新型串行流化床流體動力學研究

宋鳴航， 王 濤， 劉晶晶， 劉永卓

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

化學鏈燃燒是利用載氧體將傳統(tǒng)燃燒分解為在空氣反應器和燃料反應器的兩步反應[1]。反應過程中化石燃料在燃料反應器(FR)中被載氧體釋放的晶格氧氧化生成CO2，主要排出的是CO2和H2O[2]。還原后的載氧體進入空氣反應器(AR)被空氣充分氧化，回到燃料反應器(FR)完成循環(huán)。與傳統(tǒng)燃燒相比化學鏈燃燒具有CO2內(nèi)分離、高能源利用率并且可以有效控制NOx的生成等優(yōu)勢，被認為是最具前景的CO2捕獲技術(shù)[3]。目前固體燃料如煤、生物質(zhì)等的化學鏈燃燒為主要研究趨勢[4-5]。

化學鏈燃燒反應器與載氧體的研究皆對固體燃料化學鏈燃燒起著至關(guān)重要的作用。在實驗室和中試規(guī)模已成功設計和運行了多種形式的化學鏈燃燒反應器[6-11]。通?？諝夥磻魇怯擅芟嗯c稀相組成的快速流化床，不同之處在于發(fā)生固體燃料轉(zhuǎn)化的燃料反應器，其也是反應器設計核心。但是載氧體-固體燃料在流化床中流化時面臨許多挑戰(zhàn)：1)載氧體-固體燃料顆粒之間的良好混合和反應；2)揮發(fā)分從燃料反應器的逸出降低了CO2捕集效率；3)載氧體顆粒與未反應煤焦的分離。盡管在應對上述挑戰(zhàn)方面已取得了很大進展[12-15]，但是反應器系統(tǒng)因此變得越來越復雜。

基于強化載氧體-固體燃料顆粒間反應和分離的要求，本實驗室設計了一種耦合固體燃料反應和分離的化學鏈轉(zhuǎn)化裝置。與報道的化學鏈燃燒串行流化床相比，該裝置具有以下特點和優(yōu)勢：1)將燃料反應器設計為不同流型的混合反應段和未反應碳分離段，分別強化雙組分顆粒間的反應和分離，簡化了燃料反應器結(jié)構(gòu)；2)燃料反應器底部采用射流加料裝置，再生的載氧體與固體燃料射流混合，可以實現(xiàn)顆粒性質(zhì)差異大的載氧體-固體燃料間的充分混合反應。顆粒流動特性的研究是裝置穩(wěn)定運行的前提，因此，本研究在自行搭建的冷模裝置上考察了表觀氣速對裝置內(nèi)壓降分布、固體循環(huán)率、固體顆粒濃度的影響，揭示了新型串行流化床內(nèi)顆粒流體動力學規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗裝置主要包括供氣系統(tǒng)(TUGPT空壓機)，LZB型流量計，反應器系統(tǒng)壓力測試系統(tǒng)(Asmik壓力傳感器及壓力顯示表)，顆粒濃度測量系統(tǒng)(PV-6A型光纖維顆粒速度測量儀)。

化學鏈燃燒反應器系統(tǒng)如圖1所示。該裝置主要由鼓泡型空氣反應器1(Φ5 mm×100 mm)，一級燃料反應器2(Φ5 mm×50 mm)，二級燃料反應器3(Φ5 mm×100 mm)，旋風分離器4(D=100 mm)和旋風分離器5(D=100 mm)，上流動密封閥6(16 mm×13 mm×6.5 mm)，下流動密封閥7(30 mm×16.5 mm×8 mm)，氣體分布室8和9，進料口10組成。逆時針線和順時針線分別代表該冷態(tài)實驗裝置中載氧體和燃料的循環(huán)路徑。流化床的分布板采用多孔篩板分布板。在多孔板上鋪了一層鐵砂網(wǎng)防止物料漏入氣體分布室。氣固流動控制采用可控制的非機械閥。本裝置采用了兩個U型流動密封閥，選擇空氣作為流化氣體，由TUGPT空壓機提供。

1.空氣反應器；2、3.燃料反應器；4、5.旋風分離器；6、7.U型流動密封閥；8、9.氣體分布室；10.進料口；P1、P12.壓力測試點；G1～G4.控制風；I1～I4.進氣口。圖1 化學鏈燃燒反應器系統(tǒng)圖Fig.1 Chemical chain combustion reactor system

為了揭示顆粒循環(huán)系統(tǒng)的壓降分布特性，在冷模裝置上設置了12個測壓點。以一級燃料反應器底部為基準，測壓點高度如下：燃料反應器2(P1：0.07 m、P2：0.36 m、P3：0.66 m、P4：1.065 m)、燃料反應器3(P5：1.66 m)、上流動密封閥6(P6：1.335 m、P7：1.45 m)、空氣反應器1(P8：1.275 m、P9：0.89 m)、下流動密封閥7(P10：0.445 m、P11：0.18 m、P12：0.335 m)。為了揭示兩級燃料反應器內(nèi)顆粒濃度分布，選擇反應器交界處、充分發(fā)展區(qū)、出料口和出料口上方作為顆粒濃度測量點。高度如下：Z1=0.07 m、Z2=0.36 m、Z3=0.66 m、Z4=1.065 m、Z5=1.56 m、Z6=1.66 m和Z7=1.825 m。顆粒濃度測量采用中國科學院過程工程研究所所研制的PV-6A型光導纖維測速儀，選用直徑2.16 mm的光纖探針，設置參數(shù)為采樣頻率31.25 kHz，采樣時間1.049 s，數(shù)據(jù)量32 768。

1.2 物料

本冷模實驗裝置采用石英砂代替固體載氧體顆粒。粒徑為180～250 μm，用量筒測量了它的堆積密度，最小流化速度通過計算得到[14]。實驗物料性質(zhì)一覽表見表1。實驗物料的總裝載量在9～15 kg范圍內(nèi)。

表1 實驗物料特性Table 1 List of experimental materials property

1.3 實驗步驟與數(shù)據(jù)分析

壓降可以反映出裝置運行穩(wěn)定及顆粒流動規(guī)律，固體顆粒濃度是工業(yè)流化床反應器的一個重要參數(shù)，對流化床的運行和控制起著非常重要的作用，固體顆粒的循環(huán)率很大程度上決定了流化床內(nèi)的流體動力特征。本實驗裝置流動特性主要考察射流處表觀氣速對循環(huán)系統(tǒng)壓降分布、固體循環(huán)率以及燃料反應器固體顆粒濃度分布的影響。實驗流程為：從進料口10進物料，啟動空壓機打開放氣口，LZB氣體流量計控制空氣經(jīng)I1和I2進氣口對物料進行流化，經(jīng)I3進入氣體分布室提供松動風使物料在燃料反應器上段繼續(xù)流化，旋風分離器4將物料與灰分離，物料從下出可繼續(xù)通入進料口10。循環(huán)物料在燃料反應器3中段處流入上流動密封閥6，通過調(diào)節(jié)流動密封閥的控制風G3和G4來調(diào)節(jié)燃料反應器的物料流入空氣反應器。流向空氣反應器的物料通過經(jīng)I4進入氣體分布室9的空氣流化，流入下流動密封閥7，通過控制風G1和G2的控制進入燃料反應器2，旋風分離器5將物料與灰分離。

壓降通過Asmik壓力傳感器及壓力顯示表進行觀察取值。測量顆粒濃度時由于光纖探頭測量的是相對顆粒濃度，分別利用空床和自然填充床作為顆粒濃度最值進行準確標定，多次取值求平均最后得到顆粒濃度和電壓信號的關(guān)系。本工作采用切換法進行固體循環(huán)率的測量：在裝置穩(wěn)定運行時將經(jīng)氣固分離器分離的固體顆粒快速切入另一和伴床平行的的測量管，收集一段時間后再將顆粒切回。然后量取測量管中的顆粒高度用式(1)測得物料循環(huán)量(Gs)。

(1)

式(1)中：hs指在Δt時間內(nèi)收集的測量管內(nèi)固體顆粒的堆積高度，m；Am指測量管橫截面積，m2；ρp指顆粒密度，kg·m-3；εmf指初始流態(tài)化空隙率；Δt指采樣時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀氣速對壓降的影響

考察了不同表觀氣速下循環(huán)系統(tǒng)壓降分布特性，見圖2。圖2中1～12代表循環(huán)系統(tǒng)P1～P12等12個測壓點。由圖2可知，射流表觀氣速在4.89 m·s-1到6.42 m·s-1變化時，P7均大于P8,P11均大于P1,表明在較大表觀氣速范圍內(nèi)顆粒循環(huán)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。隨著射流表觀氣速的增大，P4處壓降減小，P5處壓降增大，P1、P2、P3和空氣反應器各高度點基本沒有變化。分析原因：二級燃料反應器內(nèi)的表觀氣速保持不變，隨著射流表觀氣速的增大，有更多物料從一級燃料反應器進入二級燃料反應器，導致一級燃料反應器顆粒濃度減小，二級燃料反應器內(nèi)顆粒濃度增加，因此P4點壓降減小，P5處壓降增大；與此同時物料加速從空氣反應器進入一級燃料反應器，減小了二級燃料反應器下部顆粒濃度的變化趨勢，導致P2和P3處變化不明顯。

圖2 不同的表觀氣速下循環(huán)系統(tǒng)壓降分布Fig.2 Pressure relative to atmosphere under different superficial gas velocity

2.2 表觀氣速對固體循環(huán)率的影響

燃料反應器與空氣反應器之間的固體循環(huán)率對于化學鏈燃燒系統(tǒng)的運行至關(guān)重要，應對其進行控制以滿足燃料反應器中的熱量和氧氣需求。表觀氣速對固體循環(huán)率影響見圖3。在氣速從4.82 m·s-1增大到8.03 m·s-1的過程中，固體循環(huán)率逐漸增大。因為隨著氣速的增大，更多的物料進入二級燃料反應器從而循環(huán)進入空氣反應器，因此固體循環(huán)率逐漸增大，與各點的壓降變化趨勢一致。另外，由圖3可以看出固體循環(huán)率具有較大的調(diào)控區(qū)間。

圖3 表觀氣速對固體循環(huán)率的影響Fig.3 Effect of superficial gas velocity on solids circulation rate

2.3 表觀氣速對固體顆粒濃度的影響

固體顆粒濃度決定顆粒流動狀態(tài)和濃稀相區(qū)的高度，進一步?jīng)Q定固體循環(huán)率的大小和顆粒停留時間。圖4為不同表觀氣速下固體顆粒濃度分布圖。由圖4可知，隨著表觀氣速的變化，快速混合反應段的一級燃料反應器的固含率εs>0.15，屬于高密度快速流化狀態(tài)，較高的顆粒濃度強化了載氧體-固體燃料間的反應。二級燃料反應器的高顆粒濃度保證了一級燃料反應器內(nèi)整體的高密度快速流化狀態(tài)，有利于增加雙組分顆粒間的反應時間，實現(xiàn)固體燃料的充分反應。另外，隨著表觀氣速的增大，一級燃料反應器顆粒濃度逐漸降低，二級燃料反應器表現(xiàn)為先增大后減小。分析原因：在氣速從5.62 m·s-1增大到8.83 m·s-1的過程中，一級燃料反應器內(nèi)空隙率逐漸增大，顆粒濃度逐漸減小，隨著進入二級燃料反應器，物料在到達出口前充分發(fā)展，因此先增大后減小。

圖4 不同的表觀氣速下固體顆粒濃度分布Fig.4 Concentration distribution of solid particles under different superficial gas velocity

3 結(jié) 論

1)當射流表觀氣速在4.82 m·s-1到8.03 m·s-1較大范圍內(nèi)變化時，顆粒循環(huán)系統(tǒng)運行穩(wěn)定；固體循環(huán)率具有較大的調(diào)控區(qū)間。當射流表觀氣速在4.82 m·s-1到8.03 m·s-1范圍內(nèi)變化時，顆粒濃度隨著表觀氣速增加而降低；固體循環(huán)率隨著表觀氣速的增加而增大，但預計會受上流動密封閥鎖料的影響而最終趨于平穩(wěn)。

2)一級燃料反應器的固含率εs>0.15，屬于高密度快速流化狀態(tài)，強化了載氧體-固體燃料間的反應。二級燃料反應器的高顆粒濃度有利于增加雙組分顆粒間的反應時間，實現(xiàn)固體燃料的充分反應。