锥型布风板内循环流化床颗粒循环流率特性研究与预测

陈鸿伟，杨 新，赵振虎

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

当今时代，能源短缺问题日益严峻，人类不得不寻找新的能源来代替化石燃料。生物质作为可再生能源，具有储量大，分布广的特点。生物质的利用一般包括直接燃烧和气化两种，其中直接燃烧产生污染严重，不利于能量的传递;气化可实现 CO2的零排放，符合国家节能减排的政策[1]。目前生物质气化技术在国内外的应用日益广泛，内循环流化床与常规流化床相比，结构更紧凑，简单，节约了制造成本[2]。此外，燃烧室散出的热量可以部分被气化室吸收，具有热损失小的优点，学者对内循环流化床生物质气化的研究越来越深入[3～6]。

内循环流化床的物料循环是保证生物质气化的关键，合理的物料循环量能保证生物质气化所需的热量，减少因温差较大所产生的热损失[7]，因此控制循环物料量在合理的范围内有利于生物质气化的进行，保证产气的质量。

内循环流化床颗粒循环的影响因素包括控制参数和床体结构尺寸两方面，其中控制参数包括气化室风速、燃烧室风速、物料粒径和床层高度等;床体结构尺寸包括气化室结构尺寸、返料孔位置、提升管高度等。本文通过在自行搭建的试验台上进行试验，主要对控制参数对循环物料的影响进行分析，提出了循环流率关联式，为内循环流化床热态实验提供一定依据，并为以后的工业应用提供参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置及运行原理

自行搭建的内循环流化床试验台如图1所示，为了便于观察物料的运动以及测量循环流率，试验台主体材料采用有机玻璃，包括气化室、提升管、锥型布风板、分离器 (旋风分离器和锥型分离器)、L阀等组成。其中气化室高度为2 m，内径为290 mm;提升管高度为1.2 m，内径为90 mm，提升管壁面上等距开四个返料孔，返料孔的直径为32 mm;在距锥型布风板上沿0.1 m和0.5 m的位置分别布置放料孔和进料孔。

图1 锥型布风板内循环流化床三维冷态试验装置Fig.1 Three－dimensional cold state test apparatus of internally circulating fluidized bed with cone distributor

内循环流化床的运行原理如下:生物质通过进料孔进入气化室，在气化室内生物质吸收热量与水蒸汽反应，得到的 CH4，H2，CO等可燃气体，这些气体经旋风分离器分离后，可得纯净的气体，随后经过一系列处理，进行储存。未完全反应的生物质 (半焦)与释放完热量的载热质共同经过返料孔进入提升管。在通入空气的提升管内，半焦燃烧放出的热量用来加热载热质。加热后的载热质经锥型分离器再次进入气化室。燃烧产生的高温烟气经旋风分离器后，用来加热水以产生水蒸汽作为气化剂[8]。

1.2 试验方法与物料

试验时，气化室和燃烧室分别有两个鼓风机提供流化风。风量由蝶阀控制，其大小由空气转子流量计测量。在保证其他控制参数不变的情况下，分别改变气化室风速 Ua提升管风速 Ud、物料高度H和物料颗粒直径dp，分别计算循环颗粒的流率。通过本次实验，发现各控制参数对颗粒循环流率的影响规律，并对原因进行分析。试验选用的物料为石英砂，其物性参数如表1所示。

表1 石英砂物料参数Tab.1 Physical parameters of Quartz sand

2 试验结果及其分析

2.1 气化室风速Ua对循环流率的影响

试验中，保持其它控制参数不变，逐渐增大气化室风速Ua，计算得到循环流率G与气化室风速Ua的关系如图2所示。

由图可知:该图中可以看出当Ua(Ua=0.621 m/s)大于临界流化风速Umf后，随着气化室风速的增加，循环物料流率会相应的增加，但随着Ua的增大，G增大的趋势慢慢减小，甚至达到水平状态。原因是 Ua增大，使得空气动能增加，气泡扰动也更加剧烈，固体物料颗粒的活跃程度加强，流动性变好，气化室中气固之间的扰动也逐渐增强。除此之外Ua增加会使得床层界面相应的增加，两床之间的压差也相应的变大，颗粒循环流动的动力增加[9]，因此 G随着 Ua的增加而增加。以上两方面原因都使得进入提升管的颗粒增多，因此 G随 Ua增加而增加较快。但当Ua达到0.821 m/s后，尽管两床间压降较高，但高气化室风速也阻碍了物料向返料孔的运动，两者的作用相互抵消。除此外返料孔面积也对物料流动产生一定阻碍，因此随着气化室风速的增大，循环物料流率增加缓慢，逐步达到平衡状态。

图2 气化室风速对循环流率的影响Fig.2 Effect of Uaon solids circulation rate

2.2 提升管风速Ud对循环流率的影响

对于一定量的床料，保持其他控制参数不变，调节提升管风速 Ud，得到G随 Ud的变化规律如图3所示。在相同平均粒径下，循环流率随着Ud的增加而增加;但在不同平均粒径下，出现不同变化:在大平均粒径下，循环流率基本上随Ud是线性变化;在小平均粒径下，G增长速率越来越慢。

图3 提升管风速对循环流率的影响Fig.3 Effect of Udon solids circulation rate

出现该现象原因:当 Ud较小时 (Ud＜3.93 m/s)，大部分颗粒达不到其终端速度 Ut，只有少数物料参与循环，物料循环流率较小，随着Ud增大，提升管内物料浓度降低，空隙率增大[10]，从而使提升管上返料孔位置上部的压力降低，返料孔两侧的压差增大，从而使推动力增大，循环物料量增大。除此之外，气速增大，使气化室向提升管的串气增大，也可以相应的携带物料进入提升管的物料量增大，使循环物料量增大。当物料进入提升管后，各粒径范围的颗粒逐步达到Ut，由于大粒径在实验Ud范围不能全部达到终端速度Ut，不能全部参与循环，因而大粒径颗粒与Ud成线性关系;小粒径的由于全部颗粒全部达到Ut，所以增长趋势逐渐平缓。

2.3 物料高度H对循环流率的影响

床层物料的高度H对循环流率有较大影响。在保证气速为定值的情况下，分别计算三种气速情况下不同床层物料高度对应的循环流率，计算结果如图4所示。

图4 物料高度对循环流率的影响Fig.4 Effect of H on solids circulation rate

由图中可以发现，随着物料高度H的增大，循环流率开始时增大较快，但是随后增加趋势变缓。出现该种现象原因是:进料孔两侧的压降是颗粒循环的推动力，由于床层物料高度的增加，造成气化室侧物料浓度增加，压降增大，导致返料孔两侧的压降增大，促使进行循环的物料颗粒增大颗粒，循环流率增加。在物料高度从8 cm到10 cm的过程中，返料孔上侧的物料浓度变化较大，因此循环流率增大较快;而当H从10 cm到12 cm的过程中，返料孔上侧物料浓度变化不大，压降变化不大，因此循环流率增加较少。

2.4 颗粒粒径dp对循环流率的影响

物料粒径dp对流化特性有直接影响，从而影响到循环流率.图5给出了循环流率随颗粒粒径变化的关系图，在粒径从0.256 mm增大到0.45 mm的过程中，循环流率逐渐下降。其原因是:在较小粒径 (dp=0.256 mm)下，固体颗粒终端速度Ut较小，进入提升管参与循环的物料量较多，随着颗粒粒径的增大，流动阻力增大，颗粒不易流化，相当于减小了气固间速度[11]，在相同风速下，参与循环的物料量减少，从而造成循环流率减小，除此外，返料孔对大粒径颗粒流动的阻力作用明显大于小粒径颗粒流动，从而加剧了循环流率的减小。

图5 物料粒径对循环流率的影响Fig.5 Effect of dpon solids circulation rate

2.5 循环流率预测预测

从本次试验结果中，可以发现内循环流化床循环流率的主要影响参数包括气化室风速Ua，提升管风速Ud，床层高度H，颗粒粒径dp，在已测得的实验数据基础上，采用多元回归方法建立计算关联式:

式中:dor为返料孔直径;Ha为气化室高度。

实验计算值与预测值得比较见图6在其中模型预测值与实验测量值间误差在20%内，说明该关联式能够较好的预测循环流率。

3 结论

通过本次关于锥型布风板内循环流化床颗粒循环特性的试验得到以下几个结论:

图6 试验值与模型预测值的比较Fig.6 The comparison of test value and model prediction

(1)对于一定的物料，颗粒循环流率随提升管风速或鼓泡床风速的增加而增加，并且当提升管风速或鼓泡床风速分别增加到一定程度时，颗粒循环流率增加趋于缓慢。

(2)物料静床高和物料平均粒径对颗粒循环流率有较大影响。颗粒循环流率随静床高增加而增大，随物料平均粒径的增大而减小。

(3)通过实验数据回归得到了颗粒循环流率计算关联式，计算值和试验值误差小于20%，能够较好地预测颗粒通过孔口的流动，这对于内循环流化床的设计具有重要实际意义。

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