生物质热解液化反应塔中最小携带流速的可视化试验验证

生物质热解液化反应塔中最小携带流速的可视化试验验证 生物质热解液化反应塔中最小携带流速的 可视化试验验证 可再生能源2006.3f总第127期) 生物质热解液化反应塔中最小携带流速的 可视化试验验证 龙恩深,赵建辉,崔天,蒋琳,马校飞,王亮 (重庆大学国家教育部三峡库区生态环境重点实验室,重庆400045) 摘要:生物质颗粒的最小流化速度是生物质快速热解液化工艺最重要的控制参数 之一,准确掌握各种因素 对最小携带流速的影响规律,对于保证充足的热解时间,提高生物质热解液化率是 十分关键的.文章提出了生 物质循环流化床快速热解反应塔中最小携带流速的预测方法;揭示了最小流化速 度随生物质粒径和颗粒密度 的变化规律,并通过可视化试验对预测结果进行了初步验证. 关键词:生物质;热解液化;流化床;最小携带流速 中图分类号:TK6;TQ517.4文献标识码:A文章编号:1671-5292(2006)03-0019-o4 Visualexperimentvalidation0fthelowestentrained 1?l?^?l?1l?…J speedinbiomasstastpyrolysisandllquetactl0nreaCt0r LONGEn-shen,ZHAOJian-hui,CUITian,JIANGLin,MAXiao-fei,WANGLiang (ThreeGorgesReservoirArea'sEcologyEnvironmentKeyLaboratoryofMinistryofEducat ion CollegeofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringChongqingUniversity, Chongqing400045,China) Abstract:Thelowestfluidizedspeedofbiomassparticleisoneofthemostimportantcon— troisparametersofbiomassfastpyrolysisandliquefactiontechnology,masteringthelawof eachfactorinfluencesonthelowestentrainedspeedaccuratelyisverypivotalforguarantee— ingthepyrolysistimeandenhancingthebiomasspyrolysisandliquefactionrate.Thisarticle proposedamethodofforecastingthelowestentrainedspeedofbiomassincirculationflu— idizedbedreactor. Keywords:biomass;pyrolysisandliquefaction;fluidizedbed;thelowestentrainedspeed 1引言 能源供应形势的13益紧张和生态环境的13 益恶化,使越来越多的科研人员开始关注生物质 能利用技术的研究和开发.生物质经快速热解液 化所获得的液态生物油,不仅可用于内燃机和燃 气透平,而且清洁无污染.因此,以最大限度地获 取液态生物油为目的的生物质快速热解液化技 术是解决我国能源环境问题的有效途径之一. 生物质颗粒在热解反应塔中的最小流化速 度是生物质快速热解液化工艺需要监控的最重 收稿日期:2005—12—28 基金项目:科技部国家"十五"重大科技攻关(2003BA808A19—5) 作者简介:龙恩深(1964-),男,博士,主要从事新能源利用的研究. 要参数之一,准确掌握各种因素对最小携带流速 的影响规律,对于保证充足的热解时间,提高生 物质热解液化率是十分关键的.本文的目的在于 探讨生物质循环流化床快速热解反应塔中最小 携带流速的预测方法,并通过可视化试验对预测 结果进行初步验证,从而为生物质热解液化热态 试验的顺利进行奠定了基础. 2生物质颗粒最小携带流速的预测与分析 2.1最小携带流速的预测方法 在垂直布置的热解反应塔内的流化床气固 RENEWABLEENERGYNo.32006027IssueinAll 多相流中.生物质颗粒需要在翻腾状态下被快速 加热升温.在充分热解后以流化状态排出热解反 应塔.因此.最小携带流速是生物质颗粒的传热 及流动过程的特性参数之一.也是试验过程中确 保生物质颗粒彻底热解的重要调控参数. 假定处于热解反应塔内的球形生物质颗粒 直径为d.颗粒的观重力与流体对颗粒的曳力 平衡.根据流体力学理论,得 (p,)?7rd-(1) cDs.A.Vfs2=CDs.不d.z.(2) 由FD可得 ,/(3) 式中d.——生物质颗粒的斯托克斯直径,m; p一生物质颗粒的密度,kg/m;p厂一流体的密 度,kg/m;r重力加速度,m/s;cD-一生物质 颗粒曳力系数;A——生物质颗粒在与流体运动 方向垂直的截面上的投影面积,m;v生物质 颗粒与流体的相对运动速度.m/s. 当气体处于静止状态时.是生物质颗粒的 沉降速度:当生物质颗粒处于悬浮状态时,我们 称为最小携带流速. 这型.我们可把单个生物质颗粒的曳力系数 看成是"表面上的"雷诺数的一个函数,定义为 Res=业(4) 式中:l厂流体的动力粘度. 根据前人的研究结果可知,单个生物质颗粒 在气流中的雷诺数一般小于1000.当Res/J"~于 1000时,CD.与雷诺数Re系可用下式表示: cD(1+0.15Re)(5) 将式(5)代人式(3),再结合式(4),利用迭代 法.即可求出不同粒径的生物质颗粒的最小携带 流速,并且画出各种因素对生物质最小携带流 速的预测曲线. 2.2最小携带流速的影响因素分析 由式(3)一(5)可知,影响最小携带流速的因 素非常复杂.生物质颗粒粒径,颗粒密度及流体 的温度和压力等对最小携带流速均有一定的影 响.图1给出了温度t=20?,压力P=Ixlo5Pa 时.不同粒径的生物质的最小携带流速随颗粒密 度的变化规律.由图1可以看出,对于5种不同粒 径的生物质颗粒.最小携带流速均随颗粒密度的 增大而增大.近似成线性关系;粒径较大的颗粒, "直线"的斜率较大,即随着颗粒密度的增加,相应 地最小携带流速增大的速度更快. lO 8 冀 ? 堪2 0 F..-----一-'一 l::::!篓1. . . .? ' 一 ——, ?一 ' . .. . ? , , , ' 一. , ,一''一一' 一一,.. , .一 , 一 .. . 一?一.一'' :.————————一 u50010Or)1500200025003000 颗粒密度ks/m 圈1最小携带流速变化规律(f==20?P=I.OlxlO5Pal 图2给出了t=500?.P=-lxlo5Pa时.不同粒 径的生物质的最小携带流速随颗粒密度的变化规 律.对比图1,2可知,在压力一定,温度不同时.生 物质最小携带流速随颗粒密度的变化规律是相似 的,即对于不同粒径的生物质.随着颗粒密度的增 加,生物质最小携带流速均有不同程度的增加.增 加的快慢取决于颗粒的粒径.粒径越大.增加得越 快.另外,从图1,2中我们还可以发现,在流体压 力,颗粒粒径和颗粒密度一定的情况下.随着气流 温度的升高.最小携带流速有所降低.当流体温度 从2O?升到500?时,最小携带流速降低33%, 73%.降低的程度取决于颗粒粒径和颗粒密度的 大小.一般来说,当流体压力一定,流体温度增加 时,随着颗粒粒径或颗粒密度的增加,生物质最小 携带流速降低的程度将减小. 1 jIliI 壤 {船 端 七 皤 图2最小携带流速变化规律(t--500?P=I.OlxlO5Pa) 从以上分析可知,生物质颗粒及流体的物性 参数对其最小携带流速均有不同程度的影响.在 流体压力,颗粒粒径和颗粒密度一定的情况下,当 流体温度升高时,生物质最小携带流速降低,在流 化床几何尺寸一定的条件下.所需的最小流化风 玎J丹生Ji彦2251优,b.J(思弟IZ/别 量减小,这将对生物质热解液化试验的顺利进行 具有一定的理论指导意义. 3可视化试验验证 要通过可视化试验来验证理论预测结果的 可靠性具有非常大的难度.首先,本理论分析是 在假设料粒是球体的基础上进行的,但试验样品 的颗粒是不规则的,球形度难以保证,如粒径较 小的生物质球形度较好,而粒径较大的生物质球 形度则较差;其次,对于某种特定粒径的料粒,存 在一个对应的最小携带流速,而试验样品的粒径 各不相同;第三,料粒的堆积密度是容易测量的, 但生物质料粒本身的密度较难测量,所有这些都 会使试验难度增大. 3.1试验系统及试验方法 本研究将通过对不同粒径的石英砂和4种 生物质粉(玉米粉,锯末,稻壳和麦麸)在t=20oC, P----lxl0sPa条件下的流化试验,做出最小携带流 速随颗粒粒径的变化曲线,并与预测值进行对 比.可视化试验是在单塔式热解液化试验装置上 (见图3)进行的.为了便于观察,热解反应塔采用 图3可视化试验系统 1一电动机;2一给料斗;3一螺杆给料装置;4一进料管;5一有机玻 璃反应塔;6一分离器;7一载体加热器;8一载体调节器;9一碳分离 器;lo-快速冷凝器;1l一储油罐;12一集灰器;13一气体过滤装置;l4- 惰性气体(N2)罐;15一循环气泵;16-转子流量计;17一辅助加热器 透明的有机玻璃制成.石英砂和生物质试验 原料均用筛筛分得到,筛孔粒径范围应尽可 能小,以更接近理论分析的假设条件.可视化试 验过程描述如下:?首先在反应塔中加入某一粒 径范围的样品30—50g.?调小进气阀门,启动循 环气泵,观察热解反应塔内料粒的流动现象,记 录料粒开始浮动时流量计的读数.?适当加大进 气阀门开度(微量),仔细观察,依次记录反应塔沸 腾段处于底部,底部扩展到下部,下部扩展到中部 和整个反应塔时,各阶段对应的流量计读数.?继 续调大阀门开度(微量),分别记录料粒大部分被 带走和全部被带走时流量计的读数.必要时,当绝 大部分料粒被带走时,停止试验,排除残余物料, 进行质量平衡.?重复步骤?,?,对同一粒径范 围的同种试验样品再做2次试验,最后取3次试 验的平均值,同时校验前次结果.?更换另一粒径 范围的粉料,重复步骤?一?,直至做完5种原料 的试验为止. 最小携带流速等于最小流化气量除以有机玻 璃反应塔的横截面积,即 Vi=4Qi/(不D)(7) 式中:ymil最小携带流速,m/s; pj._最小流化气量,ma/s; 有机玻璃反应塔的截面直径,m. 需要说明的是,利用迭代法计算最小携带流 速时所采用的试验原料颗粒密度是根据样品的实 测堆积密度并参考相关文献确定的. 3.2最小携带流速预测值与试验值的对比 图4,8分别给出了不同粒径范围的石英砂, 玉米粉,锯末,稻壳和麦麸的最小携带流速试验值 J:=一I,==: ,, / 0I100.150.200.2S0.300.350.40 颗粒粒径m 图4.石英砂最小携带流速理论值与试验值的对比 颗粒粒径 图5锯末最小携带流速理论值与试验值的对比 5 4 饕3 羹2 0 颗粒粒径m? 图6玉米粉最小携带流速理论值与试验值的对比 ? O5O5O5a=3=20 ?\量蝌憾靼端?堪 Ii1M~15WIIiJLI?bIM~15lityJ1~0?jX,tl(JO(1IISSUeJn^』 比 颗租租_倥mm 图8麦麸最小携带流速理论值与试验值的对比 与预测值的对比情况.可以看出,5种物料的最小 携带流速与颗粒粒径的变化关系的理论预测曲 线和试验曲线总体变化趋势是完全一致的.对于 较大粒径的颗粒,其最小携带流速的预测值大于 试验值,且粒径越大,试验值与预测值的偏差越 大;对于较小粒径的颗粒,其预测值略小于试验 值;对于某一中间粒径的颗粒,其最小携带流速 的试验值与预测值吻合得相当好.之所以出现上 述试验结果,是由试验条件决定的.试验状态下 的生物质颗粒的密度较难测量,因为不同粒径的 生物质颗粒的构成存在一定差异,比如小粒径的 谷壳试验样品中,可能混杂有米蒂(密度较大), 所以需要比预测值更大的流化风量才能将掺杂 到谷壳中的米蒂带走;对于大粒径的谷壳,由于 其密度较小(小于米蒂的密度),试验值则远低于 预测值(因同一种生物质采用同样的密度值).另 外,由于最小携带流速的预测值是在假定颗粒为 圆球形的前提下得到的,在试验中,石英砂和生 物质不是绝对的球形,粒径越小,球形度越好,预 测值和试验值的吻合度也越好(如石英砂);粒径 越大,球形度越差,预测值与试验值的差异越大 (如谷壳,麦麸).因此,颗粒形状的不规则也是造 成最小携带流速试验值偏离理论值的主要原因 之一.生物质颗粒形状可能呈片状,椭球形,长条 形等,在筛分过程中,对于形状不规则的颗粒,只 要其最小一边正对标准筛的筛孔即有可能被筛 过,但事实上此种不规则颗粒的当量直径可能大 于筛孔的孔径,而理论分析采用的是颗粒的当量 直径,这也造成了大粒径颗粒的最小携带流速的 ? 理论值大于试验值.'对于大粒径片状颗粒,如果 气流方向垂直于其大的截面,则使颗粒带走所需 的风量较小:如果气流方向平行于其大的截面, 则所需最小流化风量较大.另外,我们从图4,8 的对比不难发现,石英砂最小携带流速的预测值 与试验值的偏差要小于其他4种生物质,这主要 是由于各种粒径的石英砂的形状相对较为规则. 对于大粒径的颗粒,预测值所采用的颗粒密度 (平均值)可能大于实际颗粒的堆积密度,使得实 际流量小于理论流量.形状不规则颗粒在气流作 用下可能会翻转,也会造成试验流量偏大. 需要指出的是,以上试验验证是在t=20oC, P=lxlo5Pa条件下进行的,并没有考虑流体密度 和流体粘度变化对最小携带流速的影响.事实 上,在生物质热解情况下,随着流体温度的升高, 流体的密度P减小,流体粘度增大,最小携带 流速将会减小. 4结论 ?理论分析表明,对于不同粒径的生物质颗 粒,最小携带流速均随颗粒密度的增大而增大, 近似成线性关系;粒径越大,最小携带流速随颗 粒密度的增加而增大的速度越快. ?试验表明,不管是石英砂还是各种生物质 粉,理论预测的最小携带流速随颗粒粒径的变化 趋势是正确的. ?试验样品颗粒球形度和不规则的形状,试 验样品的粒径的分散性,生物质颗粒的实际密度 偏离设定值等均会造成最小携带流速的试验值 与预测值之间的差异. ?本研究对于保证生物质充足的热解时间, 提高热解液化率和生物质热解液化热态试验的 顺利进行是十分关键的. 参考文献: 【1】董治国,王述洋.生物质快速热解液化技术的研究阴. 林业劳动安全,2004,17(1):l2一l4. 【2】欧阳洁,李静海,崔俊芝.颗粒轨道模型中相间耦合关 系及曳力计算的研究[J】.动力工程,2004,24(6):857— 862. 【3】欧阳洁,孙国刚,李静海.气固两相流模拟的随机离散 模型阴.数值计算与计算机应用,2003,(2):88—100. 【4】龙恩深,马校飞,王亮,等.生物质热解液化装置输料 系统特性试验研究[J].重庆建筑大学,2005,(6): 83-88.