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
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