帶提升管內循環流化床的流動特性研究

劉玉浩，張明河，楊 新

（ 1.國網能源山東建設集團有限公司，山東濟南 250000;2.華北電力大學能源與動力工程學院，河北保定 071003）

0 引言

隨著能源危機的日益嚴峻，尋找可替代的能源已經刻不容緩。生物質能作為一種清潔可再生能源，幾乎不含硫，含氮也很少，且具有二氧化碳近零排放的優點。據估計，地球上每年生物能相當于世界總能耗的十倍［1］，然而目前我國商品化的生物質能源僅占能源總耗的0.5%左右［2］，因此生物質氣化技術在國內外得到迅速的發展。目前來說，常規的流化床應用于生物質氣化系統的技術的很廣，但存在著很多問題:產氣質量低，顯熱損失大，碳回流難以控制等，因此國內一些機構對內循環流化床進行了特性研究［3－5］。而帶中心提升管的內循環流化床相比于常規流化床，結構更緊湊，簡單，節約了制造成本［5］。此外，燃燒室散出的熱量可以完全被氣化室吸收，所以熱損失更小。

帶提升管的內循環流化床裝置主要包括一個環形鼓泡床(氣化室)和一個快速床(燃燒室)組成。在環形鼓泡床中，通過進料孔進入氣化室的生物質與氣化劑(一般是水蒸氣)在循環物料放出熱量的條件下發生熱解氣化反應生成H2、CO、CH4等產氣通過旋風分離器進行分離儲存;生物質未完全反應的半焦和放完熱量的循環物料通過布置在提升管上的返料孔進入燃燒室與氧氣混合進行燃燒，放出的熱量用來加熱循環物料以提供氣化室氣化吸熱。加熱后的循環物料通過錐形分離器返回到氣化室。高溫煙氣經過旋風分離器后用來加熱水產生水蒸汽作為氣化劑。固體循環物料流率能在很大程度上決定固體停留時間、氣固兩相接觸和熱量與質量交換律［6］。因此控制實現較大的顆粒循環流率Gs是內循環流化床氣化裝置的主要目的之一，顆粒循環流率越大，越有利于氣化反應的進行［7］。

由于固體顆粒循環流率的主要控制因素包括:氣化室風速，中心提升管風速，物料特性，床體結構等，文中特通過自行搭建的帶提升管的內循環流化床試驗臺，從運行參數和試驗臺結構方面對循環物料流率的的影響因素進行分析，為內循環流化床顆粒的進一步熱態試驗研究提供了一定的依據，并對以后的工業應用具有一定的指引意義。

1 實驗設備和試驗方法

內循環流化床試驗臺的實驗裝置如下圖1，試驗臺由有機玻璃制成以便于觀察物料運動情況并測量顆粒循環流率，包括氣化室，提升管，錐形分離器，環形L閥，布風板等。其中提升管內徑90 mm，高度為1.2 m，鼓泡床內徑 290 mm，高度為2 m，提升管底部開4個直徑為32 mm的進料孔。在距氣化室布風板0.1 m和0.5 m處的氣化室壁上設置放料孔和進料孔，以便于放料和加料。提升管設計成可以更換的形式，準備三根提升管，每根提升管上各自有三組不同位置的進料孔，三根管上的開孔數目不同，分別為六個、四個和兩個，但保證不同管上的進料孔的總進料面積相同。

進行實驗室，氣化室和燃燒室分別有兩個鼓風機提供流化風，以避免相互影響。風量由蝶閥控制并由空氣轉子流量計測量其流量。保證其他控制因素不變的情況下，只改變單一控制因素通過測量其質量流率，得到其與循環物料量之間的關系。其中顆粒循環量采用容積測量法測量。即在環形L閥下方有一個測量容器，計量物料堆積到某一刻度所需的時間，根據物料的堆積密度進而計算出顆粒的循環流率。實驗物料采用石英砂，其物理粒徑范圍為380～550 um，顆粒球形度為 0.73，真實密度為 2650 kg/m3，堆積密度為1650 kg/m3，靜床高為8 cm。

2 實驗結果及分析

2.1 氣化室風速的影響

對于某一高度物料量，保持提升管風速Ud不變，依次改變氣化室風速Ua。計算得到的循環物料流率與Ua的關系如圖2。在該圖中可以看出當Ua大于臨界流化風速Umf后，隨著氣化室風速的增加，循環物料流率Gs會相應的增加，但隨著Ua的增大。Gs增大的趨勢慢慢減小。原因是Ua增大，使得空氣動能增加，氣泡擾動也更加劇烈，固體物料顆粒的活躍程度加強，流動性變得更，除此之外Ua增加會使得床層界面相應的增加，兩床之間的壓差也相應的變大，顆粒循環流動的動力增加，氣化室中氣固之間的擾動也逐漸增強［7］，因此 GS隨著 uf的增加而增加［8］。以上兩方面原因都使得進入提升管的顆粒增多，因此Gs隨Ub增加而增加較快。但當氣化室風速達到0.573 m/s后，由于小孔面積的阻礙作用，氣化室風速不再是影響物料的關鍵因素，因此隨著氣化室風速的增大，循環物料流率增加緩慢，逐步達到平衡狀態。

2.2 提升管風速的影響

保證氣化室風速不變，依次改變提升管風速大小，計量Gs與提升管風速Ud的關系如圖3，隨著Ud增大，Gs相應增大，但增大的速率逐漸減小。

造成該種現象的原因是，當Ud較小時(Ud＜3.93 m/s時)，大部分顆粒達不到其終端速度，只有少數物料參與循環，物料循環流率較小，隨著Ud增大，提升管內物料濃度降低，從而使提升管上返料孔位置上部的壓力降低，返料孔兩側的壓差增大，從而使推動力增大，循環物料量增大，除此之外，氣速增大，使氣化室向提升管的串氣增大，也可以相應的攜帶物料進入提升管的物料量增大，使循環物料量增大。但提升管風速達到某一值后，氣速再增大，使得提升管的高速氣流對孔口流動產生一定的阻礙作用，從而使物料循環量增長緩慢，甚至為水平狀態。

2.3 返料孔高度的影響

返料孔高度Hor的大小對Gs有著很大的影響。Hor對Gs影響如圖4所示，隨著Hor變大，循環物料流率Gs逐漸變低，并且Gs降低的速率逐漸增快。

導致出現如圖所示的曲線的原因是返料孔位置的升高，小孔位置距離氣化室床層界面的距離減小，返料孔上部壓力減小，提升管側返料孔上部壓力相對減小較少，導致氣化室提升管之間的壓差ΔPor降低，從而使循環物料的動力降低。除此之外，還導致從氣化室到提升管的串氣也隨著小孔位置的上升而減小，兩者的相互作用到致循環物料的急劇減小。

2.4 返料孔大小的影響

在保持總返料面積不變的情況下，分別對四孔和兩孔的提升管進行試驗。其實驗結果如圖5。

首先循環物料量隨返料孔直徑dor的增大而增大，當增大到一定程度后，隨dor的增大反而減小。其原因在于當返料孔直徑較小時，返料孔壁對循環物料的流動的阻礙作用明顯。從而增大了循環物料的流動阻力。隨著返料孔面積的增大，物料通過返料孔時，不能占據整個返料孔的面積，返料孔上部有部分的空隙，從而使氣化室與提升管之間的串氣增加，尤其是對從氣化室到提升管的串氣影響更加嚴重，使氣化室中實際氣體的速度達不到原來計算的氣體速度，從而使Gs明顯下降。即Gs隨著返料孔直徑的增大首先增大然后減小。

3 結論

文中通過對內循環流化床試驗臺進行冷態試驗的得到的數據進行分析，得到以下結論:

(1)物料循環流率隨氣化室風速的增大而增大，當風速超過一定程度(大顆粒粒徑臨界流化風速后)，顆粒循環流率的增長趨勢變緩。

(2)物料循環流率隨提升管風速的增大而增大，提升管風速達到某一值后，氣速再增大，使得提升管的高速氣流對孔口流動產生一定的阻礙作用，從而使物料循環量增長緩慢。

(3)隨著返料孔位置變高，循環物料量逐漸變低。循環物料率降低的速率逐漸增快。

(4)循環物料量隨返料孔面積的增大而增大，當增大到一定程度后，隨返料孔直徑的增大反而減小。

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