床料對固廢流化床顆?；旌咸匦缘挠绊?/h1>
2013-12-22 05:09:20沙春發(fā)邵應(yīng)娟鐘文琪金保昇
東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2013年3期
胡 顥 沙春發(fā) 邵應(yīng)娟 鐘文琪 金保昇
(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室,南京 210096)
(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)
作為世界上最大的能源消耗和廢棄物產(chǎn)生國,我國面臨著能源不足和固體廢棄物環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn).近年來,國家及地區(qū)的一系列規(guī)劃中都對固體廢棄物的高效清潔能源化利用提出了嚴(yán)格的要求,因而固體廢棄物的能源化利用技術(shù)發(fā)展迅速[1].其中,利用氣固流化床熱轉(zhuǎn)化技術(shù)處理固體廢棄物,包括氣化[2]、熱解[3],焚燒[4]等,由于其處理效率高、燃料適用性廣、負荷調(diào)節(jié)范圍寬、污染物排放低等特點[5],已成為國內(nèi)外對可燃固體廢棄物規(guī)?；?、高效能源化利用清潔的發(fā)展方向.
單一的固體廢棄物很難流化,實際工業(yè)應(yīng)用中往往在反應(yīng)器中加入一定量的床料顆粒以輔助其流化[6].因此,在利用固廢流化床處置固體廢棄物時,不可避免地涉及到流化床內(nèi)多組分復(fù)雜顆粒系統(tǒng)混合與分離問題.在以往的研究中,主要從氣速[7]、顆粒密度[8]、顆粒尺寸[9]、流化床結(jié)構(gòu)[10]等方面考察對顆粒系統(tǒng)混合特性的影響,而床料對于顆?；旌咸匦缘挠绊懛治鰠s鮮有報道.
本文建立了固體廢棄物流化床冷態(tài)試驗裝置,選取典型的固體廢棄物材料作為物料顆粒,對不同床料下床層內(nèi)的混合情況進行試驗研究,重點考察床料密度、粒徑及體積分?jǐn)?shù)對于顆粒系統(tǒng)混合特性的影響,以期為可燃固體廢棄物燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計、運行和參數(shù)優(yōu)化提供參考.
1 試驗系統(tǒng)及方法
本文建立的固廢流化床冷態(tài)試驗系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)主要包括空氣供給、流化床本體、樣本收集、壓力信號采集和圖像采集5個部分.床體材料為透明耐磨有機玻璃,以便在可視化環(huán)境下采集床體內(nèi)部流化及混合情況,床體橫截面為200 mm×200 mm的正方形,床高1 200 mm,布風(fēng)板采用風(fēng)帽形式,開孔率為6.57%,66個風(fēng)帽呈等邊三角形均勻布置.試驗臺后板可拆卸,以方便插入隔板進行取料分析,為加強密封,后板與左右板連接處裝有橡皮墊圈并用螺栓加固.流化氣由羅茨風(fēng)機提供,羅茨風(fēng)機的出力為28 m3/min,最高壓力可達350 kPa表壓,軸功率為28 kW,運行時完全能夠滿足試驗對風(fēng)壓和風(fēng)量的要求.流化氣流量控制通過管路上三路并聯(lián)的浮子流量計完成,氣體首先通入床體風(fēng)室,經(jīng)過布風(fēng)板風(fēng)帽的小孔進入床內(nèi),并穿過床層直接排入大氣.在流化床床體側(cè)面,距布風(fēng)板60,120,180,240,400,600,700,800,1 000 mm壁面處分別開有9個測壓孔,差壓傳感器的兩端分別與該孔和風(fēng)室的氣體聯(lián)箱相連.差壓信號通過送入量程為0～16 kPa的多通道差壓變送器,輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后,由計算機采集,并配以高分辨率數(shù)碼CCD相機采集圖像，記錄不同工況下床內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)和顆?；旌闲袨?
圖1 試驗系統(tǒng)圖
常見的固體廢棄物主要有紙張、塑料、廚余、木塊、金屬制品、果皮、煤渣、磚塊等,當(dāng)這些物質(zhì)的顆粒在流化床中流化時,每種顆粒的分布情況并不相同.Chiba等[11]的試驗研究表明,相比于顆粒尺寸與形狀,顆粒密度對于其混合特性的影響更為明顯.因此,本文試驗中,根據(jù)常見固體廢棄物的密度分布情況,選擇4種密度間存在一定差異的模擬固廢異型顆粒作為試驗物料,分別為木塊顆粒B、聚苯乙烯塑料顆粒C、玉米顆粒D、建筑碎石顆粒E,這些顆粒在尺寸、形狀及密度之間都存在一定的差異.試驗中分別選用煤粉與石英砂顆粒作為流化介質(zhì)(床料),其中煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2具有相同的粒徑分布,而石英砂A2,A3,A4為3種具有不同粒徑分布的顆粒.床料與物料的具體特性參數(shù)如表1和表2所示.
混合試驗前首先測定顆粒系統(tǒng)的臨界速度值.參照文獻[12]中對異型多組分顆粒系統(tǒng)最小流化速度值的測定方法,本文以降速法測定床層的壓降值,并通過繪制降速壓降曲線來確定不同工況下的最小流化速度.試驗初始床層選用充分混合床層,固定靜止床高為200 mm,按體積比先將床料放入床內(nèi),再將物料(每種模擬固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)相同)均勻放在床料上部,開啟羅茨風(fēng)機,將流量調(diào)制成2.5 m/s,并保持5 min,使床層內(nèi)物料與床料充分混合.調(diào)節(jié)流量計至試驗所需工況,保持10 min待混合穩(wěn)定后快速切斷氣流,凍結(jié)床層,將床層沿高度方向分成4份,插入隔板分層后,通過取料裝置收集每層樣本顆粒并加以分析.
表1 床料的基本特性
表2 模擬固廢顆粒的基本特性
為了同時考察床層局部區(qū)域與床層整體的混合情況,本文定義了2種顆粒濃度形式:顆粒的特征濃度和顆粒的局部濃度.其中,顆粒的特征濃度是指整個床層內(nèi)該種顆粒的特征濃度,定義為
(1)
式中,mi為取樣樣本中模擬固廢的質(zhì)量;mi,t為該類模擬固廢顆粒的總質(zhì)量.當(dāng)每層樣本中pi值越接近,說明顆粒的分布越均勻.顆粒的局部濃度為
(2)
式中,mi,bt為取樣樣本中所有顆粒的總質(zhì)量.
在任一顆粒系統(tǒng)中,顆粒的混合特性都是混合機制與分層機制競爭的結(jié)果,研究者針對不同混合體系也提出了不同的混合指數(shù)表征方式.本文參照Hemati等[13]對混合指數(shù)的定義,即
(3)
式中,σ0為當(dāng)模擬固廢顆粒和床料完全分離狀態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差,該值僅與混合物體系中模擬固廢顆粒的總體積分?jǐn)?shù)以及取樣的層數(shù)有關(guān),相對其混合物體系本身為定值；σ為實際隨機分布態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差,定義為
(4)
因此,當(dāng)顆?；旌象w系處于完全分離態(tài)時,σ=σ0,此時M=0;當(dāng)混合物達到完全混合狀態(tài),模擬固廢顆粒在各樣本內(nèi)平均分布時,σ=0,此時M=1,說明床層內(nèi)物料混合達到最理想狀態(tài);隨機混合時,02 結(jié)果與討論
2.1 床料密度對于顆?；旌系挠绊?/h3>
對氣固流化床混合特性研究中采用的床料往往為砂粒[7，12]、煤粒[13]、FCC催化裂化催化劑[10]、玻璃球[11]等.本文為了考察床料密度對于顆?；旌系挠绊?分別選用粒徑分布相同、密度相差較大(ρA2≈1.86ρA1)的煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2作為床料,且使混合系統(tǒng)中固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)都為20%.通過降速法繪制床層的壓降特性圖,并以固定床區(qū)與流化床區(qū)壓降曲線所得交點作為最小流化速度值[12].由此可得，當(dāng)采用煤粉A1作為床料時最小流化速度Umf為0.19 m/s,而當(dāng)采用石英砂A2作為床料時Umf達到0.27 m/s.可見,隨著床料密度的增大,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度也隨之增大,需要更大的氣速才可實現(xiàn)床層的流化效果.
4種模擬固廢顆粒在床層中的特征濃度分布如圖2所示.可以看出,在低氣速時,床層的分層機制作用明顯,其中以木塊顆粒B在石英砂床料A2中、建筑碎石顆粒D在煤粉床料A1中的表現(xiàn)最為明顯,此時幾乎只存在局部的固廢顆粒堆積;在氣速U上升至3Umf時,各模擬固廢顆粒的分布特性明顯趨于均勻,可見氣速的增大有利于提高床層內(nèi)的混合質(zhì)量.許多學(xué)者[7,13-16]在研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)流化數(shù)N(N=U/Umf)達到某一值時(如文獻[7]中N=2.3、文獻[13]中N=2.5),顆粒系統(tǒng)的混合趨于穩(wěn)定,此時繼續(xù)增大氣速,顆粒系統(tǒng)混合特性幾乎不變.借鑒這一規(guī)律,本文以氣速U=3Umf時的工況作為混合穩(wěn)態(tài)工況對床層內(nèi)混合特性進行考察.此外,當(dāng)采用不同密度床料時,模擬固廢顆粒的分布規(guī)律也存在較為明顯的變化.比較圖2可以發(fā)現(xiàn),床料密度的增大提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,這種提升作用具有兩面性：對于高密度固廢顆粒,ρb的增大有利于床層的整體混合,并對ρp較大顆粒的底部偏析具有抑制作用;對于低密度固廢顆粒,ρb的增大不利于床層的整體混合,容易造成物料顆粒在床層頂部的分層堆積現(xiàn)象.
圖2 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布
圖3給出了混合指數(shù)M隨ρb/ρp的變化規(guī)律,可以看出:某一種物料顆粒在床層內(nèi)的混合特性取決于床料密度與這種物料密度的比值.當(dāng)ρb/ρp<0.7或ρb/ρp>4時,床層混合指數(shù)小于0.5,此時分層機制占據(jù)主導(dǎo)地位,特別是在低氣速U=Umf時,模擬固廢顆粒幾乎都堆積在床層頂部或底部區(qū)域,此時模擬固廢顆粒與床料的混合幾乎不發(fā)生.在ρb/ρp≈2.4時,床層混合最為理想,此時混合指數(shù)接近于1.由圖3還可看出,ρb/ρp越接近于2.4,氣速改變對于床層的混合特性影響就較小.這一現(xiàn)象說明,氣速對于分層機制主導(dǎo)下的床層混合效果改變較為明顯,而對于混合機制主導(dǎo)下的床層混合效果改善不大.
圖3 混合指數(shù)隨ρb/ρp的變化
2.2 床料粒徑對顆?；旌系挠绊?/h3>
為了考察床料粒徑對于顆粒混合的影響,本文篩分出了3種粒徑分布不同的石英砂顆粒A2,A3和A4,并保證顆粒系統(tǒng)中床料所占體積分?jǐn)?shù)為80%,此時床層的最小流化速度Umf分別為0.27,0.39,0.52 m/s,可見,同床料密度的影響作用相同,當(dāng)采用的石英砂床料粒徑不斷增大時,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度值也不斷增大.
混合穩(wěn)態(tài)工況下4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布如圖4所示.從圖中可以看出,床料粒徑的增大同樣提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但與床料密度的提升作用相比,床料粒徑的影響效果較小.
圖4 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)
從圖中4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布來看,床料粒徑的增大對于木塊顆粒B的影響效果并不明顯,因為其本身就存在一定的上部分層,床料粒徑增大后,這種分層作用就增大,但并不能改變高氣速下混合機制主導(dǎo)這一規(guī)律.對于其他3類顆粒,床料粒徑的增大對其影響效果較為明顯,其中塑料顆粒C的混合質(zhì)量變差,這主要是由于床料粒徑的增大使其原先較為均勻的分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ纳喜科?從而趨于“過飽和”狀態(tài);而對于原先床層下部分布較多的玉米顆粒D與建筑碎石顆粒E,床料的增大促進了其沿床層的均勻分布，混合質(zhì)量增強.4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料粒徑變化的關(guān)系如圖5所示.可以看出,當(dāng)床料由石英砂A2變?yōu)槭⑸癆4時,玉米顆粒的混合指數(shù)趨于0.95,碎石顆粒的混合指數(shù)也由原來的0.72增大至0.75.
圖5 混合指數(shù)隨床料粒徑db的變化(U=3Umf)
2.3 床料體積分?jǐn)?shù)對于顆粒混合的影響
目前針對雙組分系統(tǒng)混合規(guī)律中床料分?jǐn)?shù)的影響已有大量的研究,且獲得了一系列成果,但從目前檢索的文獻來看,仍無法得到一致性的結(jié)論,如Hemati等[13]認(rèn)為床料體積分?jǐn)?shù)與床層混合質(zhì)量相互獨立,床料體積分?jǐn)?shù)的變化并不影響混合質(zhì)量;而Zhang等[14]的試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),床料體積分?jǐn)?shù)的增大,有利于床層的混合.
選擇石英砂A2作為床料,分別考察床料體積分?jǐn)?shù)為90%,80%,70%時混合穩(wěn)態(tài)下床層內(nèi)各模擬固廢顆粒的特征濃度分布,如圖6所示,各配比下顆粒系統(tǒng)的最小流化速度分別為0.21,0.24,0.27,0.32,0.39 m/s.可以發(fā)現(xiàn),隨著床料體積分?jǐn)?shù)Xv,b的增大,4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布趨于均勻,其中以塑料顆粒C與建筑碎石顆粒E尤為明顯.以混合指數(shù)M作為混合效果的考察標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示,在穩(wěn)態(tài)混合氣速下,4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)的增大出現(xiàn)相同的變化趨勢,這表明床料體積分?jǐn)?shù)的增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合.
圖6 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)
圖7 混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)Xv,b的變化(U=3Umf)
在實際固廢流化床應(yīng)用工業(yè)中,為增大固廢的處理量,往往需要盡可能地增加固廢所占比例;但從固廢流化床穩(wěn)定運行而言,隨著固廢所占比例增大,床料所占份額逐漸減小,床層內(nèi)顆粒系統(tǒng)的流化質(zhì)量與穩(wěn)態(tài)下顆粒系統(tǒng)的混合質(zhì)量將逐漸變差.邵應(yīng)娟等[12]的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)床料體積分?jǐn)?shù)小于25%時,無法實現(xiàn)固廢顆粒與床料顆粒的共流化;在針對雙組分顆?；旌系拇罅垦芯縖15-16]中也已證實,為形成良好的流化混合質(zhì)量,應(yīng)保證床料具有一定份額(Xm,b≥85%[15]，Xm,b≥90%[16]).從本文試驗發(fā)現(xiàn),使床料體積分?jǐn)?shù)大于80%時,可使4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)都大于0.7,床層混合較好.
3 結(jié)論
1) 床料密度對固廢流化床內(nèi)顆粒系統(tǒng)的混合特性影響較大,床料密度的增大顯著地提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢;某一種模擬固廢顆粒在床層內(nèi)的分布特性取決于床料密度與這種顆粒密度的比值ρb/ρp,在ρb/ρp≈2.4時,床層混合效果最為理想.
2) 床料粒徑的增大提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但這種提升作用幅度較小,且容易使原來分布較為均勻的固廢顆粒(如本文中塑料顆粒C)出現(xiàn)“過飽和”態(tài),使混合變差.
3) 床料體積分?jǐn)?shù)增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合,為保證固廢流化床內(nèi)良好的流化混合質(zhì)量,床料體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于80%.
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本文建立了固體廢棄物流化床冷態(tài)試驗裝置,選取典型的固體廢棄物材料作為物料顆粒,對不同床料下床層內(nèi)的混合情況進行試驗研究,重點考察床料密度、粒徑及體積分?jǐn)?shù)對于顆粒系統(tǒng)混合特性的影響,以期為可燃固體廢棄物燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計、運行和參數(shù)優(yōu)化提供參考.
1 試驗系統(tǒng)及方法
本文建立的固廢流化床冷態(tài)試驗系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)主要包括空氣供給、流化床本體、樣本收集、壓力信號采集和圖像采集5個部分.床體材料為透明耐磨有機玻璃,以便在可視化環(huán)境下采集床體內(nèi)部流化及混合情況,床體橫截面為200 mm×200 mm的正方形,床高1 200 mm,布風(fēng)板采用風(fēng)帽形式,開孔率為6.57%,66個風(fēng)帽呈等邊三角形均勻布置.試驗臺后板可拆卸,以方便插入隔板進行取料分析,為加強密封,后板與左右板連接處裝有橡皮墊圈并用螺栓加固.流化氣由羅茨風(fēng)機提供,羅茨風(fēng)機的出力為28 m3/min,最高壓力可達350 kPa表壓,軸功率為28 kW,運行時完全能夠滿足試驗對風(fēng)壓和風(fēng)量的要求.流化氣流量控制通過管路上三路并聯(lián)的浮子流量計完成,氣體首先通入床體風(fēng)室,經(jīng)過布風(fēng)板風(fēng)帽的小孔進入床內(nèi),并穿過床層直接排入大氣.在流化床床體側(cè)面,距布風(fēng)板60,120,180,240,400,600,700,800,1 000 mm壁面處分別開有9個測壓孔,差壓傳感器的兩端分別與該孔和風(fēng)室的氣體聯(lián)箱相連.差壓信號通過送入量程為0～16 kPa的多通道差壓變送器,輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換后,由計算機采集,并配以高分辨率數(shù)碼CCD相機采集圖像，記錄不同工況下床內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)和顆?；旌闲袨?
圖1 試驗系統(tǒng)圖
常見的固體廢棄物主要有紙張、塑料、廚余、木塊、金屬制品、果皮、煤渣、磚塊等,當(dāng)這些物質(zhì)的顆粒在流化床中流化時,每種顆粒的分布情況并不相同.Chiba等[11]的試驗研究表明,相比于顆粒尺寸與形狀,顆粒密度對于其混合特性的影響更為明顯.因此,本文試驗中,根據(jù)常見固體廢棄物的密度分布情況,選擇4種密度間存在一定差異的模擬固廢異型顆粒作為試驗物料,分別為木塊顆粒B、聚苯乙烯塑料顆粒C、玉米顆粒D、建筑碎石顆粒E,這些顆粒在尺寸、形狀及密度之間都存在一定的差異.試驗中分別選用煤粉與石英砂顆粒作為流化介質(zhì)(床料),其中煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2具有相同的粒徑分布,而石英砂A2,A3,A4為3種具有不同粒徑分布的顆粒.床料與物料的具體特性參數(shù)如表1和表2所示.
混合試驗前首先測定顆粒系統(tǒng)的臨界速度值.參照文獻[12]中對異型多組分顆粒系統(tǒng)最小流化速度值的測定方法,本文以降速法測定床層的壓降值,并通過繪制降速壓降曲線來確定不同工況下的最小流化速度.試驗初始床層選用充分混合床層,固定靜止床高為200 mm,按體積比先將床料放入床內(nèi),再將物料(每種模擬固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)相同)均勻放在床料上部,開啟羅茨風(fēng)機,將流量調(diào)制成2.5 m/s,并保持5 min,使床層內(nèi)物料與床料充分混合.調(diào)節(jié)流量計至試驗所需工況,保持10 min待混合穩(wěn)定后快速切斷氣流,凍結(jié)床層,將床層沿高度方向分成4份,插入隔板分層后,通過取料裝置收集每層樣本顆粒并加以分析.
表1 床料的基本特性
表2 模擬固廢顆粒的基本特性
為了同時考察床層局部區(qū)域與床層整體的混合情況,本文定義了2種顆粒濃度形式:顆粒的特征濃度和顆粒的局部濃度.其中,顆粒的特征濃度是指整個床層內(nèi)該種顆粒的特征濃度,定義為
(1)
式中,mi為取樣樣本中模擬固廢的質(zhì)量;mi,t為該類模擬固廢顆粒的總質(zhì)量.當(dāng)每層樣本中pi值越接近,說明顆粒的分布越均勻.顆粒的局部濃度為
(2)
式中,mi,bt為取樣樣本中所有顆粒的總質(zhì)量.
在任一顆粒系統(tǒng)中,顆粒的混合特性都是混合機制與分層機制競爭的結(jié)果,研究者針對不同混合體系也提出了不同的混合指數(shù)表征方式.本文參照Hemati等[13]對混合指數(shù)的定義,即
(3)
式中,σ0為當(dāng)模擬固廢顆粒和床料完全分離狀態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差,該值僅與混合物體系中模擬固廢顆粒的總體積分?jǐn)?shù)以及取樣的層數(shù)有關(guān),相對其混合物體系本身為定值；σ為實際隨機分布態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差,定義為
(4)
因此,當(dāng)顆?；旌象w系處于完全分離態(tài)時,σ=σ0,此時M=0;當(dāng)混合物達到完全混合狀態(tài),模擬固廢顆粒在各樣本內(nèi)平均分布時,σ=0,此時M=1,說明床層內(nèi)物料混合達到最理想狀態(tài);隨機混合時,0 對氣固流化床混合特性研究中采用的床料往往為砂粒[7，12]、煤粒[13]、FCC催化裂化催化劑[10]、玻璃球[11]等.本文為了考察床料密度對于顆?；旌系挠绊?分別選用粒徑分布相同、密度相差較大(ρA2≈1.86ρA1)的煤粉顆粒A1與石英砂顆粒A2作為床料,且使混合系統(tǒng)中固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)都為20%.通過降速法繪制床層的壓降特性圖,并以固定床區(qū)與流化床區(qū)壓降曲線所得交點作為最小流化速度值[12].由此可得，當(dāng)采用煤粉A1作為床料時最小流化速度Umf為0.19 m/s,而當(dāng)采用石英砂A2作為床料時Umf達到0.27 m/s.可見,隨著床料密度的增大,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度也隨之增大,需要更大的氣速才可實現(xiàn)床層的流化效果. 4種模擬固廢顆粒在床層中的特征濃度分布如圖2所示.可以看出,在低氣速時,床層的分層機制作用明顯,其中以木塊顆粒B在石英砂床料A2中、建筑碎石顆粒D在煤粉床料A1中的表現(xiàn)最為明顯,此時幾乎只存在局部的固廢顆粒堆積;在氣速U上升至3Umf時,各模擬固廢顆粒的分布特性明顯趨于均勻,可見氣速的增大有利于提高床層內(nèi)的混合質(zhì)量.許多學(xué)者[7,13-16]在研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)流化數(shù)N(N=U/Umf)達到某一值時(如文獻[7]中N=2.3、文獻[13]中N=2.5),顆粒系統(tǒng)的混合趨于穩(wěn)定,此時繼續(xù)增大氣速,顆粒系統(tǒng)混合特性幾乎不變.借鑒這一規(guī)律,本文以氣速U=3Umf時的工況作為混合穩(wěn)態(tài)工況對床層內(nèi)混合特性進行考察.此外,當(dāng)采用不同密度床料時,模擬固廢顆粒的分布規(guī)律也存在較為明顯的變化.比較圖2可以發(fā)現(xiàn),床料密度的增大提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,這種提升作用具有兩面性：對于高密度固廢顆粒,ρb的增大有利于床層的整體混合,并對ρp較大顆粒的底部偏析具有抑制作用;對于低密度固廢顆粒,ρb的增大不利于床層的整體混合,容易造成物料顆粒在床層頂部的分層堆積現(xiàn)象. 圖2 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布 圖3給出了混合指數(shù)M隨ρb/ρp的變化規(guī)律,可以看出:某一種物料顆粒在床層內(nèi)的混合特性取決于床料密度與這種物料密度的比值.當(dāng)ρb/ρp<0.7或ρb/ρp>4時,床層混合指數(shù)小于0.5,此時分層機制占據(jù)主導(dǎo)地位,特別是在低氣速U=Umf時,模擬固廢顆粒幾乎都堆積在床層頂部或底部區(qū)域,此時模擬固廢顆粒與床料的混合幾乎不發(fā)生.在ρb/ρp≈2.4時,床層混合最為理想,此時混合指數(shù)接近于1.由圖3還可看出,ρb/ρp越接近于2.4,氣速改變對于床層的混合特性影響就較小.這一現(xiàn)象說明,氣速對于分層機制主導(dǎo)下的床層混合效果改變較為明顯,而對于混合機制主導(dǎo)下的床層混合效果改善不大. 圖3 混合指數(shù)隨ρb/ρp的變化 為了考察床料粒徑對于顆粒混合的影響,本文篩分出了3種粒徑分布不同的石英砂顆粒A2,A3和A4,并保證顆粒系統(tǒng)中床料所占體積分?jǐn)?shù)為80%,此時床層的最小流化速度Umf分別為0.27,0.39,0.52 m/s,可見,同床料密度的影響作用相同,當(dāng)采用的石英砂床料粒徑不斷增大時,顆粒系統(tǒng)的最小流化速度值也不斷增大. 混合穩(wěn)態(tài)工況下4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布如圖4所示.從圖中可以看出,床料粒徑的增大同樣提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但與床料密度的提升作用相比,床料粒徑的影響效果較小. 圖4 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf) 從圖中4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布來看,床料粒徑的增大對于木塊顆粒B的影響效果并不明顯,因為其本身就存在一定的上部分層,床料粒徑增大后,這種分層作用就增大,但并不能改變高氣速下混合機制主導(dǎo)這一規(guī)律.對于其他3類顆粒,床料粒徑的增大對其影響效果較為明顯,其中塑料顆粒C的混合質(zhì)量變差,這主要是由于床料粒徑的增大使其原先較為均勻的分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ纳喜科?從而趨于“過飽和”狀態(tài);而對于原先床層下部分布較多的玉米顆粒D與建筑碎石顆粒E,床料的增大促進了其沿床層的均勻分布，混合質(zhì)量增強.4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料粒徑變化的關(guān)系如圖5所示.可以看出,當(dāng)床料由石英砂A2變?yōu)槭⑸癆4時,玉米顆粒的混合指數(shù)趨于0.95,碎石顆粒的混合指數(shù)也由原來的0.72增大至0.75. 圖5 混合指數(shù)隨床料粒徑db的變化(U=3Umf) 目前針對雙組分系統(tǒng)混合規(guī)律中床料分?jǐn)?shù)的影響已有大量的研究,且獲得了一系列成果,但從目前檢索的文獻來看,仍無法得到一致性的結(jié)論,如Hemati等[13]認(rèn)為床料體積分?jǐn)?shù)與床層混合質(zhì)量相互獨立,床料體積分?jǐn)?shù)的變化并不影響混合質(zhì)量;而Zhang等[14]的試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),床料體積分?jǐn)?shù)的增大,有利于床層的混合. 選擇石英砂A2作為床料,分別考察床料體積分?jǐn)?shù)為90%,80%,70%時混合穩(wěn)態(tài)下床層內(nèi)各模擬固廢顆粒的特征濃度分布,如圖6所示,各配比下顆粒系統(tǒng)的最小流化速度分別為0.21,0.24,0.27,0.32,0.39 m/s.可以發(fā)現(xiàn),隨著床料體積分?jǐn)?shù)Xv,b的增大,4種模擬固廢顆粒的特征濃度分布趨于均勻,其中以塑料顆粒C與建筑碎石顆粒E尤為明顯.以混合指數(shù)M作為混合效果的考察標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示,在穩(wěn)態(tài)混合氣速下,4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)的增大出現(xiàn)相同的變化趨勢,這表明床料體積分?jǐn)?shù)的增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合. 圖6 4類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf) 圖7 混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)Xv,b的變化(U=3Umf) 在實際固廢流化床應(yīng)用工業(yè)中,為增大固廢的處理量,往往需要盡可能地增加固廢所占比例;但從固廢流化床穩(wěn)定運行而言,隨著固廢所占比例增大,床料所占份額逐漸減小,床層內(nèi)顆粒系統(tǒng)的流化質(zhì)量與穩(wěn)態(tài)下顆粒系統(tǒng)的混合質(zhì)量將逐漸變差.邵應(yīng)娟等[12]的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)床料體積分?jǐn)?shù)小于25%時,無法實現(xiàn)固廢顆粒與床料顆粒的共流化;在針對雙組分顆?；旌系拇罅垦芯縖15-16]中也已證實,為形成良好的流化混合質(zhì)量,應(yīng)保證床料具有一定份額(Xm,b≥85%[15]，Xm,b≥90%[16]).從本文試驗發(fā)現(xiàn),使床料體積分?jǐn)?shù)大于80%時,可使4種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)都大于0.7,床層混合較好. 1) 床料密度對固廢流化床內(nèi)顆粒系統(tǒng)的混合特性影響較大,床料密度的增大顯著地提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢;某一種模擬固廢顆粒在床層內(nèi)的分布特性取決于床料密度與這種顆粒密度的比值ρb/ρp,在ρb/ρp≈2.4時,床層混合效果最為理想. 2) 床料粒徑的增大提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢,但這種提升作用幅度較小,且容易使原來分布較為均勻的固廢顆粒(如本文中塑料顆粒C)出現(xiàn)“過飽和”態(tài),使混合變差. 3) 床料體積分?jǐn)?shù)增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合,為保證固廢流化床內(nèi)良好的流化混合質(zhì)量,床料體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于80%. ) [1]Cheng H,Hu Y.Municipal solid waste (MSW) as a renewable source of energy: current and future practices in China [J].BioresourceTechnology,2010,101(11): 3816-3824. 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2.1 床料密度對于顆?；旌系挠绊?/h3>
2.2 床料粒徑對顆?；旌系挠绊?/h3>
2.3 床料體積分?jǐn)?shù)對于顆粒混合的影響
3 結(jié)論
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