡床內(nèi)氣泡產(chǎn)生及聚合是床內(nèi)壓力快速波動的原因。胡小康等[11]測量了大型流化床上升管內(nèi)壓力脈動信號，指出該信號由兩種脈動構(gòu)成，顆粒質(zhì)量流量及軸向位置對脈動強(qiáng)度都有影響。

本文作者研究了片狀廢木料、蔗渣、花生殼、稻殼與石英砂混合物在不同質(zhì)量比下混合流動特性，探討生物質(zhì)種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流化床內(nèi)顆粒及氣泡運(yùn)動的影響。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗系統(tǒng)如圖1所示。流化床截面尺寸為120mm×32mm，床高1000mm，布風(fēng)板開孔率為2.6%，在距離布風(fēng)板高度200mm、300mm和400mm處開3個測壓孔，流量由轉(zhuǎn)子流量計控制，量程分別是4～40m3/h和1～20m3/h。壓力脈動信號由壓力變送器測量，經(jīng)USB數(shù)據(jù)采集器記錄，同時將流化床內(nèi)的實際流動過程保存。實驗圖像由高速攝影儀采集（Photron SA4，幀速：1024×512 pixels@12500fps），分辨率為1024×512，拍攝頻率為500fps。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

1.2 實驗物料

實驗選用鋸花、花生殼、稻殼、蔗渣為床料，惰性流化介質(zhì)采用25目篩篩分后的石英砂。首先對實驗材料進(jìn)行初步處理。稻殼本身形狀大小較為統(tǒng)一，尺寸合適，將其在陽光下進(jìn)行晾曬除去水分。鋸花因較為破碎，不再進(jìn)行粉碎處理，同樣在陽光下暴曬以去除水分?；ㄉ鷼こ叽巛^大，用剪刀剪成10×10mm2左右的碎片，因其本身較為干燥，破碎后密封備用。蔗渣因水分較多，陽光下暴曬耗時較長，所以在烘箱內(nèi)80℃下烘烤24h，然后用剪刀剪成10mm左右長度備用，由于蔗渣本身的纖維特性，寬度基本控制在5mm左右。生物質(zhì)顆粒照片如圖2所示。物料的物理性質(zhì)如表1所示。

圖2 鋸花、花生殼、稻殼、蔗渣圖片

1.3 實驗方法

靜止?fàn)顟B(tài)下加入配比好的物料，初始床高均為150mm。首先將風(fēng)量調(diào)至最大，充分流化后逐漸降低風(fēng)量，在不同工況下采集壓力脈動信號。所選擇的工況如表2所示。

表1 實驗物料的物性參數(shù)

表2 實驗工況

2 信號分析方法

功率譜密度法（power spectral density，PSD）是一種普及的信號分析方法，可通過對一列時間離散信號進(jìn)行快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）后再對時間進(jìn)行平均得到[12]。功率譜可以揭示流化床內(nèi)氣泡和床料的運(yùn)動導(dǎo)致的壓力脈動信號的特點，定性分析床內(nèi)的運(yùn)動情況。

3 數(shù)據(jù)分析與討論

壓力脈動信號是床內(nèi)氣泡的產(chǎn)生、破裂、聚合等行為的反映。由于數(shù)據(jù)采集過程中不可避免的會有一些干擾，例如噪聲，這會影響信號頻率分析的精度，因此認(rèn)為40Hz以上信號為噪聲信號[13-14]。在壓力脈動信號的功率譜上往往具有一個明顯的峰值，即信號的主頻。

3.1 生物質(zhì)種類及質(zhì)量比對最小流化速度的影響

每種物料的床層壓降與表觀氣速的關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，在表觀氣速的值未達(dá)到最小流化速度時，生物質(zhì)為花生殼、稻殼、蔗渣時，隨著表觀氣速的增加，壓降持續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到臨界流化速度時壓降出現(xiàn)峰值，之后隨著表觀氣速的增加床層壓降開始波動，但幅度不大。值得關(guān)注的是，當(dāng)鋸花的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%且氣速小于最小流化速度時，隨著氣速增加壓降出現(xiàn)波動?？梢?，生物質(zhì)的物性參數(shù)對最小流化速度有一定影響。生物質(zhì)為花生殼及稻殼時，最小流化速度約為0.4m/s；鋸花質(zhì)量比為2%、蔗渣質(zhì)量比為2%及4%時，最小流化速度約為0.4m/s；鋸花質(zhì)量比為4%及6%、蔗渣質(zhì)量比為6%時的最小流化速度難以確定。

圖3 花生殼、鋸花、稻殼及蔗渣最小流化速度圖

如圖3(a)所示，花生殼在質(zhì)量比為6%時的壓降相對質(zhì)量比為2%及4%時下降明顯?？赡芤驗榛ㄉ鷼さ某叽缦鄬τ趯嶒炁_尺寸選取偏大，并且其密度在4種物料中偏高。因此，質(zhì)量比為6%時花生殼之間出現(xiàn)大范圍團(tuán)聚并沉積在下方，沒有很好的與石英砂顆?；旌稀２⑶?，堵塞位置位于上部信號采集點的下方，致使3個采樣點測得的平均值下降。

圖3(b)為片狀鋸花的實驗結(jié)果，可以看出，當(dāng)質(zhì)量比為4%及6%時出現(xiàn)了到達(dá)某一速度后壓降再次迅速躍升的情況，并且這種情況隨著生物質(zhì)質(zhì)量比的增加而更加顯著，而后壓降作小幅波動。而當(dāng)鋸花質(zhì)量比為2%時這種情況并未發(fā)生。考慮實驗測定方法為氣速由高降低的下行方式，并且鋸花質(zhì)軟且輕，形狀成片狀，隨著表觀氣速持續(xù)降低，到達(dá)某值時床內(nèi)氣泡活動很不穩(wěn)定，是不成熟的流動。因此認(rèn)為當(dāng)鋸花質(zhì)量比大于2%時，最小流化速度的概念并不適用。值得注意的是，此刻的氣速是花生殼、稻殼及蔗渣的最小流化速度，然而由于鋸花與眾不同的特性，致使其在高質(zhì)量比下的流動很難達(dá)到穩(wěn)定水平，氣體要沖破床層，形成穩(wěn)定的流動需要更大的速度。

圖3(c)稻殼試驗中，實驗結(jié)果較為理想。雖然稻殼密度與花生殼相似，但因為其較均勻的粒徑分布及較小的尺寸，紡錐形的形狀也不易在床層中卡住從而導(dǎo)致流化不均勻，所以僅僅是稻殼密度的變化對床層壓降產(chǎn)生了輕微的影響。

圖3(d)蔗渣實驗的床層壓降很顯著，但臨界流化速度對應(yīng)的壓降峰值仍然可以明顯的看出。主要因為蔗渣的密度小，又不如廢木料柔軟，較為堅硬，再加上預(yù)處理時考慮到實際應(yīng)用的操作并沒有把甘蔗內(nèi)部的松軟纖維刮掉，使得蔗渣相比廢木料蓬松很多。但因為其密度太小，在質(zhì)量比為6%時，生物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)過大，已經(jīng)難以與石英砂充分混合，此時的流動是非正常的。

3.2 生物質(zhì)種類對流型的影響

不同的生物質(zhì)種類勢必會對流化床內(nèi)石英砂及生物質(zhì)雙組分混合物的流動特性產(chǎn)生影響。生物質(zhì)的密度、形狀、硬度等參數(shù)都會表現(xiàn)出不同的特點，本研究選用的生物質(zhì)種類在物性上相差較大，以此來考察不同生物質(zhì)種類對流動造成的結(jié)果?？紤]到蔗渣、鋸花在上一節(jié)討論的實驗結(jié)果，這兩種物料取質(zhì)量比為2%時的數(shù)據(jù)，而稻殼、花生殼選取質(zhì)量比為6%時的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目的是為突出這兩種生物質(zhì)對流型的影響。

圖4為生物質(zhì)為稻殼時床內(nèi)的流動情況，圖5為對應(yīng)的PSD圖。

圖4 不同氣速下稻殼質(zhì)量比為6%時的流動圖像

圖5 不同氣速下稻殼質(zhì)量比為6%時的壓力信號PSD圖

可以看出，隨著氣速升高，寬譜區(qū)向高頻方向移動，并在25～30Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)狹窄且突出的主頻，這是因為氣速較低時，床內(nèi)物料混合較差，稻殼由于密度小，很容易集中在床層上部，又因為其流線型的形狀，氣泡在到達(dá)床層上部時不易破碎。而隨著氣速的增加，氣泡直徑變大，但同時稻殼與石英砂混合更加均勻，在生物質(zhì)回落的過程中致使氣泡破碎，因此此時床內(nèi)出現(xiàn)部分直徑更小的氣泡，頻率更高。此時低頻信號依然存在且主頻突出，高頻信號逐漸加強(qiáng)。此時床內(nèi)流型為鼓泡床。同時，30～40Hz范圍內(nèi)的PSD值隨著氣速增加而降低，這是因為氣速較低時床層膨脹較小且物料混合不均，小氣泡迅速通過床層，形成高頻信號，但隨著氣速增加，床層膨脹更大，氣泡在運(yùn)動遷移的過程中會發(fā)生聚并，小氣泡合并為大氣泡，此范圍內(nèi)信號逐漸減弱。

圖6為生物質(zhì)為蔗渣時的PSD圖。蔗渣密度很輕，所以在相同質(zhì)量比下，其體積明顯增大。隨著氣速的增加，主頻基本維持在10～15Hz區(qū)間內(nèi)，但主頻并不明顯，而25～30Hz區(qū)間內(nèi)的主頻突出，并隨著氣速增加而降低，但35～40Hz范圍內(nèi)的主頻并未有明顯改變。這是因為蔗渣顆粒較大且有一定的硬度，顆粒之間的空隙相對較大，并且因為密度小體積大，和石英砂的混合不太均勻，當(dāng)氣體通過床層時，易在床層上部形成大氣泡，雖然隨著氣速增加床料混合更加均勻，但蔗渣由于尺寸較大，在床內(nèi)的運(yùn)動受壁面和其他蔗渣顆粒的影響比稻殼更大，因此顆粒對氣泡的破壞受限制，床內(nèi)氣泡以大氣泡為主，信號集中在低頻段。但因為床料間一定存在較密集的間隙，氣體在穿過時會被床料分割成直徑很小的氣泡從而通過，或從較大縫隙沖出形成較大氣泡，所以小氣泡一直存在，形成高頻信號。此時流型為鼓泡床。

圖7為花生殼的PSD圖。由于花生殼堅硬且邊緣鋒利，當(dāng)花生殼回落時使得氣泡破碎，隨著氣速增加，小氣泡增多，主頻明顯逐漸向高頻移動，最終形成了25～30Hz區(qū)間內(nèi)的高頻信號。但當(dāng)氣速很大時，片狀花生殼收到氣流的作用力增加，部分花生殼在回落時阻力變大，速度減緩，有部分大氣泡沒有受到破壞，形成了低頻信號。而部分氣泡被上升速度變快的花生殼破壞，形成小氣泡，產(chǎn)生高頻信號。床內(nèi)流型為鼓泡床。

圖8為鋸花的PSD圖。如圖所示，鋸花在質(zhì)量比為2%時，隨著氣速的增加PSD圖變化并不明顯。在10～15Hz范圍內(nèi)課可以觀察到較明顯的寬頻區(qū)。由于鋸花柔軟且呈片狀，其回落的過程是非常緩慢的，難以將大氣泡破碎成小氣泡，因此床內(nèi)氣泡始終以大氣泡為主。同時約30Hz左右始終存在一主頻，與蔗渣類似，是從床料間小縫隙穿過的小氣泡造成的。流型為鼓泡。35～40Hz范圍內(nèi)的信號由于緊鄰頻率區(qū)間邊緣，認(rèn)為是噪聲信號的干擾。

圖6 不同氣速下蔗渣質(zhì)量比為2%時的壓力信號PSD圖

圖7 不同氣速下花生殼質(zhì)量比為6%時的壓力信號PSD圖

3.3 生物質(zhì)質(zhì)量比對流動的影響

生物質(zhì)添加量的多少影響了床料的組成，進(jìn)而影響床內(nèi)流動特性。由于實驗選用了密度較小的物料，為了保證混合的充分性并考慮床層高度，本研究考察了在較低生物質(zhì)添加量下生物質(zhì)質(zhì)量對流動的影響。結(jié)合之前的研究內(nèi)容，本小節(jié)將會對比表觀氣速為1.013m/s下的情況。

圖9為稻殼質(zhì)量比分別為2%、4%及6%時的PSD圖。可看出，隨著稻殼質(zhì)量比的增加，10～20Hz范圍內(nèi)的寬譜區(qū)始終存在，且頻段范圍先增后減，主頻先增強(qiáng)后減弱。這是因為生物質(zhì)對氣泡的生成起到促進(jìn)作用，當(dāng)生物質(zhì)質(zhì)量比為4%時，氣泡產(chǎn)生的頻率更高，但同時生物質(zhì)也使得氣泡更易破碎，一些大氣泡因稻殼的運(yùn)動而破碎成直徑較小的氣泡，因此出現(xiàn)了15～20Hz范圍內(nèi)的主頻；當(dāng)?shù)練べ|(zhì)量比為6%時，生物質(zhì)對氣泡的破壞作用超過了促進(jìn)其生成的作用，此時的氣泡直徑更加統(tǒng)一，頻段集中。且小氣泡變多，使得25～30Hz范圍內(nèi)的主頻強(qiáng)度增加。

圖9 不同稻殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在v=1.013m/s時的PSD圖

圖10 不同蔗渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在v=1.013m/s時的PSD圖

圖10為蔗渣在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的PSD圖?？梢钥闯稣嵩砑恿康挠绊懸草^小，3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的PSD圖大致相似。唯一比較突出的是在蔗渣質(zhì)量比為6%時，在35Hz左右出現(xiàn)明顯主頻，這或許是因為當(dāng)蔗渣質(zhì)量比較高時，床層高度相應(yīng)增加，氣泡在穿過床層時會在上部蔗渣較為密集的區(qū)域形成穩(wěn)定的鼓泡流動，由于壁面會在一定程度上限制蔗渣的運(yùn)動，并且上部石英砂含量相對床層下部更低，氣泡通過時擾動小，速度較快。

圖11為花生殼在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的PSD圖?？梢钥闯龌ㄉ鷼ぴ诓煌砑恿繒r的床層流動特性基本一致，都是在20Hz左右的中頻區(qū)出現(xiàn)不突出的兩個主頻及寬譜區(qū)域，在30Hz左右也出現(xiàn)較明顯的主頻。

鋸花因在質(zhì)量比大于2%時的PSD圖難以看出變化，可能是因為氣速過高，顆粒物性不能很好地反映，因此不再贅述。

圖11 不同花生殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在v=1.013m/s時的PSD圖

4 結(jié)論

本文采用頻譜分析法研究了生物質(zhì)及石英砂雙組份顆粒在流化床內(nèi)的流動，得到如下結(jié)論。

（1）在生物質(zhì)質(zhì)量比為2%時，不同生物質(zhì)種類對最小流化速度的影響很小。

生物質(zhì)為稻殼時，隨著氣速的增加氣泡直徑減小，PSD圖主頻突出，形成穩(wěn)定的鼓泡床；生物質(zhì)為花生殼時，隨著氣速的增加部分氣泡被其破壞，但同時花生殼本身受氣流作用力增加，回落過程受到影響，部分大氣泡沒有被破壞，流型也是鼓泡床；生物質(zhì)為蔗渣及鋸花時，由于蔗渣密度小且單顆粒體積較大，鋸花密度小且呈片狀，隨著氣速增加，床內(nèi)氣泡以大氣泡為主，伴隨經(jīng)過床料間隙的小氣泡，流型為鼓泡床。

（2）生物質(zhì)為稻殼時，隨著質(zhì)量比的增加床內(nèi)氣泡直徑趨于統(tǒng)一，當(dāng)質(zhì)量比為6%時形成穩(wěn)定鼓泡床；花生殼、蔗渣隨著質(zhì)量比的增加PSD圖變化并不明顯，當(dāng)其質(zhì)量比小于6%時對流型影響并不突出。

符號說明

ρp——真密度，kg/m3

ρs——堆積密度，kg/m3

H——床高，mm

w——生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

v——表觀氣速，m/s

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Flow characteristics of biomass particles and quartz sands in 3D fluidized bed

GU Jiawen，ZHONG Zhaoping，WANG Heng
（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of the Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China）

Waste wood，peanut shells，rice husk，and pomace of sugarcane were chosen as experiment raw materials and mixed with quartz sands at different mass ratio to investigate the influence of biomass species and mass ratio in a 3D laboratory fluidized bed. The bed size is 1000mm in height and 120mm×32mm of cross section horizontally. The pressure fluctuation inside the bed was recorded and analyzed. The results show that biomass species and mass ratio had negligible effect on minimum fluidization velocity when mass ratio was less than 0.02. Fast Fourier transform was employed to obtain the power spectral density of pressure fluctuation signals. It’s shown that the PSD of pressure fluctuation at lower velocity ranged from 10Hz to 15Hz when rice husk was added，and increased to about 20Hz to 25Hz when the velocity increased. Pomace of sugarcane，peanut shells，and waste wood had no main frequency at lower velocity，but when the velocity increased the main frequency was found to be ranged from 10Hz to15Hz.

biomass；pressure fluctuation；fluidized bed；power spectral density

TQ051

：A

：1000–6613（2017）02–0473–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.010

2016-07-11；修改稿日期：2016-08-30。

國家自然科學(xué)基金項目（51276040，U1361115）。

顧佳雯（1993—），女，碩士研究生。E-mail：15905154532@163.com。聯(lián)系人：仲兆平，教授，博士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)熱解研究。E-mail：zzhong@seu.edu.cn。