固廢流化床異型顆粒與床料共流化特性

邵應(yīng)娟 胡 顥 金保昇 鐘文琪 陳 曦 任 冰 沙春發(fā)

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

我國是世界上最大的能源消耗大國和二氧化碳排放國［1］，同時(shí)也是世界上最大的廢棄物產(chǎn)生國［2］.為了緩解煤炭供需的壓力，同時(shí)減少固體廢棄物對我國環(huán)境、生態(tài)的破壞和人體健康的危害，促進(jìn)多元化能源結(jié)構(gòu)的形成，可燃固體廢棄物已成為我國能源動(dòng)力系統(tǒng)不可忽視的能源.流化床熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，如燃燒［3］、熱解/氣化等［4］，由于效率高、減容明顯、能回收熱能等特點(diǎn)，已成為國內(nèi)外可燃固體廢棄物規(guī)?；鍧嵏咝茉椿锰幹冒l(fā)展方向.然而，目前對可燃固體廢棄物流化床技術(shù)的掌握還遠(yuǎn)不能滿足日益廣泛的工業(yè)應(yīng)用要求.引進(jìn)的國外設(shè)備與我國現(xiàn)有固體廢棄物情況不適應(yīng)，自主研發(fā)的產(chǎn)品存在放大設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸，已有的工程項(xiàng)目大多存在能量轉(zhuǎn)化品位低、二次污染嚴(yán)重以及一系列安全問題［2］，急需針對固體廢棄物流化床的氣固流動(dòng)特性、反應(yīng)特性和污染物控制等開展較系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究.

氣固流動(dòng)是氣固流化床復(fù)雜研究體系中的共性科學(xué)問題之一，是床內(nèi)化學(xué)反應(yīng)和控制污染的關(guān)鍵.固廢流化床內(nèi)具有奇異外形的固廢顆粒與床料共流化，與常規(guī)球形或類球形顆粒的燃煤流化床相比具有自身的特點(diǎn)和復(fù)雜性.過去，研究者對單種類異型顆粒的流化行為進(jìn)行了研究［5-10］，而對單種以上異型顆粒與床料共流化的研究極少.

本文建立了固體廢棄物流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，研究了異型顆粒與床料共流化特性，重點(diǎn)考察了不同比例單種類及2種類異型顆粒與床料共流化過程中的壓降特性、最小流化速度和流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變規(guī)律.以期為可燃固體廢棄物燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和參數(shù)優(yōu)化提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文建立的固體廢棄物流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括空氣供給、流化床本體、壓力信號采集和圖像采集4個(gè)部分.流化床本體部分為截面200 mm×200 mm、床高1.2 m的透明有機(jī)玻璃.布風(fēng)板開孔率為6.57%，采用風(fēng)帽形式，66個(gè)風(fēng)帽均布.實(shí)驗(yàn)使用的流化氣來自羅茨風(fēng)機(jī)，通過三路并聯(lián)的浮子流量計(jì)控制氣量.流化氣通入床底布風(fēng)室，經(jīng)過布風(fēng)板風(fēng)帽小孔進(jìn)入床內(nèi)，穿過床層的氣體直接排入大氣.在流化床床體側(cè)面，距布風(fēng)板 60，120，180，240，400，600，700，800，1 000 mm處的噴動(dòng)區(qū)或環(huán)形區(qū)壁面分別開有9個(gè)測壓孔，差壓傳感器的兩端分別與該孔和風(fēng)室的氣體聯(lián)箱相連.差壓信號送入量程為0～16 kPa的多通道差壓變送器，輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)采集，并配以高分辨率數(shù)碼CCD相機(jī)，采集圖像記錄不同工況下床內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和顆粒運(yùn)動(dòng)行為.

圖1 固體廢棄物流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中流化介質(zhì)(即床料)為石英砂A，平均粒徑0.28 mm，密度2 560 kg/m3，堆積空隙率0.47.固體廢棄物為4種形狀和密度具有較大差異的異型顆粒，分別為玉米粒B(當(dāng)量直徑5.25 mm，密度1 500 kg/m3)、圓柱狀木塊C(直徑4 mm，長度10 mm，密度677 kg/m3)、正方體聚苯乙烯D(邊長8 mm，密度1 196 kg/m3)和稻谷顆粒E(當(dāng)量直徑3.13mm，密度1 033 kg/m3)，其外形如圖2所示.

圖2 異型顆粒示意圖

實(shí)驗(yàn)采用的初始床層均為完全分離床層，上部平鋪一定體積比的單種異型顆?；?種以上異型顆粒的混合物，下部為石英砂，實(shí)驗(yàn)的靜止床高為100，150，200 mm.實(shí)驗(yàn)過程中，按先升速后降速法測量，不斷調(diào)節(jié)流化氣速，達(dá)到預(yù)定工況后保持一定時(shí)間，待系統(tǒng)穩(wěn)定后實(shí)時(shí)記錄床層壓降脈動(dòng)信號和當(dāng)前流動(dòng)結(jié)構(gòu)圖像.

2 結(jié)果與討論

2.1 壓降特性

床層的壓降特性是固體廢棄物流化床操作、運(yùn)行的重要依據(jù)，也是確定流化床最小流化速度這一關(guān)鍵特征參數(shù)的基礎(chǔ).過去研究者僅對單種廢棄物與床料共流化的壓降特性進(jìn)行研究［5-10］，但對于單種和單種以上異型廢棄物顆粒與床料共流化的壓降特性的研究極少，為了揭示異型顆粒與床料共流化時(shí)壓降特性與常規(guī)流化床的差異，實(shí)驗(yàn)中采用升速法和降速法分別測量了純石英砂床料、總體積分?jǐn)?shù)為25%，50%和75%的單種和2種異型顆粒與石英砂混合條件下，床層沿程壓降隨流化氣速的變化.

圖3給出了靜止床高H=150 mm、純石英砂(1.0VA)和固體廢棄物總體積比α=25%時(shí)(0.25VB，0.125VB+0.125VC)床層總壓降隨流化氣速的變化.其中，VA，VB，VC分別為石英砂、玉米粒和圓柱狀木塊的體積分?jǐn)?shù).床層總壓降ΔP為懸浮空間與風(fēng)室的壓降減去相應(yīng)速度下空床布風(fēng)板壓降.圖3中的總壓降分別采用增速法和降速法測得.

圖3 床層總壓降隨流化氣速uf的變化

由圖3可知，與純床料的單獨(dú)流化相比，異型廢棄物顆粒與床料共流化的壓降特性具有較大的差異.純床料單獨(dú)流化時(shí)，升速壓降曲線和降速壓降曲線均較為光滑，且基本重合;而異型顆粒與床料共流化時(shí)，升速壓降在固定床區(qū)域后期及流化區(qū)域初始階段具有較大的波動(dòng)，而降速壓降曲線與純床料流化時(shí)基本一致，即為一條較光滑的曲線.此外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，隨著固體廢棄物總體積比α的增大或固體廢棄物種類的增加，升速壓降曲線的波動(dòng)變得更加明顯.

2.2 最小流化速度

最小流化速度Umf是流化床流動(dòng)結(jié)構(gòu)從固定床向流化床轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)的數(shù)值表征，是流動(dòng)結(jié)構(gòu)特性和流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)操作運(yùn)行的關(guān)鍵特征參數(shù)［11］.過去幾十年來，對各種顆粒體系的最小流化速度的研究［12-14］較多，但缺少對于單種及單種以上異型廢棄物顆粒與床料共流化的最小流化速度之間相關(guān)性規(guī)律的研究.

通常流化床最小流化速度可以通過采用流化床區(qū)與固定床區(qū)壓降曲線所得的交點(diǎn)數(shù)值來確定［15］.對單組分顆粒體系(如純床料流化時(shí))，升速壓降曲線和降速壓降曲線所獲得的最小流化速度基本無差異.而異型廢棄物顆粒與床料共流化時(shí)，從升速壓降曲線確定的最小流化速度Uimf明顯小于由降速壓降曲線確定的數(shù)值Udmf，如圖 4所示.

圖4 最小流化速度Umf的確定

圖5為靜止床高H=150 mm時(shí)，最小流化速度Umf隨異型顆?？傮w積比α的變化.由圖可知，無論是單種類異型顆粒(即物料B或物料C)還是多種類異型顆粒(物料B和物料C的混合物)，其最小流化速度均隨著異型顆?？傮w積比α的增加而顯著增大.異型固體廢棄物一般無法直接流化，需要在流化介質(zhì)(床料)的驅(qū)動(dòng)下才能流化起來，然而實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，隨著異型顆?？傮w積比α的增大，異型顆粒與床料共流化也變得越來越困難，需要較大的流化氣速才能使床層流化;有些甚至在很大的氣速下床層也無法得到流化狀態(tài)，顆粒在大氣速下被輸送出床內(nèi).如圖5所示，試驗(yàn)中采用物料C，以及物料B和物料C的混合物時(shí)，當(dāng)異型顆粒總體積比α＞75%時(shí)，床層無法流化，因此不存在最小流化速度.

圖5 最小流化速度隨異型顆?？傮w積比的變化

在某一異型顆?？傮w積比α下，定義異型顆粒的特征密度 ρe，即 ρe= ∑ αiρi，其中 αi和 ρi分別為異型顆粒i的體積比和密度［8］.可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積比α一定時(shí)，最小流化速度Umf隨著異型顆粒特征密度ρe的增大而增加.

圖6給出了最小流化速度隨著異型顆粒特征密度的變化.Zhong 等［8］和 Escudero 等［16］對單種固體廢棄物與流化床的共生研究表明:混合顆粒體系的最小流化速度與床內(nèi)顆粒的密度成正比.圖6的結(jié)論也可以推廣為:無論是純床料流化還是異型顆粒與床料共流化，其最小流化速度隨床內(nèi)所有顆粒的特征密度增加而增大.

對于靜止床高的影響，以往對純球形或類球形顆粒體系、單種類異型顆粒與床料混合體系的研究［14，16］均表明，流化床最小流化速度與靜止床高無關(guān).為了確認(rèn)在雙種類和多種類異型顆粒與床料混合條件下，靜止床高與最小流化速度的關(guān)系，本文分別對100，150，200 mm床高下的最小流化速度進(jìn)行研究.結(jié)果表明，在任一床異型顆粒的體積分?jǐn)?shù)下，床高變化對最小流化速度無明顯影響.

2.3 流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變

圖7和圖8分別給出了單種和多種異型顆粒與床料混合時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨流化氣速的變化.圖7中床層物料為0.75VA+0.25VB，H=200 mm，Umf=0.31 m/s.圖 8中物料為 0.25VA+0.375VB+0.375VC，H=150 mm，Umf=0.58 m/s.研究發(fā)現(xiàn)，如果一定比例下異型顆粒能夠在流化介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)下流化起來，那么其流動(dòng)結(jié)構(gòu)與常規(guī)的流化床有相似特征.隨著操作氣速的增大，流動(dòng)結(jié)構(gòu)以此向固定床(見圖7(a))、鼓泡床(見圖7(b))、起始流化(見圖7(c))、完全流化(見圖7(d))、湍動(dòng)流化(見圖7(e))轉(zhuǎn)變.

圖7 單種異型顆粒與床料共流化時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化

圖8 多種異型顆粒與床料共流化時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化

比較圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，在不同異型顆粒體積比下，異型顆粒在床內(nèi)的宏觀運(yùn)動(dòng)隨著流化氣速的增大具有相似的特征，即低氣速下異型顆粒整體從床層上部逐漸往中下部運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣速增大至最小流化速度后，異型顆粒又重新被帶動(dòng)起來，在流化氣流、床料和氣泡運(yùn)動(dòng)的共同作用下，異型顆粒在床層中分散和流化.然而，本文的研究中尚未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)［5］提出的異型顆粒在較大氣流速度下又重新分離的現(xiàn)象，這可能是實(shí)驗(yàn)中異型顆粒的比重相對較大的緣故.此外，圖7和圖8還顯示，隨著異型顆粒體積比的增大，氣固流動(dòng)的穩(wěn)定性變差，體現(xiàn)為床層的脈動(dòng)較大，顆粒的湍動(dòng)從床層上部區(qū)域拓展到整個(gè)床層區(qū)域.

2.4 最小流化速度關(guān)聯(lián)式

顆粒流化體系最小流化速度的數(shù)學(xué)和物理描述一直是國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn).研究者針對單一組分顆粒體系的最小流化速度提出了包含氣體和顆粒特性(如氣體密度、顆粒密度、顆粒球形度、空隙率等)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)多參數(shù)關(guān)聯(lián)式［15］.然而在異型顆粒與床料共流化時(shí)，使用這些關(guān)聯(lián)式有一定的困難，主要是一些參數(shù)(如孔隙率)需要進(jìn)行預(yù)估，且容易產(chǎn)生誤差［17］.

針對異型顆粒與床料共流化，文獻(xiàn)［8，17-19］都提出了形式較簡單且誤差較小的關(guān)聯(lián)式.但這些關(guān)聯(lián)式均是面向單種異型顆粒與床料形的成雙組分流化床，不適合于2種以上異型顆粒與床料的共流化.本文在借鑒以往成功研究［4，17］基礎(chǔ)上，嘗試提出一種可以適合于單種和2種以上異型顆粒與床料共流化的流化床最小流化速度關(guān)聯(lián)式，即

式中，a，b，c 為待定常數(shù);ρpe和 dpe分別為異型顆粒與床料混合體系的特征密度和特征直徑;ρg和μg分別為流化空氣的密度和黏度，可采用下式計(jì)算:

式中，x1和x2分別為異型顆粒和流化床料所占質(zhì)量比;dp2和ρp2分別為流化床料的顆粒直徑和密度;ρpe1= ∑ αiρpi，dpe1= ∑ αidpi分別為異型顆粒的特征密度和特征直徑，其中 αi，ρpi，dpi分別為多種異型顆?；旌蠒r(shí)第i種異型顆粒的體積分?jǐn)?shù)、顆粒密度和等體積當(dāng)量直徑.通過對本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到如下的表達(dá)式:

圖9為由式(4)計(jì)算的最小流化速度Umf與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Umf，E的對比.

圖9 最小流化速度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比

結(jié)果表明，式(4)計(jì)算的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值［8，18-19］吻合得很好，平均相對誤差為14.7% ，最大相對誤差可控制在±30%，誤差在±20%之內(nèi)的本文實(shí)驗(yàn)值占91.7%.其中，式(4)預(yù)測值與本文實(shí)驗(yàn)值的平均相對誤差為11.7%，與文獻(xiàn)［8，18-19］中單種物料與床料共流化實(shí)驗(yàn)值的平均相對誤差為15.7%.這表明，本文回歸的關(guān)聯(lián)式可適合于多種類異型顆粒與床料共流化體系的最小流化速度預(yù)測.

3 結(jié)論

1)異型顆粒與床料的共流化和純床料流化相比，升速壓降曲線具有很大的差異.升速壓降曲線波動(dòng)大，而降速壓降曲線類似純床料流化時(shí)平滑.

2)異型顆粒與床料共流化的最小流化速度可由降速壓降曲線確定，升速曲線易低估最小流化速度.

3)異型顆粒的存在使得床層的最小流化速度增加，且最小流化速度隨異型顆粒體積比和特征密度的增大而增大，但與靜止床高的變化無關(guān).

4)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多元回歸分析得到的最小流化速度關(guān)聯(lián)式，耦合了最小流化速度的主要影響因素;驗(yàn)證結(jié)果表明，本文提出的最小流化速度關(guān)聯(lián)式可適合于多種類異型顆粒與床料共流化體系.

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