唐 蘭， 黃海濤， 楊 興， 蔡敏華

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

噴動(dòng)床是一種特殊條件下的流化床，主要用于粗顆粒物料（如小麥、稻谷、油菜籽等）的干燥、化學(xué)肥料的造粒和干燥及熱解氣化等。等離子體－噴動(dòng)床結(jié)合了先進(jìn)的等離子體技術(shù)與噴動(dòng)床裝置，其原理與標(biāo)準(zhǔn)的噴動(dòng)床類似，最主要的區(qū)別在于噴動(dòng)床倒錐體下部連接等離子體炬，噴動(dòng)氣流由等離子體射流代替，等離子體射流一方面作為噴動(dòng)氣流，一方面作為熱解或氣化的熱源［1－2］。

但由于電弧等離子體是能量高度集中、超高溫（3 000～8 000K）區(qū)域窄小、沿徑向有較大溫度梯度的高速等離子體射流，顆粒在流動(dòng)過(guò)程中，特別容易發(fā)生熔融、結(jié)塊與團(tuán)聚等，導(dǎo)致等離子體－噴動(dòng)床底部顆粒循環(huán)變差、形成流動(dòng)死區(qū)，甚至停止噴動(dòng)，在本課題研究初期及文獻(xiàn)［3］的研究中都發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，因此，文獻(xiàn)［4－5］一般采用引入流化氣流來(lái)解決，由于等離子體射流由等離子體炬中噴出時(shí)已經(jīng)形成，常規(guī)流化氣流的混入對(duì)等離子體射流的影響較小。

本文采用在等離子體噴口周圍采用輔助噴口解決上述問(wèn)題，輔助噴動(dòng)氣體的引入可使顆粒在噴動(dòng)床內(nèi)保持流化狀態(tài)，同時(shí)，由于中心等離子體射流的存在，顆粒還是能夠噴動(dòng)循環(huán)，保持噴動(dòng)床特征。因此，輔助噴動(dòng)氣體的引入不僅可促進(jìn)傳熱傳質(zhì)，還能消除環(huán)流區(qū)底部的死區(qū)和易黏結(jié)顆粒的團(tuán)聚，而且在利用等離子體－噴動(dòng)床進(jìn)行生物質(zhì)氣化時(shí)，如采用空氣、氧氣及水蒸氣等作為輔助噴動(dòng)氣流，還避免了過(guò)多引入輔助氣流導(dǎo)致床內(nèi)溫度下降及氣體產(chǎn)品熱值低等問(wèn)題。

目前國(guó)外對(duì)噴動(dòng)床流體力學(xué)特性已經(jīng)有了充分的理解和認(rèn)識(shí)，單獨(dú)中心開(kāi)孔的分布板是在實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用中最常使用的分布板類型［6－7］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)流程與裝置

本研究所采用的裝置如圖1所示。

圖1 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了能夠觀察到床內(nèi)物料的流動(dòng)情況，裝置的柱體部分采用透明可視有機(jī)玻璃材料，內(nèi)徑為80mm，高度為800mm，下部的錐體為碳鋼材料制成，錐角為60°。錐體底部分布板1僅中心開(kāi)有8mm的噴口；錐體底部分布板2中心開(kāi)有8mm的噴口，四周圍繞8個(gè)輔助噴動(dòng)圓孔，輔助噴動(dòng)圓孔直徑為2mm；錐體底部分布板3中心開(kāi)有8mm的噴口，其外開(kāi)一同心圓形條縫，條縫內(nèi)徑為24.6、25.7mm。分布板2中的8個(gè)輔助噴動(dòng)圓孔的總面積與分布板3的圓形條縫的面積相同，且分布板2中的8個(gè)輔助噴動(dòng)圓孔圓心所在圓直徑為25mm，分布板3的圓形條縫中心圓直徑也為25mm。錐體底部分布板下部連接輔助氣室，輔助噴動(dòng)氣體沿分布板上的8個(gè)輔助噴動(dòng)圓孔或條縫進(jìn)入床內(nèi)，噴動(dòng)氣體由中心噴口進(jìn)入。在柱體上開(kāi)有直徑為5mm的測(cè)壓口。

實(shí)驗(yàn)采用廣州石英砂，其真實(shí)密度為2 650kg／m3，堆積密度為1 300kg／m3，空隙率為0.49，形狀因子為0.77。實(shí)驗(yàn)前，用分析篩將石英砂篩分成10～14目、16～24目2個(gè)粒徑等級(jí)，對(duì)應(yīng)平均粒徑分別為0.75、1.45mm。采用的輪胎粉由廣州再生資源有限公司提供，粒徑范圍為30～40目。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

（1）最小噴動(dòng)速度。最小噴動(dòng)速度的測(cè)定采用觀察法，對(duì)分布板1，對(duì)給定的物料、固定靜床高度，首先增大中心噴動(dòng)氣速，使床中物料達(dá)到噴動(dòng)狀態(tài)；然后逐漸減小噴動(dòng)氣速，當(dāng)噴動(dòng)突然塌陷和壓降驟然增大時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣速為最小噴動(dòng)氣速。對(duì)分布板2及分布板3，對(duì)給定的物料、固定靜床高度及中心噴動(dòng)氣量，首先增大輔助噴動(dòng)氣速，使床中物料達(dá)到噴動(dòng)狀態(tài)；然后逐漸減小輔助噴動(dòng)氣速，當(dāng)噴動(dòng)突然塌陷和壓降驟然增大時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣速為最小噴動(dòng)氣速，其為此時(shí)中心噴動(dòng)氣速vs及輔助噴動(dòng)氣速va疊加的值。改變中心噴動(dòng)氣量，重復(fù)上述步驟實(shí)驗(yàn)。

（2）床層壓降的測(cè)定。不同流型床層具有不同的壓降特征，因此，常用壓降－流速曲線確定床層的流動(dòng)狀態(tài)。床層壓降特征是流態(tài)化床型設(shè)計(jì)與操作的重要參數(shù)之一，本文主要考察了噴動(dòng)氣速和輔助噴動(dòng)氣速對(duì)噴動(dòng)床壓降特征的影響。在一定的靜床高下，對(duì)孔板1，改變中心噴動(dòng)氣速，對(duì)孔板2及孔板3，固定中心噴動(dòng)氣速，改變輔助噴動(dòng)氣速，記錄壓降變化，就可得到壓降與輔助噴動(dòng)氣速的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為在噴口處（Z＝0mm）的壓降為床層總壓降。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 最小噴動(dòng)速度

表1所列為采用分布板1時(shí)，各種物料在不同床高下的最小噴動(dòng)速度，由于該分布板僅有中心圓形噴口，輔助噴動(dòng)氣體流量為0，相當(dāng)于具有單獨(dú)中心開(kāi)孔分布板的傳統(tǒng)噴動(dòng)床。表1中，A為10～14目石英砂；B為16～24目石英砂；C為10%輪胎粉＋90%16～24目石英砂；D為20%輪胎粉＋80%16～24目石英砂；H 為床高；Q1、Q2分別為噴動(dòng)氣體流量、輔助噴動(dòng)氣體流量；v為最小噴動(dòng)速度。床高150mm時(shí)分布板2、分布板3最小噴動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)表2所列。

表1 分布板1最小噴動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)值

表2 分布板2、分布板3最小噴動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)值

從表1可以看出，其他條件保持不變時(shí)，隨著床高的增加，最小噴動(dòng)速度增加，同時(shí)當(dāng)石英砂直徑減小時(shí)，相同條件下所需的最小噴動(dòng)速度也減小。

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著噴動(dòng)材料中輪胎粉的增加（0～10%～20%），所需要的噴動(dòng)氣速逐漸減小，在相同的床高下，加入一定量的輪胎粉可以降低物料的密度，同時(shí)使物料平均直徑減小，從而可以減小最小噴動(dòng)氣速。

對(duì)比表1與表2數(shù)據(jù)，在床高相同條件下，與采用分布板1單獨(dú)中心圓形噴口供氣相比，采用輔助噴動(dòng)后將使最小噴動(dòng)速度增加，而且中心噴動(dòng)氣流越小，所需的最小噴動(dòng)速度越大。這一規(guī)律對(duì)于四周圓形輔助噴口的分布板2以及四周條縫形輔助噴口的分布板3都存在。由此可以推斷，供氣偏離中心將增大最小噴動(dòng)速度，或者說(shuō)噴動(dòng)氣流越往中心集中，相同條件下所需的最小噴動(dòng)速度越小，這與文獻(xiàn)［8］中所得結(jié)論一致。

同時(shí)，分布板2與分布板3相比，相同條件下，采用分布板3所需的最小噴動(dòng)速度較小。這是由于分布板3相對(duì)于分布板2，其供氣孔分布較為集中，因此，實(shí)現(xiàn)噴動(dòng)所需的最小噴動(dòng)速度降低。

當(dāng)改變噴動(dòng)材料為20%輪胎粉＋80%16～24目石英砂混合物時(shí)，這一規(guī)律仍然存在。

2.2 床層壓降

采用分布板1時(shí)，在靜止床高為100mm，Z＝0mm處，從壓差計(jì)得到的床層壓降隨噴動(dòng)氣流量的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 噴動(dòng)氣速對(duì)壓降的影響

從圖2可以看出，隨著噴動(dòng)表觀氣速的增大，床層壓降隨之增大，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動(dòng)時(shí)，床層壓降突然減小，進(jìn)一步增大噴動(dòng)氣速，床層壓降基本保持不變。

反向減小噴動(dòng)氣流速，當(dāng)噴動(dòng)突然坍塌時(shí)，床層總壓降驟然增大。同時(shí)還可以看出，減小噴動(dòng)氣速到噴動(dòng)坍塌后，床層為固定床時(shí)，總壓降要大大低于增大噴動(dòng)氣流速時(shí)的床層總壓降，這符合傳統(tǒng)噴動(dòng)床的壓降變化特征。

圖3所示為2種分布板、床高100mm，固定噴動(dòng)氣流量為1.8m3／h，改變輔助噴動(dòng)氣流量條件下的床層壓降曲線。

圖3 輔助噴動(dòng)氣速對(duì)壓降的影響

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著輔助氣速的線性增大，床層總壓降也線性增大，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動(dòng)時(shí)，床層壓降突然減小，進(jìn)一步增大噴動(dòng)氣速，與采用分布板1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的壓降不同，此時(shí)床層壓降持續(xù)增大。此外采用分布板1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，減小噴動(dòng)氣速到噴動(dòng)坍塌后，床層為固定床時(shí)，總壓降要大大低于增大噴動(dòng)氣流速時(shí)的床層總壓降，而無(wú)論采用分布板2還是分布板3，減小噴動(dòng)氣速到噴動(dòng)坍塌后，床層為固定床時(shí)，總壓降與增大噴動(dòng)氣流速時(shí)的床層總壓降基本保持一致，這主要是因?yàn)椴捎梅植及?時(shí)，噴動(dòng)狀態(tài)時(shí)，總壓降主要為噴動(dòng)區(qū)顆粒對(duì)噴動(dòng)氣體的摩擦阻力所引起的，所以先增大再減小噴動(dòng)氣速對(duì)總壓降影響不大；而在固定床狀態(tài)時(shí)，總壓降主要是顆粒之間空隙對(duì)氣體的阻力所致，當(dāng)噴動(dòng)剛塌陷時(shí)，床層顆粒處于疏松堆積狀態(tài)，因此，固定床狀態(tài)總壓降在反向減小噴動(dòng)氣速時(shí)要比增大噴動(dòng)氣速時(shí)的總壓降要小很多。而采用分布板2和分布板3時(shí)，壓降主要是環(huán)流區(qū)氣體的壓力，在噴動(dòng)狀態(tài)時(shí)，氣體主要從噴動(dòng)區(qū)通過(guò)，改變氣速對(duì)環(huán)流區(qū)的壓降影響不大；而在噴動(dòng)塌陷時(shí)的疏松固定床狀態(tài)，要比開(kāi)始增大氣速時(shí)的堆積狀態(tài)的空隙阻力小，同時(shí)有更多的氣體處于環(huán)流區(qū)，所以反向減小噴動(dòng)氣速時(shí)氣體壓力與減小噴動(dòng)氣速時(shí)氣體壓力基本保持一致。

3 結(jié) 論

本文研究結(jié)果顯示，與采用分布板1單獨(dú)中心圓形噴口供氣相比，采用輔助噴動(dòng)后將使最小噴動(dòng)速度增加，而且中心噴動(dòng)氣流越小，所需的最小噴動(dòng)速度越大。同時(shí)，分布板2與分布板3相比，相同條件下，采用分布板3所需的最小噴動(dòng)速度較小。在床層壓降方面，裝置采用分布板1時(shí)，當(dāng)氣流沖破床層形成噴動(dòng)時(shí)，床層壓降突然減小，進(jìn)一步增大噴動(dòng)氣速，床層壓降基本保持不變。而采用分布板2或分布板3時(shí)，進(jìn)一步增大噴動(dòng)氣速，床層壓降仍持續(xù)增高。反向減小噴動(dòng)氣速到噴動(dòng)坍塌后，床層為固定床時(shí)，對(duì)分布板1總壓降要大大低于增大噴動(dòng)氣流速時(shí)的床層總壓降。而無(wú)論采用分布板2還是分布板3，減小噴動(dòng)氣速到噴動(dòng)坍塌后，床層為固定床時(shí)，總壓降與增大噴動(dòng)氣流速時(shí)的床層總壓降基本保持一致。在利用等離子體－噴動(dòng)床進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如需采用輔助噴口，在相同條件下，孔板3較為合適。

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