床料對固廢流化床顆?；旌咸匦缘挠绊?/h1>

2013-12-22 05:09:20沙春發(fā)邵應娟鐘文琪金保昇

東南大學學報(自然科學版)訂閱 2013年3期 收藏

關鍵詞：床料流化床層

胡 顥 沙春發(fā) 邵應娟 鐘文琪 金保昇

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室,南京 210096)

(東南大學能源與環(huán)境學院,南京 210096)

作為世界上最大的能源消耗和廢棄物產(chǎn)生國,我國面臨著能源不足和固體廢棄物環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn).近年來,國家及地區(qū)的一系列規(guī)劃中都對固體廢棄物的高效清潔能源化利用提出了嚴格的要求,因而固體廢棄物的能源化利用技術發(fā)展迅速[1].其中,利用氣固流化床熱轉化技術處理固體廢棄物,包括氣化[2]、熱解[3],焚燒[4]等,由于其處理效率高、燃料適用性廣、負荷調節(jié)范圍寬、污染物排放低等特點[5],已成為國內外對可燃固體廢棄物規(guī)?；⒏咝茉椿们鍧嵉陌l(fā)展方向.

單一的固體廢棄物很難流化,實際工業(yè)應用中往往在反應器中加入一定量的床料顆粒以輔助其流化[6].因此,在利用固廢流化床處置固體廢棄物時,不可避免地涉及到流化床內多組分復雜顆粒系統(tǒng)混合與分離問題.在以往的研究中,主要從氣速[7]、顆粒密度[8]、顆粒尺寸[9]、流化床結構[10]等方面考察對顆粒系統(tǒng)混合特性的影響,而床料對于顆粒混合特性的影響分析卻鮮有報道.

本文建立了固體廢棄物流化床冷態(tài)試驗裝置,選取典型的固體廢棄物材料作為物料顆粒,對不同床料下床層內的混合情況進行試驗研究,重點考察床料密度、粒徑及體積分數(shù)對于顆粒系統(tǒng)混合特性的影響,以期為可燃固體廢棄物燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的設計、運行和參數(shù)優(yōu)化提供參考.

1 試驗系統(tǒng)及方法

本文建立的固廢流化床冷態(tài)試驗系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)主要包括空氣供給、流化床本體、樣本收集、壓力信號采集和圖像采集5個部分.床體材料為透明耐磨有機玻璃,以便在可視化環(huán)境下采集床體內部流化及混合情況,床體橫截面為200 mm×200 mm的正方形,床高1 200 mm,布風板采用風帽形式,開孔率為6.57%,66個風帽呈等邊三角形均勻布置.試驗臺后板可拆卸,以方便插入隔板進行取料分析,為加強密封,后板與左右板連接處裝有橡皮墊圈并用螺栓加固.流化氣由羅茨風機提供,羅茨風機的出力為28 m3/min,最高壓力可達350 kPa表壓,軸功率為28 kW,運行時完全能夠滿足試驗對風壓和風量的要求.流化氣流量控制通過管路上三路并聯(lián)的浮子流量計完成,氣體首先通入床體風室,經(jīng)過布風板風帽的小孔進入床內,并穿過床層直接排入大氣.在流化床床體側面,距布風板60,120,180,240,400,600,700,800,1 000 mm壁面處分別開有9個測壓孔,差壓傳感器的兩端分別與該孔和風室的氣體聯(lián)箱相連.差壓信號通過送入量程為0～16 kPa的多通道差壓變送器,輸出信號進行A/D轉換后,由計算機采集,并配以高分辨率數(shù)碼CCD相機采集圖像，記錄不同工況下床內的流動結構和顆?；旌闲袨?

圖1 試驗系統(tǒng)圖

常見的固體廢棄物主要有紙張、塑料、廚余、木塊、金屬制品、果皮、煤渣、磚塊等,當這些物質的顆粒在流化床中流化時,每種顆粒的分布情況并不相同.Chiba等[11]的試驗研究表明,相比于顆粒尺寸與形狀,顆粒密度對于其混合特性的影響更為明顯.因此,本文試驗中,根據(jù)常見固體廢棄物的密度分布情況,選擇4種密度間存在一定差異的模擬固廢異型顆粒作為試驗物料,分別為木塊顆粒B、聚苯乙烯塑料顆粒C、玉米顆粒D、建筑碎石顆粒E,這些顆粒在尺寸、形狀及密度之間都存在一定的差異.試驗中分別選用煤粉與石英砂顆粒作為流化介質(床料),其中煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2具有相同的粒徑分布,而石英砂A2,A3,A4為3種具有不同粒徑分布的顆粒.床料與物料的具體特性參數(shù)如表1和表2所示.

混合試驗前首先測定顆粒系統(tǒng)的臨界速度值.參照文獻[12]中對異型多組分顆粒系統(tǒng)最小流化速度值的測定方法,本文以降速法測定床層的壓降值,并通過繪制降速壓降曲線來確定不同工況下的最小流化速度.試驗初始床層選用充分混合床層,固定靜止床高為200 mm,按體積比先將床料放入床內,再將物料(每種模擬固廢顆粒所占體積分數(shù)相同)均勻放在床料上部,開啟羅茨風機,將流量調制成2.5 m/s,并保持5 min,使床層內物料與床料充分混合.調節(jié)流量計至試驗所需工況,保持10 min待混合穩(wěn)定后快速切斷氣流,凍結床層,將床層沿高度方向分成4份,插入隔板分層后,通過取料裝置收集每層樣本顆粒并加以分析.

表1 床料的基本特性

表2 模擬固廢顆粒的基本特性

為了同時考察床層局部區(qū)域與床層整體的混合情況,本文定義了2種顆粒濃度形式:顆粒的特征濃度和顆粒的局部濃度.其中,顆粒的特征濃度是指整個床層內該種顆粒的特征濃度,定義為

(1)

式中,mi為取樣樣本中模擬固廢的質量;mi,t為該類模擬固廢顆粒的總質量.當每層樣本中pi值越接近,說明顆粒的分布越均勻.顆粒的局部濃度為

(2)

式中,mi,bt為取樣樣本中所有顆粒的總質量.

在任一顆粒系統(tǒng)中,顆粒的混合特性都是混合機制與分層機制競爭的結果,研究者針對不同混合體系也提出了不同的混合指數(shù)表征方式.本文參照Hemati等[13]對混合指數(shù)的定義,即

(3)

式中,σ0為當模擬固廢顆粒和床料完全分離狀態(tài)下的局部濃度標準差,該值僅與混合物體系中模擬固廢顆粒的總體積分數(shù)以及取樣的層數(shù)有關,相對其混合物體系本身為定值；σ為實際隨機分布態(tài)下的局部濃度標準差,定義為

(4)

因此,當顆?；旌象w系處于完全分離態(tài)時,σ=σ0,此時M=0;當混合物達到完全混合狀態(tài),模擬固廢顆粒在各樣本內平均分布時,σ=0,此時M=1,說明床層內物料混合達到最理想狀態(tài);隨機混合時,0

2 結果與討論

2.1 床料密度對于顆?；旌系挠绊?/h3>

對氣固流化床混合特性研究中采用的床料往往為砂粒[7，12]、煤粒[13]、FCC催化裂化催化劑[10]、玻璃球[11]等.本文為了考察床料密度對于顆粒混合的影響,分別選用粒徑分布相同、密度相差較大(ρA2≈1.86ρA1)的煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2作為床料,且使混合系統(tǒng)中固廢顆粒所占體積分數(shù)都為20%.通過降速法繪制床層的壓降特性圖,并以固定床區(qū)與流化床區(qū)壓降曲線所得交點作為最小流化速度值[12].由此可得，當采用煤粉A1作為床料時最小流化速度Umf為0.19 m/s,而當采用石英砂A2作為床料時Umf達到0.27 m/s.可見,隨著床料密度的增大,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度也隨之增大,需要更大的氣速才可實現(xiàn)床層的流化效果.

4種模擬固廢顆粒在床層中的特征濃度分布如圖2所示.可以看出,在低氣速時,床層的分層機制作用明顯,其中以木塊顆粒B在石英砂床料A2中、建筑碎石顆粒D在煤粉床料A1中的表現(xiàn)最為明顯,此時幾乎只存在局部的固廢顆粒堆積;在氣速U上升至3Umf時,各模擬固廢顆粒的分布特性明顯趨于均勻,可見氣速的增大有利于提高床層內的混合質量.許多學者[7,13-16]在研究中發(fā)現(xiàn),當流化數(shù)N(N=U/Umf)達到某一值時(如文獻[7]中N=2.3、文獻[13]中N=2.5),顆粒系統(tǒng)的混合趨于穩(wěn)定,此時繼續(xù)增大氣速,顆粒系統(tǒng)混合特性幾乎不變.借鑒這一規(guī)律,本文以氣速U=3Umf時的工況作為混合穩(wěn)態(tài)工況對床層內混合特性進行考察.此外,當采用不同密度床料時,模擬固廢顆粒的分布規(guī)律也存在較為明顯的變化.比較圖2可以發(fā)現(xiàn),床料密度的增大提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,這種提升作用具有兩面性：對于高密度固廢顆粒,ρb的增大有利于床層的整體混合,并對ρp較大顆粒的底部偏析具有抑制作用;對于低密度固廢顆粒,ρb的增大不利于床層的整體混合,容易造成物料顆粒在床層頂部的分層堆積現(xiàn)象.

圖2 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布

圖3給出了混合指數(shù)M隨ρb/ρp的變化規(guī)律,可以看出:某一種物料顆粒在床層內的混合特性取決于床料密度與這種物料密度的比值.當ρb/ρp<0.7或ρb/ρp>4時,床層混合指數(shù)小于0.5,此時分層機制占據(jù)主導地位,特別是在低氣速U=Umf時,模擬固廢顆粒幾乎都堆積在床層頂部或底部區(qū)域,此時模擬固廢顆粒與床料的混合幾乎不發(fā)生.在ρb/ρp≈2.4時,床層混合最為理想,此時混合指數(shù)接近于1.由圖3還可看出,ρb/ρp越接近于2.4,氣速改變對于床層的混合特性影響就較小.這一現(xiàn)象說明,氣速對于分層機制主導下的床層混合效果改變較為明顯,而對于混合機制主導下的床層混合效果改善不大.

圖3 混合指數(shù)隨ρb/ρp的變化

2.2 床料粒徑對顆?；旌系挠绊?/h3>

為了考察床料粒徑對于顆粒混合的影響,本文篩分出了3種粒徑分布不同的石英砂顆粒A2,A3和A4,并保證顆粒系統(tǒng)中床料所占體積分數(shù)為80%,此時床層的最小流化速度Umf分別為0.27,0.39,0.52 m/s,可見,同床料密度的影響作用相同,當采用的石英砂床料粒徑不斷增大時,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度值也不斷增大.

混合穩(wěn)態(tài)工況下4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布如圖4所示.從圖中可以看出,床料粒徑的增大同樣提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但與床料密度的提升作用相比,床料粒徑的影響效果較小.

圖4 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)

從圖中4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布來看,床料粒徑的增大對于木塊顆粒B的影響效果并不明顯,因為其本身就存在一定的上部分層,床料粒徑增大后,這種分層作用就增大,但并不能改變高氣速下混合機制主導這一規(guī)律.對于其他3類顆粒,床料粒徑的增大對其影響效果較為明顯,其中塑料顆粒C的混合質量變差,這主要是由于床料粒徑的增大使其原先較為均勻的分布轉變?yōu)橐欢ǖ纳喜科?從而趨于“過飽和”狀態(tài);而對于原先床層下部分布較多的玉米顆粒D與建筑碎石顆粒E,床料的增大促進了其沿床層的均勻分布，混合質量增強.4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料粒徑變化的關系如圖5所示.可以看出,當床料由石英砂A2變?yōu)槭⑸癆4時,玉米顆粒的混合指數(shù)趨于0.95,碎石顆粒的混合指數(shù)也由原來的0.72增大至0.75.

圖5 混合指數(shù)隨床料粒徑db的變化(U=3Umf)

2.3 床料體積分數(shù)對于顆粒混合的影響

目前針對雙組分系統(tǒng)混合規(guī)律中床料分數(shù)的影響已有大量的研究,且獲得了一系列成果,但從目前檢索的文獻來看,仍無法得到一致性的結論,如Hemati等[13]認為床料體積分數(shù)與床層混合質量相互獨立,床料體積分數(shù)的變化并不影響混合質量;而Zhang等[14]的試驗研究結果發(fā)現(xiàn),床料體積分數(shù)的增大,有利于床層的混合.

選擇石英砂A2作為床料,分別考察床料體積分數(shù)為90%,80%,70%時混合穩(wěn)態(tài)下床層內各模擬固廢顆粒的特征濃度分布,如圖6所示,各配比下顆粒系統(tǒng)的最小流化速度分別為0.21,0.24,0.27,0.32,0.39 m/s.可以發(fā)現(xiàn),隨著床料體積分數(shù)Xv,b的增大,4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布趨于均勻,其中以塑料顆粒C與建筑碎石顆粒E尤為明顯.以混合指數(shù)M作為混合效果的考察標準,如圖7所示,在穩(wěn)態(tài)混合氣速下,4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料體積分數(shù)的增大出現(xiàn)相同的變化趨勢,這表明床料體積分數(shù)的增大有利于床層內顆粒的穩(wěn)態(tài)混合.

圖6 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)

圖7 混合指數(shù)隨床料體積分數(shù)Xv,b的變化(U=3Umf)

在實際固廢流化床應用工業(yè)中,為增大固廢的處理量,往往需要盡可能地增加固廢所占比例;但從固廢流化床穩(wěn)定運行而言,隨著固廢所占比例增大,床料所占份額逐漸減小,床層內顆粒系統(tǒng)的流化質量與穩(wěn)態(tài)下顆粒系統(tǒng)的混合質量將逐漸變差.邵應娟等[12]的研究發(fā)現(xiàn),當床料體積分數(shù)小于25%時,無法實現(xiàn)固廢顆粒與床料顆粒的共流化;在針對雙組分顆?；旌系拇罅垦芯縖15-16]中也已證實,為形成良好的流化混合質量,應保證床料具有一定份額(Xm,b≥85%[15]，Xm,b≥90%[16]).從本文試驗發(fā)現(xiàn),使床料體積分數(shù)大于80%時,可使4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)都大于0.7,床層混合較好.

3 結論

1) 床料密度對固廢流化床內顆粒系統(tǒng)的混合特性影響較大,床料密度的增大顯著地提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢;某一種模擬固廢顆粒在床層內的分布特性取決于床料密度與這種顆粒密度的比值ρb/ρp,在ρb/ρp≈2.4時,床層混合效果最為理想.

2) 床料粒徑的增大提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但這種提升作用幅度較小,且容易使原來分布較為均勻的固廢顆粒(如本文中塑料顆粒C)出現(xiàn)“過飽和”態(tài),使混合變差.

3) 床料體積分數(shù)增大有利于床層內顆粒的穩(wěn)態(tài)混合,為保證固廢流化床內良好的流化混合質量,床料體積分數(shù)應大于80%.

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