循環流化床布風方式對顆粒循環流率的影響

陳鴻偉， 楊 新， 尹 猛， 成 嶺

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

由于化石燃料燃燒排放的CO2等溫室氣體對環境影響很大，而化石資源的匱乏又對社會經濟發展帶來潛在危機，這就迫使世界各國科研工作者努力尋求新的替代能源.作為新能源重要組成部分的生物質能由于儲量大、分布廣等優點而得到人們的極大關注，學者們開始紛紛研究和開發生物質能源的高效利用途徑.其中，生物質氣化可以實現CO2零排放，是減少溫室氣體排放和實現低碳經濟的重要手段［1］.采用循環流化床對生物質進行氣化是開拓新能源、減少環境污染的高效途徑之一.目前，內循環流化床因其結構緊湊，建造成本較低而被廣泛應用于生物質氣化，國內外學者在對內循環流化床的研究［2-4］中發現：帶中心提升管的內循環流化床還具有增強循環傳熱、減少熱量損失以及保證熱量有效利用等優點.

布風板作為流化床鍋爐的重要組成部分，具有支撐物料和均勻布風的重要作用［5］.合理布置布風板能夠促進物料的充分混合、流化和反應過程，尤其在帶提升管的內循環流化床中，布風板對生物質氣化和燃燒的影響更明顯.因此，選擇合理的布風板布置方式尤為重要.

帶提升管的內循環流化床的循環流率是生物質氣化的關鍵，在一定程度上反映了物料的循環特性.合理的物料循環流率可以減少因溫差造成的熱量損失［6］，進而保證產氣質量.因此，筆者針對2種布置方式（錐形和平板形）的布風板下各控制參數對帶中心提升管的內循環流化床內物料循環流率的影響進行了試驗和分析，以期得到合理的布風板布置方式，為實際工業應用提供一定參考.

1 試驗

1.1 試驗裝置

圖1 帶中心提升管的錐形布風板內循環流化床冷態試驗臺Fig.1 Diagram of cold－state test apparatus in the riser of an internally CFB with cone distributor

圖1為帶中心提升管的錐形布風板內循環流化床冷態試驗臺示意圖.該試驗臺采用有機玻璃材料，以便于觀察物料的運動和測量循環流率.試驗臺主要由氣化室、提升管、分離器（旋風分離器和錐形分離器）、布風板以及環形L閥等組成.其中氣化室高度為2m，內徑為290mm；提升管高度為1.2m，內徑為90mm，在提升管壁面上等距離開4個返料孔，返料孔的直徑為32mm.在距布風板上沿0.1m和0.5m的位置分別布置放料孔和進料孔.

為了便于試驗，布風板可以從流化床試驗臺上自由拆裝，包括錐形和平板形2種方式布風板各一組.圖2為布風板的側視圖和俯視圖.布風板采用密孔板式布風板，為防止物料從布風板小孔落入風室，在布風板上方覆蓋一層80目的金屬網，布風板采用PVC板材，在上面沿等邊三角形開有直徑為8mm的小孔，開孔率為15%.

圖2 布風板的側視圖和俯視圖Fig.2 Side and top view of air distributor

帶中心提升管內循環流化床的工作原理為：生物質通過進料孔進入氣化室，在氣化室內吸收熱量并與水蒸氣進行反應，得到CH4、H2以及CO等可燃氣體［7］.這些可燃氣體經旋風分離器分離后，可以得到純凈的氣體.未完全反應的生物質（半焦）與釋放完熱量的載熱質共同經過返料孔進入提升管.在通入空氣的提升管內，半焦燃燒放出的熱量加熱載熱質.經加熱后的載熱質通過錐形分離器再次進入氣化室.燃燒產生的高溫煙氣經旋風分離器后，加熱水生成作為氣化劑的水蒸氣［8］.

1.2 試驗方法與試驗物料

在試驗時，內循環流化床氣化室和提升管由2個風機單獨供風，并通過蝶閥控制風量的大小.在不同控制因素（氣化室風速ua、提升管風速ud、物料粒徑dp和物料高度H）下分別對布置了錐形布風板和平板形布風板的帶中心提升管內循環流化床的物料循環流率進行測量.由于受設備條件的限制，顆粒循環流率采用容積測量法測量，即在環形L閥下設置1個測量容器，通過帶刻度的測量容器測得的物料質量為全部返料量的1／6，通過測量物料在該測量容器內堆積到一定量所需的時間，再根據物料的堆積密度計算出顆粒的循環流率.試驗選用的物料為石英砂，其物理參數見表1.

表1 石英砂的物理參數Tab.1 Physical parameters of quartz sand

2 試驗結果與分析

2.1 流化速度的概念

臨界流化速度是固定床向流化床轉變過程中的一個重要參數［9］.在常規流化床中，在一個較窄的速度范圍內，床層大部分進入流態化.當流體對顆粒的曵力恰好等于顆粒重力時，顆粒質量完全由氣體對它的曵力支撐，顆粒懸浮在氣體流中，對床層可以認為是剛剛流化，此時即可認為是臨界流化狀態，對應的流速為臨界流化速度.對于布置平板形布風板的內循環流化床，由于流態變化過程較短，氣化室內物料的臨界流化速度可以作為鑒定物料進入流化狀態的一個重要標志.但對于布置錐形布風板的內循環流化床，氣化室內物料的臨界流化速度卻不能作為流態變化的重要參考，原因是其床層除了受床內顆粒堆積的隨機性、壓力波動以及測量誤差等影響外，還受床內各處料層高度不同和氣流速度不均的影響，床層呈現出從邊緣向中心處逐漸懸浮的狀態，直至整個床層顆粒進入流態化，因此其床層狀態變化是一個相對緩慢的漸變過程［10］.所以對于錐形布風板內循環流化床，其床層完全進入流態化時所對應的速度就有更重要的意義，定義此時的速度為臨界全部流化速度.筆者對布置錐形布風板的內循環流化床進行了試驗并測量了其臨界全部流化速度.由于整個床層是由外向內逐漸流化的，因此準確測量臨界全部流化速度具有一定難度.由于靠近提升管處的物料最后進入流化狀態，因此通過測量靠近提升管側壓降變化來獲得臨界全部流化速度，其具體測量步驟是：在靠近提升管布風板上側和床層上方設置測壓點，利用蝶閥緩慢增加風速并測量兩測點的壓降；當壓降開始不再增加時，其對應的風速即為臨界全部流化速度.三種粒徑的物料在錐形布風板內循環流化床中的臨界全部流化速度與臨界流化速度的比較見表2.

通過對錐形布風板內循環流化床上物料臨界全部流化速度和物料臨界流化速度的比較表明，錐形布風板內循環流化床的物料臨界全部流化速度明顯大于物料的臨界流化速度，前者約為后者的1.3～1.6倍，這主要與物料粒徑有關.

表2 臨界全部流化速度與臨界流化速度的比較Tab.2 Comparison of the minimum complete fluidizing velocity and the minimum fluidizing velocity

2.2 氣化室風速的影響

當氣化室物料進入流態化后，由于氣化室風速ua影響兩床間的壓降而影響顆粒循環流率.在試驗中，保持其他參數不變（顆粒粒徑dp＝0.34mm，床層高度H＝12cm），在2種布風板下，依次改變氣化室風速ua，并分別測量在各工況下的循環流率，得到循環流率Gs與氣化室風速ua的關系（圖3）.

圖3 循環流率與氣化室風速的關系Fig.3 Relation between Gsand ua

隨著ua的增大，返料孔位置以上的物料質量濃度增加，但另一方面物料從氣化室到提升管的流動阻力增加，兩者的共同作用控制著循環物料的流動.從圖3可知：對比錐形布風板內循環流化床的物料循環流率Gs，c與平板形布風板內循環流化床的物料循環流率Gs，f，在低ua（ua為0.573m／s）下，Gs，c小于Gs，f；隨著ua的增大，Gs，c增長速率明顯大于相同參數下Gs，f的增長速率；在高ua（ua為0.764m／s）下，Gs，c大于Gs，f.造成這種現象的原因是：在錐形布風板內循環流化床氣化室中，由于布風板上物料堆積高度不同，造成各點流速不同，從邊緣向靠近提升管側流速降低，空隙率也隨之減小，從而使布風板上側存在靠近提升管側到邊緣處的壓降，導致布風板上側向邊緣處的物料流動，流走的物料由原來上側的物料補充.與此同時，由于流化床內部沿高度方向上的壓降隨著氣流速度的減小而增大［11］，在床層頂部，靠近提升管處的壓力小于邊緣處，因此在床層頂部，物料向中心處運動，從而使整個床層出現明顯的循環流動［12］.經過循環流動的物料在兩床壓降的推動下，能夠更好地經過返料孔進入提升管.在低ua下，錐形布風板內循環流化床的流化數小于相同ua下平板形布風板內循環流化床的流化數，因此造成Gs，c小于Gs，f；隨著ua的增大，錐形布風板促進氣化室內的內循環流動作用使得Gs，c的增長速度明顯大于相同風速下的Gs，c；而在高ua下，由于流動阻力的增加，使得Gs的增長速率減小并趨于平緩.

2.3 提升管風速的影響

在試驗中，控制其他參數不變，依次改變提升管風速ud并測量顆粒循環流率Gs，得到Gs與ud的關系（圖4）.

圖4 循環流率與提升管風速的關系Fig.4 Relation between Gsand ud

從圖4可知：隨著ud的增大，Gs增大，但增大的速率逐漸變小；隨著ud增大，在相同的ud下，Gs，c大于Gs，f，且Gs，c的增長速率大于 Gs，f.提升管風速ud通過影響提升管的物料質量濃度對兩床壓降進行控制，進而影響循環流率.隨著ud的增大，提升管內物料質量濃度減小，使提升管底部壓力降低，兩床間壓降增大，進而使物料循環流率隨著ud的增大而增大.在低ud下，物料進入提升管后只有較小顆粒達到終端速度ut；隨著ud的增大，更大粒徑范圍內的物料顆粒能夠達到終端速度ut，從而被帶出提升管，因此Gs的增長速率較大；在高ud下，所有粒徑范圍內的物料顆粒都能夠達到終端速度，從而使提升管中物料質量濃度的減小趨勢趨緩，提升管底部的孔隙率變化幅度減小，兩床間的壓差變化也相對放緩［13］，因此Gs的增大隨著提升管風速的增加而趨于緩慢.在圖4中，2種布風板對Gs產生不同影響的原因是：布置錐形布風板的氣化室由于布風板的結構特點，能夠使得相對更多的物料進入提升管，從而參與循環的物料增加，使Gs，c大于在相對參數控制下的Gs，f，而且Gs，c的增長速率也大于 Gs，f.

2.4 床層高度的影響

床層高度H對顆粒循環流率Gs的影響也較大.在保持操作氣速不變的試驗工況下，分別對2種布風板上不同床層高度下的循環流率進行了測量，得到H與Gs的關系（圖5）.從圖5可知：隨著物料床層高度的增加，循環流率增大的速度減小；物料床層高度對Gs，c的影響大于對 Gs，f的影響.

圖5 循環流率與床層高度的關系Fig.5 Relation between Gsand H

隨著床層高度的增加，氣化室側返料孔上部的壓降增大，從而使兩床間物料循環推動力增大，使更多的物料可以參與循環.但隨著H 的增加，氣化室側返料孔上部物料質量濃度的增加不多，因此Gs的增大趨勢變緩.2種布風板對Gs影響的區別在于：H對錐形布風板內循環流化床的影響更大，因為在H較小時，錐形布風板上各點床層高度變化較大，從而使氣化室內風量分布不均勻，流化風大部分只能從料層薄的地方穿過，因而不能在氣化室形成良好的循環.在高床層下，各點床層高度變化相對較小，因此風量分布均勻且死區較小，在氣化室能夠形成穩定循環，因而錐形布風板內循環流化床的物料循環流率隨著床層高度變化而變化的幅度也較大.

2.5 物料顆粒粒徑的影響

物料顆粒粒徑dp直接影響流化特性，因此對循環流率Gs的控制具有重要意義.圖6給出了物料顆粒粒徑與顆粒循環流率的關系.其中，氣化室風速ua為0.716m／s，提升管風速ud為5.679m／s.

圖6 物料顆粒粒徑與循環流率的關系Fig.6 Relation between Gsand dp

從圖6可知：隨著dp的增大，顆粒循環流率降低.當dp從0.34mm增大到0.45mm時，顆粒循環流率的減小量大于dp從0.256mm增大到0.34 mm時顆粒循環流率的減小量.物料顆粒粒徑影響流化特性，在顆粒平均粒徑較小時，小粒徑物料所占比例較大，在提升管內能達到其終端速度的物料較多，因此Gs較大.而在顆粒平均粒徑較大時，大粒徑物料所占比例較大，因此參與循環的物料較少，所以Gs較小.Gs減小而速率增大是由于顆粒平均粒徑較大時，大粒徑顆粒所占比例越來越大，因而使得可帶出提升管的物料顆粒迅速減少.2種布風板在不同粒徑下對Gs影響的區別在于：隨著dp的增大，Gs，c的減小速率小于相同參數下Gs，f的減小速率.由于錐形布風板對氣化室內循環的強化作用，促使更多物料進入提升管，使得提升管中能夠參與循環的物料增加，因此Gs，c減小速率小于相同工況下Gs，f的減小速率.此外，由圖6還可以看出：在H 為8cm時，Gs，c小于Gs，f，但當 H 為10cm 時，Gs，c大于Gs，f，這是由于在不同布風板下，床層高度對循環流率有影響（具體分析見2.4節床層高度的影響）：在低H下，錐形布風板不能使氣化室內物料形成較好的循環，因此Gs，c小于Gs，f；但當 H 增加時，由于錐形布風板的結構特點使得氣化室內存在穩定循環，因此Gs，c大于Gs，f.

3 結 論

（1）對錐形布風板提出了臨界全部流化速度的概念，該速度明顯大于物料臨界流化速度.

（2）氣化室風速對Gs，c和Gs，f均有影響：隨著氣化室風速的增大，增長速率先增大，而后逐漸變緩，氣化室風速對Gs，c的影響明顯大于對Gs，f的影響.

（3）由于布風板的結構影響，布置了錐形布風板的氣化室能使相對更多的物料進入提升管，從而使Gs，c大于在相同參數控制下的Gs，f，而且隨著提升管風速的增大，Gs，c的增長速率大于Gs，f.

（4）物料床層高度對Gs，c的影響明顯大于對Gs，f的影響，物料顆粒粒徑對 Gs，c的影響小于對 Gs，f的影響.

（5）通過對試驗數據的對比發現，在對循環流率的控制上，錐形布風板優于平板形布風板.

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