馬 棟李文博裴賢豐白效言

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100013;4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100013)

0 引 言

低階煤熱解作為煤炭清潔轉(zhuǎn)化的重要途徑之一,20 mm以下小粒徑低階煤熱解近年來成為研究熱點(diǎn),出現(xiàn)了多種形式的熱解工藝及裝備[1-3],如多層流化床熱解工藝、外熱式內(nèi)構(gòu)件移動床熱解工藝及間熱徑向流變化料層厚度熱解技術(shù)、循環(huán)流化床煤分級轉(zhuǎn)化煤氣焦油半焦多聯(lián)產(chǎn)裝置及循環(huán)流態(tài)化碳?xì)涔腆w燃料的四聯(lián)產(chǎn)裝置等。但目前開發(fā)的熱解工藝普遍面臨焦油收率低、品質(zhì)差(焦油中360℃以上的重質(zhì)組分多且含塵量高)、油塵難分離的技術(shù)瓶頸[4-6],創(chuàng)新熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和調(diào)控?zé)峤夥磻?yīng)過程是解決該技術(shù)瓶頸的主要方法[7-9]。顆粒的運(yùn)動規(guī)律會影響傳熱過程、決定熱解反應(yīng)進(jìn)程,因此顆粒運(yùn)動規(guī)律的研究對于實(shí)現(xiàn)熱解反應(yīng)的有效調(diào)控至關(guān)重要。煤科院煤化工分院自主研發(fā)了小粒徑低階煤內(nèi)旋式移動床熱解新工藝,該工藝?yán)脽釤煔鈱Φ碗A煤干燥和熱解,通過反應(yīng)器中旋轉(zhuǎn)內(nèi)構(gòu)件的推動實(shí)現(xiàn)煤顆粒熱解和移動,改變旋轉(zhuǎn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)及布置方式和操作條件可降低粉塵的產(chǎn)生與夾帶,反應(yīng)器內(nèi)上部低溫區(qū)的物料與底部高溫區(qū)的物料相互交替提高了傳熱傳質(zhì)速率,同時降低了顆粒及揮發(fā)分物質(zhì)在高溫區(qū)的停留時間,抑制了二次反應(yīng)[10]。因此研究煤料在內(nèi)旋式反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布(RTD),從而明晰其在反應(yīng)器內(nèi)的軸向運(yùn)動規(guī)律對于指導(dǎo)熱解過程控制具有重要的理論意義。

熱解反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間一般在連續(xù)運(yùn)行裝置中、采用惰性示蹤劑、通過脈沖法研究[11]?；舫w[12]以石英砂為原料,研究了螺旋反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間,發(fā)現(xiàn)增大螺旋轉(zhuǎn)速和顆粒粒徑均會提高螺桿的輸送效率、減小物料的軸向返混,而顆粒的破碎會加劇物料的軸向返混,與Charlou等[13]的研究結(jié)論基本一致。高巍等[14]研究了連續(xù)進(jìn)出料鼓泡流化床內(nèi)物料停留時間,認(rèn)為粒徑與床層高度是主要影響因素,床層高度增加更有利于物料混合。Patel[15]研究表明城市污泥在連續(xù)干燥機(jī)內(nèi)的流型介于平推流與全混流之間。Xi等[16-17]對水平攪拌床反應(yīng)器進(jìn)行了建模研究,發(fā)現(xiàn)葉片角度變化對軸向混合效果影響不大,轉(zhuǎn)速增加會導(dǎo)致混合加劇。內(nèi)旋式移動床熱解反應(yīng)器因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),與普通螺旋輸送器不同,需要對反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動的RTD系統(tǒng)分析,研究下料位置、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、粒徑、給料速率等條件的影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

內(nèi)旋式移動床停留時間研究試驗裝置如圖1所示。裝置熱解反應(yīng)器壁固定,中心旋轉(zhuǎn)軸安裝傳動葉片,推動物料上下、前后移動;包括料倉、可調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)加料器、內(nèi)旋式移動床反應(yīng)器及儲料倉;回轉(zhuǎn)加料器和旋轉(zhuǎn)內(nèi)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級連續(xù)可調(diào);內(nèi)旋式移動床反應(yīng)器主體由無縫鋼管制成,反應(yīng)器內(nèi)徑152 mm,移動床長度780 mm,旋轉(zhuǎn)軸上安裝槳式葉片,槳葉安裝傾角60°。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic of the experimental device

1.2 試驗材料

選用3種粒徑(5～6、2～3、1～2 mm)神木煤顆粒,其真密度分別為1 208.1、1 212.4、1 206.2 kg/m3,堆積密度分別為 661.6、667.2、669.8 kg/m3,并將部分5～6 mm煤顆粒用白色顏料上色作示蹤劑。填充料和示蹤劑均為神木煤,物性參數(shù)基本一致;示蹤劑的量較少(約占床料總質(zhì)量2%),不影響填充料的運(yùn)動規(guī)律。

1.3 試驗方法

采用控制單一變量法分別研究轉(zhuǎn)軸長度(距下料口 110、220、330、440 mm)、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速(0.57、0.91、1.18、2.00 r/min)、粒徑(5 ～6、2 ～3、0 ～1 mm)及給料速率 (1.08、 1.70、 2.11、 2.34、 6.49、 9.79、13.39 kg/h)對煤顆粒停留時間的影響。

試驗開始前,將煤料裝滿料倉,設(shè)定給料器和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速,二者同時啟動。煤料經(jīng)進(jìn)料管落入內(nèi)旋式移動床反應(yīng)器內(nèi),在葉片推動下由落料口逐漸到達(dá)出料口并流出。轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)360°,在出口處收集對應(yīng)的出料并稱重。當(dāng)進(jìn)、出料速率一致并連續(xù)穩(wěn)定15 min以上,認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)物料流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,稱量約25 g示蹤劑,以脈沖形式快速加入并開始計時,收集轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)360°時的出料,并測量示蹤劑在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間的變化得到示蹤劑的RTD曲線;當(dāng)取樣中沒有示蹤顆粒時,試驗結(jié)束。每個試驗條件重復(fù)3次,結(jié)果取3次試驗的平均值。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

每個取樣混合物中示蹤顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為

式中,mi為每次取樣中示蹤劑的質(zhì)量,g;m為取樣混合物的總質(zhì)量,g。

示蹤顆粒停留時間分布函數(shù)定義為

轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)360°的出料量穩(wěn)定,因此式(2)可簡化為

對E(ti)積分得停留時間分布函數(shù)F(t),即

停留時間分布曲線的參數(shù),平均停留時間(t)和方差()計算公式為

為了應(yīng)用方便,使用無因次停留時間,其定義為

則無因次方差為

其中,為任意數(shù)值;介于 0 ～1。=0 時為平推流,軸向不存在返混;=1時為全混流,軸向返混程度最大。

采用多釜串聯(lián)模型評價物料在反應(yīng)器內(nèi)的返混程度。多釜串聯(lián)模型是指將一個實(shí)際反應(yīng)器的返混狀況與若干個全混釜串聯(lián)時的返混程度進(jìn)行等效。全混釜的個數(shù)n稱為模型參數(shù),是虛擬值,不代表實(shí)際反應(yīng)器個數(shù),亦不限于整數(shù)。n越小返混程度越大,無因次方差與模型參數(shù)n的關(guān)系為

n=1,=1 時為全混流;n→∞,=0 時為平推流。

3 結(jié)果與討論

3.1 轉(zhuǎn)軸長度的影響

在移動床軸向不同位置處加入示蹤劑,給料速度1.08 kg/h,轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速 0.91 r/min,煤料粒徑 2～3 mm。穩(wěn)定運(yùn)行時,選擇4個位置加入示蹤劑,分別距進(jìn)料口 110、220、330、440 mm,對應(yīng)轉(zhuǎn)軸長度為550、440、330、220 mm。 這 4 種條件下對 RTD 的影響結(jié)果如圖2和表1所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)軸長度下的煤顆粒停留時間分布Fig.2 Distribution curves of residence time of coal particles at different shaft lengths

表1 轉(zhuǎn)軸長度的影響Table 1 Effect of shaft length

從圖2可知,隨著轉(zhuǎn)軸長度變短,RTD曲線左移,各曲線對應(yīng)的最高峰升高。圖3為平均停留時間和轉(zhuǎn)軸長度關(guān)系的擬合曲線,擬合度較高,說明平均停留時間和轉(zhuǎn)軸長度呈現(xiàn)線性關(guān)系。同時由表1可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)軸長度減小,停留時間減少,且無因次方差增大,軸向返混加劇。

圖3 平均停留時間和轉(zhuǎn)軸長度的關(guān)系Fig.3 Relationship between average residence time and shaft length

3.2 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的影響

在給料速度1.08 kg/h、煤料粒徑2～3 mm條件下,選擇不同轉(zhuǎn)速,研究其對RTD的影響規(guī)律,如圖4、表2所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速下的煤顆粒停留時間分布Fig.4 Distribution curves of residence time of coal particles at different rotating speed

表2 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的影響Table 2 Effect of shaft rotation speed

從圖2和圖4發(fā)現(xiàn),平均停留時間分布曲線“拖尾”現(xiàn)象嚴(yán)重,即后期出現(xiàn)一定數(shù)量的尾峰,說明這些工況均存在一定的軸向返混現(xiàn)象;轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速從0.57 r/min增至2.00 r/min,停留時間分布曲線向左移動,且曲線最大值連續(xù)遞增,平均停留時間由47.89 min降至19.97 min。圖5為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與平均停留時間的擬合關(guān)系,可以看出二者呈指數(shù)關(guān)系,關(guān)系式為y=30.89x-0.693,R2=0.977 4,擬合度較好,可以用于預(yù)測新轉(zhuǎn)速下的平均停留時間。

圖5 平均停留時間與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.5 Relationship between average residence time and spindle speed

為了研究轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與平均停留時間的關(guān)系,引入轉(zhuǎn)軸輸送效率[18],定義為假定沒有倒流的情況下,轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)360°物料由當(dāng)前葉片移動到后一葉片的概率。若不存在返混,則關(guān)系式指數(shù)為-1;若關(guān)系式指數(shù)為-1～0,則提高轉(zhuǎn)速會降低輸送效率;若關(guān)系式指數(shù)＜-1,提高轉(zhuǎn)速則會提高傳輸效率。試驗得到的指數(shù)為-0.693,表明提高轉(zhuǎn)速會降低輸送效率;這也說明采用內(nèi)旋式傳動構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,隨著轉(zhuǎn)速的增加,煤顆粒之間的返混會更加劇烈,有利于物料的混合與傳熱,表現(xiàn)為平均停留時間分布曲線的峰數(shù)量增多。提高轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速,物料由當(dāng)前葉片移動到下一個葉片的概率降低,但由于該工況下物料返混流動影響程度不如提高轉(zhuǎn)軸的影響程度顯著,總的平均停留時間仍呈現(xiàn)為隨轉(zhuǎn)速提高而降低。

由表2發(fā)現(xiàn),RSDMRT和RSDDV均小于3%,試驗重現(xiàn)性較好。隨轉(zhuǎn)速增加,增加,n減小,平均停留時間減小;增大轉(zhuǎn)速,反應(yīng)器內(nèi)顆粒返混程度加大,但值遠(yuǎn)小于1,更接近平推流,所以增大轉(zhuǎn)速將使軸向返混加劇,但物料會更快的流出。

3.3 粒徑的影響

在給料速度1.08 kg/h、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速0.91 r/min 條件下考察粒徑對物料流動的影響,粒徑對RTD曲線、平均停留時間、無因次方差、串聯(lián)釜模型參數(shù)等的影響如圖6、表3所示。

圖6 不同粒徑下的煤顆粒停留時間分布Fig.6 Distribution curves of residence time of coal particles at different particle sizes

表3 粒徑的影響Table 3 Effect of particle size

由表3看出,隨粒徑增大,平均停留時間減小,無因次方差減少,模型參數(shù)n值增大,這是因為粒徑增大,顆粒堆積密度減小,相同質(zhì)量流率的大顆粒體積流率增大,使顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的遷移速率增大、停留時間減小。所以顆粒增大,使得其與示蹤劑之間混合程度減小,顆粒流動形式更趨近于平推流。圖6中粒徑5～6 mm煤顆粒停留時間分布曲線峰值明顯低于粒徑2～3、1～2 mm的煤顆粒,原因是轉(zhuǎn)軸葉片對煤顆粒的破碎作用,煤顆粒從料倉經(jīng)回轉(zhuǎn)加料器進(jìn)入反應(yīng)器,在轉(zhuǎn)軸作用下逐步運(yùn)動出料,這些過程會對煤顆粒造成磨損和破碎,使物料粒徑分布變廣,顆粒流動速度產(chǎn)生差異,影響停留時間分布曲線的峰值;這也可從3種不同粒徑煤顆粒在停留時間分布試驗后的粒徑分布曲線(圖7)證實(shí)。由圖7可知,5～6 mm顆粒破碎嚴(yán)重,出口處約35.39%破碎到5 mm以下,2～3 mm顆粒17.55%破碎到2 mm以下,1～2 mm顆粒破碎率為6.67%。

圖7 3種不同粒徑煤顆粒破碎后粒徑分布Fig.7 Particle coal size distribution of three different size after crushing

3.4 給料速率的影響

在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速0.91 r/min、煤料粒徑2～3 mm條件下,改變給料速率考察RTD的變化規(guī)律(圖8和表4)。從圖8和表4可以發(fā)現(xiàn),給料速率由1.08 kg/h增至6.49 kg/h時,平均停留時間下降,但隨給料速率進(jìn)一步增大,幾乎不變,原因是轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速固定的條件下,存在最大給料速度,其極限即為轉(zhuǎn)軸推進(jìn)速率,因此當(dāng)設(shè)定給料速率達(dá)到一定程度后,實(shí)際進(jìn)入反應(yīng)器的物料速率保持恒定,反應(yīng)器內(nèi)填料量從831.6 g增至約1 126.0 g后保持不變,因而該試驗條件下內(nèi)旋式移動床的最大填料量為1 126.0 g。 當(dāng)實(shí)際給料速率低于 2.73 kg/h,填充量低于1 126.0 g時,隨RTD曲線左移,平均停留時間減小,無因次方差減小且模型參數(shù)n增大,這是因為填充量增大,質(zhì)量流率增大,堆密度保持不變時,顆粒體積流率增大,從而使顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的遷移速率增大,停留時間減少。顆粒質(zhì)量流率增大后,無因次方差減小,表明顆粒與示蹤劑之間混合效果變差,顆粒流動更趨于平推流,不利于物料的返混。

圖8 不同給料速率下的煤顆粒停留時間分布Fig.8 Distribution curves of residence time of coal particles at different feed rates

表4 給料速率的影響Table 4 Effect of feed rate

4 結(jié) 論

1)60°傾角安裝的槳葉式葉片測得的平均停留時間分布曲線存在一定的“拖尾”現(xiàn)象,即曲線后期出現(xiàn)一定數(shù)量的尾峰,表明內(nèi)旋式反應(yīng)器內(nèi)存在物料返混,有利于物料的均勻傳熱。

3)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與平均停留時間成指數(shù)關(guān)系,增大轉(zhuǎn)速會降低物料輸送效率,同時使軸向返混加劇,物料在反應(yīng)器內(nèi)平均停留時間縮短。

4)煤料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間隨粒徑的增大而減小,停留時間分布的無因次方差也隨粒徑增大從0.032減至0.030;粒徑較大的煤顆粒在試驗過程中會發(fā)生機(jī)械破碎,粒度越大,破碎率越高。

5)給料速率主要影響煤料在反應(yīng)器內(nèi)的填料量,從而影響停留時間分布;平均停留時間隨給料速率的增加而降低,增大給料速率會降低軸向返混,使煤料流動流型更趨于平推流。

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