基于循环灰热载体煤热解的固-固颗粒冷态混合特性

朱家龙，张亚青，李新新，李淑芳，梁鹏

（山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590）

基于循环灰热载体煤热解的固-固颗粒冷态混合特性

朱家龙，张亚青，李新新，李淑芳，梁鹏

（山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590）

以开发循环流化床（CFB）燃烧/煤热解分级转化工艺为应用背景，为在移动床混合段内利用有限高度空间达到理想的灰/煤混合效果，建立了内置锥面形挡板结构的固-固冷态混合实验装置，并对颗粒的混合特性进行了研究。分别以石英砂和硅胶模拟CFB循环灰和煤，采用挡板重力混合的方法，探究了挡板角度、层数、放置方式（对向和旋转放置）以及物料混合比等因素对混合效果的影响，并与机械混合实验进行了对比。结果表明，在混合过程中颗粒的混合和分散是并存的，旋转放置30°的挡板层数越多，硅胶和石英砂颗粒混合越均匀，混合物料中石英砂比例越高，混合效果越好。通过优化挡板结构及设置方式强化对流混合和剪切混合可明显改善固-固混合效果。虽然与机械混合相比，挡板混合效果略差，但在一定操作范围内仍可满足灰/煤混合热解工艺的要求。

移动床；锥面形挡板；混合特性；煤热解；固体热载体

煤炭分质、分级利用已成为我国煤炭资源清洁高效利用的重要发展方向。近年来，循环流化床（CFB）燃烧技术以其燃料适应性广、处理负荷大、污染物排放水平低等优势得到快速发展［1-2］。另一方面，移动床煤热解技术具有操作平稳、加热均匀、反应器易于放大等优点一直以来受到研究者的重视［3］。这为移动床煤热解与CFB燃烧耦合的分级转化多联产工艺的工业化奠定了基础，该多联产工艺将热解与燃烧过程作为一个整体考虑，在热解阶段将煤中的富氢组分分离，产生煤气和焦油，剩余的富碳组分进入CFB锅炉燃烧，产生电能和热能［4］。此外，由于移动床热解系统独立于CFB燃烧系统，当热解操作出现异常时来自CFB的循环灰可直接返回锅炉单独运行。因此，移动床煤热解/CFB燃烧分级转化工艺实现了煤炭资源的分质、分级利用，且易于操作维护，经济效益显著，是实现煤炭资源综合利用的有效途径之一。

由于该多联产系统具有广阔的应用前景，许多研究者开展了煤种及操作条件对循环灰固体热载体煤热解实验的影响研究［5-8］。而围绕移动床中的技术瓶颈问题如热灰与煤的混合、循环灰在两器（CFB燃烧室和热解反应器）间的分配和高温热解煤气的净化方面报道较少，特别是反应器内灰/煤物料的理想混合关系到煤热解效率和过程的经济性。机械搅拌混合是广泛采用的固固混合方式，而在高温热解工况下，搅拌结构磨损严重，且带来高温变形和密封困难等问题，因此机械搅拌的方式无法应用于移动床反应器内高温循环灰与煤料的混合。重力混合法是一种操作简单、能耗低、设备放大难度小、对设备材质要求低的固固混合方式。BROADBENT等［9］对双锥混料器的混合机理进行了研究，发现在重力作用下，混合器中增加折流板有效强化了对流混合。孙其诚等［10］建立了圆筒混合器内颗粒混合流动模型，并分析了重力作用下颗粒流动和混合规律，发现混合度在混合过程中存在周期性变化规律。HU等［11］报道了将原料颗粒和热载体一起加入一种优化后的旋转锥反应器（MRCR）混合并反应，其混合速度快，流动效果好且设备结构较简单。对已有研究结果的分析表明，重力混合法可望应用于CFB燃烧/移动床煤热解分级转化工艺中，以解决高温循环灰与煤混合的瓶颈问题。虽然前人在固固静态混合器开发、颗粒混合模型等方面开展了相关研究工作，但有关固-固重力混合效果影响因素的系统性研究工作较少，特别是现行CFB锅炉返料器距离返灰口垂直方向距离有限，这就意味着要在有限的高度空间放置移动床反应器和混合器，即要求利用尽量小的高度完成高温循环灰与煤的重力混合。因此，有必要对CFB燃烧/煤热解分级转化系统中的固-固重力混合方式进行深入研究，从优化混合效果的角度出发，探寻最佳的混合段结构形式及明确混合机理。本文的研究工作可为固体热载体煤热解反应器的放大设计以及CFB燃烧/煤热解多联产技术的开发提供理论依据。

1　实验部分

1.1实验物料

为了使物料性质（密度、休止角、粒度等）与灰、煤相似，在循环灰固体热载体与煤混合热解的冷态实验中，选取粒径为3～5mm、堆密度为1.12～1.3×103kg/m3、休止角为20°的硅胶模拟煤颗粒；选取粒径0.2～0.4mm、堆密度为1.31×103kg/m3、休止角为30°的石英砂模拟高温循环灰颗粒作为实验物料。

1.2实验装置及流程

挡板重力混合模拟实验装置如图1所示。整个装置由不锈钢支架支撑，主要由料箱（600mm× 600mm×600mm）、混合段（φ100mm×5mm，长度为600mm）、接收段（φ100mm×5mm，长度为600mm）等三部分组成。硅胶和石英砂颗粒分别置于两个料箱中，料箱的开启由球形阀控制。混合段对向或旋转（旋转角60°）设置不同角度和层数的半锥面形挡板，挡板几何尺寸见表1。接收段平均分割成6个独立接收单元（各接收单元中硅胶的质量分数分别为y1、y2、y3、y4、y5、y6）。实验开始时，开启硅胶和石英砂料箱底部的球形阀，两种颗粒在重力作用下进入混合段。硅胶和石英砂颗粒在初始相遇阶段发生快速对流混合，随后经混合段内设置的多层挡板强化混合，最后落入接收段。分别筛分并称量6个独立接收单元中硅胶和石英砂的质量即可得出各接收单元中的质量比，将各单元石英砂总和与硅胶总和比值得到混合比R。为减小实验误差，实验结果取3次平行实验的均值。

表1　混合挡板几何尺寸

由于在CFB燃烧/移动床煤热解分级转化系统中，混合段的允许高度是有限的，因此，本文实验最多考察了放置6层挡板对混合效果的影响。考虑到循环灰与煤料休止角较小，流动性好，对流和扩散混合效率高，混合能力潜力大，本文探究了挡板与混合段壁面角度分别为30°、40°、50°时对混合效果的影响。为验证挡板重力混合的可行性，本实验与机械混合进行了对比。

1.3混合状态表征方法

除能耗、成本、机械磨损度、使用寿命等评价混合机制的标准外，颗粒混合度和偏离平均值相对误差也是有效评价混合结果的重要标准。混合度的定义选用LIM等［12］提出的样本标准方差公式，如式（1）。

式中，M表示混合度；yi为第i单元硅胶质量分数；为N个单元硅胶平均质量分数；N为样品个数。M取值范围0～1，M越小，混合效果越好。

偏离平均值相对误差的定义选用公式（2），用E表示，E值越小，说明混合效果越好。

图1　固-固冷态混合实验装置图

2　结果与讨论

2.1挡板角度对混合效果的影响

图2显示了对向放置6层挡板时，挡板角度（30°、40°、50°）对颗粒混合偏离平均值的相对误差和混合度的影响。结果表明，无挡板时曲线上下波动较大，这是由于硅胶和石英砂从物料管道流出相遇时两相颗粒具有一定的初速度，颗粒之间发生对流混合，但由于接触时间短，混合不够充分。放置不同角度挡板后，各曲线上下波动幅度明显减小，且整个混合过程不会出现颗粒聚集现象。这主要是由于经过初步对流混合后，颗粒在挡板作用下发生多次对流和剪切混合，从而提高了颗粒的混合均匀性。与40°和50°挡板相比，30°挡板混合偏离平均值的相对误差曲线更平滑，石英砂与硅胶的混合效果更好。一方面是由于挡板40°或50°放置时，流体几乎垂直从一挡板流向另一挡板，从而导致对流混合明显减弱；另一方面是流体离开挡板时颗粒做抛射运动，抛射角度过大反而出现石英砂与硅胶再分散的现象，影响混合效果。此外，本实验物料在挡板上的混合停留时间约0.6～1.5s，结合已有研究结果［5］，粉煤在挡板混合历程中不足以发生热解反应，因此在实际工业生产中，高温灰在挡板混合阶段对煤的瞬间加热过程可以忽略。具有黏结性的煤作为热解原料可能会出现颗粒黏结现象，导致混合物料流动性减弱，为了防止混合物料出现聚集堵塞现象，保证多联产系统稳定运行，混合段中挡板角度应小于30°为宜。

图2　对向放置6层不同挡板角度（30°、40°、50°）混合时混合度与偏离平均值的相对误差曲线

2.2挡板放置方式对混合效果的影响

图3显示了对向和旋转放置4层30°挡板混合偏离平均值的相对误差曲线与混合度。可见，与对向放置相比，挡板旋转放置时偏离平均值相对误差的曲线更为平缓，对向放置时颗粒混合度为0.0535，旋转放置时颗粒混合度为0.0240，说明挡板旋转放置有利于提高混合均匀度。这是由于对向放置挡板时，颗粒流经挡板做二维运动，主要依靠竖直方向上的对流混合；而挡板旋转放置时，颗粒流经挡板做三维运动，竖直方向颗粒主要发生对流混合，同时水平方向上的颗粒流动以剪切混合为主。因此，实际应用中挡板应旋转放置，提高灰煤剪切混合效果，以利于灰、煤之间的传热，提高煤热解效率。

2.3挡板层数对混合效果的影响

图4显示了对向放置2～6层30°挡板时各接收单元颗粒混合偏离平均值相对误差曲线与混合度图。可以看出，随着挡板层数的增加，偏离平均值的相对误差逐渐减小，对向放置6层30°挡板时混合度M的值最小为0.0265。这主要是由于随着挡板层数的增加，颗粒之间发生对流、剪切混合的次数增多，使得混合更均匀。由此可以推测，挡板放置层数越多，颗粒混合均匀性越好。但在实际CFB燃烧/煤热解耦合工艺中，移动床混合段的高度受限，因此要求在有限的高度空间及挡板层数的条件下达到最理想的混合效果。

图3　对向放置、旋转放置4层30°挡板时混合度与偏离平均值相对误差曲线

图4　对向放置2～6层挡板（30°）混合度与偏离平均值的相对误差曲线

2.4硅胶/石英砂比例对混合效果的影响

旋转放置6层30°挡板时，硅胶/石英砂比例对颗粒混合偏离平均值相对误差以及混合度的影响如图5所示。可见，随着硅胶/石英砂比例的减小，偏离平均值的相对误差曲线更接近于0线，混合度数值逐渐减小，混合均匀度提高。这是由于颗粒扩散是接收段内的主导混合机制，石英砂的颗粒直径远小于硅胶颗粒，当石英砂颗粒向硅胶颗粒空隙中进行扩散时，硅胶/石英砂比例的减小能使硅胶颗粒更加均匀地分布在石英砂颗粒间，从而提高了混合均匀性。因此，在CFB燃烧/煤热解分级转化工艺中，增加作为固体热载体的循环灰比例，一方面会给热解系统带来更多热量，进而提高热解温度，另一方面，循环灰比例的提高能使灰/煤颗粒混合更加均匀，防止煤粒间的黏结。

图5　旋转放置6层（30°）挡板不同混合比R下混合度与偏离平均值相对误差曲线

2.5冷态挡板与机械混合实验对比

为验证挡板重力混合在CFB燃烧/煤热解分级转化工艺中对灰/煤混合的应用可行性，将优化条件下的挡板重力混合与机械混合［13］实验结果进行对比。图6显示了不同条件机械混合与挡板混合偏离平均值相对误差曲线与混合度图。结果表明，机械混合的混合度的范围是0.0039～0.0155。高灰煤比时，灰和煤两种颗粒混合更加均匀，混合效果更好挡板混合实验表明，旋转放置6层30°挡板对不同比例硅胶/石英砂的混合度范围在0.0125～0.0253，与机械混合相比，挡板重力混合效果略差。但由于挡板重力混合节省了机械混合所消耗的动力，而且结构简单、成本低，在一定操作范围内仍可满足灰/煤混合热解工艺的要求。

图6　机械混合与挡板混合混合度与偏离平均值的相对误差曲线

3　结 论

为改进CFB燃烧/煤热解分级转化工艺中循环灰热载体与煤的混合方式，设计并制作了冷态挡板重力混合装置。发现挡板重力混合过程中，颗粒初始相遇时为对流混合，通过优化挡板结构及设置方式强化对流混合和剪切混合可明显改善固-固混合效果，而接收段内颗粒的混合以渗透方式的扩散混合为主。结果表明，旋转放置30°的挡板层数越多，硅胶和石英砂颗粒混合越均匀；石英砂比例的增加会加强石英砂颗粒向硅胶颗粒空隙中的扩散渗透，从而增加混合均匀性。与机械混合相比，虽然挡板混合效果略差，但在一定操作范围内仍可满足灰/煤混合热解工艺的要求，同时避免了机械混合能耗高、高温磨损和密封困难等问题。本文可为固体热载体煤热解反应器的放大设计及CFB燃烧/煤热解多联产技术的开发提供理论参考。

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Cold mixing characteristics of solid particles based on the coal pyrolysis with circulating ash heat carrier

ZHU Jialong，ZHANG Yaqing，LI Xinxin，LI Shufang，LIANG Peng
（Shandong University of Science and Technology，College of Chemical and Environmental Engineering，Qingdao 266590，Shandong，China）

To develop a step conversion process of coal pyrolysis/circulating fluidized bed（CFB）combustion，this paper focuses on realizing an optimal ash/coal mixing effect of moving bed within a limited height space of mixing section. A solid-solid cold mixing apparatus with adjustable cone shaped baffles inside was built and the mixing characteristics of particles were studied. Silica and quartz sand were used to simulate coal and circulating ash heat carrier from CFB，respectively. The influences of the material mixing ratio，the angle of baffles，the number and placement method（opposite and revolving）of baffles on mixing effect by using gravity mixing method were investigated，and the results were compared with those achieved by mechanical mixing. Mixing and dispersing coexist in the process of particles mixing. It was found that the more layers of 30°baffle by revolving placed，the more uniform of the silica and quartz mixture. The uniform mixture was obtained at the higher proportion of quartz sand to silica. Optimizing baffle structure and setting mode enhances convection mixing and shear mixing，which improves the solid-solid mixing effect obviously. Although the mixing effect of the cone shaped baffle is slightly worse compared with that of mechanical mixing，baffle mixing can still meet the requirements of the ash/coal mixing operation of coal pyrolysis with a solid heat carrier.

moving bed；cone shaped baffle；mixing characteristics；coal pyrolysis；solid heat carrier

TQ 530.2

A

1000-6613（2016）11-3498-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.017

2016-03-29；修改稿日期：2016-04-21。

国家自然科学基金项目（21376142）。

朱家龙（1992—），男，硕士研究生。联系人：梁鹏，副教授，博士生导师。E-mail liangpeng202@hotmail.com。