吳桂英1，杜愛月1，張鍇1，2，3，蔣劍春3

(1.中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.華北電力大學(xué)生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102206；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇南京210042)

摘要：采用MDMDY-300型全自動(dòng)密度儀和體積法測(cè)量了生物質(zhì)和3種惰性顆粒的顆粒密度和堆密度，在有機(jī)玻璃流化床內(nèi)考察了生物質(zhì)單組分及其與3種惰性顆粒雙組分體系的最小流化空隙率和流化速度。結(jié)果表明，單組分顆粒密度隨粒徑的變化可以忽略，而堆密度卻隨粒徑的增大有所減??；雙組分體系的最小流化空隙率隨細(xì)顆粒組分增加而出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)為30%左右，且顆粒粒徑差異越大變化趨勢(shì)越明顯；雙組分體系的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度均隨細(xì)顆粒組分含量增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%左右后起始流化速度的下降趨勢(shì)趨于平緩。

生物質(zhì)與傳統(tǒng)化石燃料具有很大的兼容性，是唯一可直接轉(zhuǎn)換為含碳化合物的可再生資源。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，生物質(zhì)未來的主要用途之一是用來合成清潔液體燃料[1]。我國(guó)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》指出，目前我國(guó)生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)換為能源的潛力約5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，今后的潛力可達(dá)10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，因此合理利用生物質(zhì)資源對(duì)緩解我國(guó)油氣資源短缺具有重要的意義。生物質(zhì)快速熱解是在缺氧狀態(tài)下迅速受熱分解，并經(jīng)快速冷凝后獲得液體產(chǎn)物(生物油)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。生物油既可以作為鍋爐和窯爐燃料直接燃燒，也可以經(jīng)精制提煉后作為車用燃料或化工原料。自20世紀(jì)80年代以來，國(guó)際上已開發(fā)了旋轉(zhuǎn)錐、鼓泡流化床、循環(huán)流化床和氣流床等多種熱解反應(yīng)器[2-8]。其中流化床反應(yīng)器憑借其混合特性良好、傳熱效率高和操作彈性寬等優(yōu)點(diǎn)而受到加拿大Dynamotive Energy Systems和Ensyn TechnologiesInc等產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。在實(shí)際操作過程中，往往通過加入惰性顆粒以改善床層流化質(zhì)量和強(qiáng)化過程傳熱。然而，有關(guān)生物質(zhì)流化床快速熱解氣化的研究中[2-9]尚缺乏針對(duì)生物質(zhì)與惰性顆粒雙組分的基礎(chǔ)流態(tài)化特性數(shù)據(jù)。為此，本文作者以菜籽這一典型生物質(zhì)熱解原料為研究對(duì)象，考察了其不同粒徑范圍的最小流化速度，進(jìn)而比較了樹脂、石英砂和玻璃珠等3種顆粒加入后對(duì)其最小流化速度的影響規(guī)律，以期為生物質(zhì)流化床快速熱解技術(shù)的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用菜籽、樹脂、石英砂和玻璃珠4種固體顆粒。經(jīng)篩分后獲得不同粒徑，顆粒密度和堆密度分別采用廣東中山美迪分析儀器廠生產(chǎn)的MDMDY-300型全自動(dòng)密度儀和經(jīng)典的體積法測(cè)量。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)在一內(nèi)徑為0.166m和高為2m的有機(jī)玻璃流化床中進(jìn)行，在床的一側(cè)貼有坐標(biāo)紙以讀取床層高度；另一側(cè)與U形管壓力計(jì)相連，用于測(cè)量不同床層高度的壓力。流化床底部裝有孔徑為30μm的不銹鋼燒結(jié)板氣體分布器，分布器下部與氣室相連，在氣室上部設(shè)有裝滿大顆粒的預(yù)分布區(qū)以保證氣體分布均勻?？諝馐紫冉?jīng)壓縮機(jī)壓縮，然后由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入流化床下部的氣室。所有實(shí)驗(yàn)均在常溫、常壓下完成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將一定量的物料加入到流化床中，再啟動(dòng)壓縮機(jī)通入流化氣體，并在較高氣速下，保持流量不變約5min以使床層處于完全混合狀態(tài)。然后利用降速法對(duì)單組分及雙組分體系的最小流化速度進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)研究。

2結(jié)果與討論

2.1顆粒密度

從表1中可以看出，對(duì)于單組分而言，堆密度隨顆粒粒徑的增大有所減小，其原因是顆粒粒徑增大，顆粒群的堆放將更為松散，空隙率增大使得堆密度減??；顆粒密度隨顆粒粒徑的增大略有減小，其原因可以歸結(jié)為粒徑增大后，顆粒內(nèi)孔存在的幾率就會(huì)增加，導(dǎo)致顆粒密度略減小，但相對(duì)偏差小于2.6%，因此在工程范圍內(nèi)可以忽略。

在上述單組分顆粒密度測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了雙組分的顆粒密度。前人已給出了不同的混合物平均顆粒密度計(jì)算方法，其中Goossens等[10]提出的比表面平均物性法則被許多研究者所采用[11-12]，該方法假設(shè)兩種顆粒物料組成一個(gè)完全均一的混合物床層，具體計(jì)算公式如下：

從圖2可以看出，以菜籽1和樹脂2在不同配比的雙組分體系的顆粒密度為例，除了在樹脂2的體積分?jǐn)?shù)為0.5%左右時(shí)測(cè)量值和預(yù)測(cè)值的最大偏差約為2.8%外，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與Goossens等[10]關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值基本一致。

2.2含生物質(zhì)雙組分體系的流化特征

采用Martin等[13]定義的混合物中粗細(xì)顆粒組分平均粒徑之比n來探索惰性顆粒對(duì)生物質(zhì)流化質(zhì)量的影響。這里粗顆粒組分是指菜籽1，細(xì)顆粒組分選取玻璃珠或樹脂2。從圖3所示的雙組分體系最小流化空隙率隨細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化曲線可以看出，隨著雙組分體系中細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)的增加，引起雙組分體系中兩組分填充方式的變化，使得雙組分體系的空隙率出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)雙組分體系中細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，粗顆粒組分為連續(xù)相，這時(shí)雙組分體系中的細(xì)顆粒不足以填滿粗顆粒間隙。隨著雙組分體系中細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)的增加，雙組分體系中的細(xì)顆粒逐漸填滿粗顆?？障?，于是雙組分體系空隙率逐漸減?。划?dāng)細(xì)顆粒完全充滿粗顆粒的間隙時(shí)，雙組分體系的空隙率達(dá)到最小值；隨著細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，雙組分體系中的粗顆粒將分散在細(xì)顆粒中間，此時(shí)，雙組分體系空隙率主要由細(xì)顆粒決定，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。且n值越大變化趨勢(shì)越明顯，最小值出現(xiàn)在細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)為30%左右，該結(jié)論與Martin等[13]在液固攪拌釜內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.3生物質(zhì)最小流化速度

為了考察不同粒徑菜籽的最小流化速度，本研究首先對(duì)菜籽1和菜籽2單組分的最小流化速度進(jìn)行了測(cè)定。由圖4壓降隨氣速變化曲線可以得出，菜籽1和菜籽2的最小流化速度分別為0.522和0.572m/s。

進(jìn)而對(duì)菜籽1和菜籽2體積配比為1∶1和1∶2時(shí)的雙組分最小流化速度進(jìn)行了測(cè)量。由圖5可以發(fā)現(xiàn)菜籽1和菜籽2體積配比為1∶1和1∶2時(shí)的最小流化速度分別為0.525和0.542m/s，介于兩個(gè)單組分菜籽的最小流化速度0.522和0.572m/s之間，且隨著大顆粒配比的增大而增大。

2.4等密度/不等粒徑雙組分體系的流化速度

由于菜籽本身粒徑分布范圍相對(duì)較窄，故等密度/不等粒徑體系實(shí)驗(yàn)物料采用樹脂代替菜籽，其中樹脂1作為改善流化質(zhì)量的細(xì)顆粒組分。

以圖6所示的樹脂1和樹脂3在體積比為2∶5下的流化曲線為例，整個(gè)過程明顯分為3個(gè)階段，即：1)在低氣速時(shí)，床層為固定床；當(dāng)氣速達(dá)到起始流化速度時(shí)，雙組分體系中細(xì)顆粒最先開始流化，粗顆粒仍然沉積在床層底部，在一定程度上充當(dāng)分布器的角色；2)逐漸增加氣速，床層出現(xiàn)輕微膨脹，細(xì)顆粒向上浮升，使得床層上部處于流化狀態(tài)，粗顆粒向床底沉積，在床層中部，處于流化狀態(tài)的小顆粒夾帶著大顆粒運(yùn)動(dòng)，為混合床層；3)進(jìn)一步增大氣速時(shí)，壓降不隨氣速的變化而變化，雙組分體系處于完全混合狀態(tài)。由局部放大圖6(b)可以獲得該體系的起始流化速度(uif，m/s)、最小流化速度(umf，m/s)和完全流化速度(uff，m/s)分別為0.190、0.215和0.254m/s。采用羅國(guó)華[14]的分區(qū)概念，即：uif線以下區(qū)域?yàn)楣潭ù?，uif及uff兩曲線之間為分離流化床，而uff線以上區(qū)域?yàn)橥耆骰病?/p>

從圖7所示的雙組分不同配比對(duì)3種流化速度影響情況來看，起始流化速度隨著細(xì)顆粒比例在30%以內(nèi)顯著下降，隨后下降幅度卻非常小，而最小流化速度和完全流化速度卻隨細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)。

2.5不等密度/不等粒徑雙組分體系的流化速度

為了考察惰性顆粒對(duì)生物質(zhì)最小流化速度的影響，實(shí)驗(yàn)考察了菜籽1與樹脂2及石英砂2不同配比組成的雙組分體系的uif、umf和uff。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，與2.4節(jié)相類似，不等密度/不等粒徑雙組分體系隨著惰性顆粒(細(xì)顆粒)組分含量的增加，雙組分體系起始流化速度、最小流化速度、完全流化速度均有所減小，且細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%左右后起始流化速度的下降趨勢(shì)趨于平緩。

3結(jié)論

采用MDMDY-300型全自動(dòng)密度儀和體積法測(cè)量了生物質(zhì)和3種惰性顆粒的顆粒密度和堆密度，在有機(jī)玻璃流化床內(nèi)考察了生物質(zhì)單組分及其與3種惰性顆粒雙組分體系的最小流化空隙率和流化速度。

3.1對(duì)于單組分體系，其顆粒密度隨粒徑變化幾乎不變，而堆密度卻隨粒徑的增大有所減?。粚?duì)于雙組分體系，在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)可以用Goossens的平均物性計(jì)算公式求解混合物料的顆粒密度。

3.2惰性顆粒引入后，雙組分體系的最小空隙率隨細(xì)顆粒組分的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其最小值出現(xiàn)在細(xì)顆粒組分體積分?jǐn)?shù)為30%左右，且顆粒差異越大，變化趨勢(shì)越明顯。

3.3雙組分體系的起始流化速度、最小流化速度、完全流化速度隨細(xì)顆粒組分含量增加呈減小趨勢(shì)，當(dāng)細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%左右后起始流化速度的下降趨勢(shì)趨于平緩。

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