烘焙林业废弃物生物质与煤粉不同配比混合颗粒的流化特性.doc

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1、烘焙林业废弃物生物质与煤粉不同配比混合颗粒的流化特性摘要：为考察烘焙林业废弃物生物质与煤粉二元混合物的流化特性，在自行搭建的流化试验装置上，进行不同质量配比的烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒系统的流化试验，获得该系统的流化特性曲线，并在此基础上确定二元混合颗粒的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度等特征速度，进而获得“组分-特征速度”的相平衡图，探讨烘焙生物质质量分数（0，20%，40%，60%，80%和100%）对二元混合颗粒流化特性的影响规律，并提出了预测烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒最小流化速度的经验公式。结果表明，煤粉颗粒与烘焙生物质颗粒单独流化时，流化曲线可以划分为4个区域：I固定床区

2、域，II过渡区域，III起始流化区域和IV完全流化区域。完全流化区域标准化床层比压降值的大小依次为：无烟煤1（0.90）无烟煤2（0.86）烘焙生物质1（0.84）烘焙生物质2（0.53），流化质量依次变差。烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒的流化曲线与其单组分颗粒的流化曲线近似，但区域II和III所对应的气速的范围明显缩小。随着烘焙生物质质量分数的增加，完全流化区域的标准化床层比压降值呈现出逐渐减小的趋势，混合颗粒的流化质量逐渐变差，起始流化速度先增大后减小，完全流化速度先减小后增大，最小流化速度逐渐减小。不同特征速度对应着不同流化阶段间的过渡，通过流化气速所处的区间并结合“组分-特征速度”相平衡

3、图，可以对二元混合颗粒所处的流化状态进行预判，并可根据实际工程应用需要对操作流化气速进行相应的调节。该文所获得的不同配比烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒最小流化速度经验公式可以在25%+20%的误差范围内对烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒的最小流化速度进行较好地预测。研究结果可为生物质与煤流化床共气化工艺中的气化炉等相关工艺设备的设计和安全稳定运行提供参考。引言中国作为农业大国，生物质资源非常丰富，基于生物质资源的可再生性及其利用过程中的碳平衡性，将生物质废弃物转化为能源并加以利用的工艺极具开发潜力1。目前，生物质与煤流化床共气化技术不仅是煤炭高效清洁利用的新技术，而且为生物质能的大规模高效利用提供了

4、新的途径，近年来受到研究者们的广泛关注2-3。研究表明4-5，气化原料的有效流化可以促进气固两相的传热、传质以及提高化学反应速率。因此，研究生物质与煤二元混合物料的流化特性对于流化床反应器的设计和安全稳定运行具有重要意义。生物质原料在经过破碎加工处理之后所形成的颗粒形状非常不规则，当量直径相差较大，加上生物质的密度一般较小，水分含量较高，在流化过程中容易产生沟流、节涌和架桥等现象，很难单独流化6。为了改善生物质颗粒的流化特性，研究者们通常向生物质颗粒中加入易于流化的惰性物质（如河砂、石英砂、玻璃珠、炉渣等）构成二元混合颗粒系统7-11。朱锡锋等12针对木粉和稻壳颗粒的流化特性进行了较为系统的试

5、验研究，研究发现，木粉虽然可以流化，但其流化范围很窄，而稻壳颗粒则几部完全不可流化；添加惰性载体砂子后，木粉和稻壳颗粒的流化特性均趋于变好，且砂子所占比例越高，混合颗粒越易流化。郭庆杰等13同样研究发现，纯锯末颗粒在流化床中不能流化，加入惰性固体颗粒构成锯末/玻璃珠、锯末/沙子双组分混合物可实现流化，并研究了不同粒径、不同配比混合物的流化规律。Zhong等14在矩形截面生物质流化床上考察了生物质颗粒形状以及流化床截面尺寸对5种不同生物质以及生物质与惰性床料（石英砂、氧化铝等）二元混合物的流化特性。将生物质与煤共气化，一方面，煤颗粒起到了惰性粒子的作用，另一方面，煤和生物质在物理特性和气化特性上

6、有许多互补性，然而，现有文献中关于生物质与煤粉二元混合颗粒流化特性的研究相对较少15-17，关于烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒流化特性的研究鲜有涉及。Rousset等18比较了生物质物料烘焙处理前后的流化特性，并指出通过烘焙处理也可以改善生物质颗粒的流化特性，烘焙生物质颗粒可以呈现出类似干煤粉颗粒的流化行为。因此，用烘焙生物质替代原生生物质，与煤粉混合构成二元混合物，将有利于气化炉的安全稳定运行以及改善相关气化指标19，有必要针对烘焙生物质颗粒及其与煤粉二元混合颗粒的流化特性开展进一步的试验研究。在粉体物料的流化特性研究中，流化床中的颗粒通过自身的物性参数（如颗粒密度、尺寸和形状等）影响流化质量

7、，其中，最小流化速度是流态化相关工艺设备设计的关键参数之一，建立预测最小流化速度的经验公式具有非常重要的现实意义。国内外研究者们已经针对单组分颗粒的最小流化速度开展了大量的理论和试验研究，提出了许多预测和计算的经验公式10,20。对于二元混合颗粒流态化系统，涉及到颗粒密度差、粒径比以及混合比例等因素，其临界流化状态及最小流化速度的确定变得很复杂21-23。有些研究者提出将二元流化系统颗粒的物性平均化，再结合Ergun方程和Wen&Yu公式24，通过试验得到阿基米德准则数和临界雷诺数的关系，从而获得二元混合颗粒最小流化速度的经验公式4,21,25。然而，现有的研究也主要涉及对生物质和惰性物质二元

8、混合颗粒最小流化速度的预测，对于烘焙生物与煤粉二元混合颗粒最小流化速度经验公式的研究更是鲜有报道。本文以淮北无烟煤煤粉和经过烘焙预处理的林业废弃生物质为试验原料，利用自行搭建的流化试验装置，对不同质量配比的烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒系统进行了冷态下流化试验研究，获得了该二元混合颗粒系统的流化特性曲线，并由此确定二元混合颗粒的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度等特征速度，重点考察了烘焙生物质质量分数对二元混合颗粒系统流化特性的影响规律，并在理论分析的基础上，提出了预测烘焙生物质与煤粉二元混合颗粒最小流化速度的经验公式，旨在从生物质与煤粉二元混合物质量配比以及操作流化气速的合理选取等方面为

9、流化床气化炉的安全稳定运行提供一定的参考依据。1试验原料和试验装置1.1试验原料本文采用淮北无烟煤（Huaibei anthracite，HBA）和经过烘焙处理的生物质（林业废弃物木屑，详细介绍见参考文献26，烘焙条件：在常压（0.1013MPa）无氧条件下，以10/min的升温速率升至300并保温45min）（torrefied biomass，TB）为试验原料。试验前将无烟煤和烘焙生物质经粉碎处理，分别制得粒径不同的两组试验样品，其物性参数如表1所示。其中，颗粒密度采用美国Quantachrome公司生产的PoreMaster60全自动压汞仪测得，堆积密度根据国家标准粉尘物性试验方法（GB

10、/T16913-2008）测得。试验原料其他物性参数的测试方法、粒度分布及扫描电镜照片详见参考文献27。将无烟煤1和2分别与烘焙生物质1和2进行混合，配置不同质量配比的混合物，烘焙生物质质量分数分别为0、20%、40%、60%、80%和100%。保证初始床层高度120mm在试验过程中，先将烘焙生物质/煤粉混合物试样在105下干燥2h，以排除含水率对混合物料流化特性的影响。1.2试验装置及方法流化试验装置如图1所示，主要包括有机玻璃流化装置、U型管压差计、玻璃转子流量计、除湿器和氮气瓶。其中，有机玻璃流化装置高720mm，内径为50mm，其中风室高110mm。流化介质由氮气瓶提供，氮气从风室经多

11、孔布风板对物料进行流化，布风板的厚度和直径分别为10和160mm，在直径为50mm的有效开孔范围内开有81个直径为1mm的小孔，开孔率为3.24%。为了防止物料颗粒堵塞小孔，在布风板上部放置若干层孔径为20m的滤网以细化通气孔径，使布风更加均匀。流化装置上布置有2个压力测点，一个位于风室处，另一个位于流化装置的出口附近，采用1m长的U型管差压计记录试验过程中的差压值，U型管中的测压介质为水。流化装置顶部布置有细金属筛网以防止细颗粒在流化过程中被流化风带出。试验时从有机玻璃流化装置顶部缓慢加入试验物料，使其处于自然堆积状态，逐步增大流化风量，待床层物料达到充分流化后（即床层压降基本不再随流速改变

12、），再逐步减小流化风量，在调节流化风量的过程中，保持某一流化风流量5min，记录对应的流化床总压降。由于布风板阻力的影响，需先测出空床时不同流化风量下的压降，即空床压降。用流化床总压降减去空床压降即可获得床层压降。将流化风量经校正后计算床层表观气速，即可获得上行（升速）和下行（降速）的床层压降-气速曲线，进而可确定该颗粒床层的最小流化速度以及各种流化状态28。图2所示为典型的床层压降-气速曲线。采用升速法所获得的床层压降-气速曲线由于颗粒系统的迟滞效应而带有任意性24，研究表明28，沿降速方向操作，可以避免沿升速方向操作时所呈现的压降鼓泡现象。因此，本文采用降速法获得的床层压降-气速曲线来研究

13、物料的流化特性。将固定床区域床层压降-气速曲线OA延长至与完全流化区域床层压降-气速曲线BC相较于B点，该点对应的即为最小流化速度（umf），或者称为临界流化速度，认为该点对应的是物料的临界流化状态。为了进一步比较不同工况下床层物料流化状态，采用标准化床层比压降Rp表征床层物料的流化质量，可按下式进行计算29：1.3试验工况及数据处理对于粒径较大的无烟煤1和烘焙生物质1的单独流化试验，流化风量的调节范围为0.66L/min，并以0.2L/min的变化速率调节流化风量，对应的流化风速范围为0.515.10cm/s；对于粒径较小的无烟煤2和烘焙生物质2的单独流化试验，流化风量的调节范围为0.33L

14、/min，并以0.1L/min的变化速率调节流化风量，对应的流化风速范围为0.252.55cm/s；对于烘焙生物质与无烟煤混合物的流化试验，流化风量的调节范围为0.64.4L/min，并以0.2L/min的变化速率调节流化风量，对应的流化风速范围为0.513.74cm/s。每组流化试验按照相同的操作步骤重复3次以保证试验结果的可靠性。下文中标准化床层比压降Rp为3次试验的平均值。2结果与分析2.1煤粉颗粒与烘焙生物质颗粒单独流化特性本文研究的煤粉和烘焙生物质均属于宽筛分的物料，颗粒粒径分布范围较广，且颗粒的形状不规则，颗粒表面较为粗糙，当物料处于完全流化区域时，颗粒在流化的过程中也容易发生分离

15、，其流化状态与理想的流化状态仍有一定偏差，故对应的Rp的值会小于1。图3和图4所示分别为煤粉颗粒与烘焙生物质颗粒单独流化时的流化曲线。由图可以看出，随着气速的降低，煤粉颗粒与烘焙生物质颗粒单独流化曲线可以划分为4个区域，即流化过程可分为4个阶段。在IV区，即当uucf时，床层压降基本不随气速的变化而变化，整个床层物料处于完全流化状态，因此，C点对应的是完全流化速度（ucf），IV区为完全流化区域；当uucf后，即进入III区，床层出现颗粒分离与轻微膨胀，小而轻的颗粒向上浮动造成床层上部流态化，而部分大颗粒所受到的气体曳力不足以保证其悬浮流动状态，大而重的颗粒开始逐渐向下沉积，当u=umf时，即B点对应的是临界流化状态，因此，III区为起始流化区域；随着气速的进一步降低，当ubfuumf时，即进入II区，颗粒分层现象趋于明显，II区为固定床区域向起始流化区域转变的过渡区域；当u无烟煤2（0.86）烘焙生物质1（0.84）烘焙生物质2（0.53）。Letu