耦合移動(dòng)床的循環(huán)流化床提升管的顆粒通量

耦合移動(dòng)床的循環(huán)流化床提升管的顆粒通量

新型返料閥系統(tǒng)在正常的循環(huán)期內(nèi)，由于介質(zhì)中殘留顆粒的存在，導(dǎo)致地板上的靜壓頭不能完全影響管中的顆粒流動(dòng)。因此，在改善普通周期的河流中，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高顆粒體積和高固體濃度的問題。為此,Liu等提出并設(shè)計(jì)了一種新的循環(huán)流化床床型,即在普通循環(huán)流化床提升管的底部耦合一段移動(dòng)床(mb),同時(shí)相應(yīng)抬高原有返料閥,以期降低返料閥在循環(huán)回路中的阻礙作用,使伴床中顆粒所產(chǎn)生的靜壓頭直接作用于提升管中的顆粒流動(dòng),增加提升管底部的進(jìn)料壓力,實(shí)現(xiàn)高顆粒通量,以滿足雙床解耦氣化對(duì)顆粒循環(huán)量的要求。Liu等的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明:在根據(jù)上述思想建立的新型循環(huán)流化床中,對(duì)于平均粒徑378μm的石英砂顆粒,循環(huán)量在提升管表觀氣速約10m·s-1時(shí)可達(dá)370kg·m-2·s-1,且揭示了該系統(tǒng)中的顆粒循環(huán)量主要取決于提升管中的表觀氣速和耦合的移動(dòng)床的松動(dòng)風(fēng)速,受固體顆粒儲(chǔ)料量的影響很小。本文將通過降低或取消上述新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中耦合移動(dòng)床的作用,驗(yàn)證移動(dòng)床在新結(jié)構(gòu)床中對(duì)提高顆粒通量的作用,并通過進(jìn)一步縮短提升管長度,分析伴床進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力的變化,論證不同床型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同顆粒循環(huán)量的原因。由于提升管出口結(jié)構(gòu)是影響顆粒循環(huán)量的另一個(gè)重要因素,本文也針對(duì)廣泛應(yīng)用于雙流化床解耦氣化裝置的幾種典型出口結(jié)構(gòu)考察了其對(duì)顆粒循環(huán)量的影響。1實(shí)驗(yàn)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃制。流化床提升管直徑90mm、高12.4m,立管直徑80mm、高8m。下部耦合的移動(dòng)床高4m、直徑120mm。為了使顆粒在移動(dòng)床中堆積,在移動(dòng)床底部出口處采用縮口結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示。返料閥為長0.35m、寬0.2m、高0.6m的長方形結(jié)構(gòu),分為左右兩個(gè)室,橫截面面積分別為0.044m2和0.026m2,中間擋板的流通截面積為0.04m2。為了通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證耦合移動(dòng)床對(duì)提升循環(huán)系統(tǒng)顆粒通量的作用,本文將耦合移動(dòng)床的原始床結(jié)構(gòu)中移動(dòng)床底部的縮口結(jié)構(gòu)[圖2(a)]改為普通出口結(jié)構(gòu)[圖2(b)],致使經(jīng)立管和返料閥進(jìn)入移動(dòng)床的顆粒不再在該移動(dòng)床中堆積,從而消除移動(dòng)床的影響。本文稱這種模擬普通循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)的床為“nombⅠ”。為了進(jìn)一步驗(yàn)證與提升管底部耦合的移動(dòng)床的作用,將原系統(tǒng)中的移動(dòng)床部分去除,顆粒直接通過返料閥斜向下進(jìn)入提升管的3.2m處(如圖1中的虛線所示),這樣使整個(gè)提升管的有效高度變短,本文稱之為“nombⅡ”。理論上,縮短提升管高度可使在相同Ugp條件下獲得較大的Gs。本文針對(duì)應(yīng)用于輸送床的A型結(jié)構(gòu)、雙床解耦氣化過程的L型結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室常用結(jié)構(gòu)且選為比較的基準(zhǔn)的C型(圖3)3種提升管出口結(jié)構(gòu),在nombⅡ床型中考察了這3種提升管出口結(jié)構(gòu)對(duì)Gs的影響。實(shí)驗(yàn)所用的物料為石英砂,其真密度(ρs)為2600kg·m-3,堆積密度(ρb)為1470kg·m-3,常溫下的起始流化速度和帶出速度分別為0.11m·s-1和2.82m·s-1,顆粒平均粒徑(dp)為378μm,實(shí)驗(yàn)的流化氣體為壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)中的壓力由壓力傳感器測(cè)量,其信號(hào)通過采集器與計(jì)算機(jī)終端相連。實(shí)驗(yàn)裝置的壓力測(cè)點(diǎn)排布如圖1所示。利用安裝在立管上的蝶閥根據(jù)式(1)測(cè)量顆粒循環(huán)量Gs=ρbAspurHAft(1)Gs=ρbAspurΗAft(1)2結(jié)果與討論2.1u3000耦合移動(dòng)床對(duì)提升管底部絕壓的影響如圖4所示,在本文的3種床型結(jié)構(gòu)中,顆粒循環(huán)量隨提升管表觀氣速的增大而增大。在普通循環(huán)流化床nombⅠ中,在儲(chǔ)料量115～145kg、表觀氣速10.5m·s-1時(shí)所能達(dá)到的最大顆粒循環(huán)量Gs很難超過230kg·m-2·s-1,這與Liu等在有移動(dòng)床的新型床結(jié)構(gòu)中在相似操作條件下所獲得的高達(dá)370kg·m-2·s-1的顆粒循環(huán)量相差很大。在普通循環(huán)流化床nombⅡ中,雖然整個(gè)裝置的有效高度降低,但在系統(tǒng)顆粒儲(chǔ)料量保持恒定的情況下,所能實(shí)現(xiàn)的最大顆粒循環(huán)量Gs仍未超過250kg·m-2·s-1。由此可見,在普通循環(huán)流化床提升管的底部耦合一段移動(dòng)床確實(shí)有利于提高顆粒通量。在本文所測(cè)試的3種不同結(jié)構(gòu)的循環(huán)流化床中,立管頂部的壓力均近似等于大氣壓,所以提升管底部絕壓可以等價(jià)為返料閥到提升管的進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力。提升管底部絕壓越大,返料閥的驅(qū)動(dòng)力越大。如圖1所示,PR5和PA分別表示普通循環(huán)流化床和新結(jié)構(gòu)循環(huán)流化床的提升管底部的絕壓。顯然,由于在新結(jié)構(gòu)床型的提升管底部耦合了一段移動(dòng)床且將返料閥提升到移動(dòng)床之上,使得整個(gè)顆粒返料回路中的靜壓頭大部分都是由移動(dòng)床的壓降產(chǎn)生。該壓降直接形成返料驅(qū)動(dòng)力,作用于提升管中的氣固兩相流。圖5表明,在相似的操作條件下耦合移動(dòng)床的循環(huán)流化床所產(chǎn)生的進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力約為傳統(tǒng)循環(huán)流化床中的2倍,使前者實(shí)現(xiàn)的顆粒循環(huán)量明顯提高。這進(jìn)一步說明,在提升管底部耦合一段移動(dòng)床是通過獲得高的顆粒返料驅(qū)動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)高顆粒循環(huán)量的有效方法。2.2立管振動(dòng)風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)料量的影響在普通循環(huán)流化床中,顆粒循環(huán)量隨返料閥的流化風(fēng)速在一定范圍內(nèi)增大而增加,但進(jìn)一步加大風(fēng)速不能明顯改變Gs。從圖6可以看出,在有移動(dòng)床的新床型結(jié)構(gòu)中,隨著返料閥左側(cè)流化風(fēng)速Ugl的增加,系統(tǒng)中的顆粒循環(huán)量沒有明顯的變化。這是由于移動(dòng)床的存在使得返料回路中顆粒物料大部分堆積在移動(dòng)床中,返料閥左側(cè)流化風(fēng)速的改變并不能明顯改變整個(gè)返料回路的有效進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力,而移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速的變化明顯影響著系統(tǒng)的顆粒循環(huán)量。在普通的循環(huán)流化床中,顆粒物料大部分堆積在立管中,致使返料閥右側(cè)松動(dòng)風(fēng)速對(duì)顆粒循環(huán)量具有較大的影響。本文兩種普通的床型中,當(dāng)右側(cè)松動(dòng)風(fēng)速為零時(shí),固體顆粒循環(huán)量Gs僅有50kg·m-2·s-1左右,當(dāng)松動(dòng)風(fēng)速Ugr提高到0.01m·s-1時(shí),Gs迅速提高至180kg·m-2·s-1,繼續(xù)提高Ugr至0.02m·s-1時(shí),立管出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象而致使整個(gè)循環(huán)流化床不能正常操作。而耦合了移動(dòng)床之后,顆粒物料大部分堆積在移動(dòng)床中,因此,返料閥的流化風(fēng)速Ugl及Ugr的變化均不會(huì)明顯影響移動(dòng)床產(chǎn)生的壓頭,因而對(duì)顆粒循環(huán)量的作用很小。如表1所示,在不同的床型結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)顆粒儲(chǔ)料量對(duì)循環(huán)量的影響也不同。有移動(dòng)床時(shí),儲(chǔ)料量Im從115kg到145kg,每增加15kg顆粒循環(huán)量Gs最多只有10kg·m-2·s-1的增加。而在無移動(dòng)床時(shí)的兩種普通循環(huán)流化床中,Im每增加15kg可能引起Gs增大20kg·m-2·s-1左右,是耦合移動(dòng)床情形的2倍以上。相比于普通循環(huán)流化床,耦合移動(dòng)床的存在使得系統(tǒng)顆粒儲(chǔ)存能力大大增加,所增加的Im主要表現(xiàn)為增加移動(dòng)床中的顆粒層高度。而移動(dòng)床所能產(chǎn)生的壓降在一定范圍內(nèi)只取決于移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速的大小,而不是移動(dòng)床中顆粒床層的實(shí)際高度,因此Im的變化對(duì)顆粒循環(huán)量的影響降低。而在普通循環(huán)流化床中,系統(tǒng)儲(chǔ)料量的增加直接表現(xiàn)為立管中顆粒床層高度增加,致使立管產(chǎn)生的靜壓頭相應(yīng)增大,系統(tǒng)儲(chǔ)料量的增加更加明顯增大了顆粒循環(huán)量。實(shí)際上,在新床型結(jié)構(gòu)中移動(dòng)床的存在使整個(gè)系統(tǒng)可穩(wěn)定操作于大范圍變化的Im條件,這對(duì)于該床型的實(shí)際操作和控制有重要意義。2.3c型出口結(jié)構(gòu)中顆粒循環(huán)量的變化圖7為在nombⅡ中測(cè)試圖3所示提升管出口結(jié)構(gòu)對(duì)Gs的影響。雖然提升管出口結(jié)構(gòu)不同,但Gs均隨提升管內(nèi)表觀氣速Ugp的增加而增加。在相同的操作條件下,C型出口結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的Gs高于其他兩種出口結(jié)構(gòu)(L型和A型)。當(dāng)Ugp>8.7m·s-1時(shí),在C型出口結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的Gs隨表觀氣速的增加幅度明顯高于在L型和A型兩種出口結(jié)構(gòu)中的增加量。如Ugp從8.7m·s-1增加到10.5m·s-1時(shí),C型出口結(jié)構(gòu)的Gs增加幅度為80kg·m-2·s-1,而L型和A型出口結(jié)構(gòu)的Gs增加幅度分別僅有33kg·m-2·s-1和60kg·m-2·s-1。這是因?yàn)長型和A型兩種提升管出口結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒流動(dòng)的約束作用較強(qiáng),且這種約束作用還隨提升管表觀氣速和顆粒循環(huán)量增大而增加的緣故。因此,上述3種結(jié)構(gòu)中,C型結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步提高顆粒循環(huán)量,但是,該結(jié)構(gòu)在頂部彎曲部承受的顆粒磨蝕更嚴(yán)重。這可能是實(shí)際的雙流化床氣化和輸送床氣化的裝置分別選擇L型和A型的原因所在。3煤生物質(zhì)氣化本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩種普通循環(huán)流化床與在普通循環(huán)流化床提升管底部耦合一段移動(dòng)床的新型床結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了新型床結(jié)構(gòu)中耦合移動(dòng)床可提高顆粒循環(huán)量,并揭示了其增加提升管顆粒返料驅(qū)動(dòng)力的本質(zhì)原因。在提升管底部耦合一段移動(dòng)床的新型循環(huán)流化床中,返料回路的進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力主要源于移動(dòng)床產(chǎn)生的靜壓頭。由于新結(jié)構(gòu)能提供的進(jìn)料驅(qū)動(dòng)力比普通循環(huán)流化床大,系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的顆粒循環(huán)量也越大,但返料閥操作狀態(tài)以及系統(tǒng)儲(chǔ)料量對(duì)顆粒循環(huán)量的控制作用降低。通過研究應(yīng)用于雙流化床與輸送床氣化裝置的典型提升管出口結(jié)構(gòu)的影響表明:平滑的C型提升管出口結(jié)構(gòu)有利于提高顆粒循環(huán)量,但以減少頂部顆?；亓?、承受更大顆粒對(duì)出口頂部磨蝕為代價(jià)。煤、生物質(zhì)的傳統(tǒng)氣化過程使燃燒與熱解/氣化反應(yīng)發(fā)生于同一反應(yīng)器空間,造成氣化生成氣被燃燒煙氣嚴(yán)重稀釋。雙流化床氣化技術(shù)是一種新的煤(生物質(zhì))氣化技術(shù),它是將煤(生物質(zhì))的氣化(熱解)與半焦燃燒分開,分別在不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,利用高溫的灰(沙子)為氣化爐提供熱量,在不同的氣化劑條件下獲得中熱值煤氣。雙流化床氣化通過分離燃料熱解/氣化反應(yīng)與提供反應(yīng)熱的燃燒反應(yīng),防止燃燒煙氣與氣化生成氣的混合,可有效提升氣化生成氣的品質(zhì)。該氣化過程通過在兩反應(yīng)器間循環(huán)熱載體顆粒而實(shí)現(xiàn)燃燒反應(yīng)向熱解/氣化反應(yīng)的熱量供給,因此要求足夠高的顆粒循環(huán)量,保