三维流化床内生物质及石英砂混合颗粒的流动特性

顾佳雯，仲兆平，王恒

（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

三维流化床内生物质及石英砂混合颗粒的流动特性

顾佳雯，仲兆平，王恒

（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

选择锯花、花生壳、稻壳、蔗渣为实验对象，将不同质量的生物质与石英砂混合作为床料，加入三维流化床试验台内混合流动，测量床内的压差脉动信号，床高1000mm，截面尺寸为120mm×32mm。实验结果表明当生物质质量分数小于等于2%时，生物质的种类及质量分数对最小流化速度的影响可以忽略不计。利用快速傅里叶变换变换分析压差脉动信号，研究双组分流动特征。结果表明，添加稻壳时压力脉动在低气速下主频位于10～15Hz区间内，并随着气速的增加向20～25Hz的高频区移动；蔗渣、花生壳及锯花等片状生物质在较低气速下主频消失，较高气速下主频存在于10～15Hz区间内。

生物质；压力脉动；流化床；功率谱密度

在生物质热解的手段中，流化床反应器因其较好的传热及流动特性，成为研究的焦点[1]。生物质颗粒粒径大且形状极不规则，水分高，易弯折，很难流化[2]，因此需要加入石英砂等介质进行混合，优化床内流动。石英砂及生物质双组分混合物流动特性的研究是热解研究的基础。

压力脉动信号是流化床内流动特性的重要体现，不仅可以反映探测位置处的空隙率及颗粒行为[3]，判断流化水平及流型转换[4]，还可以判断不同床料的最小流化速度[5]，这对研究流化床内复杂的流动特性提供了一个操作简便的方法。ZHANG等[6]研究了柱形生物质和石英砂按不同质量比混合时的运动特性，发现流型随表观气速的增加而变化。OR-AMPAI等[7]研究了流化床内表观气速对平均频率和功率谱密度的平均强度的影响，发现鼓泡及腾涌流型下出现明显主频，证明功率谱密度是判断流型的有效手段。

LEON等[8]采用功率谱密度法分析了冷凝剂在不同管子内凝结过程的压力脉动信号，结果表明微型鳍形管中从环流到间断流转换过程中功率谱密度急剧上升，并且湍流涡旋的存在使得压力信号的功率谱密度明显增大。HIROYUKI等[9]采用功率谱密度法分析了鼓泡床内压力脉动信号，证明不同种类的颗粒流动及不同的流型所对应的主频不同。SCHAAF等[10]采用非侵入性测量法测得鼓泡床内的压力脉动信号，得出在鼓泡床内气泡产生及聚合是床内压力快速波动的原因。胡小康等[11]测量了大型流化床上升管内压力脉动信号，指出该信号由两种脉动构成，颗粒质量流量及轴向位置对脉动强度都有影响。

本文作者研究了片状废木料、蔗渣、花生壳、稻壳与石英砂混合物在不同质量比下混合流动特性，探讨生物质种类及质量分数对流化床内颗粒及气泡运动的影响。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

实验系统如图1所示。流化床截面尺寸为120mm×32mm，床高1000mm，布风板开孔率为2.6%，在距离布风板高度200mm、300mm和400mm处开3个测压孔，流量由转子流量计控制，量程分别是4～40m3/h和1～20m3/h。压力脉动信号由压力变送器测量，经USB数据采集器记录，同时将流化床内的实际流动过程保存。实验图像由高速摄影仪采集（Photron SA4，帧速：1024×512 pixels@12500fps），分辨率为1024×512，拍摄频率为500fps。

图1 实验系统图

1.2 实验物料

实验选用锯花、花生壳、稻壳、蔗渣为床料，惰性流化介质采用25目筛筛分后的石英砂。首先对实验材料进行初步处理。稻壳本身形状大小较为统一，尺寸合适，将其在阳光下进行晾晒除去水分。锯花因较为破碎，不再进行粉碎处理，同样在阳光下暴晒以去除水分。花生壳尺寸较大，用剪刀剪成10×10mm2左右的碎片，因其本身较为干燥，破碎后密封备用。蔗渣因水分较多，阳光下暴晒耗时较长，所以在烘箱内80℃下烘烤24h，然后用剪刀剪成10mm左右长度备用，由于蔗渣本身的纤维特性，宽度基本控制在5mm左右。生物质颗粒照片如图2所示。物料的物理性质如表1所示。

图2 锯花、花生壳、稻壳、蔗渣图片

1.3 实验方法

静止状态下加入配比好的物料，初始床高均为150mm。首先将风量调至最大，充分流化后逐渐降低风量，在不同工况下采集压力脉动信号。所选择的工况如表2所示。

表1 实验物料的物性参数

表2 实验工况

2 信号分析方法

功率谱密度法（power spectral density，PSD）是一种普及的信号分析方法，可通过对一列时间离散信号进行快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）后再对时间进行平均得到[12]。功率谱可以揭示流化床内气泡和床料的运动导致的压力脉动信号的特点，定性分析床内的运动情况。

3 数据分析与讨论

压力脉动信号是床内气泡的产生、破裂、聚合等行为的反映。由于数据采集过程中不可避免的会有一些干扰，例如噪声，这会影响信号频率分析的精度，因此认为40Hz以上信号为噪声信号[13-14]。在压力脉动信号的功率谱上往往具有一个明显的峰值，即信号的主频。

3.1 生物质种类及质量比对最小流化速度的影响

每种物料的床层压降与表观气速的关系如图3所示。可以看出，在表观气速的值未达到最小流化速度时，生物质为花生壳、稻壳、蔗渣时，随着表观气速的增加，压降持续增加，当达到临界流化速度时压降出现峰值，之后随着表观气速的增加床层压降开始波动，但幅度不大。值得关注的是，当锯花的质量分数为6%且气速小于最小流化速度时，随着气速增加压降出现波动。可见，生物质的物性参数对最小流化速度有一定影响。生物质为花生壳及稻壳时，最小流化速度约为0.4m/s；锯花质量比为2%、蔗渣质量比为2%及4%时，最小流化速度约为0.4m/s；锯花质量比为4%及6%、蔗渣质量比为6%时的最小流化速度难以确定。

图3 花生壳、锯花、稻壳及蔗渣最小流化速度图

如图3(a)所示，花生壳在质量比为6%时的压降相对质量比为2%及4%时下降明显。可能因为花生壳的尺寸相对于实验台尺寸选取偏大，并且其密度在4种物料中偏高。因此，质量比为6%时花生壳之间出现大范围团聚并沉积在下方，没有很好的与石英砂颗粒混合。并且，堵塞位置位于上部信号采集点的下方，致使3个采样点测得的平均值下降。

图3(b)为片状锯花的实验结果，可以看出，当质量比为4%及6%时出现了到达某一速度后压降再次迅速跃升的情况，并且这种情况随着生物质质量比的增加而更加显著，而后压降作小幅波动。而当锯花质量比为2%时这种情况并未发生。考虑实验测定方法为气速由高降低的下行方式，并且锯花质软且轻，形状成片状，随着表观气速持续降低，到达某值时床内气泡活动很不稳定，是不成熟的流动。因此认为当锯花质量比大于2%时，最小流化速度的概念并不适用。值得注意的是，此刻的气速是花生壳、稻壳及蔗渣的最小流化速度，然而由于锯花与众不同的特性，致使其在高质量比下的流动很难达到稳定水平，气体要冲破床层，形成稳定的流动需要更大的速度。

图3(c)稻壳试验中，实验结果较为理想。虽然稻壳密度与花生壳相似，但因为其较均匀的粒径分布及较小的尺寸，纺锥形的形状也不易在床层中卡住从而导致流化不均匀，所以仅仅是稻壳密度的变化对床层压降产生了轻微的影响。

图3(d)蔗渣实验的床层压降很显著，但临界流化速度对应的压降峰值仍然可以明显的看出。主要因为蔗渣的密度小，又不如废木料柔软，较为坚硬，再加上预处理时考虑到实际应用的操作并没有把甘蔗内部的松软纤维刮掉，使得蔗渣相比废木料蓬松很多。但因为其密度太小，在质量比为6%时，生物质的体积分数过大，已经难以与石英砂充分混合，此时的流动是非正常的。

3.2 生物质种类对流型的影响

不同的生物质种类势必会对流化床内石英砂及生物质双组分混合物的流动特性产生影响。生物质的密度、形状、硬度等参数都会表现出不同的特点，本研究选用的生物质种类在物性上相差较大，以此来考察不同生物质种类对流动造成的结果。考虑到蔗渣、锯花在上一节讨论的实验结果，这两种物料取质量比为2%时的数据，而稻壳、花生壳选取质量比为6%时的数据进行分析，目的是为突出这两种生物质对流型的影响。

图4为生物质为稻壳时床内的流动情况，图5为对应的PSD图。

图4 不同气速下稻壳质量比为6%时的流动图像

图5 不同气速下稻壳质量比为6%时的压力信号PSD图

可以看出，随着气速升高，宽谱区向高频方向移动，并在25～30Hz范围内出现狭窄且突出的主频，这是因为气速较低时，床内物料混合较差，稻壳由于密度小，很容易集中在床层上部，又因为其流线型的形状，气泡在到达床层上部时不易破碎。而随着气速的增加，气泡直径变大，但同时稻壳与石英砂混合更加均匀，在生物质回落的过程中致使气泡破碎，因此此时床内出现部分直径更小的气泡，频率更高。此时低频信号依然存在且主频突出，高频信号逐渐加强。此时床内流型为鼓泡床。同时，30～40Hz范围内的PSD值随着气速增加而降低，这是因为气速较低时床层膨胀较小且物料混合不均，小气泡迅速通过床层，形成高频信号，但随着气速增加，床层膨胀更大，气泡在运动迁移的过程中会发生聚并，小气泡合并为大气泡，此范围内信号逐渐减弱。

图6为生物质为蔗渣时的PSD图。蔗渣密度很轻，所以在相同质量比下，其体积明显增大。随着气速的增加，主频基本维持在10～15Hz区间内，但主频并不明显，而25～30Hz区间内的主频突出，并随着气速增加而降低，但35～40Hz范围内的主频并未有明显改变。这是因为蔗渣颗粒较大且有一定的硬度，颗粒之间的空隙相对较大，并且因为密度小体积大，和石英砂的混合不太均匀，当气体通过床层时，易在床层上部形成大气泡，虽然随着气速增加床料混合更加均匀，但蔗渣由于尺寸较大，在床内的运动受壁面和其他蔗渣颗粒的影响比稻壳更大，因此颗粒对气泡的破坏受限制，床内气泡以大气泡为主，信号集中在低频段。但因为床料间一定存在较密集的间隙，气体在穿过时会被床料分割成直径很小的气泡从而通过，或从较大缝隙冲出形成较大气泡，所以小气泡一直存在，形成高频信号。此时流型为鼓泡床。

图7为花生壳的PSD图。由于花生壳坚硬且边缘锋利，当花生壳回落时使得气泡破碎，随着气速增加，小气泡增多，主频明显逐渐向高频移动，最终形成了25～30Hz区间内的高频信号。但当气速很大时，片状花生壳收到气流的作用力增加，部分花生壳在回落时阻力变大，速度减缓，有部分大气泡没有受到破坏，形成了低频信号。而部分气泡被上升速度变快的花生壳破坏，形成小气泡，产生高频信号。床内流型为鼓泡床。

图8为锯花的PSD图。如图所示，锯花在质量比为2%时，随着气速的增加PSD图变化并不明显。在10～15Hz范围内课可以观察到较明显的宽频区。由于锯花柔软且呈片状，其回落的过程是非常缓慢的，难以将大气泡破碎成小气泡，因此床内气泡始终以大气泡为主。同时约30Hz左右始终存在一主频，与蔗渣类似，是从床料间小缝隙穿过的小气泡造成的。流型为鼓泡。35～40Hz范围内的信号由于紧邻频率区间边缘，认为是噪声信号的干扰。

图6 不同气速下蔗渣质量比为2%时的压力信号PSD图

图7 不同气速下花生壳质量比为6%时的压力信号PSD图

3.3 生物质质量比对流动的影响

生物质添加量的多少影响了床料的组成，进而影响床内流动特性。由于实验选用了密度较小的物料，为了保证混合的充分性并考虑床层高度，本研究考察了在较低生物质添加量下生物质质量对流动的影响。结合之前的研究内容，本小节将会对比表观气速为1.013m/s下的情况。

图9为稻壳质量比分别为2%、4%及6%时的PSD图。可看出，随着稻壳质量比的增加，10～20Hz范围内的宽谱区始终存在，且频段范围先增后减，主频先增强后减弱。这是因为生物质对气泡的生成起到促进作用，当生物质质量比为4%时，气泡产生的频率更高，但同时生物质也使得气泡更易破碎，一些大气泡因稻壳的运动而破碎成直径较小的气泡，因此出现了15～20Hz范围内的主频；当稻壳质量比为6%时，生物质对气泡的破坏作用超过了促进其生成的作用，此时的气泡直径更加统一，频段集中。且小气泡变多，使得25～30Hz范围内的主频强度增加。

图9 不同稻壳质量分数在v=1.013m/s时的PSD图

图10 不同蔗渣质量分数在v=1.013m/s时的PSD图

图10为蔗渣在不同质量分数下的PSD图。可以看出蔗渣添加量的影响也较小，3种质量分数下的PSD图大致相似。唯一比较突出的是在蔗渣质量比为6%时，在35Hz左右出现明显主频，这或许是因为当蔗渣质量比较高时，床层高度相应增加，气泡在穿过床层时会在上部蔗渣较为密集的区域形成稳定的鼓泡流动，由于壁面会在一定程度上限制蔗渣的运动，并且上部石英砂含量相对床层下部更低，气泡通过时扰动小，速度较快。

图11为花生壳在不同质量分数下的PSD图。可以看出花生壳在不同添加量时的床层流动特性基本一致，都是在20Hz左右的中频区出现不突出的两个主频及宽谱区域，在30Hz左右也出现较明显的主频。

锯花因在质量比大于2%时的PSD图难以看出变化，可能是因为气速过高，颗粒物性不能很好地反映，因此不再赘述。

图11 不同花生壳质量分数在v=1.013m/s时的PSD图

4 结论

本文采用频谱分析法研究了生物质及石英砂双组份颗粒在流化床内的流动，得到如下结论。

（1）在生物质质量比为2%时，不同生物质种类对最小流化速度的影响很小。

生物质为稻壳时，随着气速的增加气泡直径减小，PSD图主频突出，形成稳定的鼓泡床；生物质为花生壳时，随着气速的增加部分气泡被其破坏，但同时花生壳本身受气流作用力增加，回落过程受到影响，部分大气泡没有被破坏，流型也是鼓泡床；生物质为蔗渣及锯花时，由于蔗渣密度小且单颗粒体积较大，锯花密度小且呈片状，随着气速增加，床内气泡以大气泡为主，伴随经过床料间隙的小气泡，流型为鼓泡床。

（2）生物质为稻壳时，随着质量比的增加床内气泡直径趋于统一，当质量比为6%时形成稳定鼓泡床；花生壳、蔗渣随着质量比的增加PSD图变化并不明显，当其质量比小于6%时对流型影响并不突出。

符号说明

ρp——真密度，kg/m3

ρs——堆积密度，kg/m3

H——床高，mm

w——生物质质量分数，%

v——表观气速，m/s

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Flow characteristics of biomass particles and quartz sands in 3D fluidized bed

GU Jiawen，ZHONG Zhaoping，WANG Heng
（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of the Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China）

Waste wood，peanut shells，rice husk，and pomace of sugarcane were chosen as experiment raw materials and mixed with quartz sands at different mass ratio to investigate the influence of biomass species and mass ratio in a 3D laboratory fluidized bed. The bed size is 1000mm in height and 120mm×32mm of cross section horizontally. The pressure fluctuation inside the bed was recorded and analyzed. The results show that biomass species and mass ratio had negligible effect on minimum fluidization velocity when mass ratio was less than 0.02. Fast Fourier transform was employed to obtain the power spectral density of pressure fluctuation signals. It’s shown that the PSD of pressure fluctuation at lower velocity ranged from 10Hz to 15Hz when rice husk was added，and increased to about 20Hz to 25Hz when the velocity increased. Pomace of sugarcane，peanut shells，and waste wood had no main frequency at lower velocity，but when the velocity increased the main frequency was found to be ranged from 10Hz to15Hz.

biomass；pressure fluctuation；fluidized bed；power spectral density

TQ051

：A

：1000–6613（2017）02–0473–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.010

2016-07-11；修改稿日期：2016-08-30。

国家自然科学基金项目（51276040，U1361115）。

顾佳雯（1993—），女，硕士研究生。E-mail：15905154532@163.com。联系人：仲兆平，教授，博士生导师，从事生物质热解研究。E-mail：zzhong@seu.edu.cn。