許瑞陽，白勇，司慧，，劉德財，祁項超

（1 北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2 河北省活性炭產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 承德 067500）

生物質(zhì)快速熱解可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱解油、熱解炭和可燃氣體，是一種新型的生物質(zhì)能源利用技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景。其中，反應(yīng)器是生物質(zhì)快速熱解工藝的關(guān)鍵部分。流化床反應(yīng)器是在容器底部通入流體，將床料與原料流化，在此期間完成熱解反應(yīng)，具有氣固接觸充分、溫度分布均勻的優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。安全、穩(wěn)定、連續(xù)地向熱解反應(yīng)器中提供生物質(zhì)原料，是快速熱解的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。生物質(zhì)主要有兩種輸送方式：機械輸送和氣力輸送。機械輸送裝置由于機械力的壓實作用，易產(chǎn)生堵塞，另外在靠近反應(yīng)器高溫區(qū)處的生物質(zhì)因機械傳熱易導(dǎo)致提前炭化，加劇了顆粒的聚集。氣力輸送裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、輸送能力大等優(yōu)點，已成為研究熱點之一。對于熱解氣力進料而言，Berruti 等設(shè)計了一種栓塞式氣力裝置以輸送干酒糟等生物質(zhì)廢棄物，采用切割料栓的方法有效解決了輸料管堵塞問題。Wang等研究了一種雙重氣力輸送裝置，在輸料倉底部通入流化氣松動生物質(zhì)原料，再利用水平噴動管進行氣力輸送，可防止原料在倉內(nèi)產(chǎn)生架橋。然而，上述研究均基于單一的氣力輸送設(shè)備，尚無直接向反應(yīng)器內(nèi)進料的相關(guān)研究。流化床氣力進料是指將原料通過氣力輸送至流化床底部（密相區(qū)）的過程，即在流化床布風(fēng)板上部設(shè)置水平噴動管引入二次氣/固噴射，以補充反應(yīng)物并加強顆粒混合，逐步成為研究熱點。李炳順等建立了二維流化床鍋爐冷態(tài)試驗臺，研究了給煤擴散特性。劉道銀等建立了三維循環(huán)流化床冷態(tài)試驗裝置，研究了示蹤顆粒在不同風(fēng)速和靜止床高條件下側(cè)面進料特性。Drake 等研究了側(cè)注空氣流化床中的平均氣含率，表明少量側(cè)注氣體進入不影響反應(yīng)器內(nèi)流化情況，并可以加強輕質(zhì)固體顆粒的混合均勻性。

流化床反應(yīng)器氣力進料的連續(xù)與穩(wěn)定會影響顆粒間的混合與傳熱、產(chǎn)物的產(chǎn)率與品質(zhì)。目前，流化床氣力進料多應(yīng)用于煤、石灰石等密度較大的物料，針對熱解所需的較低密度與粒度的生物質(zhì)顆粒的相關(guān)研究較少，在流化床內(nèi)已有床料的情況下引入反應(yīng)原料的研究則更少。本文設(shè)計并搭建了流化床氣力進料裝置，并在其基礎(chǔ)上進行了冷態(tài)試驗，探究流化氣速、噴動氣速、流量比、初始靜床高、床料粒徑、生物質(zhì)粒徑對進料特性的影響。建立了生物質(zhì)、床料與氣體的三相流物理模型，通過Ergun 方程、動量守恒方程與流化壓降方程，提出了生物質(zhì)相的相對體積分數(shù)表達式，并開展額外試驗，得到其預(yù)測誤差為±13%，以期為生物質(zhì)熱解過程中流化床反應(yīng)器氣力進料的實際操作提供參考。

1 試驗

1.1 裝置

為方便觀察顆粒的流動狀況，以有機玻璃為材料搭建了反應(yīng)器與進料器聯(lián)動試驗裝置，如圖1所示。右側(cè)為內(nèi)徑100mm、高800mm 的流化床反應(yīng)器，該尺寸可忽略初始靜床高與床內(nèi)徑對最小流化速度的影響。反應(yīng)器頂部和底部設(shè)置水平測壓孔，用以連接U 形管壓差計（量程0～6000Pa）。反應(yīng)器下方為90mm高的氣體緩沖室，并在底部通入流化氣。緩沖室與流化床反應(yīng)器間隔有一孔徑1mm、開孔率1.72%的氣體布風(fēng)板，保證氣體均勻分布，并在其上方覆蓋100目的濾網(wǎng)，防止顆粒泄漏。搭建如圖1 左側(cè)所示的內(nèi)徑200mm、高300mm 的進料器裝置，頂部通過電動蝶閥與料倉連接，以便于填料，兩側(cè)各設(shè)一個管口，分別用于進氣與出料，在進氣管口通入噴動氣。進料器下方設(shè)置電子天平（YP10002），用以測量試驗前后進料器內(nèi)生物質(zhì)顆?？傎|(zhì)量。水平輸料管內(nèi)徑為21mm，長為800mm，其中心線距流化床反應(yīng)器底部法蘭高度為15mm。本試驗以空氣作為試驗用氣，氣源裝置為羅茨風(fēng)機，經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后，分別通入進料器與反應(yīng)器下方氣體緩沖室，以轉(zhuǎn)子流量計測量氣體流量值，在每條氣路串聯(lián)球閥與截止閥，球閥用于調(diào)控流量，截止閥用于開閉氣路。

圖1 流化床氣力進料裝置示意圖

1.2 材料

試驗所用生物質(zhì)原料為形狀不規(guī)則的落葉松顆粒，如圖2所示。所用床料為石英砂顆粒，試驗材料的物理特性如表1所示。通過泰勒標準篩將兩種材料分別篩分為4組，用以測定不同粒徑的落葉松與石英砂顆粒對進料特性的影響。

圖2 落葉松顆粒

表1 試驗材料物理特性

1.3 試驗方法

本試驗?zāi)康臑檠芯坎煌r下流化床反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)顆粒進料特性。試驗開始前，打開全部氣路，開啟緩沖罐，測試密封性并進行除靜電操作；調(diào)節(jié)球閥至合適流量值后位置保持不變，關(guān)閉截止閥；向壓力倉內(nèi)注滿落葉松顆粒并密封，觀察天平并記錄此時壓力倉總質(zhì)量；向反應(yīng)器內(nèi)填充初始靜床高為的石英砂顆粒；裝置準備就緒后，緩慢開啟流化氣路的截止閥開關(guān)，避免遲滯效應(yīng)對壓降測量的影響。待反應(yīng)器內(nèi)床料穩(wěn)定流化后，開啟噴動氣，并開始計時，1.5s時記錄壓差計讀數(shù)，3s時關(guān)閉噴動氣，記錄進料器總質(zhì)量；關(guān)閉所有氣路，將進料器與反應(yīng)器分離。試驗重復(fù)5 次，取平均數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)波動以標準差的形式表示，并作為進料穩(wěn)定性的定量判據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 最小流化速度

最小流化速度為單位面積床重與壓降相等時的最小表觀氣速，可作為流化床氣力進料的評價指標。通過試驗測定最小流化速度被認為是比公式計算更準確的方法，通常以表觀氣速隨床層壓降變化的曲線進行測定。向流化床反應(yīng)器內(nèi)加入初始靜床高50mm的石英砂顆粒，采用升速法和降速法兩種方法測定不同流化氣速下床層壓降的變化曲線，進而測定，如圖3所示。升速法由于遲滯效應(yīng)，在流化氣速0.16m/s 時達到壓降峰值，在氣體曳力大于床層重力時才開始逐漸流化，并伴隨著壓降鼓泡現(xiàn)象，在流化氣速0.16m/s 后，氣體逸出加快，床層壓降降低，直到床層達到完全流化狀態(tài)。因此選用降速法來測定最小流化速度。流化氣速小于0.13m/s 時，床層壓降線性增長，為固定床區(qū)域；流化氣速大于0.23m/s 后，床層壓降開始保持不變，為完全流化區(qū)域。將上述兩區(qū)域的壓降曲線延長，兩者交點即為臨界流化點，得=0.139m/s。

圖3 床層壓降隨流化氣速變化曲線

2.2 流化氣速對進料特性影響

流化氣速是影響反應(yīng)器流化效果的重要參數(shù)，影響顆粒間的空隙與流動。流化氣速對進料特性的影響如圖4所示。流化氣速小于時，反應(yīng)器內(nèi)顆粒流動性差，床料間空隙小，輸料管內(nèi)噴動氣無法沖破床層“屏障”，顆粒很難被輸送至反應(yīng)器，進料率基本不變，維持在7g/s左右。流化氣速大于時，石英砂的流化為落葉松顆粒提供輸送空間，進料率快速增加。流化氣速大于0.23m/s時，床層已完全流化，繼續(xù)增加流化氣速無法繼續(xù)增加床層空隙，進料率維持在23g/s 左右。流化氣速大于0.3m/s后，試驗中觀察到氣泡增多現(xiàn)象，導(dǎo)致進料波動，標準差較大。取=0.25m/s 為本試驗流化氣速的較優(yōu)操作參數(shù)。

圖4 流化氣速對進料特性影響

2.3 噴動氣速對進料特性影響

固定流化氣速=0.25m/s，噴動氣速對流化床氣力進料特性的影響如圖5所示。隨著噴動氣速的增加，進料率呈線性增高趨勢。噴動氣體的增加可以提高顆粒動量，進而增加流化床內(nèi)射流穿透床層長度，提升進料率，已在文獻[17]中得以證實。但進料率標準差在噴動氣速過高或過低時均較大，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這是因為反應(yīng)器內(nèi)床料流化產(chǎn)生一定的床層壓降，輸料噴動氣的一部分需要克服反應(yīng)器壓力，噴動氣速較低時壓力對進料的影響較大，導(dǎo)致進料不穩(wěn)定，并且極易沿輸料管處器壁堆積，Bai 等研究得出沒有穿透密相區(qū)的固體顆粒在流化氣作用下沿器壁上升，與本試驗現(xiàn)象相符。較高的噴動氣速會影響床層流化，顆粒間碰撞劇烈，不穩(wěn)定性增加。綜上，噴動氣速=4.00m/s為本裝置較優(yōu)參數(shù)。

圖5 噴動氣速對進料特性影響

2.4 流量比對進料特性影響

定義為流化氣與噴動氣的流量比，如式(1)所示。

固定氣體總流量為12m/h，流量比對進料特性影響如圖6所示。進料率與床層壓降的變化趨勢分為三個階段。Ⅰ階段為快速增長階段，此時流化氣占主導(dǎo)，噴動氣流量足夠大，隨著流量比的增加，流化氣流量提高，床層空隙增加，進料率呈增加趨勢。Ⅱ階段為穩(wěn)定階段，此階段流化氣與噴動氣共同促進生物質(zhì)顆粒融入到床層的固相循環(huán)中，進料率較高且穩(wěn)定性較好。Ⅲ階段為快速降低階段，此時噴動氣占主導(dǎo)，流化氣已使床層呈現(xiàn)較好的流化效果，噴動氣輸送的生物質(zhì)顆粒幾乎都可以送入流化床密相區(qū)內(nèi)，進料率標準差較小，但隨著噴動氣速的減小，送入床層的生物質(zhì)顆粒減少，進料率逐漸降低。因此，流量比范圍1.9～2.7 為本試驗裝置的較優(yōu)參數(shù)范圍。

圖6 流量比對進料特性影響

2.5 初始靜床高對進料特性影響

取=0.25m/s、=4.00m/s，測定不同初始靜床高對進料特性的影響，結(jié)果如圖7所示。隨著初始靜床高的增加，床層壓降逐漸增加，進料率逐漸降低。試驗中觀察到，輸料管軸線以下的床層幾乎不存在落葉松顆粒，=30mm時，輸料管口軸線與床層上平面的距離不足，極易發(fā)生分層現(xiàn)象，不利于兩固相之間的混合；=50mm時，輸料管口完全浸沒于床層，可以提供充足的流化區(qū)域，促進落葉松顆粒進入床層密相區(qū)，并與石英砂顆粒充分混合；=70mm 時，床層壓降已經(jīng)達到860Pa 的較高值，雖然最小流化速度保持不變，但氣體越過床層的行程增加，大部分氣體被用于平衡床層重力，流化效果較差，導(dǎo)致進料率降低和進料波動的增加。選取初始靜床高=50mm作為以下試驗的操作參數(shù)。

圖7 初始靜床高對進料特性影響

2.6 石英砂粒徑對進料特性影響

取=0.25m/s、=4.00m/s、=50mm，選用四組石英砂顆粒（石英砂-1，石英砂-2，石英砂-3，石英砂-4）研究其平均粒徑對進料特性影響，如圖8所示。隨著石英砂顆粒粒徑的增加，顆粒間隙增大，氣體更易流出，因此床層壓降逐漸降低。石英砂平均粒徑為0.706mm時，其與落葉松顆粒的粒徑差不足，易產(chǎn)生聚團現(xiàn)象，導(dǎo)致進料不穩(wěn)定。細小的石英砂顆粒更易落入落葉松顆粒之間的孔隙，且落葉松顆粒也更易受到來自床層的浮力，兩相混合后可使氣體快速分散到乳化相，氣固動量交換快，進料率較高。因此石英砂顆粒粒徑不宜超過0.2mm， 石 英 砂-3 （0.188mm） 或 石 英 砂-4（0.103mm）為較優(yōu)的原料參數(shù)。

圖8 石英砂粒徑對進料特性影響

2.7 落葉松粒徑對進料特性影響

取=0.25m/s、=4.00m/s、=50mm，選用四組落葉松顆粒（落葉松-1，落葉松-2，落葉松-3，落葉松-4）研究其平均粒徑對進料特性影響，如圖9所示。隨著落葉松粒徑的增大，進料率逐漸降低。因為根據(jù)Wen-Yu 模型，固體顆粒粒徑較大時，氣固兩相間動量互換程度低，輸料管內(nèi)噴動氣無法給予落葉松顆粒足夠的動力，導(dǎo)致其對床層密相區(qū)的沖擊作用減弱，進料效果較差。同時較大的粒徑和較低的動量使輸料管內(nèi)落葉松顆粒移動速度下降，導(dǎo)致進料率降低。另一方面，落葉松顆粒粒徑的增大使得輸料管單位橫截面積上所能容納的顆粒減少，也會使單位時間內(nèi)通過的顆粒數(shù)降低。進料率的降低使流化床內(nèi)固相的總重力與總接觸面積下降，進而導(dǎo)致床層壓降的下降。綜上，落葉松-3（0.627mm）為較優(yōu)參數(shù)，其進料率較高且波動小，且與石英砂-3 或石英砂-4 可以保持一定的粒徑差，加強進料的穩(wěn)定性。

圖9 落葉松粒徑對進料特性影響

3 流化床進料物理及數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)流化床進料由多個參數(shù)決定，為更好地研究進料率與流化床各影響參數(shù)之間的關(guān)系，建立了如圖10(a)所示的流化床進料氣固固三相流物理模型。通過試驗得知輸料管軸線以下幾乎不存在生物質(zhì)顆粒的停留，因此將其簡化為如圖10(b)所示的物理模型，另作出如下假設(shè)：①生物質(zhì)與床料空隙率、速度沿軸向均勻分布；②生物質(zhì)、床料與氣體三相之間混合均勻，無橫向速度；③生物質(zhì)與床料顆粒粒徑均視為平均粒徑；④無壁面摩擦損失；⑤床料的流化僅為生物質(zhì)顆粒輸送提供進料空間，兩固相之間無相對作用。

圖10 流化床進料物理模型

為了通過數(shù)學(xué)模型進一步驗證各參數(shù)與進料率之間的相對關(guān)系，采取簡化變量的方法，假設(shè)三相流物理模型為一個整體，將穩(wěn)態(tài)下生物質(zhì)、床料與氣體的相對體積分數(shù)用、、表示，它們之間的關(guān)系見式(2)。

基于單一固相在向上流體作用下的動量守恒方程為式(3)。

用于描述固定床狀態(tài)流速與壓降關(guān)系的Ergun方程為式(4)。

床層呈流化狀態(tài)時的壓降方程為式(5)。

基于上述物理模型，忽略氣固相的橫向速度，速度矢量取為標量，由式(2)～式(5)得到單一固相與氣相之間的關(guān)系見式(6)。

分別將式(6)應(yīng)用于床料與氣相、生物質(zhì)與氣相，得式(7)、式(8)。

式中，、可由代入試驗測得的最小流化速度得出。、可由式(9)、式(10)得出。

將原始試驗數(shù)據(jù)代入，擬合得到生物質(zhì)相的相對體積分數(shù)表達式，如式(11)所示。

可知，流化床氣力進料特性主要取決于流化氣流量、噴動氣流量、生物質(zhì)顆粒粒徑、床料粒徑四個參數(shù)，其對進料率的影響程度從大到小依次為：＞＞＞。此模型可利用上述參數(shù)進行進料率的預(yù)測，也可對生物質(zhì)快速熱解實際所需的處理量進行進料氣力參數(shù)和原料參數(shù)的評估。通過開展額外試驗以驗證關(guān)系式，對不同實測進料率下的生物質(zhì)體積分數(shù)進行計算，并與此公式的預(yù)測值作對比，結(jié)果如圖11 所示，得到此模型預(yù)測誤差為±13%，證明該數(shù)學(xué)整合模型具有一定的可靠性。

圖11 進料率測量值和預(yù)測值對比結(jié)果

4 結(jié)論

在自行設(shè)計并搭建的流化床氣力輸送裝置上通過試驗法測定了最小流化速度，研究了流化氣速、噴動氣速、流量比、初始靜床高、石英砂粒徑、落葉松粒徑對流化床反應(yīng)器氣力進料特性的影響，結(jié)論如下。

（1）流化氣通過流化床料為生物質(zhì)顆粒提供輸送空間，噴動氣在輸料管內(nèi)通過曳力作用為生物質(zhì)顆粒提供動能，沖擊管口床層“屏障”，平衡一部分床層壓力，兩者均可促進進料，其流量比范圍為1.9～2.7時進料率較高且穩(wěn)定性較好。

（2）初始靜床高30mm時生物質(zhì)顆粒在床內(nèi)行程短，易產(chǎn)生分層現(xiàn)象；初始靜床高70mm時床層壓降最高，進料率較低且穩(wěn)定性較差；初始靜床高50mm時進料率高且波動較小，為較優(yōu)參數(shù)；隨著石英砂顆粒粒徑的增大，進料率降低的幅度變大，因此石英砂顆粒粒徑不易超過0.2mm；落葉松顆粒粒徑過小或過大均產(chǎn)生一定的進料波動；石英砂-3（0.188mm）或石英砂-4（0.103mm）與落葉松-3（0.627mm）為較優(yōu)原料參數(shù)。

（3）建立生物質(zhì)、床料、氣體三相流物理模型，將其視為整體并設(shè)置限定條件，得到生物質(zhì)組分相對體積分數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過開展額外試驗，驗證了該模型預(yù)測誤差為±13%，此模型可根據(jù)氣力參數(shù)和原料參數(shù)進行進料率的相關(guān)預(yù)測。

—— 流化床橫截面積，m

—— 生物質(zhì)顆粒粒徑，mm

—— 床料粒徑，mm

—— 重力加速度，m/s

—— 床層高度，mm

—— 初始靜床高，mm

—— 流量比

—— 動量交換系數(shù)

——時間內(nèi)壓力倉前后質(zhì)量差，kg

—— 床層壓降，Pa

—— 固體顆粒壓力，Pa

—— 流化氣流量，m/s

—— 噴動氣流量，m/s

—— 進料時間，s

—— 生物質(zhì)顆粒速度，m/s

—— 氣體速度，m/s

—— 床料顆粒速度，m/s

—— 相對體積分數(shù)

—— 固體空隙率

—— 氣體黏度，Pa·s

—— 生物質(zhì)顆粒密度，kg/m

—— 氣體密度，kg/m

—— 床料顆粒密度，kg/m

—— 固體顆粒應(yīng)力張量

—— 床料顆粒形狀系數(shù)

—— 生物質(zhì)顆粒形狀系數(shù)

—— 生物質(zhì)相對體積分數(shù)

—— 氣體相對體積分數(shù)

—— 床料相對體積分數(shù)