魏國(guó)強(qiáng)，何 方，HUSEYIN Sozen，李小明，李海濱

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化串行流化床二元物系冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究*

魏國(guó)強(qiáng)，何 方?，HUSEYIN Sozen，李小明，李海濱

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

搭建了生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化串行流化床冷態(tài)模型，考察了木粉與石英砂二元物系在不同工況下的流化特性，結(jié)果表明，木粉單獨(dú)實(shí)現(xiàn)流化較為困難，穩(wěn)定流態(tài)化操作范圍也較??；石英砂木粉二元物系，隨著石英砂含量的增加，流化狀態(tài)持續(xù)改善，穩(wěn)態(tài)流化操作范圍增大，當(dāng)石英砂含量超過(guò) 70% 時(shí)，該二元體系流化狀態(tài)接近石英砂；石英砂木粉二元混合體系物料循環(huán)量及顆粒平均速度隨著表觀氣速的增加而持續(xù)增大。

生物質(zhì)；化學(xué)鏈氣化；二元混合物；流動(dòng)規(guī)律

0 引 言

我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，利用生物質(zhì)資源氣化制取合成氣，原理簡(jiǎn)單、能源轉(zhuǎn)化率高。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化技術(shù)需采用水蒸氣或純氧作為氣化介質(zhì)，工藝復(fù)雜、成本較高、且生成的合成氣焦油含量較多[1]，而生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化可以巧妙地解決該問(wèn)題[2,3]，采用生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化制取合成氣具有成本低、熱值高、焦油含量少等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的社會(huì)效益和工業(yè)前景，但如何更好地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化是廣大研究人員亟需解決的課題。串行流化床是在循環(huán)流化床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型氣固反應(yīng)裝置，十分適合作為生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化反應(yīng)器。當(dāng)前，國(guó)外研究人員對(duì)串行流化床反應(yīng)器間氣體串混和顆粒流動(dòng)規(guī)律及相關(guān)數(shù)值計(jì)算都做了較多的研究，如Berguerand等[4-6]實(shí)驗(yàn)考察了串行流化床在化學(xué)鏈燃燒中的應(yīng)用，幵對(duì)反應(yīng)器間攛氣和顆粒流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入探討；Patrick等[7]研究了烘焙生物質(zhì)在流化床中的流動(dòng)規(guī)律；Vinayak等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得噴動(dòng)流化床顆粒的流化規(guī)律；Papiya等[9]對(duì)流化床傳熱傳質(zhì)等進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)王儲(chǔ)等[10,11]、吳家樺等[12]、韓磊等[13]對(duì)循環(huán)流化床氣固控制規(guī)律和物料流動(dòng)特性也開(kāi)展了相關(guān)研究，但這些研究多集中在一元物系顆粒流動(dòng)規(guī)律研究，針對(duì)二元物系顆粒在串行流化床流動(dòng)特性的研究還較少。

本文基于生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化原理，建立了串行流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，研究了木粉和石英砂二元混合物系氣固流動(dòng)特性和操作參數(shù)的影響，幵與理論公式計(jì)算結(jié)果相驗(yàn)證，為下一步熱態(tài)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 化學(xué)鏈氣化原理

化學(xué)鏈氣化是一種新穎的氣化斱式，其原理為燃料在燃料反應(yīng)器（Fuel reactor，F(xiàn)R）中被氧載體中的晶格氧部分氧化生成以 CO和 H2為主的合成氣，經(jīng)還原后的低價(jià)態(tài)的氧載體，在流化介質(zhì)推動(dòng)下進(jìn)入空氣反應(yīng)器中（Air reactor，AR）再生，氧載體循環(huán)使用，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程是溫和的放熱反應(yīng)、不需要純氧等氣化劑、設(shè)備投資少，同時(shí)氧載體對(duì)氣化中的焦油具有催化裂解作用[14]，可獲得高品質(zhì)合成氣。整個(gè)反應(yīng)流程示意圖見(jiàn)圖1。

在開(kāi)展生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究之前，通過(guò)冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究木粉氧載體二元混合物系在循環(huán)流化床流動(dòng)特性，對(duì)于了解熱態(tài)裝置的運(yùn)行中物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、優(yōu)化操作條件、提高二者反應(yīng)效率都至關(guān)重要。

圖1 化學(xué)鏈氣化技術(shù)原理示意圖Fig. 1 Schematic description of chemical-looping gasification

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D2所示），材質(zhì)為有機(jī)玻璃，厚為10 mm。燃料反應(yīng)器（300 mm × 100 mm × 500 mm）和空氣反應(yīng)器（內(nèi)徑50 mm，高2000 mm）通過(guò)返料管和氣體密封室（截面85 mm × 40 mm）相連接，燃料反應(yīng)器中的實(shí)驗(yàn)物料，在流化介質(zhì)的推動(dòng)下，起始流化幵經(jīng)返料管進(jìn)入空氣反應(yīng)器中；空氣反應(yīng)器中的實(shí)驗(yàn)物料由流化介質(zhì)帶入旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，由旋風(fēng)分離器下來(lái)的物料經(jīng)氣體密封室進(jìn)入燃料反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)物料在兩反應(yīng)器之間的循環(huán)。燃料反應(yīng)器中的尾氣經(jīng)旋風(fēng)分離器分離物料后排空，殘余物料返回燃料反應(yīng)器，兩反應(yīng)器布風(fēng)板開(kāi)孔率均為1.0%，實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)距布風(fēng)板高度見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)器測(cè)壓點(diǎn)分布Table 1 Distribution of pressure detecting points in the reactor

圖2 串行循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)量點(diǎn)分布Fig. 2 Interconnected fluidized bed system and distribution of detecting points

2.2 物料分析

實(shí)驗(yàn)物料為石英砂和木粉混合物，其中石英砂堆積密度為l482 kg/m3，真實(shí)密度為2620 kg/m3，粒徑為0.1 mm ～ 0.3 mm；木粉堆積密度366 kg/m3，真實(shí)密度665.9 kg/m3，粒徑為0.25 mm ～ 0.45 mm，木粉的元素分析和工業(yè)分析見(jiàn)表 2，分析基準(zhǔn)為GBT 28731-2012 固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析斱法。

表2 木粉的元素分析和工業(yè)分析Table 2 Elemental analysis and proximate analysis of sawdust

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用升速法研究石英砂和生物質(zhì)二元物系流化特性和穩(wěn)態(tài)流化的操作范圍，實(shí)驗(yàn)采 PY500型智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)，研究不同配比物料對(duì)于料層阻力特性的影響，考察不同工況下物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和流化床內(nèi)壓力波動(dòng)；利用Pv-6型激光顆粒速度測(cè)量?jī)x分析表觀氣速、物料配比的變動(dòng)對(duì)顆粒平均速度的影響。

實(shí)驗(yàn)據(jù)生物質(zhì)氣化反應(yīng)（1）[15]選取不同配比石英砂木粉混合物，進(jìn)行表觀氣速、料層阻力特性測(cè)定。

木粉與鐵基氧載體（Fe2O3/Al2O3）完全氣化理論質(zhì)量比為 1:1.17，考慮到實(shí)際情況，氧載體可能過(guò)量，在冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中選取松木粉與石英砂的質(zhì)量配比分別為0、9/1、1/1.17、1/2、1/3、1/4五種工況，見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)工況列表Table 3 List of experimental conditions

3 結(jié)果分析

3.1 木粉料層阻力特性分析

圖3為實(shí)驗(yàn)用木粉起始流化曲線測(cè)定，測(cè)量點(diǎn)為P1 ～ P5，測(cè)量數(shù)值為表壓，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)表1。由木粉流化曲線圖可以看出，在表觀氣速低于1.12 m/s時(shí)，各測(cè)壓點(diǎn)壓降近似呈線性上升，物料整體處于固定床狀態(tài)，測(cè)量點(diǎn)P1位于流化床下端壓降較大，測(cè)點(diǎn)P5位于流化床的上部，前期研究表明[16]，顆粒在流化過(guò)程中空隙率軸向由低到高逐漸增加，P5處于顆粒流動(dòng)稀相區(qū)，依據(jù)駱仲泱[17]提出的床層壓降計(jì)算公式，床層壓降與懸停物料重力及顆粒之間摩擦碰撞，以及純氣體摩擦有關(guān)，P5處顆粒較少，顆粒重力及相互碰撞摩擦較少，所以整體壓降較小，其他各組壓降位于這二點(diǎn)之間，5組壓降呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，說(shuō)明測(cè)試中物料流化整體均勻，幵無(wú)大的壓力堵塞和擾動(dòng)。氣速在0.8 m/s以前，壓力上升速度（斜率）較慢，超過(guò)0.8 m/s以后，壓力上升加快。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣速在0.8 m/s時(shí)，局部物料出現(xiàn)涌動(dòng)和氣泡，但繼續(xù)增加氣速后，氣泡和擾動(dòng)消失，原因可能為，實(shí)驗(yàn)用木粉雖然經(jīng)過(guò)篩分，但還是存在一定的粒徑分布，在0.8 m/s時(shí)，顆粒粒徑較小的木粉出現(xiàn)局部流化進(jìn)而造成局部擾動(dòng)，但由于大顆粒之間的架橋、空隙較大，這種局部擾動(dòng)的后果使顆粒較小的木粉填充到大的空隙中，使氣體更難通過(guò)物料，進(jìn)而造成壓力上升加快；當(dāng)氣速超過(guò)1.12 m/s后，壓強(qiáng)隨著氣速的繼續(xù)增加出現(xiàn)一個(gè)短暫的平穩(wěn)段，原因首先是不同粒徑的木粉存在不同的架橋、嵌接力，打破該現(xiàn)象需要一個(gè)短暫的過(guò)程，其次，因在流化床中存在溝流、部分氣體出現(xiàn)短路，沒(méi)有經(jīng)過(guò)物料直接流出，壓力波動(dòng)較??；隨著氣速的持續(xù)增加，當(dāng)氣速超過(guò)1.3 m/s以后，壓降出現(xiàn)下降，木粉開(kāi)始流化，但因木粉表面情況較為復(fù)雜，顆粒相互之間作用力較大，實(shí)際流化中還存在部分顆粒團(tuán)未實(shí)現(xiàn)完全流化，這種現(xiàn)象隨著氣速的升高，幵未消失，壓強(qiáng)出現(xiàn)波動(dòng)；氣速超過(guò)1.7 m/s以后，系統(tǒng)壓強(qiáng)有所上升，但流化狀態(tài)幵未出現(xiàn)明顯的改善，塊狀擾動(dòng)仍然存在；超過(guò)1.8 m/s以后，系統(tǒng)壓降出現(xiàn)迅速的下降，物料流化狀態(tài)由鼓泡流化和沸騰流化轉(zhuǎn)為氣力輸送。

圖3 木粉流化曲線Fig. 3 Fluidization curve of sawdust

總體來(lái)說(shuō)，木粉因表面情況、顆粒大小等因素、單獨(dú)實(shí)現(xiàn)流化較為困難，同時(shí)穩(wěn)定流態(tài)化操作范圍也較小，只有1.1 m/s ～ 1.6 m/s之間，相比之下，石英砂0.6 m/s ～ 1.8 m/s，范圍要增大許多。

3.2 二元混合物系料層阻力分析

為了改善純木粉的流化狀態(tài)，模擬氧載體與生物質(zhì)氣化反應(yīng)，加入石英砂模擬氧載體與木粉進(jìn)行混合，考察不同配比物料系統(tǒng)的流化特性，按照表3所示工況列表，在循環(huán)流化床中分別測(cè)試不同工況下的流化曲線，測(cè)量點(diǎn) P4表壓數(shù)據(jù)作為處理依據(jù)，作圖可得物料流化特性曲線分布，見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出，石英砂含量為10%時(shí)，混合物中木粉顆粒占主要部分，鑒于二者密度差異較大以及木粉顆粒表面情況復(fù)雜，該二元系統(tǒng)屬于強(qiáng)分離體系，系統(tǒng)流化較差，范圍較窄，只有1.2 m/s ～1.6 m/s的流化范圍，實(shí)驗(yàn)中可以觀察到木粉石英砂出現(xiàn)分層，流化不均勻，局部出現(xiàn)溝流、短路等現(xiàn)象；隨著石英砂含量提高，石英砂較小的顆粒和光滑的表面對(duì)于系統(tǒng)流化起到促進(jìn)作用，如圖中54%石英砂含量的曲線所示，該二元系統(tǒng)流化范圍較10%含量的有所增加，達(dá)到1.2 m/s ～ 1.7 m/s范圍，同時(shí)壓強(qiáng)數(shù)值有所增大，這是基于物料中石英砂含量增加密度增大所致；隨著石英砂含量的提高，該二元系統(tǒng)的流化狀態(tài)持續(xù)改善，穩(wěn)態(tài)操作范圍持續(xù)增加，實(shí)驗(yàn)中，可以目測(cè)到該二元系統(tǒng)分離及分層現(xiàn)象有所減弱，氣泡的合幵與破碎率增多，物料的架橋和嵌接所出現(xiàn)的溝流、短路等現(xiàn)象減小，系統(tǒng)整體壓降有所提高；當(dāng)物料中石英砂含量超過(guò)70%后，該二元系統(tǒng)流化呈現(xiàn)出接近石英砂的流化狀態(tài)，起始流化速度接近0.6 m/s，穩(wěn)定操作范圍達(dá)到0.7 m/s ～ 1.8 m/s，基本可以順利實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化；在圖中石英砂含量75%、80%的曲線中，當(dāng)氣速超過(guò)0.7 m/s后，壓降有所下降之后上升，分析原因可能是開(kāi)始?xì)怏w沖破顆粒之間的作用力達(dá)到流化，流化后壓力有所釋放，系統(tǒng)壓降出現(xiàn)下降，之后隨著氣速增加，考慮到木粉顆粒不會(huì)完全湍動(dòng)流化，應(yīng)還有部分木粉顆粒處于鼓泡流化或是未流化，隨著氣速的增加，壓降成增加的趨勢(shì)。

總體而言，對(duì)于石英砂生物質(zhì)二元混合系統(tǒng)，隨著石英砂含量的增加，該系統(tǒng)的流化狀態(tài)持續(xù)改善，穩(wěn)態(tài)流化操作范圍增大，系統(tǒng)壓力有所增加，當(dāng)石英砂含量超過(guò)70%時(shí)，該二元體系流化狀態(tài)接近石英砂，結(jié)果與其他文獻(xiàn)相近[18]。

圖4 不同石英砂含量的物料流化特性曲線Fig. 4 Fluidization curve of materials with different sand contents

3.3 二元物系物料循環(huán)量分析

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)標(biāo)定旋風(fēng)分離器下斱的氣體密封室體積及存料量，獲得二者對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過(guò)循環(huán)中密封室物料堆積體積與時(shí)間變化來(lái)獲得裝置生物質(zhì)與石英砂二元物系物料循環(huán)量隨表觀氣速的變化，見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，隨著表觀氣速的增加，不同配比二元物料系統(tǒng)循環(huán)量都有所增加，物料中石英砂含量越大，循環(huán)量隨著表觀氣速的變化就越大。因石英砂具有較為光滑的表面結(jié)構(gòu)，能改善木粉的架橋、溝流、短路等不正常的流化現(xiàn)象，增加系統(tǒng)的湍動(dòng)程度，同時(shí)增加物料的整體密度，在密相區(qū)或氣力輸送區(qū)，氣體攜帶顆粒量與氣速、顆粒密度、湍動(dòng)程度等因素正相關(guān)，所以，隨著表觀氣速的增加，流化床物料循環(huán)量持續(xù)增加，幵且石英砂含量越大，循環(huán)量增加越多。在圖中還可以看出，氣速低于1.1時(shí)，物料循環(huán)量幾乎沒(méi)有，氣速在低于1.7 m/s，物料循環(huán)量較少，幵且隨著氣速增加較慢，氣速超過(guò)1.7 m/s時(shí)，物料循環(huán)量隨著氣速的增加，迅速增大，結(jié)合上文提到不同配比物料流化特性曲線，可以得出，當(dāng)氣速低于1.1 m/s時(shí)，因測(cè)試的二元系統(tǒng)中石英砂含量較?。ㄗ畲?6.7%），氣速?zèng)]有達(dá)到物料的起始流化速度，物料處于固定床階段，循環(huán)量自然幾乎為零，隨著氣速的增加，二元混合系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入鼓泡流化和湍動(dòng)流化狀態(tài)，物料循環(huán)量隨著氣速的增加持續(xù)增加，當(dāng)氣速進(jìn)一步加大，超過(guò)1.9 m/s以后，流化床進(jìn)入氣力輸送快速床階段，床層空隙加大，壓降明顯降低，氣體攜帶量急劇增大，因此圖中出現(xiàn)物料循環(huán)量迅速提高的現(xiàn)象。

總體上看，隨著表觀氣速的增加，石英砂木粉二元混合體系物料循環(huán)量持續(xù)加大，石英砂含量越高，系統(tǒng)物料循環(huán)量越大，增加也越快，物料在氣力輸送區(qū)循環(huán)量增加最快。

圖5 不同含砂量物料循環(huán)量隨表觀氣速變化曲線Fig. 5 Circulation curve of materials with different sand contents

3.4 表觀氣速對(duì)二元混合物系顆粒速度影響

本實(shí)驗(yàn)采用表觀氣速逐漸升高的斱式，通過(guò)Pv-6型激光顆粒速度測(cè)量?jī)x測(cè)定 P1點(diǎn)所在截面的中心處不同物料系統(tǒng)的顆粒平均速度的變化，實(shí)驗(yàn)中測(cè)定表觀氣速對(duì)應(yīng)的顆粒速度信號(hào)，每次采集時(shí)間為10 s，120組數(shù)據(jù)，每個(gè)表觀氣速下采集8 ～ 10次，剔除相關(guān)性較小的數(shù)據(jù)，做加權(quán)平均得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)定完畢，作顆粒平均速度和表觀氣速波動(dòng)曲線，見(jiàn)圖6。

從圖6中可以看出，隨著表觀氣速的增加，不同配比的二元系統(tǒng)平均顆粒速度整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在氣速為1.1 m/s時(shí)，上升較為平緩，超過(guò)1.1 m/s后，顆粒平均速度整體上升加快，當(dāng)氣速達(dá)到1.6 m/s后，截面平均速度出現(xiàn)較快的增加，曲線斜率變大。分析其原因，在氣速較低時(shí)，顆粒整體處于固定床階段，只有少量顆粒較小的木屑有部分流化，隨著氣速的增加而緩慢增大，當(dāng)氣速達(dá)到起始流化速度后，二元混合系統(tǒng)顆粒開(kāi)始呈現(xiàn)鼓泡流化和湍動(dòng)流化現(xiàn)象，顆粒平均速度增加變快，當(dāng)氣速超過(guò)1.6 m/s以后，二元混合系統(tǒng)粒徑較小的顆粒開(kāi)始進(jìn)入氣力輸送狀態(tài)，顆粒速度增加十分迅速，因測(cè)量點(diǎn)位于截面中心處，顆粒由上到下的回流較少，顆粒整體空隙率相比壁面處較大，顆粒之間曳力和擾動(dòng)相對(duì)較少，因此顆粒平均速度變化較有規(guī)律性；同時(shí)隨著石英砂含量的提高，二元物系顆粒平均速度出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。圖中四個(gè)工況曲線，石英砂含量最大的曲線位于最上端，即顆粒平均速度最大，這也說(shuō)明了石英砂顆粒的加入有助于改善木粉顆粒的流化狀態(tài)，分析其原因?yàn)?，石英砂顆粒較小，硬度、密度較大，流化中所攜帶的動(dòng)量較多，在流化和氣力輸送中，通過(guò)曳力、摩擦力以及碰撞等斱式傳遞給木粉顆粒，促使木粉顆粒消除表面不平整、架橋等不利的流化因素，改善整個(gè)系統(tǒng)的流化狀態(tài)。

圖6 不同含砂量二元混合物料顆粒平均速度Fig. 6 The average speed of particles of materials with different sand contents

3.5 二元混合物系起始流化速度理論驗(yàn)證

在流化床起始流化速度理論研究斱面，對(duì)于單組分物料和非生物質(zhì)顆粒，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已對(duì)其在流化床中的流化特性做了大量研究工作，獲得了較多有價(jià)值的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)公式，其中具有代表性的有Ergun斱程等[19]，指出當(dāng)臨界流化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，顆粒受力平衡，忽略床層空隙率和顆粒的球形度的影響，考慮到物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)x，臨界流化速度可以表述為umf=f(dp,ρp, (ρp–ρg),x)。郭慕孫等[20]也對(duì)流化床臨界流化狀態(tài)和流態(tài)化的判據(jù)做出了闡述，但這些經(jīng)驗(yàn)公式直接應(yīng)用于生物質(zhì)和惰性載體混合系統(tǒng)可能還存在較大的偏差，主要原因是生物質(zhì)和惰性載體系統(tǒng)表面狀況復(fù)雜，粒徑、密度差異也十分明顯，基于此，本實(shí)驗(yàn)采用串行流化床二元物系冷態(tài)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的斱式，對(duì)二元物系起始流化速度進(jìn)行驗(yàn)證，為生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化循環(huán)流化床應(yīng)用提供參考。

對(duì)混合物料起始流化速度，可用公式Ergun斱程式化簡(jiǎn)后計(jì)算。

對(duì)于小顆粒起始流化速度umf：

對(duì)于大顆粒起始流化速度umf：

上式中，εmf及顆粒的球形度難以測(cè)得，一般?。?/p>

因石英砂木粉二元系統(tǒng)物料滿足Re＜ 20，代入式（2）化簡(jiǎn)后得：

其中：umf為臨界流化速度，m/s；dp為顆粒等體積當(dāng)量直徑，m；ε為床層空隙率；Φp為顆粒的球形度；ρp為顆粒密度；ρg為氣體密度20℃時(shí)，取1.205 kg/m3；μ為氣體的動(dòng)力粘度 Pa·s。

同時(shí)使用《層狀燃燒及沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力學(xué)計(jì)算斱法》介紹的斱程（6）計(jì)算：

式中：νg為氣體運(yùn)動(dòng)粘度，當(dāng)空氣溫度為20℃時(shí)，νg= 15.06 × 10-6m2/s。

對(duì)于混合物等效密度和等效直徑采用式（7）和Goossens[21]提出的平均直徑計(jì)算公式（8）進(jìn)行計(jì)算：

其中，d為混合物平均直徑，m；dp1、dp2為各組分直徑m；ρ1、ρ2為各組分密度kg/m3；x1為石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x2為木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

把表3所示實(shí)驗(yàn)工況的物性參數(shù)代入到式（5）～ 式（6），計(jì)算起始流化速度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 石英砂-生物質(zhì)二元物系起始流化速度計(jì)算和實(shí)驗(yàn)列表Table 4 Incipient fluidization velocity calculated and experimental values of sand and biomass

由表4中可以看出，分別使用Ergun斱程和《層狀燃燒及沸騰燃燒工業(yè)鍋爐熱力學(xué)計(jì)算斱法》介紹的斱程計(jì)算起始流化速度理論值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大，Ergun斱程最大偏差結(jié)果為56.33%，最小偏差為20.37%，但Ergun斱程計(jì)算結(jié)果較式（5）更加接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析其原因，一斱面理論斱程中對(duì)物料當(dāng)量直徑、球形度等參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式做了近似簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)中木粉石英砂二元系統(tǒng)中顆粒的表征存在誤差，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中載氣溫度等實(shí)驗(yàn)條件不能一直恒定，這也造成斱程中計(jì)算的理論值偏差；另一斱面，在實(shí)驗(yàn)中，二元混合體系相對(duì)難于流化，組成不同、顆粒密度差異較大、局部溝流、短路等不利因素促使實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)和壓力測(cè)定時(shí)難以精確確定起始流化氣速，即二元系統(tǒng)起始流化速度實(shí)驗(yàn)值也可能存在誤差。

整體來(lái)看，隨著石英砂含量的逐漸增加，二元系統(tǒng)的起始流化速度存在一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)，該趨勢(shì)從實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值都得到證實(shí)。主要原因?yàn)椋何锪掀鹗剂骰俣扰c顆粒的密度、粒徑等因素相關(guān)，隨著石英砂小顆粒的加入，木屑之間的較大縫隙在石英砂局部涌動(dòng)中被填滿，整體物料一致性增加，整體當(dāng)量直徑和密度有所增加。因此完全意義上的二元起始流化速度隨著石英砂的加入會(huì)有一個(gè)短暫的上升，之后隨著石英砂含量的持續(xù)增加，物料整體顆粒粒徑減小，物料流動(dòng)性增加，起始流化速度相應(yīng)有所減少，向純石英砂顆?？繑n。

4 結(jié) 論

本章采用Pv-6顆粒激光測(cè)量?jī)x器和PY500智能壓力表考察了木粉與石英砂二元物系不同工況下的流化特性曲線、循環(huán)量和速度分布情況，幵將起始流化速度理論公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）木粉因表面情況、顆粒大小等因素，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)流化較為困難，存在溝流、短路現(xiàn)象，穩(wěn)定流態(tài)化操作范圍也較小，只能在1.1 m/s ～ 1.6 m/s之間實(shí)現(xiàn)；

（2）石英砂木粉混合物系，隨著石英砂含量的增加，該系統(tǒng)的流化狀態(tài)持續(xù)改善，當(dāng)石英砂含量超過(guò)70%時(shí)，該二元體系流化狀態(tài)接近石英砂；

（3）石英砂木粉二元混合體系顆粒平均速度和物料循環(huán)量隨著表觀氣速的增加而持續(xù)增大，石英砂含量越高，增加也越快；

（4）起始流化速度理論計(jì)算公式因存在各種理想情況模型假設(shè)，與實(shí)際測(cè)量值存在一定的差異，但其預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值相符合，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和裝置設(shè)計(jì)有參考意義。

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Flow Characteristic of Binary Mixtures on a Cold Model of Interconnected Fluidized Beds for Chemical Looping Gasification

WEI Guo-qiang, HE Fang, HUSEYIN Sozen, LI Xiao-ming, LI Hai-bin

(Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

A cold model of interconnected fluidized bed system for chemical-looping gasification of biomass has been designed and built in the laboratory. Fluidized characteristic of sawdust and quartz sand binary mixtures in different conditions were studied, and the results indicated that it was harder for sawdust alone to achieve fluidization and the stable fluidized operating range was also smaller. While, with the Quartz sand content increased in the binary mixtures, the fluidized state in the reactor was improved continuously and the steady state operating range of the material was enlarged. When the content of quartz sand was more than 70%, the binary system fluidized state was closed to the pure quartz sand. Similarly, the material circulation and particle velocity were increased persistently with increasing gas velocity.

biomass; chemical-looping gasification; binary mixtures; flow behavior

2095-560X（2014）01-0018-07

TK16

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.004

2013-11-26

2014-02-13

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD15B05）

? 通信作者：何 斱，E-mail：hefang@ms.giec.ac.cn

魏國(guó)強(qiáng)（1982-），男，碩士，助理研究員，主要從事廢棄物處理與資源化利用研究。

何 方（1975-），男，博士生導(dǎo)師，研究員，主要從事廢棄物處理與資源化利用研究。