生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器流化質(zhì)量的影響因素

李三平，王述洋，盧文超，付曉東

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

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生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器流化質(zhì)量的影響因素

李三平，王述洋，盧文超，付曉東

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

[目的]研究在流化過(guò)程中顆粒粒徑、生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比等參數(shù)對(duì)流化質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬作鋪墊。[方法]在內(nèi)膽式雙熱型生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器中，通過(guò)流態(tài)化實(shí)驗(yàn)，研究不同的生物質(zhì)粒徑、生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的不同配比等參數(shù)對(duì)顆粒流化質(zhì)量的影響規(guī)律。[結(jié)果]對(duì)于同種顆粒，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大，床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大；對(duì)于粒徑相同的不同種類(lèi)顆粒，臨界流化速度隨顆粒堆積密度的增加而增大；隨著生物質(zhì)顆粒與熱載體顆?；旌媳鹊脑黾?，臨界流化速度幾乎都降低。[結(jié)論]選取生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3時(shí)，流化質(zhì)量相對(duì)較好。

熱裂解反應(yīng)器；流化質(zhì)量；顆粒粒徑

生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器是生物質(zhì)熱裂解制取生物油系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中最重要的部分。只有通過(guò)反應(yīng)器，才能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒的閃速升溫和氣相的快速析出。對(duì)于反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)是生物質(zhì)熱裂解制油試驗(yàn)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]?？紤]到在設(shè)計(jì)熱裂解反應(yīng)器時(shí)，流化風(fēng)速、載氣流量及反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器的高度等參數(shù)不能完全確定，而且在流化過(guò)程中生物質(zhì)粒徑、生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比、物料堆積高度、分布板開(kāi)孔率的大小以及流化氣進(jìn)氣方式等參數(shù)對(duì)流化質(zhì)量的影響較大。因此，筆者主要通過(guò)流態(tài)化試驗(yàn)，研究在流化過(guò)程中顆粒粒徑、生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比及物料堆積高度等參數(shù)對(duì)流化質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬作鋪墊。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由空氣壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、有機(jī)玻璃管反應(yīng)器、分布板、U型管壓差計(jì)、橡膠軟管和塑料軟管組成。為了便于觀察實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定，將不銹鋼制熱裂解反應(yīng)器用有機(jī)玻璃反應(yīng)器代替，反應(yīng)器的尺寸為內(nèi)徑0.22 m，床高1.45 m[2]。該試驗(yàn)系統(tǒng)的條件為常溫差壓。設(shè)備經(jīng)檢查安裝好，開(kāi)動(dòng)氣泵，調(diào)節(jié)流量計(jì)，流量逐漸增大，通過(guò)U形壓力計(jì)讀取壓降，測(cè)定在不同條件下床層的壓降和流化速度的關(guān)系。

注：1.U型管壓差計(jì)；2.橡膠軟管；3.有機(jī)玻璃管反應(yīng)器；4.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5.空氣壓縮機(jī)；6.塑料軟管。圖1 流態(tài)化試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及方法的選取

1.2.1顆粒種類(lèi)及粒徑的選取。選取玉米秸稈粉(下文簡(jiǎn)稱(chēng)秸稈粉)、紅松木粉、糠、稻殼4種生物質(zhì)顆粒和河沙、石英砂2種熱載體顆粒，粒徑范圍均選取三組，具體如下：①秸稈粉粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；②紅松木粉粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；③糠粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm；④稻殼粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm；⑤河沙粒徑，第1組0～0.20 mm，第2組0.20～0.45 mm，第3組0.45～0.60 mm；⑥石英砂粒徑，第1組0.20～0.45 mm，第2組0.45～0.60 mm，第3組0.60～1.10 mm。

1.2.2研究方法。選用降速法，測(cè)量顆粒的臨界流化速度，即先把流化風(fēng)速升高至使顆粒達(dá)到完全流化狀態(tài)，而且還有一定的速度裕度[3]。繼續(xù)增大風(fēng)速，當(dāng)有微小顆粒飛出反應(yīng)器時(shí)，即達(dá)到最大進(jìn)氣量；然后開(kāi)始逐漸降低風(fēng)速，減小壓縮機(jī)閥門(mén)開(kāi)度，讀取各狀態(tài)下的流量計(jì)讀數(shù)。

1.3 臨界流化速度的確定

1.3.1理論模型的建立。假定反應(yīng)器內(nèi)部的顆粒均為相同直徑的球形顆粒，且忽略顆粒之間的范德華力、靜電力等的影響。考慮到當(dāng)各顆粒之間的距離比顆粒直徑大幾個(gè)數(shù)量級(jí)或更多大時(shí)，在反應(yīng)器內(nèi)部每個(gè)顆粒均可認(rèn)為是單一的懸浮顆粒，其懸浮條件滿足式(1)。

Fz=G-Ff

(1)

可以求出，懸浮時(shí)顆粒相對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)速度為：

(2)

關(guān)于流化床臨界流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式，主要有3種，如式(3)、(4)、(5)[4]所示。

(3)

(4)

(5)

1.3.2試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算。試驗(yàn)時(shí)采用空氣壓縮機(jī)，用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定流量，則根據(jù)有機(jī)玻璃管的直徑，可由式(6)求得玻璃管中的流化速度。

(6)

式中,ut為試驗(yàn)測(cè)得流化風(fēng)速，m/s；Q為轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的流化風(fēng)流量，m3/h；D為玻璃管的直徑，mm。

試驗(yàn)采用常溫20 ℃的空氣作為流化氣體，其基本參數(shù)為μf=1.824×10-5Pa·s,ρf=1.205kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 流化速度理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式(3)、(4)、(5)，計(jì)算得到的流化速度結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，4種生物質(zhì)顆粒和2種熱載體顆粒的流化速度試驗(yàn)值均隨粒徑的增大而增大，理論計(jì)算值除玉米秸稈粉外，也隨粒徑的增大而增大。

對(duì)于玉米秸稈粉顆粒，公式(4)和(5)計(jì)算值非常接近。在同一流體中，粒徑大的顆粒受的氣流阻力較大，因此與公式(3)的計(jì)算值相差較大。對(duì)于粒徑小于0.5 mm時(shí)，式(4)和(5)的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值較接近，而對(duì)于粒徑大于0.5 mm時(shí)，3個(gè)公式的計(jì)算值均和試驗(yàn)值相差較大。主要是由于秸稈粉顆粒在小粒徑時(shí)，形狀較規(guī)則，簡(jiǎn)化為球形顆粒誤差較小，而當(dāng)其粒徑較大時(shí)，形狀不太規(guī)則，簡(jiǎn)化為球形模型時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。對(duì)于稻殼顆粒，公式(4)和(5)計(jì)算值非常接近，對(duì)于粒徑小于0.3 mm，式(4)和(5)的計(jì)算值和試驗(yàn)值較接近，而對(duì)于粒徑大于0.3 mm時(shí)，公式(3)的計(jì)算值和試驗(yàn)值比較接近。主要是由于稻殼顆粒粒徑較大時(shí)，形狀較規(guī)則，簡(jiǎn)化為球形顆粒誤差較小，而當(dāng)其粒徑較大時(shí)，形狀不太規(guī)則，簡(jiǎn)化為球形模型時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。對(duì)于紅松木粉和糠公式(3)、(4)和(5)計(jì)算值相差不大，而與試驗(yàn)值相差較大，主要是因?yàn)榧t松木粉和糠的形狀不規(guī)則性隨粒徑的增加而變化的更明顯。對(duì)于熱載體顆粒，河沙和石英砂公式(4)和(5)的計(jì)算值和試驗(yàn)值較接近，公式(3)的計(jì)算值比試驗(yàn)值大，不太適合密度較高的顆粒。

2.2 流化質(zhì)量的影響因素分析

2.2.1不同入料顆粒粒徑對(duì)流化質(zhì)量的影響。當(dāng)粒徑不同時(shí)，同種物料顆粒壓差-流速曲線如圖2所示。

圖2 粒徑不同的同種物料壓差-流速曲線

從圖2可以看出，當(dāng)顆粒粒徑不同時(shí)，因空隙率的存在，顆粒的堆積密度不同，使得同種物料的起始流化速度存在較大的差異。對(duì)于同種物料，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大；床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大，當(dāng)氣速較小時(shí)，小粒徑的物料因堆積密度較小，孔隙率較大，易被流化，在達(dá)到臨界流化前，其床層壓降值比大粒徑物料的壓降值大。形狀較規(guī)則且接近球形的秸稈粉、紅松木粉、糠和河沙均符合上述規(guī)律，而稻殼和石英砂顆粒因其形狀不規(guī)則，顆粒的堆積密度并不隨顆粒粒徑的增加而增大，因此小粒徑顆粒流化前的床層壓降并不比大粒徑顆粒的壓降值大。

圖3 粒徑相同的不同種物料壓差-流速曲線

從圖3可以看出，對(duì)于同種粒徑的4種生物質(zhì)顆粒，臨界流化速度隨著顆粒堆積密度的增加而增大，其中秸稈粉顆粒的臨界流化速度最小，約為0.013 m/s，紅松木粉的臨界流化速度最大，約為0.27 m/s。而床層壓降在流化之前，隨著氣速的增加而逐漸增大，當(dāng)顆粒達(dá)到流態(tài)化以后，壓降值只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，幾乎穩(wěn)定。對(duì)于不同顆粒其壓降變化差別較大，并不完全取決于顆粒的堆積密度，其變化與顆粒的性質(zhì)、形狀等有關(guān)。也就是說(shuō)，床層壓差的高低不能作為衡量流化質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)，但可以從壓降的變化情況來(lái)判別是否達(dá)到流態(tài)化。以流態(tài)化曲線的拐點(diǎn)為參考，在其之后曲線近似于水平，而在拐點(diǎn)之前屬于固定床段，之后則屬于流化床段[5]。

2.2.2不同生物質(zhì)顆粒和熱載體顆?；旌媳葘?duì)流化質(zhì)量的影響。在生物質(zhì)熱裂解過(guò)程中需要借助熱載體顆粒來(lái)增大加熱速率，因此要考慮生物質(zhì)和熱載體顆?；旌虾蟮牧骰Ч?，來(lái)選擇合適的混合比。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到當(dāng)混合物組成相同、配比不同時(shí)，其壓差-流速曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著混合比的增加，即混合物中生物質(zhì)顆粒濃度的增大，臨界流化速度幾乎都降低，主要原因是由于生物質(zhì)顆粒的密度明顯低于熱載體顆粒，其臨界流化速

圖4 不同配比的混合物料流化特性曲線

度也明顯低于熱載體顆粒，因而混合物的臨界流化速度會(huì)隨著生物質(zhì)顆粒濃度的增加而降低，壓降也隨著生物質(zhì)顆粒濃度的增加而降低。有幾個(gè)特例，如圖4d中紅松和石英砂混合物，質(zhì)量比為2∶5時(shí)臨界流化速度低于質(zhì)量比為2∶3時(shí)臨界流化速度；圖4e中秸稈和河沙混合物，質(zhì)量比為2∶3時(shí)臨界流化速度最大，壓降也最大；圖4f中秸稈和石英砂混合物，質(zhì)量比為2∶3時(shí)的壓降略高于質(zhì)量比為2∶5的壓降。分析這幾種特例，產(chǎn)生的主要原因可能有：①試驗(yàn)過(guò)程中，因密封不好可能部分地方存在漏氣，使得測(cè)量結(jié)果存在誤差；②混合顆粒的形狀差異使得粒徑分布不均勻，出現(xiàn)部分顆粒聚集現(xiàn)象，流化過(guò)程中出現(xiàn)死區(qū)；③床層內(nèi)壓降值并不穩(wěn)定，差壓計(jì)讀數(shù)存在波動(dòng)，會(huì)引起讀數(shù)誤差。結(jié)合不同混合比的流化特性曲線可以看出，為了提高流化質(zhì)量，選取生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3比較合適。

3 結(jié)論

通過(guò)流態(tài)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了顆粒粒徑、生物質(zhì)顆粒和熱載體顆?；旌吓浔鹊葏?shù)對(duì)流化質(zhì)量的影響。研究表明，對(duì)于同種物料，隨著粒徑的增加，臨界流化速度增大；床層壓降隨著氣速的增加也逐漸增大；對(duì)于同種粒徑的不同種類(lèi)顆粒，臨界流化速度隨顆粒堆積密度的增加而增大；隨著混合比的增加，臨界流化速度幾乎都降低，選取生物質(zhì)顆粒和熱載體顆粒的配比為2∶3時(shí)流化質(zhì)量相對(duì)較好。該研究為生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[1] 劉榮厚.生物質(zhì)快速熱裂解制取生物油技術(shù)的研究進(jìn)展[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(1)：3-7.

[2] 李三平，王述洋，孫雪，等.新型內(nèi)膽式雙熱型生物質(zhì)熱解反應(yīng)器設(shè)計(jì)模型[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2014，34(1)：49-56.

[3] 鄒家柱，劉澤華.生物質(zhì)與惰性顆粒流化特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25(2)：33-36.

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Analysis of Affection Factors of Fluidization Quality of Biomass Pyrolysis Reactor

LI San-ping, WANG Shu-yang, LU Wen-chao et al

(College of Electromechanical Engineering，Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

[Objective] The affection parameters of fluidized quality such as particle size, mixture material match of biomass particles and heat carrier particles were studied to pave the way for the further implementation of optimization design and numerical simulation of reactor.[Method] The fluidization experiment was done in the liner type double heat type biomass pyrolysis reactor, and the effects of different particle size and different ratio parameters of biomass particles and heat carrier particles on the fluidization quality were studied.[Result] For the same particles, with the increase of the particle size, the critical fluidization velocity increased, and the pressure drop of the bed with the increase of air velocity increased.For the different kind of particles with same size, critical fluidization velocity increased with particle packing density increasing, and with the mixture material match of biomass particles and heat carrier particles increased.The critical fluidization velocity almost all reduced.[Conclusion] The fluidization quality was relatively good while mixture material match was 2∶3.

Biomass pyrolysis reactor; Fluidization quality; Particle size

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2572014BB06)。

李三平(1981- )，女，湖北漢川人，講師，從事生物質(zhì)能技術(shù)方面的研究。

2015-01-26

S 216；O 643.38

A

0517-6611(2015)08-013-04