輔助噴口對噴動床流動性能的影響研究

唐 蘭， 黃海濤， 楊 興， 蔡敏華

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

噴動床是一種特殊條件下的流化床，主要用于粗顆粒物料（如小麥、稻谷、油菜籽等）的干燥、化學(xué)肥料的造粒和干燥及熱解氣化等。等離子體－噴動床結(jié)合了先進的等離子體技術(shù)與噴動床裝置，其原理與標(biāo)準(zhǔn)的噴動床類似，最主要的區(qū)別在于噴動床倒錐體下部連接等離子體炬，噴動氣流由等離子體射流代替，等離子體射流一方面作為噴動氣流，一方面作為熱解或氣化的熱源［1－2］。

但由于電弧等離子體是能量高度集中、超高溫（3 000～8 000K）區(qū)域窄小、沿徑向有較大溫度梯度的高速等離子體射流，顆粒在流動過程中，特別容易發(fā)生熔融、結(jié)塊與團聚等，導(dǎo)致等離子體－噴動床底部顆粒循環(huán)變差、形成流動死區(qū)，甚至停止噴動，在本課題研究初期及文獻(xiàn)［3］的研究中都發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，因此，文獻(xiàn)［4－5］一般采用引入流化氣流來解決，由于等離子體射流由等離子體炬中噴出時已經(jīng)形成，常規(guī)流化氣流的混入對等離子體射流的影響較小。

本文采用在等離子體噴口周圍采用輔助噴口解決上述問題，輔助噴動氣體的引入可使顆粒在噴動床內(nèi)保持流化狀態(tài)，同時，由于中心等離子體射流的存在，顆粒還是能夠噴動循環(huán)，保持噴動床特征。因此，輔助噴動氣體的引入不僅可促進傳熱傳質(zhì)，還能消除環(huán)流區(qū)底部的死區(qū)和易黏結(jié)顆粒的團聚，而且在利用等離子體－噴動床進行生物質(zhì)氣化時，如采用空氣、氧氣及水蒸氣等作為輔助噴動氣流，還避免了過多引入輔助氣流導(dǎo)致床內(nèi)溫度下降及氣體產(chǎn)品熱值低等問題。

目前國外對噴動床流體力學(xué)特性已經(jīng)有了充分的理解和認(rèn)識，單獨中心開孔的分布板是在實驗研究及應(yīng)用中最常使用的分布板類型［6－7］。

1 實驗部分

1.1 實驗流程與裝置

本研究所采用的裝置如圖1所示。

圖1 冷態(tài)實驗裝置示意圖

為了能夠觀察到床內(nèi)物料的流動情況，裝置的柱體部分采用透明可視有機玻璃材料，內(nèi)徑為80mm，高度為800mm，下部的錐體為碳鋼材料制成，錐角為60°。錐體底部分布板1僅中心開有8mm的噴口；錐體底部分布板2中心開有8mm的噴口，四周圍繞8個輔助噴動圓孔，輔助噴動圓孔直徑為2mm；錐體底部分布板3中心開有8mm的噴口，其外開一同心圓形條縫，條縫內(nèi)徑為24.6、25.7mm。分布板2中的8個輔助噴動圓孔的總面積與分布板3的圓形條縫的面積相同，且分布板2中的8個輔助噴動圓孔圓心所在圓直徑為25mm，分布板3的圓形條縫中心圓直徑也為25mm。錐體底部分布板下部連接輔助氣室，輔助噴動氣體沿分布板上的8個輔助噴動圓孔或條縫進入床內(nèi)，噴動氣體由中心噴口進入。在柱體上開有直徑為5mm的測壓口。

實驗采用廣州石英砂，其真實密度為2 650kg／m3，堆積密度為1 300kg／m3，空隙率為0.49，形狀因子為0.77。實驗前，用分析篩將石英砂篩分成10～14目、16～24目2個粒徑等級，對應(yīng)平均粒徑分別為0.75、1.45mm。采用的輪胎粉由廣州再生資源有限公司提供，粒徑范圍為30～40目。

1.2 實驗內(nèi)容及方法

（1）最小噴動速度。最小噴動速度的測定采用觀察法，對分布板1，對給定的物料、固定靜床高度，首先增大中心噴動氣速，使床中物料達(dá)到噴動狀態(tài)；然后逐漸減小噴動氣速，當(dāng)噴動突然塌陷和壓降驟然增大時所對應(yīng)的氣速為最小噴動氣速。對分布板2及分布板3，對給定的物料、固定靜床高度及中心噴動氣量，首先增大輔助噴動氣速，使床中物料達(dá)到噴動狀態(tài)；然后逐漸減小輔助噴動氣速，當(dāng)噴動突然塌陷和壓降驟然增大時所對應(yīng)的氣速為最小噴動氣速，其為此時中心噴動氣速vs及輔助噴動氣速va疊加的值。改變中心噴動氣量，重復(fù)上述步驟實驗。

（2）床層壓降的測定。不同流型床層具有不同的壓降特征，因此，常用壓降－流速曲線確定床層的流動狀態(tài)。床層壓降特征是流態(tài)化床型設(shè)計與操作的重要參數(shù)之一，本文主要考察了噴動氣速和輔助噴動氣速對噴動床壓降特征的影響。在一定的靜床高下，對孔板1，改變中心噴動氣速，對孔板2及孔板3，固定中心噴動氣速，改變輔助噴動氣速，記錄壓降變化，就可得到壓降與輔助噴動氣速的關(guān)系。本實驗認(rèn)為在噴口處（Z＝0mm）的壓降為床層總壓降。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 最小噴動速度

表1所列為采用分布板1時，各種物料在不同床高下的最小噴動速度，由于該分布板僅有中心圓形噴口，輔助噴動氣體流量為0，相當(dāng)于具有單獨中心開孔分布板的傳統(tǒng)噴動床。表1中，A為10～14目石英砂；B為16～24目石英砂；C為10%輪胎粉＋90%16～24目石英砂；D為20%輪胎粉＋80%16～24目石英砂；H 為床高；Q1、Q2分別為噴動氣體流量、輔助噴動氣體流量；v為最小噴動速度。床高150mm時分布板2、分布板3最小噴動速度實驗值見表2所列。

表1 分布板1最小噴動速度實驗值

表2 分布板2、分布板3最小噴動速度實驗值

從表1可以看出，其他條件保持不變時，隨著床高的增加，最小噴動速度增加，同時當(dāng)石英砂直徑減小時，相同條件下所需的最小噴動速度也減小。

在相同的實驗條件下，隨著噴動材料中輪胎粉的增加（0～10%～20%），所需要的噴動氣速逐漸減小，在相同的床高下，加入一定量的輪胎粉可以降低物料的密度，同時使物料平均直徑減小，從而可以減小最小噴動氣速。

對比表1與表2數(shù)據(jù)，在床高相同條件下，與采用分布板1單獨中心圓形噴口供氣相比，采用輔助噴動后將使最小噴動速度增加，而且中心噴動氣流越小，所需的最小噴動速度越大。這一規(guī)律對于四周圓形輔助噴口的分布板2以及四周條縫形輔助噴口的分布板3都存在。由此可以推斷，供氣偏離中心將增大最小噴動速度，或者說噴動氣流越往中心集中，相同條件下所需的最小噴動速度越小，這與文獻(xiàn)［8］中所得結(jié)論一致。

同時，分布板2與分布板3相比，相同條件下，采用分布板3所需的最小噴動速度較小。這是由于分布板3相對于分布板2，其供氣孔分布較為集中，因此，實現(xiàn)噴動所需的最小噴動速度降低。

當(dāng)改變噴動材料為20%輪胎粉＋80%16～24目石英砂混合物時，這一規(guī)律仍然存在。

2.2 床層壓降

采用分布板1時，在靜止床高為100mm，Z＝0mm處，從壓差計得到的床層壓降隨噴動氣流量的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 噴動氣速對壓降的影響

從圖2可以看出，隨著噴動表觀氣速的增大，床層壓降隨之增大，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動時，床層壓降突然減小，進一步增大噴動氣速，床層壓降基本保持不變。

反向減小噴動氣流速，當(dāng)噴動突然坍塌時，床層總壓降驟然增大。同時還可以看出，減小噴動氣速到噴動坍塌后，床層為固定床時，總壓降要大大低于增大噴動氣流速時的床層總壓降，這符合傳統(tǒng)噴動床的壓降變化特征。

圖3所示為2種分布板、床高100mm，固定噴動氣流量為1.8m3／h，改變輔助噴動氣流量條件下的床層壓降曲線。

圖3 輔助噴動氣速對壓降的影響

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著輔助氣速的線性增大，床層總壓降也線性增大，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動時，床層壓降突然減小，進一步增大噴動氣速，與采用分布板1進行實驗時觀察到的壓降不同，此時床層壓降持續(xù)增大。此外采用分布板1進行實驗時，減小噴動氣速到噴動坍塌后，床層為固定床時，總壓降要大大低于增大噴動氣流速時的床層總壓降，而無論采用分布板2還是分布板3，減小噴動氣速到噴動坍塌后，床層為固定床時，總壓降與增大噴動氣流速時的床層總壓降基本保持一致，這主要是因為采用分布板1時，噴動狀態(tài)時，總壓降主要為噴動區(qū)顆粒對噴動氣體的摩擦阻力所引起的，所以先增大再減小噴動氣速對總壓降影響不大；而在固定床狀態(tài)時，總壓降主要是顆粒之間空隙對氣體的阻力所致，當(dāng)噴動剛塌陷時，床層顆粒處于疏松堆積狀態(tài)，因此，固定床狀態(tài)總壓降在反向減小噴動氣速時要比增大噴動氣速時的總壓降要小很多。而采用分布板2和分布板3時，壓降主要是環(huán)流區(qū)氣體的壓力，在噴動狀態(tài)時，氣體主要從噴動區(qū)通過，改變氣速對環(huán)流區(qū)的壓降影響不大；而在噴動塌陷時的疏松固定床狀態(tài)，要比開始增大氣速時的堆積狀態(tài)的空隙阻力小，同時有更多的氣體處于環(huán)流區(qū)，所以反向減小噴動氣速時氣體壓力與減小噴動氣速時氣體壓力基本保持一致。

3 結(jié) 論

本文研究結(jié)果顯示，與采用分布板1單獨中心圓形噴口供氣相比，采用輔助噴動后將使最小噴動速度增加，而且中心噴動氣流越小，所需的最小噴動速度越大。同時，分布板2與分布板3相比，相同條件下，采用分布板3所需的最小噴動速度較小。在床層壓降方面，裝置采用分布板1時，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動時，床層壓降突然減小，進一步增大噴動氣速，床層壓降基本保持不變。而采用分布板2或分布板3時，進一步增大噴動氣速，床層壓降仍持續(xù)增高。反向減小噴動氣速到噴動坍塌后，床層為固定床時，對分布板1總壓降要大大低于增大噴動氣流速時的床層總壓降。而無論采用分布板2還是分布板3，減小噴動氣速到噴動坍塌后，床層為固定床時，總壓降與增大噴動氣流速時的床層總壓降基本保持一致。在利用等離子體－噴動床進行相關(guān)實驗時，如需采用輔助噴口，在相同條件下，孔板3較為合適。

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