熱解進料用水平氣力輸送進料率的調(diào)控

吳 煜， 司 慧

(北京林業(yè)大學工學院，北京 100083)

熱解進料用水平氣力輸送進料率的調(diào)控

吳 煜， 司 慧*

(北京林業(yè)大學工學院，北京 100083)

設(shè)計了一臺用于熱解進料的新型水平氣力輸送試驗裝置。為確定該裝置進料率的調(diào)控方法，以落葉松鋸末顆粒為例，在自主設(shè)計的試驗臺上檢驗了電磁閥脈沖時間、占空比、噴嘴位置對顆粒進料率、輸送量的影響。結(jié)果表明：通過增加單周期電磁閥關(guān)閉時間的方式，可以增大線性進料區(qū)范圍，使輸送量和進料率線性可調(diào)；隨占空比的增加，輸送量先快速增加后趨于穩(wěn)定；進料率先快速降低后趨于穩(wěn)定。脈沖式氣力輸送有利于在不增加氣耗的條件下提高電磁閥打開時單位時間的輸送量，通過改變噴嘴和料斗中心線的間距可以調(diào)節(jié)輸送量和進料率。

熱解；氣力輸送；進料率；調(diào)控方法

目前，熱解技術(shù)是最具潛力的生物質(zhì)能源利用技術(shù)之一[1]，其中的進料是熱解工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。氣力輸送裝置是一種典型的熱解進料裝置，由于生物質(zhì)的物理性質(zhì)隨著溫度的變化而變化，因此其熱解進料難度較大。

落葉松鋸末顆粒是一種比較有前景的熱解原料[3-4]，但由于反應裝置的熱解溫度需達到400～550 ℃，這使得反應器的加熱壁需維持在更高的溫度，同時也使進料管壁溫度較高[5-7]。原料在高溫輸送時存在一些問題，如提前干燥、炭化、反噴等[8-9]。管路降溫時熱解氣冷凝[10]，冷凝液易粘附于顆粒結(jié)焦，不易清潔[11]。密相氣力輸送的固氣比高、氣速低，不適合黏性物料的輸送[12-15]；稀相輸送時，反應器為低壓裝置，壓力會對進料產(chǎn)生影響[16]；此外，含水率、粒徑、黏度等原料特性也會影響進料率[17-19]，因此急需簡單有效的方法來穩(wěn)定調(diào)節(jié)熱解稀相輸送進料率，但目前對最大化固氣比、最小化能耗以及進料率線性調(diào)控等方面的研究較少。

本文設(shè)計了一臺適用于熱解進料的新型水平氣力輸送試驗裝置，并以落葉松鋸末顆粒為例，通過試驗分析了電磁閥脈沖時間、占空比及噴嘴與料斗中心線間距等參數(shù)對輸送量的影響，重點進行了脈沖式氣力輸送試驗，分析了進料率和輸送量線性變化區(qū)域及其主要影響因素，探討了進料率和輸送量的線性調(diào)控方法。

1 氣力輸送試驗

1.1 新型熱解進料試驗裝置

進料試驗裝置系統(tǒng)如圖1所示，主要由料倉、緩沖室、料斗、電動蝶閥、噴嘴、電磁閥、進料管等組成。試驗采用型號為ACO-002的風機(35 W，40 L/min)壓縮空氣(0.1～0.2 kPa)，壓縮空氣在電磁閥的控制下通過噴嘴(DN 2 mm)進入水平管(DN 10 mm，304不銹鋼管)；從料倉(304不銹鋼，75°傾斜角)中下落的物料依次進入緩沖室(PVC有機玻璃)、料斗(PVC有機玻璃)及進料管(304不銹鋼管)。在電動蝶閥(D941X-6，DN 50 mm)交替開閉和緩沖室的作用下，試驗裝置在進料過程中隔離空氣并維持內(nèi)部壓力穩(wěn)定。電磁閥A用于防止反應器氣體反噴，電磁閥B用于脈沖噴氣進料，電磁閥C用于維持緩沖室壓力，防止電動蝶閥打開時緩沖室和料斗之間的壓差變化。通過電子天平(JM 1000，1000 kg/0.01 g)測量輸送量。電磁閥的頻率通過90C51單片機(普中科技)和5 V轉(zhuǎn)24 V功率放大電路實現(xiàn)編程調(diào)控。進料管出料口至料斗軸線距離為350 mm。噴嘴安裝及關(guān)鍵參數(shù)如圖2所示，當噴嘴在中心線左側(cè)時L值為正，可通過增減密封圈數(shù)量來調(diào)節(jié)L值。

圖1 進料試驗裝置系統(tǒng)1.料倉；2.電動蝶閥A；3.光敏傳感器A；4.電動蝶閥B；5.光敏傳感器B；6.光敏傳感器C；7.進料管；8.噴嘴；9.電磁閥A；10.電磁閥B；11.料斗；12.緩沖室；13.氣源；14.膜盒壓力表；15.電磁閥C

圖2 噴嘴安裝1.內(nèi)螺紋螺母；2.密封墊圈；3.外螺紋管；4.噴嘴；5.直角三通；6.進料管

1.2 試驗原料

試驗原料為落葉松鋸末(2014年2月生產(chǎn))，試驗前先通過28目和35目的細濾網(wǎng)篩分顆粒，其特性見表1。

表1 落葉松鋸末特性

特性落葉松鋸末顆粒篩分中值粒徑/mm045～060堆積密度/kg·m-31254材料密度/kg·m-32983振實密度/kg·m-32154休止角/°403含水率/%123

1.3 試驗方案

經(jīng)北京林業(yè)大學移動式生物質(zhì)熱解裝置測試得到進料管溫度為100～200 ℃，載氣溫度為50～100 ℃。實際熱解進料需滿足進料管內(nèi)壓力始終高于反應器壓力，通常采用不可冷凝熱解氣或氮氣作為氣源。為節(jié)約能源，本次試驗在搭建進料試驗裝置系統(tǒng)時以壓縮空氣為氣源，采用脈沖式氣力輸送，在氣源壓力一定時，對噴嘴與料斗中心線間距、電磁閥B的噴射時間、平均輸送量等主要參數(shù)分別進行單因素試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輸送量與進料率

進料裝置每分鐘輸送的物料質(zhì)量用輸送量m表示。進料率M表示在電磁閥打開時單位時間的輸送量，其可由輸送量m和占空比k得到，計算公式為：

M=m/(60×k)

(1)

電磁閥狀態(tài)改變的緩沖時間為0.02 s，遠小于試驗最小時間間隔0.1 s，因此可忽略緩沖時間的影響。

單周期內(nèi)，當電磁閥關(guān)閉時間t2設(shè)置為0.5 s或1 s時，輸送量和進料率與電磁閥打開時間t1的關(guān)系如圖3所示。當電磁閥關(guān)閉時間一定時，隨著電磁閥打開時間的增加，輸送量先急劇增加，后緩慢增加；同時，進料率先快速降低，后緩慢降低；當噴嘴打開時間過短氣體動力不足時，進料率和輸送量急劇降低，其臨界占空比為9%～16%。

圖3 輸送量、進料率與電磁閥打開時間的關(guān)系

根據(jù)曲線斜率的變化，曲線可以分為線性進料區(qū)、臨界過渡區(qū)和緩慢上升區(qū)三段。在線性進料區(qū)，輸送量快速增加，進料率快速降低；在緩慢上升區(qū)，輸送量緩慢增加至極值，進料率緩慢降低至極值；在臨界過渡區(qū)則介于兩者之間。當電磁閥關(guān)閉時間t2=0.5 s時，進料率在電磁閥打開時間t1超過0.5～1.5 s后開始趨于穩(wěn)定，即臨界過渡區(qū)域t1為0.5 ～1.5 s；當t2=1 s時，進料率在電磁閥打開時間t1超過1.5～2.5 s后開始趨于穩(wěn)定，且t1為1±0.1 s時曲線有交點。

電磁閥關(guān)閉時間適當提高有益于增大臨界過渡區(qū)，從而增加線性進料區(qū)范圍，使輸送量、進料量線性變化范圍增大，增加進料可控性，但同時占空比相對降低，耗氣量相對增加；電磁閥關(guān)閉時間適當提高還有益于增加穩(wěn)定上升區(qū)的平均輸送量及其極大值，同時穩(wěn)定上升區(qū)范圍減小。因此，可以通過增加單周期電磁閥關(guān)閉時間的方式，增大線性進料區(qū)范圍，使輸送量和進料率線性可調(diào)。

在線性進料區(qū)，隨電磁閥打開時間t1的增加，占空比減小，氣耗增加，而且輸送量基本呈線性增加。由此可以推測，在線性進料區(qū)存在一個氣耗最少且輸送量最大的點，可以滿足管路底層顆粒不堆積的要求。

2.2 占空比

單周期內(nèi)電磁閥打開時間與周期時間的百分比用“占空比”表示。占空比與每分鐘輸送量和進料量的關(guān)系如圖4所示。隨占空比增加，輸送量先快速增加，后趨于穩(wěn)定；進料率先快速降低，后趨于穩(wěn)定。

當占空比低于50%時，輸送量、進料率變化較快；當占空比高于50% 時，輸送量、進料率及固氣比變化緩慢。因此，臨界過渡區(qū)的占空比約為(50±10)%。

適當提高占空比有益于保持管路清潔，當占空比低于15%±2%時，管徑為350 mm的管路底層即開始出現(xiàn)沉積，這可能是由于氣體動力不足所致；當占空比低于9%時，輸送質(zhì)量明顯降低。

圖4 輸送量(進料率)與電磁閥占空比的關(guān)系

2.3 噴嘴與料斗中心線間距

噴嘴與料斗中心線的間距對進料的影響如圖5所示。輸送量和進料率隨中心線間距的增加先快速增大后減小，且在間距等于垂直管半徑時達到最大值。

以垂直管的半徑處為分界線(見圖2)，當噴嘴遠離該分界線時(噴嘴和分界線的間距為L)輸送量和進料率都與該間距L呈線性關(guān)系，且進料管一側(cè)變化率更大。

圖5 噴嘴與料斗中心線間距對進料的影響

當-5 mm

3 結(jié)論

(1)單周期內(nèi)當電磁閥關(guān)閉時間一定時，隨著電磁閥打開時間的增加，輸送量先急劇增加，后緩慢增加；進料率先快速降低，后緩慢降低；當噴嘴打開時間過短氣體動力不足時，進料率和輸送量急劇降低。

(2)在線性進料區(qū)，輸送量快速增加，進料率快速降低；在緩慢上升區(qū)，輸送量緩慢增加至極值，進料率緩慢降低至極值；在臨界過渡區(qū)則介于兩者之間。

(3)可以通過增加單周期電磁閥關(guān)閉時間的方式來增大線性進料區(qū)范圍，使輸送量和進料率線性可調(diào)。

(4)隨占空比增加，輸送量先快速增加，后趨于穩(wěn)定；進料率先快速降低，后趨于穩(wěn)定。

(5)相對持續(xù)式氣力輸送而言，脈沖式輸送有利于在不增加氣耗的條件下提高電磁閥打開時單位時間的輸送量；兩種方式都可以通過改變噴嘴和料斗中心線的間距來調(diào)節(jié)輸送量和進料率。

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(責任編輯 王琦)

Regulation of the Feeding Rate of HorizontalPneumatic Conveying for Pyrolytic Feeding

WU Yu，SI Hui*

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)

A new pneumatic conveying test device for pyrolytic feeding is designed.In order to determine the regulation method of the feeding rate of the device，with Larch saw dust as conveyed materials，the effect of pulse time，duty cycle of solenoid valve and the nozzle’s location on the feeding rate and the feeding weiqht is tested on an independently designed and erected test bench，with the test result showing that by increasing the closing time of the single-cycle solenoid valve，the scope of the linear feeding area can be increased and the conveying weiqht and feeding rate linearity can be adjusted；with the increase in the duty cycle，the feeding weiqht increases rapidly firstly and then increases steadily，while the feeding rate decrease rapidly firstly and then decreases steadily.Pulse pneumatic conveying is conducive to increasing the feeding weiqht per second while the solenoid valve is opened.Also，the feeding rate and feeding weiqht can be controlled by adjusting the centerline distance between the nozzle and the center.

pyrolysis；pneumatic convey；feeding rate；regulation method

2016-09-05

北京市科技計劃課題項目(Z161100001316004)

吳 煜(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為生物質(zhì)熱解氣力輸送進料技術(shù)，E-mail：wuyu582932445@sina.com。

*通訊作者：司 慧(1957-)，女，教授，博士生導師，研究方向為生物質(zhì)熱解技術(shù)，E-mail：sihui@bjfu.edu.cn。

TS642；S216

A

2095-2953(2017)01-0029-04