錐型布風(fēng)板內(nèi)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)流率特性研究與預(yù)測

陳鴻偉，楊 新，趙振虎

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，能源短缺問題日益嚴(yán)峻，人類不得不尋找新的能源來代替化石燃料。生物質(zhì)作為可再生能源，具有儲(chǔ)量大，分布廣的特點(diǎn)。生物質(zhì)的利用一般包括直接燃燒和氣化兩種，其中直接燃燒產(chǎn)生污染嚴(yán)重，不利于能量的傳遞;氣化可實(shí)現(xiàn) CO2的零排放，符合國家節(jié)能減排的政策[1]。目前生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用日益廣泛，內(nèi)循環(huán)流化床與常規(guī)流化床相比，結(jié)構(gòu)更緊湊，簡單，節(jié)約了制造成本[2]。此外，燃燒室散出的熱量可以部分被氣化室吸收，具有熱損失小的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)者對內(nèi)循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化的研究越來越深入[3～6]。

內(nèi)循環(huán)流化床的物料循環(huán)是保證生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵，合理的物料循環(huán)量能保證生物質(zhì)氣化所需的熱量，減少因溫差較大所產(chǎn)生的熱損失[7]，因此控制循環(huán)物料量在合理的范圍內(nèi)有利于生物質(zhì)氣化的進(jìn)行，保證產(chǎn)氣的質(zhì)量。

內(nèi)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)的影響因素包括控制參數(shù)和床體結(jié)構(gòu)尺寸兩方面，其中控制參數(shù)包括氣化室風(fēng)速、燃燒室風(fēng)速、物料粒徑和床層高度等;床體結(jié)構(gòu)尺寸包括氣化室結(jié)構(gòu)尺寸、返料孔位置、提升管高度等。本文通過在自行搭建的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，主要對控制參數(shù)對循環(huán)物料的影響進(jìn)行分析，提出了循環(huán)流率關(guān)聯(lián)式，為內(nèi)循環(huán)流化床熱態(tài)實(shí)驗(yàn)提供一定依據(jù)，并為以后的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行原理

自行搭建的內(nèi)循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，為了便于觀察物料的運(yùn)動(dòng)以及測量循環(huán)流率，試驗(yàn)臺(tái)主體材料采用有機(jī)玻璃，包括氣化室、提升管、錐型布風(fēng)板、分離器 (旋風(fēng)分離器和錐型分離器)、L閥等組成。其中氣化室高度為2 m，內(nèi)徑為290 mm;提升管高度為1.2 m，內(nèi)徑為90 mm，提升管壁面上等距開四個(gè)返料孔，返料孔的直徑為32 mm;在距錐型布風(fēng)板上沿0.1 m和0.5 m的位置分別布置放料孔和進(jìn)料孔。

圖1 錐型布風(fēng)板內(nèi)循環(huán)流化床三維冷態(tài)試驗(yàn)裝置Fig.1 Three－dimensional cold state test apparatus of internally circulating fluidized bed with cone distributor

內(nèi)循環(huán)流化床的運(yùn)行原理如下:生物質(zhì)通過進(jìn)料孔進(jìn)入氣化室，在氣化室內(nèi)生物質(zhì)吸收熱量與水蒸汽反應(yīng)，得到的 CH4，H2，CO等可燃?xì)怏w，這些氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后，可得純凈的氣體，隨后經(jīng)過一系列處理，進(jìn)行儲(chǔ)存。未完全反應(yīng)的生物質(zhì) (半焦)與釋放完熱量的載熱質(zhì)共同經(jīng)過返料孔進(jìn)入提升管。在通入空氣的提升管內(nèi)，半焦燃燒放出的熱量用來加熱載熱質(zhì)。加熱后的載熱質(zhì)經(jīng)錐型分離器再次進(jìn)入氣化室。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)旋風(fēng)分離器后，用來加熱水以產(chǎn)生水蒸汽作為氣化劑[8]。

1.2 試驗(yàn)方法與物料

試驗(yàn)時(shí)，氣化室和燃燒室分別有兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)提供流化風(fēng)。風(fēng)量由蝶閥控制，其大小由空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量。在保證其他控制參數(shù)不變的情況下，分別改變氣化室風(fēng)速 Ua提升管風(fēng)速 Ud、物料高度H和物料顆粒直徑dp，分別計(jì)算循環(huán)顆粒的流率。通過本次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各控制參數(shù)對顆粒循環(huán)流率的影響規(guī)律，并對原因進(jìn)行分析。試驗(yàn)選用的物料為石英砂，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 石英砂物料參數(shù)Tab.1 Physical parameters of Quartz sand

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 氣化室風(fēng)速Ua對循環(huán)流率的影響

試驗(yàn)中，保持其它控制參數(shù)不變，逐漸增大氣化室風(fēng)速Ua，計(jì)算得到循環(huán)流率G與氣化室風(fēng)速Ua的關(guān)系如圖2所示。

由圖可知:該圖中可以看出當(dāng)Ua(Ua=0.621 m/s)大于臨界流化風(fēng)速Umf后，隨著氣化室風(fēng)速的增加，循環(huán)物料流率會(huì)相應(yīng)的增加，但隨著Ua的增大，G增大的趨勢慢慢減小，甚至達(dá)到水平狀態(tài)。原因是 Ua增大，使得空氣動(dòng)能增加，氣泡擾動(dòng)也更加劇烈，固體物料顆粒的活躍程度加強(qiáng)，流動(dòng)性變好，氣化室中氣固之間的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)。除此之外Ua增加會(huì)使得床層界面相應(yīng)的增加，兩床之間的壓差也相應(yīng)的變大，顆粒循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力增加[9]，因此 G隨著 Ua的增加而增加。以上兩方面原因都使得進(jìn)入提升管的顆粒增多，因此 G隨 Ua增加而增加較快。但當(dāng)Ua達(dá)到0.821 m/s后，盡管兩床間壓降較高，但高氣化室風(fēng)速也阻礙了物料向返料孔的運(yùn)動(dòng)，兩者的作用相互抵消。除此外返料孔面積也對物料流動(dòng)產(chǎn)生一定阻礙，因此隨著氣化室風(fēng)速的增大，循環(huán)物料流率增加緩慢，逐步達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 氣化室風(fēng)速對循環(huán)流率的影響Fig.2 Effect of Uaon solids circulation rate

2.2 提升管風(fēng)速Ud對循環(huán)流率的影響

對于一定量的床料，保持其他控制參數(shù)不變，調(diào)節(jié)提升管風(fēng)速 Ud，得到G隨 Ud的變化規(guī)律如圖3所示。在相同平均粒徑下，循環(huán)流率隨著Ud的增加而增加;但在不同平均粒徑下，出現(xiàn)不同變化:在大平均粒徑下，循環(huán)流率基本上隨Ud是線性變化;在小平均粒徑下，G增長速率越來越慢。

圖3 提升管風(fēng)速對循環(huán)流率的影響Fig.3 Effect of Udon solids circulation rate

出現(xiàn)該現(xiàn)象原因:當(dāng) Ud較小時(shí) (Ud＜3.93 m/s)，大部分顆粒達(dá)不到其終端速度 Ut，只有少數(shù)物料參與循環(huán)，物料循環(huán)流率較小，隨著Ud增大，提升管內(nèi)物料濃度降低，空隙率增大[10]，從而使提升管上返料孔位置上部的壓力降低，返料孔兩側(cè)的壓差增大，從而使推動(dòng)力增大，循環(huán)物料量增大。除此之外，氣速增大，使氣化室向提升管的串氣增大，也可以相應(yīng)的攜帶物料進(jìn)入提升管的物料量增大，使循環(huán)物料量增大。當(dāng)物料進(jìn)入提升管后，各粒徑范圍的顆粒逐步達(dá)到Ut，由于大粒徑在實(shí)驗(yàn)Ud范圍不能全部達(dá)到終端速度Ut，不能全部參與循環(huán)，因而大粒徑顆粒與Ud成線性關(guān)系;小粒徑的由于全部顆粒全部達(dá)到Ut，所以增長趨勢逐漸平緩。

2.3 物料高度H對循環(huán)流率的影響

床層物料的高度H對循環(huán)流率有較大影響。在保證氣速為定值的情況下，分別計(jì)算三種氣速情況下不同床層物料高度對應(yīng)的循環(huán)流率，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 物料高度對循環(huán)流率的影響Fig.4 Effect of H on solids circulation rate

由圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著物料高度H的增大，循環(huán)流率開始時(shí)增大較快，但是隨后增加趨勢變緩。出現(xiàn)該種現(xiàn)象原因是:進(jìn)料孔兩側(cè)的壓降是顆粒循環(huán)的推動(dòng)力，由于床層物料高度的增加，造成氣化室側(cè)物料濃度增加，壓降增大，導(dǎo)致返料孔兩側(cè)的壓降增大，促使進(jìn)行循環(huán)的物料顆粒增大顆粒，循環(huán)流率增加。在物料高度從8 cm到10 cm的過程中，返料孔上側(cè)的物料濃度變化較大，因此循環(huán)流率增大較快;而當(dāng)H從10 cm到12 cm的過程中，返料孔上側(cè)物料濃度變化不大，壓降變化不大，因此循環(huán)流率增加較少。

2.4 顆粒粒徑dp對循環(huán)流率的影響

物料粒徑dp對流化特性有直接影響，從而影響到循環(huán)流率.圖5給出了循環(huán)流率隨顆粒粒徑變化的關(guān)系圖，在粒徑從0.256 mm增大到0.45 mm的過程中，循環(huán)流率逐漸下降。其原因是:在較小粒徑 (dp=0.256 mm)下，固體顆粒終端速度Ut較小，進(jìn)入提升管參與循環(huán)的物料量較多，隨著顆粒粒徑的增大，流動(dòng)阻力增大，顆粒不易流化，相當(dāng)于減小了氣固間速度[11]，在相同風(fēng)速下，參與循環(huán)的物料量減少，從而造成循環(huán)流率減小，除此外，返料孔對大粒徑顆粒流動(dòng)的阻力作用明顯大于小粒徑顆粒流動(dòng)，從而加劇了循環(huán)流率的減小。

圖5 物料粒徑對循環(huán)流率的影響Fig.5 Effect of dpon solids circulation rate

2.5 循環(huán)流率預(yù)測預(yù)測

從本次試驗(yàn)結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)流化床循環(huán)流率的主要影響參數(shù)包括氣化室風(fēng)速Ua，提升管風(fēng)速Ud，床層高度H，顆粒粒徑dp，在已測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用多元回歸方法建立計(jì)算關(guān)聯(lián)式:

式中:dor為返料孔直徑;Ha為氣化室高度。

實(shí)驗(yàn)計(jì)算值與預(yù)測值得比較見圖6在其中模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量值間誤差在20%內(nèi)，說明該關(guān)聯(lián)式能夠較好的預(yù)測循環(huán)流率。

3 結(jié)論

通過本次關(guān)于錐型布風(fēng)板內(nèi)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)特性的試驗(yàn)得到以下幾個(gè)結(jié)論:

圖6 試驗(yàn)值與模型預(yù)測值的比較Fig.6 The comparison of test value and model prediction

(1)對于一定的物料，顆粒循環(huán)流率隨提升管風(fēng)速或鼓泡床風(fēng)速的增加而增加，并且當(dāng)提升管風(fēng)速或鼓泡床風(fēng)速分別增加到一定程度時(shí)，顆粒循環(huán)流率增加趨于緩慢。

(2)物料靜床高和物料平均粒徑對顆粒循環(huán)流率有較大影響。顆粒循環(huán)流率隨靜床高增加而增大，隨物料平均粒徑的增大而減小。

(3)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到了顆粒循環(huán)流率計(jì)算關(guān)聯(lián)式，計(jì)算值和試驗(yàn)值誤差小于20%，能夠較好地預(yù)測顆粒通過孔口的流動(dòng)，這對于內(nèi)循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)具有重要實(shí)際意義。

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