循環(huán)流化床布風方式對顆粒循環(huán)流率的影響

陳鴻偉， 楊 新， 尹 猛， 成 嶺

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

由于化石燃料燃燒排放的CO2等溫室氣體對環(huán)境影響很大，而化石資源的匱乏又對社會經濟發(fā)展帶來潛在危機，這就迫使世界各國科研工作者努力尋求新的替代能源.作為新能源重要組成部分的生物質能由于儲量大、分布廣等優(yōu)點而得到人們的極大關注，學者們開始紛紛研究和開發(fā)生物質能源的高效利用途徑.其中，生物質氣化可以實現(xiàn)CO2零排放，是減少溫室氣體排放和實現(xiàn)低碳經濟的重要手段［1］.采用循環(huán)流化床對生物質進行氣化是開拓新能源、減少環(huán)境污染的高效途徑之一.目前，內循環(huán)流化床因其結構緊湊，建造成本較低而被廣泛應用于生物質氣化，國內外學者在對內循環(huán)流化床的研究［2-4］中發(fā)現(xiàn)：帶中心提升管的內循環(huán)流化床還具有增強循環(huán)傳熱、減少熱量損失以及保證熱量有效利用等優(yōu)點.

布風板作為流化床鍋爐的重要組成部分，具有支撐物料和均勻布風的重要作用［5］.合理布置布風板能夠促進物料的充分混合、流化和反應過程，尤其在帶提升管的內循環(huán)流化床中，布風板對生物質氣化和燃燒的影響更明顯.因此，選擇合理的布風板布置方式尤為重要.

帶提升管的內循環(huán)流化床的循環(huán)流率是生物質氣化的關鍵，在一定程度上反映了物料的循環(huán)特性.合理的物料循環(huán)流率可以減少因溫差造成的熱量損失［6］，進而保證產氣質量.因此，筆者針對2種布置方式（錐形和平板形）的布風板下各控制參數(shù)對帶中心提升管的內循環(huán)流化床內物料循環(huán)流率的影響進行了試驗和分析，以期得到合理的布風板布置方式，為實際工業(yè)應用提供一定參考.

1 試驗

1.1 試驗裝置

圖1 帶中心提升管的錐形布風板內循環(huán)流化床冷態(tài)試驗臺Fig.1 Diagram of cold－state test apparatus in the riser of an internally CFB with cone distributor

圖1為帶中心提升管的錐形布風板內循環(huán)流化床冷態(tài)試驗臺示意圖.該試驗臺采用有機玻璃材料，以便于觀察物料的運動和測量循環(huán)流率.試驗臺主要由氣化室、提升管、分離器（旋風分離器和錐形分離器）、布風板以及環(huán)形L閥等組成.其中氣化室高度為2m，內徑為290mm；提升管高度為1.2m，內徑為90mm，在提升管壁面上等距離開4個返料孔，返料孔的直徑為32mm.在距布風板上沿0.1m和0.5m的位置分別布置放料孔和進料孔.

為了便于試驗，布風板可以從流化床試驗臺上自由拆裝，包括錐形和平板形2種方式布風板各一組.圖2為布風板的側視圖和俯視圖.布風板采用密孔板式布風板，為防止物料從布風板小孔落入風室，在布風板上方覆蓋一層80目的金屬網，布風板采用PVC板材，在上面沿等邊三角形開有直徑為8mm的小孔，開孔率為15%.

圖2 布風板的側視圖和俯視圖Fig.2 Side and top view of air distributor

帶中心提升管內循環(huán)流化床的工作原理為：生物質通過進料孔進入氣化室，在氣化室內吸收熱量并與水蒸氣進行反應，得到CH4、H2以及CO等可燃氣體［7］.這些可燃氣體經旋風分離器分離后，可以得到純凈的氣體.未完全反應的生物質（半焦）與釋放完熱量的載熱質共同經過返料孔進入提升管.在通入空氣的提升管內，半焦燃燒放出的熱量加熱載熱質.經加熱后的載熱質通過錐形分離器再次進入氣化室.燃燒產生的高溫煙氣經旋風分離器后，加熱水生成作為氣化劑的水蒸氣［8］.

1.2 試驗方法與試驗物料

在試驗時，內循環(huán)流化床氣化室和提升管由2個風機單獨供風，并通過蝶閥控制風量的大小.在不同控制因素（氣化室風速ua、提升管風速ud、物料粒徑dp和物料高度H）下分別對布置了錐形布風板和平板形布風板的帶中心提升管內循環(huán)流化床的物料循環(huán)流率進行測量.由于受設備條件的限制，顆粒循環(huán)流率采用容積測量法測量，即在環(huán)形L閥下設置1個測量容器，通過帶刻度的測量容器測得的物料質量為全部返料量的1／6，通過測量物料在該測量容器內堆積到一定量所需的時間，再根據(jù)物料的堆積密度計算出顆粒的循環(huán)流率.試驗選用的物料為石英砂，其物理參數(shù)見表1.

表1 石英砂的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of quartz sand

2 試驗結果與分析

2.1 流化速度的概念

臨界流化速度是固定床向流化床轉變過程中的一個重要參數(shù)［9］.在常規(guī)流化床中，在一個較窄的速度范圍內，床層大部分進入流態(tài)化.當流體對顆粒的曵力恰好等于顆粒重力時，顆粒質量完全由氣體對它的曵力支撐，顆粒懸浮在氣體流中，對床層可以認為是剛剛流化，此時即可認為是臨界流化狀態(tài)，對應的流速為臨界流化速度.對于布置平板形布風板的內循環(huán)流化床，由于流態(tài)變化過程較短，氣化室內物料的臨界流化速度可以作為鑒定物料進入流化狀態(tài)的一個重要標志.但對于布置錐形布風板的內循環(huán)流化床，氣化室內物料的臨界流化速度卻不能作為流態(tài)變化的重要參考，原因是其床層除了受床內顆粒堆積的隨機性、壓力波動以及測量誤差等影響外，還受床內各處料層高度不同和氣流速度不均的影響，床層呈現(xiàn)出從邊緣向中心處逐漸懸浮的狀態(tài)，直至整個床層顆粒進入流態(tài)化，因此其床層狀態(tài)變化是一個相對緩慢的漸變過程［10］.所以對于錐形布風板內循環(huán)流化床，其床層完全進入流態(tài)化時所對應的速度就有更重要的意義，定義此時的速度為臨界全部流化速度.筆者對布置錐形布風板的內循環(huán)流化床進行了試驗并測量了其臨界全部流化速度.由于整個床層是由外向內逐漸流化的，因此準確測量臨界全部流化速度具有一定難度.由于靠近提升管處的物料最后進入流化狀態(tài)，因此通過測量靠近提升管側壓降變化來獲得臨界全部流化速度，其具體測量步驟是：在靠近提升管布風板上側和床層上方設置測壓點，利用蝶閥緩慢增加風速并測量兩測點的壓降；當壓降開始不再增加時，其對應的風速即為臨界全部流化速度.三種粒徑的物料在錐形布風板內循環(huán)流化床中的臨界全部流化速度與臨界流化速度的比較見表2.

通過對錐形布風板內循環(huán)流化床上物料臨界全部流化速度和物料臨界流化速度的比較表明，錐形布風板內循環(huán)流化床的物料臨界全部流化速度明顯大于物料的臨界流化速度，前者約為后者的1.3～1.6倍，這主要與物料粒徑有關.

表2 臨界全部流化速度與臨界流化速度的比較Tab.2 Comparison of the minimum complete fluidizing velocity and the minimum fluidizing velocity

2.2 氣化室風速的影響

當氣化室物料進入流態(tài)化后，由于氣化室風速ua影響兩床間的壓降而影響顆粒循環(huán)流率.在試驗中，保持其他參數(shù)不變（顆粒粒徑dp＝0.34mm，床層高度H＝12cm），在2種布風板下，依次改變氣化室風速ua，并分別測量在各工況下的循環(huán)流率，得到循環(huán)流率Gs與氣化室風速ua的關系（圖3）.

圖3 循環(huán)流率與氣化室風速的關系Fig.3 Relation between Gsand ua

隨著ua的增大，返料孔位置以上的物料質量濃度增加，但另一方面物料從氣化室到提升管的流動阻力增加，兩者的共同作用控制著循環(huán)物料的流動.從圖3可知：對比錐形布風板內循環(huán)流化床的物料循環(huán)流率Gs，c與平板形布風板內循環(huán)流化床的物料循環(huán)流率Gs，f，在低ua（ua為0.573m／s）下，Gs，c小于Gs，f；隨著ua的增大，Gs，c增長速率明顯大于相同參數(shù)下Gs，f的增長速率；在高ua（ua為0.764m／s）下，Gs，c大于Gs，f.造成這種現(xiàn)象的原因是：在錐形布風板內循環(huán)流化床氣化室中，由于布風板上物料堆積高度不同，造成各點流速不同，從邊緣向靠近提升管側流速降低，空隙率也隨之減小，從而使布風板上側存在靠近提升管側到邊緣處的壓降，導致布風板上側向邊緣處的物料流動，流走的物料由原來上側的物料補充.與此同時，由于流化床內部沿高度方向上的壓降隨著氣流速度的減小而增大［11］，在床層頂部，靠近提升管處的壓力小于邊緣處，因此在床層頂部，物料向中心處運動，從而使整個床層出現(xiàn)明顯的循環(huán)流動［12］.經過循環(huán)流動的物料在兩床壓降的推動下，能夠更好地經過返料孔進入提升管.在低ua下，錐形布風板內循環(huán)流化床的流化數(shù)小于相同ua下平板形布風板內循環(huán)流化床的流化數(shù)，因此造成Gs，c小于Gs，f；隨著ua的增大，錐形布風板促進氣化室內的內循環(huán)流動作用使得Gs，c的增長速度明顯大于相同風速下的Gs，c；而在高ua下，由于流動阻力的增加，使得Gs的增長速率減小并趨于平緩.

2.3 提升管風速的影響

在試驗中，控制其他參數(shù)不變，依次改變提升管風速ud并測量顆粒循環(huán)流率Gs，得到Gs與ud的關系（圖4）.

圖4 循環(huán)流率與提升管風速的關系Fig.4 Relation between Gsand ud

從圖4可知：隨著ud的增大，Gs增大，但增大的速率逐漸變小；隨著ud增大，在相同的ud下，Gs，c大于Gs，f，且Gs，c的增長速率大于 Gs，f.提升管風速ud通過影響提升管的物料質量濃度對兩床壓降進行控制，進而影響循環(huán)流率.隨著ud的增大，提升管內物料質量濃度減小，使提升管底部壓力降低，兩床間壓降增大，進而使物料循環(huán)流率隨著ud的增大而增大.在低ud下，物料進入提升管后只有較小顆粒達到終端速度ut；隨著ud的增大，更大粒徑范圍內的物料顆粒能夠達到終端速度ut，從而被帶出提升管，因此Gs的增長速率較大；在高ud下，所有粒徑范圍內的物料顆粒都能夠達到終端速度，從而使提升管中物料質量濃度的減小趨勢趨緩，提升管底部的孔隙率變化幅度減小，兩床間的壓差變化也相對放緩［13］，因此Gs的增大隨著提升管風速的增加而趨于緩慢.在圖4中，2種布風板對Gs產生不同影響的原因是：布置錐形布風板的氣化室由于布風板的結構特點，能夠使得相對更多的物料進入提升管，從而參與循環(huán)的物料增加，使Gs，c大于在相對參數(shù)控制下的Gs，f，而且Gs，c的增長速率也大于 Gs，f.

2.4 床層高度的影響

床層高度H對顆粒循環(huán)流率Gs的影響也較大.在保持操作氣速不變的試驗工況下，分別對2種布風板上不同床層高度下的循環(huán)流率進行了測量，得到H與Gs的關系（圖5）.從圖5可知：隨著物料床層高度的增加，循環(huán)流率增大的速度減小；物料床層高度對Gs，c的影響大于對 Gs，f的影響.

圖5 循環(huán)流率與床層高度的關系Fig.5 Relation between Gsand H

隨著床層高度的增加，氣化室側返料孔上部的壓降增大，從而使兩床間物料循環(huán)推動力增大，使更多的物料可以參與循環(huán).但隨著H 的增加，氣化室側返料孔上部物料質量濃度的增加不多，因此Gs的增大趨勢變緩.2種布風板對Gs影響的區(qū)別在于：H對錐形布風板內循環(huán)流化床的影響更大，因為在H較小時，錐形布風板上各點床層高度變化較大，從而使氣化室內風量分布不均勻，流化風大部分只能從料層薄的地方穿過，因而不能在氣化室形成良好的循環(huán).在高床層下，各點床層高度變化相對較小，因此風量分布均勻且死區(qū)較小，在氣化室能夠形成穩(wěn)定循環(huán)，因而錐形布風板內循環(huán)流化床的物料循環(huán)流率隨著床層高度變化而變化的幅度也較大.

2.5 物料顆粒粒徑的影響

物料顆粒粒徑dp直接影響流化特性，因此對循環(huán)流率Gs的控制具有重要意義.圖6給出了物料顆粒粒徑與顆粒循環(huán)流率的關系.其中，氣化室風速ua為0.716m／s，提升管風速ud為5.679m／s.

圖6 物料顆粒粒徑與循環(huán)流率的關系Fig.6 Relation between Gsand dp

從圖6可知：隨著dp的增大，顆粒循環(huán)流率降低.當dp從0.34mm增大到0.45mm時，顆粒循環(huán)流率的減小量大于dp從0.256mm增大到0.34 mm時顆粒循環(huán)流率的減小量.物料顆粒粒徑影響流化特性，在顆粒平均粒徑較小時，小粒徑物料所占比例較大，在提升管內能達到其終端速度的物料較多，因此Gs較大.而在顆粒平均粒徑較大時，大粒徑物料所占比例較大，因此參與循環(huán)的物料較少，所以Gs較小.Gs減小而速率增大是由于顆粒平均粒徑較大時，大粒徑顆粒所占比例越來越大，因而使得可帶出提升管的物料顆粒迅速減少.2種布風板在不同粒徑下對Gs影響的區(qū)別在于：隨著dp的增大，Gs，c的減小速率小于相同參數(shù)下Gs，f的減小速率.由于錐形布風板對氣化室內循環(huán)的強化作用，促使更多物料進入提升管，使得提升管中能夠參與循環(huán)的物料增加，因此Gs，c減小速率小于相同工況下Gs，f的減小速率.此外，由圖6還可以看出：在H 為8cm時，Gs，c小于Gs，f，但當 H 為10cm 時，Gs，c大于Gs，f，這是由于在不同布風板下，床層高度對循環(huán)流率有影響（具體分析見2.4節(jié)床層高度的影響）：在低H下，錐形布風板不能使氣化室內物料形成較好的循環(huán)，因此Gs，c小于Gs，f；但當 H 增加時，由于錐形布風板的結構特點使得氣化室內存在穩(wěn)定循環(huán)，因此Gs，c大于Gs，f.

3 結 論

（1）對錐形布風板提出了臨界全部流化速度的概念，該速度明顯大于物料臨界流化速度.

（2）氣化室風速對Gs，c和Gs，f均有影響：隨著氣化室風速的增大，增長速率先增大，而后逐漸變緩，氣化室風速對Gs，c的影響明顯大于對Gs，f的影響.

（3）由于布風板的結構影響，布置了錐形布風板的氣化室能使相對更多的物料進入提升管，從而使Gs，c大于在相同參數(shù)控制下的Gs，f，而且隨著提升管風速的增大，Gs，c的增長速率大于Gs，f.

（4）物料床層高度對Gs，c的影響明顯大于對Gs，f的影響，物料顆粒粒徑對 Gs，c的影響小于對 Gs，f的影響.

（5）通過對試驗數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，在對循環(huán)流率的控制上，錐形布風板優(yōu)于平板形布風板.

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