生物質(zhì)雙流化床氣固流動特性研究與數(shù)值模擬

摘 要：依靠雙流化床冷態(tài)裝置考察流化風(fēng)和松動風(fēng)的流量對流化床流化形式、返料器料封高度以及固體循環(huán)量的影響。當(dāng)流化風(fēng)流量為5 m3/h時(shí)，流化床氣化器內(nèi)顆粒呈鼓泡流化。返料器料位與返料器兩側(cè)壓差有關(guān)，壓差越大，返料器內(nèi)料封高度越低。氣體反竄時(shí)返料器兩側(cè)壓差變小，料位逐漸升高。不改變其他條件，在下松動風(fēng)流量為3 m3/h及以下時(shí)，增大松動風(fēng)流量，顆粒循環(huán)量逐漸增加，一定條件下固體顆粒循環(huán)量達(dá)到最大為6.72 kg/h。對裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示顆粒的流化形式與實(shí)驗(yàn)一致。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；制氫；雙流化床；計(jì)算流體力學(xué)模擬；氣固流動；反應(yīng)器設(shè)計(jì)

中圖分類號：S216.2" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

氫能是一種高效清潔的能源，以生物質(zhì)為原料制取的產(chǎn)品氫氣被劃分為綠氫，更是響應(yīng)了國家碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)［1-3］。傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化技術(shù)路線中合成氣被部分燃燒，其能耗較高、氫氣產(chǎn)率較低［4］、焦油含量較高，而雙流化氣化技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）雙流化床反應(yīng)器將燃燒與氣化進(jìn)行解耦，間接加熱，燃燒器與氣化器之間僅有固體與熱量的高效交換，能夠以較小體積實(shí)現(xiàn)高熱通量與高處理量。

2）蒸汽氣化出口氣體質(zhì)量明顯高于空氣氣化，且無需空氣分離單元，雙流化床反應(yīng)器出口的干氣中氫氣含量可達(dá)到50%，結(jié)合原位捕集二氧化碳的吸附強(qiáng)化重整制氫（absorption enhanced reforming，AER）技術(shù)［5］，其含氫量可達(dá)到78%。

3）雙流化床氣體中焦油含量［4，6］為焦油2～16 g/Nm3，焦油含量比常規(guī)路線低，便于后續(xù)脫焦油處理。

但雙流化床由于將氣化與燃燒解耦，也帶來了兩個(gè)單元之間的干擾、密封問題以及物料、能量傳輸?shù)男蕟栴}。如何在保證密封性良好的前提下實(shí)現(xiàn)高通量的循環(huán)是目前制約雙流化床反應(yīng)器放大及穩(wěn)定運(yùn)行的主要難點(diǎn)。目前控制機(jī)關(guān)主要有滑閥［7］、送料螺旋［8］、斜溜槽［6］以及U、L、J型返料器［9］等，滑閥和送料螺旋由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜采用機(jī)械控制，在高溫情況下易出現(xiàn)問題，影響裝置運(yùn)行周期，而斜溜槽的密封性較差，因此返料器非機(jī)械密封的優(yōu)勢被逐漸關(guān)注。返料器為非機(jī)械閥［10］，在返料器兩側(cè)壓力作用下驅(qū)動被流化的物料進(jìn)行固體輸送。許多問題均會導(dǎo)致返料不暢［11］，無法為氣化提供足夠熱量。

本文通過探究風(fēng)量、返料器料封高度以及固體循環(huán)量等因素對雙流化床氣固流動特性的影響，得到最佳運(yùn)行參數(shù)，并通過數(shù)值模擬的方法建立流動模型，以期進(jìn)一步對反應(yīng)器與工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

使用石英砂顆粒作為床料顆粒，粒徑為20～40目，堆積密度為1600 kg/m3，床料總量為1.35 kg；所采用的流化氣體為室溫下的空氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的雙流化床冷態(tài)裝置如圖1所示。反應(yīng)器主要由氣化器、上下返料器、燃燒器和旋風(fēng)分離器組成。氣化器高度0.925 m，為鼓泡流化床；燃燒器高度1.4 m。各進(jìn)風(fēng)通過風(fēng)機(jī)送風(fēng)，并通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)觀測流量。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

如圖2所示，按照設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，氣化器與燃燒器通過上下返料器連接，只進(jìn)行固體與熱量的交換，氣體則被非機(jī)械閥返料器隔絕。床料在雙流化床冷態(tài)裝置中進(jìn)行循環(huán)的方式為：

1）氣化器內(nèi)的床料被流化風(fēng)和噴動風(fēng)所驅(qū)動，在氣化器內(nèi)為噴動-鼓泡流化，在重力作用下一部分進(jìn)入氣化器中的噴動管在氣化器進(jìn)行循環(huán)，一部分高于溢流口的床料顆粒落入到下返料器中，氣體從產(chǎn)品氣口排出；

2）床料進(jìn)入到下返料器中，形成料封阻隔氣化器與燃燒器的氣體反竄，顆粒在下返料器的松動風(fēng)作用下產(chǎn)生流態(tài)化性質(zhì)，然后被返料風(fēng)搬運(yùn)到燃燒器中；

3）燃燒器中通有空氣，床料顆粒被助燃風(fēng)吹動，形成快速流化的狀態(tài)，被助燃風(fēng)夾帶吹入到旋風(fēng)分離器中；

4）床料以及床料磨損產(chǎn)生的細(xì)粉被助燃風(fēng)攜帶到旋風(fēng)分離器中，由于細(xì)粉和床料顆粒的密度、粒徑相差很大，會與空氣從旋風(fēng)分離器頂部煙氣口排出，床料則從旋風(fēng)分離器下部排出；

5）床料落入上返料器中形成料封，在松動風(fēng)與返料風(fēng)作用下被搬運(yùn)到氣化器中，在重力作用下落入氣化器密相區(qū)，如此形成床料在雙流化床體系內(nèi)的循環(huán)，如圖3所示。

本文通過改變流化風(fēng)來觀察床料顆粒在氣化器內(nèi)的流態(tài)化情況，尋找合適的流化操作條件，操作條件見表1。此外，保持流化風(fēng)、噴動風(fēng)和助燃風(fēng)不變，即在返料器兩側(cè)壓差不變的情況下，通過改變松動風(fēng)與返料風(fēng)來改變流化床顆粒循環(huán)量，篩選出較高床料循環(huán)量下的操作條件，為反應(yīng)器優(yōu)化提供支持，其中床料的循環(huán)量由裝置穩(wěn)定時(shí)關(guān)閉返料風(fēng)后，60 s內(nèi)上返料器質(zhì)量變化得出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流化風(fēng)對固體床料流態(tài)化的影響

其他條件不變，不斷增大流化風(fēng)流量，直到有顆粒噴出為止，流化風(fēng)對固體床料流態(tài)化的影響如表2所示。圖4所示為不同流化風(fēng)下氣化器床料顆粒流態(tài)化情況。隨著流化風(fēng)流量的增大，固體床料的流態(tài)化越來越明顯，逐漸具有流體性質(zhì)，當(dāng)選擇流化風(fēng)流量為5 m3/h時(shí)，流化床呈現(xiàn)鼓泡狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)思路，此時(shí)固體床料循環(huán)量為5.52 kg/h。加大流化風(fēng)流量，改變氣化器與燃燒器壓力差，循環(huán)量并未發(fā)生很大改變，這說明此時(shí)條件下在影響循環(huán)量的兩大因素，即壓差和顆粒流化性（顆粒流化阻力）中流化性占主導(dǎo)因素，所以應(yīng)嘗試改變上下返料器中的流量來提高顆粒流化質(zhì)量以提高床料循環(huán)量。上料位與下料位分別為上返料器與下返料器中料封高度的變化，增大流化風(fēng)流量，氣化器與燃燒器壓力差改變，使返料器中流化的床料料位發(fā)生變化，下返料器壓差變大，料位下降，如圖5所示；上返料器壓差變小，料位上升，類似于壓差計(jì)中水柱高度因壓差發(fā)生改變的情況，這也顯示出返料器內(nèi)固體顆粒被“流體化”［12］，從而在壓差驅(qū)動下進(jìn)行運(yùn)輸?shù)奶卣鳌?/p>

2.2 松動風(fēng)對固體床料流態(tài)化的影響

白樹華等［13］通過實(shí)驗(yàn)考察了松動風(fēng)、返料風(fēng)對返料器固體循環(huán)量的影響，其中返料風(fēng)對返料速率的影響不大，而松動風(fēng)則能通過膨脹松動室內(nèi)的顆粒，為顆粒通過水平孔口提供驅(qū)動力，是決定返料器的閉鎖、開啟以及穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，在考察流化風(fēng)（即返料器兩側(cè)壓差）對返料影響后，只需考察松動風(fēng)對當(dāng)前條件下石英砂床料循環(huán)的影響。

其他條件不變，不斷增大松動風(fēng)流量，直到返料器內(nèi)料封被破壞，產(chǎn)生氣體反竄為止，松動風(fēng)對固體床料流態(tài)化的影響如表3所示，其中當(dāng)下松動風(fēng)流量為3.5 m3/h時(shí)，上返料器內(nèi)料位被破壞，下松動風(fēng)流量為4 m3/h時(shí)，上下返料器內(nèi)料位均被破壞。由于流化風(fēng)不變，因此氣化器內(nèi)固體流化方式維持鼓泡不變，顆粒循環(huán)量和上下返料器料位發(fā)生變化。從表3可看到：改變下松動風(fēng)，相應(yīng)的上松動風(fēng)也需從動增大，以便保持相同的循環(huán)量，從而保持整個(gè)系統(tǒng)上下循環(huán)量相互平衡，進(jìn)而使返料器中料位維持一個(gè)穩(wěn)定值；改變松動風(fēng)后，固體顆粒循環(huán)量明顯增加，這是因?yàn)樗蓜语L(fēng)提高了松動室內(nèi)顆粒流化質(zhì)量，也提供了顆粒水平通過孔口的推力，可使顆粒更好地被返料風(fēng)運(yùn)輸，從而提高顆粒循環(huán)量。

在下松動風(fēng)流量為3 m3/h及以下時(shí)，增大松動風(fēng)流量，顆粒循環(huán)量逐漸增加，整個(gè)系統(tǒng)上下循環(huán)量達(dá)到平衡時(shí)，上下返料器的料位隨松動風(fēng)流量的增大逐漸降低，如圖6所示。這說明返料器中顆粒床層的性質(zhì)越來越接近“流體”，流動阻力越來越小，這和在相同壓差下流動阻力越小的流體越容易被壓差驅(qū)動的原理類似；在下松動風(fēng)流量增至3 m3/h以上時(shí)，增大松動風(fēng)流量，返料器發(fā)生噴出鼓泡現(xiàn)象，料封被破壞，顆粒循環(huán)量未提高，整個(gè)系統(tǒng)上下循環(huán)量達(dá)到平衡時(shí)，上下返料器的料位隨松動風(fēng)流量的增大逐漸升高，此時(shí)顆粒流化性不再是主導(dǎo)因素，氣體反竄又導(dǎo)致返料器兩側(cè)壓差變小，因此料位逐漸升高。若為尋求最大固體循環(huán)量計(jì)，應(yīng)選擇下松動風(fēng)流量為3 m3/h，此時(shí)固體床料循環(huán)量最大，為6.72 kg/h。

3 雙流化床冷態(tài)裝置數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

本文以所建立的雙流化床冷態(tài)裝置為原型，利用CFD技術(shù)建立雙流化床流動模型［14-15］，包括對裝置進(jìn)行三維建模，比例為1∶1，并合理進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件后選擇合適的求解算法進(jìn)行模擬計(jì)算。通過上述工作獲得用于生物質(zhì)制氫的雙流化床氣化器模型，用以指導(dǎo)雙流化床氣化裝置的建設(shè)。雙流化床反應(yīng)器模型如圖7所示，為全回路模型包括氣化器、燃燒器、旋風(fēng)分離器以及上下返料器，網(wǎng)格數(shù)量為175780，氣化器高0.925 m，燃燒器高1.4 m。裝置邊界條件數(shù)值采用表3中冷態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)床料循環(huán)量6.72 kg/h時(shí)得到的邊界條件，流動模型采用300 K空氣作為流化介質(zhì)，數(shù)值為冷態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的各風(fēng)流量。顆粒情況與1.1節(jié)相同，粒徑分布在0.5～1.0 mm之間，床料總量1.35 kg。

3.2 模擬結(jié)果與討論

在3.1節(jié)模擬條件下，顆粒的流化情況如圖7所示，石英砂床料顆粒在氣化器內(nèi)呈鼓泡流化狀態(tài)如圖8所示，氣體流動情況如圖9所示，氣化器氣速較低。高于溢流口的床料被運(yùn)輸?shù)较路盗掀髦?，?jīng)下返料器進(jìn)入燃燒器，燃燒器氣速較高，顆粒在燃燒器內(nèi)呈快速流化狀態(tài)，床料在燃燒器內(nèi)被運(yùn)輸?shù)缴戏盗掀髦校簧戏盗掀鬟\(yùn)輸回到氣化器，如此完成床料顆粒在反應(yīng)器中的循環(huán)。流動模型中床料的循環(huán)方式與設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)中顆粒的循環(huán)方式一致，上下返料器均存在一定的料封，可有效防止燃燒器的氧氣及氣化器的富氫產(chǎn)品氣之間的竄氣［16］，所建立的模型具有一定的準(zhǔn)確性，可為裝置的改造提供一定的參考。

4 結(jié) 論

本文對所建立的用于生物質(zhì)制氫的雙流化床反應(yīng)器進(jìn)行了氣固流動方面的實(shí)驗(yàn)研究，以石英砂作為床料考察了流化風(fēng)和松動風(fēng)的流量對氣化器內(nèi)流化形式、返料器內(nèi)料封高度和雙流化床固體循環(huán)量的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）其他條件不變，不斷增大流化風(fēng)流量，氣化器內(nèi)床料流態(tài)化逐漸增強(qiáng)，當(dāng)流化風(fēng)流量為5 m3/h時(shí)，流化床氣化器內(nèi)顆粒呈鼓泡流化。

2）返料器料位與返料器兩側(cè)壓差有關(guān)，壓差越大，返料器內(nèi)料封高度越低，壓差可通過調(diào)節(jié)流化風(fēng)與助燃風(fēng)的比例來決定，從而使返料器內(nèi)料封高度處在一個(gè)較為安全的水平，不會產(chǎn)生氣體反竄現(xiàn)象；氣體反竄時(shí)返料器兩側(cè)壓差變小，料位逐漸升高，這體現(xiàn)了返料器作為非機(jī)械閥的自適應(yīng)性。

3）其他條件不變，在下松動風(fēng)流量為3 m3/h及以下時(shí)，增大松動風(fēng)流量，顆粒循環(huán)量逐漸增大，當(dāng)下松動風(fēng)流量增至3 m3/h以上時(shí)，返料器發(fā)生氣體反竄，料封被破壞，顆粒循環(huán)量未提高。

4）對于此套裝置，下松動風(fēng)流量為3 m3/h，上松動風(fēng)流量為4.6 m3/h時(shí)固體顆粒循環(huán)量達(dá)到最大，為6.72 kg/h。

本文還建立了雙流化床的流動模型，模擬結(jié)果顯示，顆粒流化形式與實(shí)驗(yàn)一致，可為雙流化床裝置的建立以及改進(jìn)提供一定參考。

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RESEARCH AND NUMERICAL SIMULATION ON GAS SOLID FLOW CHARACTERISTICS OF BIOMASS DUAL FLUIDIZED BED

Xiao Bin，Wang Xin，Song Yongyi，Zhang Biao，Wu Sikan

（ SINOPEC Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian 116045， China）

Abstract：By means of a cold state device of dual fluidized bed， the effects of fluidization air and loose air on the fluidization form of particles in the fluidized bed， the height of the granule and the amount of solid circulation are investigated. When the fluidization air is 5 m3/h， the particles in the fluidized bed gasifier are bubbling. The height of the granule is related to the pressure difference on both sides of the feed recycle devices. The greater the pressure difference， the lower the height of the granule in feed recycle devices. The pressure difference between the two sides of the feed recycle devices becomes smaller when the gas is reversed， and the height of the granule gradually increases. Without changing other conditions， when the lower loosening air is 3 m3 /h and below， increase the loosening air， and the particle circulation volume gradually increases. For this set of devices， the solid particle circulation volume reaches a maximum of 6.72 kg/h under certain conditions. The numerical simulation of the device shows that the fluidization form of particles in the model is consistent with the experiment.

Keywords：biomass； hydrogen production； dual fluidized bed； CFD simulation； gas-solid flow； reactor design