徐貴玲，李夢(mèng)慧，盧 平

?

烘焙林業(yè)廢棄物生物質(zhì)與煤粉不同配比混合顆粒的流化特性

徐貴玲，李夢(mèng)慧，盧 平

（江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，南京 210042）

為考察烘焙林業(yè)廢棄物生物質(zhì)與煤粉二元混合物的流化特性，在自行搭建的流化試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行不同質(zhì)量配比的烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒系統(tǒng)的流化試驗(yàn)，獲得該系統(tǒng)的流化特性曲線，并在此基礎(chǔ)上確定二元混合顆粒的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度等特征速度，進(jìn)而獲得“組分-特征速度”的相平衡圖，探討烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0，20%，40%，60%，80%和100%）對(duì)二元混合顆粒流化特性的影響規(guī)律，并提出了預(yù)測(cè)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明，煤粉顆粒與烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化時(shí)，流化曲線可以劃分為4個(gè)區(qū)域：I固定床區(qū)域，II過渡區(qū)域，III起始流化區(qū)域和IV完全流化區(qū)域。完全流化區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化床層比壓降值的大小依次為：無(wú)煙煤1（0.90）>無(wú)煙煤2（0.86）>烘焙生物質(zhì)1（0.84）>烘焙生物質(zhì)2（0.53），流化質(zhì)量依次變差。烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的流化曲線與其單組分顆粒的流化曲線近似，但區(qū)域II和III所對(duì)應(yīng)的氣速的范圍明顯縮小。隨著烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，完全流化區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化床層比壓降值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，混合顆粒的流化質(zhì)量逐漸變差，起始流化速度先增大后減小，完全流化速度先減小后增大，最小流化速度逐漸減小。不同特征速度對(duì)應(yīng)著不同流化階段間的過渡，通過流化氣速所處的區(qū)間并結(jié)合“組分-特征速度”相平衡圖，可以對(duì)二元混合顆粒所處的流化狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，并可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用需要對(duì)操作流化氣速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。該文所獲得的不同配比烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒最小流化速度經(jīng)驗(yàn)公式可以在–25%～+20%的誤差范圍內(nèi)對(duì)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的最小流化速度進(jìn)行較好地預(yù)測(cè)。研究結(jié)果可為生物質(zhì)與煤流化床共氣化工藝中的氣化爐等相關(guān)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

生物質(zhì)；煤；速度；二元混合顆粒；流化特性

0 引 言

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源非常豐富，基于生物質(zhì)資源的可再生性及其利用過程中的碳平衡性，將生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為能源并加以利用的工藝極具開發(fā)潛力[1]。目前，生物質(zhì)與煤流化床共氣化技術(shù)不僅是煤炭高效清潔利用的新技術(shù)，而且為生物質(zhì)能的大規(guī)模高效利用提供了新的途徑，近年來(lái)受到研究者們的廣泛關(guān)注[2-3]。研究表明[4-5]，氣化原料的有效流化可以促進(jìn)氣固兩相的傳熱、傳質(zhì)以及提高化學(xué)反應(yīng)速率。因此，研究生物質(zhì)與煤二元混合物料的流化特性對(duì)于流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。生物質(zhì)原料在經(jīng)過破碎加工處理之后所形成的顆粒形狀非常不規(guī)則，當(dāng)量直徑相差較大，加上生物質(zhì)的密度一般較小，水分含量較高，在流化過程中容易產(chǎn)生溝流、節(jié)涌和架橋等現(xiàn)象，很難單獨(dú)流化[6]。為了改善生物質(zhì)顆粒的流化特性，研究者們通常向生物質(zhì)顆粒中加入易于流化的惰性物質(zhì)（如河砂、石英砂、玻璃珠、爐渣等）構(gòu)成二元混合顆粒系統(tǒng)[7-11]。朱錫鋒等[12]針對(duì)木粉和稻殼顆粒的流化特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，木粉雖然可以流化，但其流化范圍很窄，而稻殼顆粒則幾部完全不可流化；添加惰性載體砂子后，木粉和稻殼顆粒的流化特性均趨于變好，且砂子所占比例越高，混合顆粒越易流化。郭慶杰等[13]同樣研究發(fā)現(xiàn)，純鋸末顆粒在流化床中不能流化，加入惰性固體顆粒構(gòu)成鋸末/玻璃珠、鋸末/沙子雙組分混合物可實(shí)現(xiàn)流化，并研究了不同粒徑、不同配比混合物的流化規(guī)律。Zhong等[14]在矩形截面生物質(zhì)流化床上考察了生物質(zhì)顆粒形狀以及流化床截面尺寸對(duì)5種不同生物質(zhì)以及生物質(zhì)與惰性床料（石英砂、氧化鋁等）二元混合物的流化特性。將生物質(zhì)與煤共氣化，一方面，煤顆粒起到了惰性粒子的作用，另一方面，煤和生物質(zhì)在物理特性和氣化特性上有許多互補(bǔ)性，然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒流化特性的研究相對(duì)較少[15-17]，關(guān)于烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒流化特性的研究鮮有涉及。Rousset等[18]比較了生物質(zhì)物料烘焙處理前后的流化特性，并指出通過烘焙處理也可以改善生物質(zhì)顆粒的流化特性，烘焙生物質(zhì)顆粒可以呈現(xiàn)出類似干煤粉顆粒的流化行為。因此，用烘焙生物質(zhì)替代原生生物質(zhì)，與煤粉混合構(gòu)成二元混合物，將有利于氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及改善相關(guān)氣化指標(biāo)[19]，有必要針對(duì)烘焙生物質(zhì)顆粒及其與煤粉二元混合顆粒的流化特性開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

在粉體物料的流化特性研究中，流化床中的顆粒通過自身的物性參數(shù)（如顆粒密度、尺寸和形狀等）影響流化質(zhì)量，其中，最小流化速度是流態(tài)化相關(guān)工藝設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，建立預(yù)測(cè)最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外研究者們已經(jīng)針對(duì)單組分顆粒的最小流化速度開展了大量的理論和試驗(yàn)研究，提出了許多預(yù)測(cè)和計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式[10, 20]。對(duì)于二元混合顆粒流態(tài)化系統(tǒng)，涉及到顆粒密度差、粒徑比以及混合比例等因素，其臨界流化狀態(tài)及最小流化速度的確定變得很復(fù)雜[21-23]。有些研究者提出將二元流化系統(tǒng)顆粒的物性平均化，再結(jié)合Ergun方程和Wen & Yu公式[24]，通過試驗(yàn)得到阿基米德準(zhǔn)則數(shù)和臨界雷諾數(shù)的關(guān)系，從而獲得二元混合顆粒最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式[4, 21, 25]。然而，現(xiàn)有的研究也主要涉及對(duì)生物質(zhì)和惰性物質(zhì)二元混合顆粒最小流化速度的預(yù)測(cè)，對(duì)于烘焙生物與煤粉二元混合顆粒最小流化速度經(jīng)驗(yàn)公式的研究更是鮮有報(bào)道。

本文以淮北無(wú)煙煤煤粉和經(jīng)過烘焙預(yù)處理的林業(yè)廢棄生物質(zhì)為試驗(yàn)原料，利用自行搭建的流化試驗(yàn)裝置，對(duì)不同質(zhì)量配比的烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒系統(tǒng)進(jìn)行了冷態(tài)下流化試驗(yàn)研究，獲得了該二元混合顆粒系統(tǒng)的流化特性曲線，并由此確定二元混合顆粒的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度等特征速度，重點(diǎn)考察了烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)二元混合顆粒系統(tǒng)流化特性的影響規(guī)律，并在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測(cè)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式，旨在從生物質(zhì)與煤粉二元混合物質(zhì)量配比以及操作流化氣速的合理選取等方面為流化床氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料和試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)原料

本文采用淮北無(wú)煙煤（Huaibei anthracite，HBA）和經(jīng)過烘焙處理的生物質(zhì)（林業(yè)廢棄物木屑，詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[26]，烘焙條件：在常壓（0.101 3 MPa）無(wú)氧條件下，以10 ℃/min的升溫速率升至300 ℃并保溫45 min）（torrefied biomass，TB）為試驗(yàn)原料。試驗(yàn)前將無(wú)煙煤和烘焙生物質(zhì)經(jīng)粉碎處理，分別制得粒徑不同的兩組試驗(yàn)樣品，其物性參數(shù)如表1所示。其中，顆粒密度采用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的PoreMaster 60全自動(dòng)壓汞儀測(cè)得，堆積密度根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《粉塵物性試驗(yàn)方法》（GB/T 16913-2008）測(cè)得。試驗(yàn)原料其他物性參數(shù)的測(cè)試方法、粒度分布及掃描電鏡照片詳見參考文獻(xiàn)[27]。將無(wú)煙煤1和2分別與烘焙生物質(zhì)1和2進(jìn)行混合，配置不同質(zhì)量配比的混合物，烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、20%、40%、60%、80%和100%。保證初始床層高度120 mm在試驗(yàn)過程中，先將烘焙生物質(zhì)/煤粉混合物試樣在105 ℃下干燥2 h，以排除含水率對(duì)混合物料流化特性的影響。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

流化試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括有機(jī)玻璃流化裝置、U型管壓差計(jì)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、除濕器和氮?dú)馄?。其中，有機(jī)玻璃流化裝置高720 mm，內(nèi)徑為50 mm，其中風(fēng)室高110 mm。流化介質(zhì)由氮?dú)馄刻峁?，氮?dú)鈴娘L(fēng)室經(jīng)多孔布風(fēng)板對(duì)物料進(jìn)行流化，布風(fēng)板的厚度和直徑分別為10和160 mm，在直徑為50 mm的有效開孔范圍內(nèi)開有81個(gè)直徑為1 mm的小孔，開孔率為3.24%。為了防止物料顆粒堵塞小孔，在布風(fēng)板上部放置若干層孔徑為20m的濾網(wǎng)以細(xì)化通氣孔徑，使布風(fēng)更加均勻。流化裝置上布置有2個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，一個(gè)位于風(fēng)室處，另一個(gè)位于流化裝置的出口附近，采用1 m長(zhǎng)的U型管差壓計(jì)記錄試驗(yàn)過程中的差壓值，U型管中的測(cè)壓介質(zhì)為水。流化裝置頂部布置有細(xì)金屬篩網(wǎng)以防止細(xì)顆粒在流化過程中被流化風(fēng)帶出。

表1 試驗(yàn)原料物性參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)從有機(jī)玻璃流化裝置頂部緩慢加入試驗(yàn)物料，使其處于自然堆積狀態(tài)，逐步增大流化風(fēng)量，待床層物料達(dá)到充分流化后（即床層壓降基本不再隨流速改變），再逐步減小流化風(fēng)量，在調(diào)節(jié)流化風(fēng)量的過程中，保持某一流化風(fēng)流量5 min，記錄對(duì)應(yīng)的流化床總壓降。由于布風(fēng)板阻力的影響，需先測(cè)出空床時(shí)不同流化風(fēng)量下的壓降，即空床壓降。用流化床總壓降減去空床壓降即可獲得床層壓降。將流化風(fēng)量經(jīng)校正后計(jì)算床層表觀氣速，即可獲得上行（升速）和下行（降速）的床層壓降-氣速曲線，進(jìn)而可確定該顆粒床層的最小流化速度以及各種流化狀態(tài)[28]。

圖2所示為典型的床層壓降-氣速曲線。采用升速法所獲得的床層壓降-氣速曲線由于顆粒系統(tǒng)的遲滯效應(yīng)而帶有任意性[24]，研究表明[28]，沿降速方向操作，可以避免沿升速方向操作時(shí)所呈現(xiàn)的壓降鼓泡現(xiàn)象。因此，本文采用降速法獲得的床層壓降-氣速曲線來(lái)研究物料的流化特性。將固定床區(qū)域床層壓降-氣速曲線OA延長(zhǎng)至與完全流化區(qū)域床層壓降-氣速曲線BC相較于B點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為最小流化速度（mf），或者稱為臨界流化速度，認(rèn)為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是物料的臨界流化狀態(tài)。為了進(jìn)一步比較不同工況下床層物料流化狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)化床層比壓降p表征床層物料的流化質(zhì)量，可按下式進(jìn)行計(jì)算[29]：

式中D為床層壓降，Pa；為床層截面積，m2；為床層中流化顆粒的總質(zhì)量，kg；為重力加速度，m/s2。當(dāng)p=1時(shí)，表示床層處于最理想的流化狀態(tài)；當(dāng)床層壓降進(jìn)入不再隨氣速變化的區(qū)域后，若床層流化質(zhì)量很差時(shí)，如發(fā)生崩裂、溝流或者騰涌現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致p的值顯著降低[17,29]。

注：mf為最小流化速度；A為起始流化狀態(tài)；B為臨界流化狀態(tài)；C為完全流化狀態(tài)。

Note:mfis minimum fluidization velocity; A is beginning fluidization state; B is critical fluidization state; C is complete fluidization state.

圖2 典型的床層壓降-氣速曲線

Fig.2 Typical bed pressure drop – gas velocity curve

1.3 試驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理

對(duì)于粒徑較大的無(wú)煙煤1和烘焙生物質(zhì)1的單獨(dú)流化試驗(yàn)，流化風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為0.6～6 L/min，并以 0.2 L/min的變化速率調(diào)節(jié)流化風(fēng)量，對(duì)應(yīng)的流化風(fēng)速范圍為0.51～5.10 cm/s；對(duì)于粒徑較小的無(wú)煙煤2和烘焙生物質(zhì)2的單獨(dú)流化試驗(yàn)，流化風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為0.3～ 3 L/min，并以0.1 L/min的變化速率調(diào)節(jié)流化風(fēng)量，對(duì)應(yīng)的流化風(fēng)速范圍為0.25～2.55 cm/s；對(duì)于烘焙生物質(zhì)與無(wú)煙煤混合物的流化試驗(yàn)，流化風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為0.6～4.4 L/min，并以0.2 L/min的變化速率調(diào)節(jié)流化風(fēng)量，對(duì)應(yīng)的流化風(fēng)速范圍為0.51～3.74 cm/s。每組流化試驗(yàn)按照相同的操作步驟重復(fù)3次以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。下文中標(biāo)準(zhǔn)化床層比壓降p為3次試驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤粉顆粒與烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化特性

本文研究的煤粉和烘焙生物質(zhì)均屬于寬篩分的物料，顆粒粒徑分布范圍較廣，且顆粒的形狀不規(guī)則，顆粒表面較為粗糙，當(dāng)物料處于完全流化區(qū)域時(shí)，顆粒在流化的過程中也容易發(fā)生分離，其流化狀態(tài)與理想的流化狀態(tài)仍有一定偏差，故對(duì)應(yīng)的p的值會(huì)小于1。圖3和圖4所示分別為煤粉顆粒與烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化時(shí)的流化曲線。由圖可以看出，隨著氣速的降低，煤粉顆粒與烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化曲線可以劃分為4個(gè)區(qū)域，即流化過程可分為4個(gè)階段。在IV區(qū)，即當(dāng)>cf時(shí)，床層壓降基本不隨氣速的變化而變化，整個(gè)床層物料處于完全流化狀態(tài)，因此，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是完全流化速度（cf），IV區(qū)為完全流化區(qū)域；當(dāng)

注：ubf為起始流化速度；umf為最小流化速度；ucf為完全流化速度；I為固定床區(qū)域；II為過渡區(qū)域；III為起始流化區(qū)域；IV為完全流化區(qū)域，下同。

圖4 烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化曲線

通過比較不同粉體物料在完全流化區(qū)域的p值也定量地比較其流化質(zhì)量[29]。由圖3和圖4還可以看出，4種不同物料顆粒單獨(dú)流化時(shí)，在完全流化區(qū)域的p值的大小依次為：無(wú)煙煤1（0.90）>無(wú)煙煤2（0.86）>烘焙生物質(zhì)1（0.84）>烘焙生物質(zhì)2（0.53）。Leturia等[29]研究表明，粉體物料顆粒間黏附力越大，p的值偏離1的程度越大。同時(shí)，粉體物料的粒徑分布范圍越廣，p的值偏離1的程度也越大[30]。作者前期研究表明[27]，4種原料的Carr流動(dòng)性指數(shù)及流動(dòng)性從大至小依次為：無(wú)煙煤1>無(wú)煙煤2>烘焙生物質(zhì)1>烘焙生物質(zhì)2。其中，烘焙生物質(zhì)2的流動(dòng)性屬于非常差（bad）的范疇，顆粒間的黏附力最大，且其粒徑分布范圍最廣，因此，p的值偏離1的程度最大，僅為0.53。由于烘焙生物質(zhì)2黏性非常強(qiáng)，流動(dòng)性很差，在試驗(yàn)過程中，可以通過有機(jī)玻璃流化裝置觀察到床層物料反復(fù)出現(xiàn)呈栓塞狀向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)一定高度后料層崩塌，在流化風(fēng)的作用下料層又接著流化，流化過程中易形成溝流、噴涌等現(xiàn)象，這些不穩(wěn)定流化現(xiàn)象的出現(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致p的值顯著降低，因此，可以認(rèn)為烘焙生物質(zhì)2顆粒單獨(dú)流化時(shí)的流化效果很差。徐陽(yáng)等[17]研究稻草及木屑的流化特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于“針狀特性”明顯的稻草及木屑顆粒（顆粒長(zhǎng)寬比較大），其p的值基本在0.6左右，并不能有效流化，結(jié)合流化試驗(yàn)結(jié)束后的顆粒界面圖像可清楚觀察到“穿孔”現(xiàn)象以及流化的不均勻性。

2.2 烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒流化特性

Oliveira等[31]研究表明，混合顆粒中粒徑比越大，流化質(zhì)量越差。本文分別將粒徑相近的烘焙生物質(zhì)1和無(wú)煙煤1，烘焙生物質(zhì)2和無(wú)煙煤2混合配制成混合物料，進(jìn)一步考察二元混合顆粒的流化特性，混合物料粒徑比分別為1.09和1.04，基本可以忽略粒徑比對(duì)混合物流化特性的影響。圖5所示為烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的流化曲線。由圖可以看出，隨著氣速的降低，烘焙生物質(zhì)與煤粉混合流化時(shí)的流化曲線同樣可以劃分為4個(gè)區(qū)域：I固定床區(qū)域，II過渡區(qū)域，III起始流化區(qū)域和IV完全流化區(qū)域。這是由于本文試驗(yàn)所用的煤粉和烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化時(shí)的流化曲線形狀較為接近，此時(shí)，雙組分顆粒系統(tǒng)的流化曲線與單組分顆粒系統(tǒng)的流化曲線近似[32]。對(duì)比圖3、4和5還可以看出，與煤粉顆粒及烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化時(shí)的流化曲線相比，二元混合顆粒流化曲線中區(qū)域II和III所對(duì)應(yīng)的氣速的范圍明顯縮小。這是由于本文所研究的混合顆粒在密度和粒徑上都相對(duì)接近，不屬于強(qiáng)分離體系[33]，因此，在過渡區(qū)域和和初始流化區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)明顯的混合顆粒分層現(xiàn)象。但由于混合顆粒在流動(dòng)特性上的差別，烘焙生物質(zhì)顆粒間的黏附力大于煤粉顆粒，因此，隨著烘焙生物質(zhì)含量的增加，完全流化區(qū)域的p值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，表明混合顆粒的流化質(zhì)量逐漸變差。

注：以烘焙生物質(zhì)1和無(wú)煙煤1混合物料為例。

由混合物的流化曲線確定二元混合顆粒的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度，進(jìn)而獲得“組分-特征速度”的相平衡圖[28]。圖6所示為烘焙生物質(zhì)1與無(wú)煙煤1二元混合顆粒的“組分-特征速度”的相平衡圖。由圖可以看出，隨著烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起始流化速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而完全流化速度則呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。不同特征速度對(duì)應(yīng)著不同流化階段間的過渡，通過流化氣速所處的區(qū)間并結(jié)合“組分-特征速度”相平衡圖，可以對(duì)二元混合顆粒所處的流化狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，并可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用需要對(duì)操作流化氣速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。其中，最小流化速度是流態(tài)化相關(guān)工藝設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，進(jìn)一步探討烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的最小流化速度可為共氣化技術(shù)中流化床氣化爐等核心設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖7所示為不同二元混合顆粒最小流化速度曲線。由圖可以看出，當(dāng)烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較?。?0%～40%）時(shí)，最小流化速度隨烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小的趨勢(shì)較為明顯；當(dāng)烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)>40%時(shí)，最小流化速度隨烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小的趨勢(shì)減弱。劉偉偉等[34]在考察大差異雙組分混合顆粒的最小流化特性時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)混合顆粒最小流化速度隨小顆粒質(zhì)量分率增大而逐漸減小，并獲得了與本文類似的變化趨勢(shì)。宋新朝等[15]在研究生物質(zhì)與煤混合顆粒流化特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈/稻桿與煤二組分混合物的最小流化速度隨著玉米秸稈/稻桿顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。徐陽(yáng)等[17]和朱錫鋒等[12]所獲得的研究結(jié)果與本文存在差異，這主要是由于混合顆粒中主體顆粒粒徑差異而導(dǎo)致的。

注：以烘焙生物質(zhì)1和無(wú)煙煤1混合物料為例。

圖7 二元混合顆粒最小流化速度曲線

2.3 烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的最小流化速度預(yù)測(cè)

研究者們對(duì)雙組分物料混合流化的最小流化速度經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)開展了一些的研究，主要集中于以下2類方法[25,28,32]：1）從雙組分顆粒系統(tǒng)的最小流化速度與各單組分物料的最小流化速度、質(zhì)量配比間的關(guān)系出發(fā)，基于各單組分物料最小流化速度試驗(yàn)值擬合回歸提出雙組分物料混合流化的最小流化速度經(jīng)驗(yàn)公式，但由于實(shí)際工程應(yīng)用中，單組分顆粒的最小流化速度試驗(yàn)值往往提前未知，且此方法對(duì)雙組分顆粒粒徑比的要求較高[35]，因此，具有一定的局限性；2）從混合物平均物性假設(shè)出發(fā)[36]，基于單組分顆粒最小流化速度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，此方法是目前相關(guān)文獻(xiàn)中的研究熱點(diǎn)[25, 31]。本文根據(jù)Coltters等[37]的研究，基于采用量綱分析法獲得的最小流化速度及其影響因素關(guān)系的指數(shù)方程進(jìn)行修正：

式中和為常數(shù)，g為氣體密度，kg/m3；g為氣體黏度，kg/(m·s)；pe為混合顆粒有效密度，kg/m3；pe為混合顆粒有效粒徑，m，可分別按式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算[38]：

式中b為烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c為煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；b為烘焙生物質(zhì)密度，kg/m3；c為煤粉密度，kg/m3；b為烘焙生物質(zhì)粒徑，m，c為煤粉粒徑，m。根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，=7.941 07×10–7和=0.846 71。因此，不同質(zhì)量配比烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒最小流化速度可以根據(jù)下式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

為了進(jìn)一步考察式（5）的適用性及誤差范圍，選取不同質(zhì)量配比的二元混合物進(jìn)行模型驗(yàn)證，即烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、35%、45%、55%、65%、75%、85%和95%。圖8所示為試驗(yàn)獲得的二元混合顆粒最小流化速度與按照式（5）所得的預(yù)測(cè)值的對(duì)比。在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，式（5）可以在–25%～+20%的誤差范圍內(nèi)對(duì)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的最小流化速度進(jìn)行較好地預(yù)測(cè)。

圖8 二元混合顆粒最小流化速度預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值的對(duì)比

3 結(jié) 論

1）煤粉顆粒與烘焙生物質(zhì)顆粒單獨(dú)流化時(shí)，流化曲線可以劃分為4個(gè)區(qū)域：I固定床區(qū)域，II過渡區(qū)域，III起始流化區(qū)域和IV完全流化區(qū)域。完全流化區(qū)域p值的大小依次為：無(wú)煙煤1（0.90）>無(wú)煙煤2（0.86）>烘焙生物質(zhì)1（0.84）>烘焙生物質(zhì)2（0.53），流化質(zhì)量依次變差。

2）烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的流化曲線與其單組分顆粒系統(tǒng)的流化曲線近似，但區(qū)域II和III所對(duì)應(yīng)的氣速的范圍明顯縮小。隨著烘焙生物質(zhì)含量的增加，完全流化區(qū)域的p值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，混合顆粒的流化質(zhì)量逐漸變差。

3）由混合物的流化曲線可得到二元混合顆粒的起始流化速度（bf）、最小流化速度（mf）和完全流化速度（cf）等特征速度，進(jìn)而獲得“組分-特征速度”的相平衡圖。隨著烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起始流化速度先增大后減小，而完全流化速度則先減小后增大。

4）不同特征速度對(duì)應(yīng)著不同流化階段間的過渡，通過流化氣速所處的區(qū)間并結(jié)合“組分-特征速度”相平衡圖，可以對(duì)二元混合顆粒所處的流化狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，并可根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用需要對(duì)操作流化氣速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

5）當(dāng)烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小（20%～40%）時(shí)，最小流化速度隨烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小的趨勢(shì)較為明顯；當(dāng)烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)>40%時(shí)，最小流化速度隨烘焙生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小的趨勢(shì)減弱。同時(shí)，獲得了預(yù)測(cè)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式，在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，可以在–25%到+20%的誤差范圍內(nèi)對(duì)烘焙生物質(zhì)與煤粉二元混合顆粒的最小流化速度進(jìn)行較好地預(yù)測(cè)。

[1] Svoboda K, Pohorely M, Hartman M, et al. Pretreatment and feeding of biomass for pressurized entrained flow gasification[J]. Fuel Processing Technology, 2009, 90(5): 629－635.

[2] Emami Taba L, Irfan M F, Wan Daud W A M, et al. The effect of temperature on various parameters in coal, biomass and CO-gasification: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(8): 5584－5596.

[3] Emami Taba L, Irfan M F, Wan Daud W M A, et al. Fuel blending effects on the co-gasification of coal and biomass – A review[J]. Biomass and Bioenergy, 2013, 57: 249－263.

[4] Paudel B, Feng Z G. Prediction of minimum fluidization velocity for binary mixtures of biomass and inert particles[J]. Powder Technology, 2013, 237: 134－140.

[5] Sharma A M, Kumar A, Patil K N, et al. Fluidization characteristics of a mixture of gasifier solid residues, switchgrass and inert material[J]. Powder Technology, 2013, 235: 661－668.

[6] Cui H, Grace J R. Fluidization of biomass particles: A review of experimental multiphase flow aspects[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(1/2): 45－55.

[7] 王立群，宋旭，周浩生，等. 雙組分顆粒系統(tǒng)流化特性的試驗(yàn)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，28(3)： 232－236. Wang Liqun, Song Xu, Zhou Haosheng, et al. Experiment on fluidization behavior in binary mixture particle system[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2007, 28(3): 232－236. (in Chinese with English abstract)

[8] 涂峰，張永奇，任海軍. 生物質(zhì)焦與煤焦混合物的共流化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化，2010，33(3)：82－86. Tu Feng, Zhang Yongqi, Ren Haijun. Experimental study on fluidization properties of binary mixtures for biomass char and coke[J]. Coal Conversion, 2010, 33(3): 82－86. (in Chinese with English abstract)

[9] 喬曉暉，黃鳳洪，楊湄，等. 油菜秸稈顆粒-石英砂在導(dǎo)向噴動(dòng)流化床內(nèi)的流動(dòng)特性[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(6)：880－884. Qiao Xiaohui, Huang Fenghong, Yang Mei, et al. Operating characteristic of quartz sand and oilseed rape straw in spout- fluidizing bed with a draft tube[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2007, 26(6): 880－884. (in Chinese with English abstract)

[10] Abdullah M Z, Husain Z, Yin Pong S L. Analysis of cold flow fluidization test results for various biomass fuels[J]. Biomass and Bioenergy, 2003, 24(6): 487－494.

[11] Rao T R, Bheemarasetti J V Ram. Minimum fluidization velocities of mixtures of biomass and sands[J]. Energy, 2001, 26(6): 633－644.

[12] 朱錫鋒，陸強(qiáng)，鄭冀魯. 木粉和稻殼流化特性[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27(4)：345－348. Zhu Xifeng, Lu Qiang, Zheng Jilu. Study on the fluidization of sawdust and rice husk[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27(4): 345－348. (in Chinese with English abstract)

[13] 郭慶杰，張鍇，張濟(jì)宇，等. 生物質(zhì)和惰性顆粒二組分混合物的最小流化速度[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化，1999，22(1)：95－99. Guo Qingjie, Zhang Kai, Zhang Jiyu, et al. Study on flow characteristics binary mixture containing biomass materials and a second solid[J]. Coal Conversion, 1999, 22(1): 95－99. (in Chinese with English abstract)

[14] Zhong W, Jin B, Zhang Y, et al. Fluidization of biomass particles in a gas?solid fluidized bed[J]. Energy & Fuels, 2008, 22(6): 4170－4176.

[15] 宋新朝，王志鋒，孫東凱，等. 生物質(zhì)與煤混合顆粒流化特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化，2005，28(1)：74－77. Song Xinchao, Wang Zhifeng, Sun Dongkai, et al. Experimental study on the fluidization in the bed of biomass and coal mixtures[J]. Coal Conversion, 2005, 28(1): 74－77. (in Chinese with English abstract)

[16] 紀(jì)括，鄢曉忠，江焯燁，等. 生物質(zhì)及燃煤混合流化特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 潔凈煤技術(shù)，2013，19(2)：74－77. Ji Kuo, Yan Xiaozhong, Jiang Zhuoye, et al. Experimental study on fluidization characteristics of biomass and coal co-firing[J]. Clean Coal Technology, 2013, 19(2): 74－77. (in Chinese with English abstract)

[17] 徐陽(yáng)，郭志國(guó)，陳雪莉，等. 稻草及木屑與煤二元混合顆粒的流化特性[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，42(1)：1－8.Xu Yang, Guo Zhiguo, Chen Xueli, et al. Fluidization behaviours of sawdust-straw and coal binary mixed particles[J]. Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2016, 42(1): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[18] Rousset P, Petithuguenin T, Rodrigues T, et al. The fluidization behaviour of torrefied biomass in a cold model[J]. Fuel, 2012, 102: 256－263.

[19] 陳青，周勁松，劉炳俊，等. 烘焙預(yù)處理對(duì)生物質(zhì)氣化工藝的影響[J]. 科學(xué)通報(bào)，2010，55(36)：3437－3443. Chen Qing, Zhou Jinsong, Liu Bingjun, et al. Influence of torrefication pretreatment on biomass gasification process[J]. Chinese Science Bulletin, 2010, 55(36): 3437－3443.

[20] Anantharaman A, Cocco R A, Chew J W. Evaluation of correlations for minimum fluidization velocity (Umf) in gas-solid fluidization[J]. Powder Technology, 2018, 323: 454－485.

[21] 劉柏謙，曾憲芳，章帥. 二元?dú)?固流化系統(tǒng)臨界流化速度的研究[J]. 中國(guó)粉體技術(shù)，2009，15(5)：7－10. Liu Baiqian, Zeng Xianfang, Zhang Shuai. Study on critical fluidizing velocity in a binary mixture liquid-solid fluidization system[J]. China Powder Science and Technology, 2009, 15(5): 7－10. (in Chinese with English abstract)

[22] 侯鳳云，呂清剛，矯維紅，等. 污泥顆粒與河砂混合流化特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2007，7(2)：223－228. Hou Fengyun, Lu Qinggang, Jiao Weihong, et al. The minimun fluidization characteristics of mixture of sludge pellets and river sand in a fluidized bed[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2007, 7(2): 223－228. (in Chinese with English abstract)

[23] 陳曉娜，張永民，唐軍，等. 石英砂二元混合顆粒初始流化過程的研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，27(5)： 729－736. Chen Xiaona, Zhang Yongmin, Tang Jun, et al. Initial fluidization processes of binary quartz sand particles with equal density[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities. 2013, 27(5): 729－736. (in Chinese with English abstract)

[24] 金涌. 流態(tài)化工程原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2001.

[25] Pérez N P, Pedroso D T, Machin E B, el al. Fluid dynamic study of mixtures of sugarcane bagasse and sand particles: Minimum fluidization velocity[J]. Biomass and Bioenergy, 2017, 107: 135－149.

[26] 許盼，陳曉平，梁財(cái)，等. 生物質(zhì)高壓密相輸送特性試驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33(5)：801－804. Xu Pan, Chen Xiaoping, Liang Cai, et al. Experimental research of high pressure dense phase conveying characteristics of biomass[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(5): 801－804. (in Chinese with English abstract)

[27] 徐貴玲，李夢(mèng)慧，盧平，等. 不同烘焙生物質(zhì)與煤粉配比混合物的流動(dòng)及下料特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(1)：186－192. Xu Guiling, Li Menghui, Lu Ping, et al. Flowability and discharge characteristics of mixtures with different ratio of torrefied biomass and pulverized coal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 186－192. (in Chinese with English abstract)

[28] 張濟(jì)宇，彭輝. 二組分混合物的最小流化特性Ⅱ.混合物平均物性與最小流化速度[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(1)：30－37. Zhang Jiyu, Peng Hui. Minimum fluidization characteristics of binary particle mixture II. Average properties of mixtures and minimum fluidization velocity[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 1998, 26(1): 30－37. (in Chinese with English abstract)

[29] Leturia M, Benali M, Lagarde S, et al. Characterization of flow properties of cohesive powders: A comparative study of traditional and new testing methods[J]. Powder Technology, 2014, 253: 406－423.

[30] Xu G L, Lu P, Li M H, et al. Investigation on characterization of powder flowability using different testing methods[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018, 92: 390－401.

[31] Oliveira T J P, Cardoso C R, Ataide C H. Bubbling fluidization of biomass and sand binary mixtures: Minimum fluidization velocity and particle segregation[J]. Chemical Engineering and Processing, 2013, 72: 113－121.

[32] 韓振波，鮑亦齡，吳文淵，等. 生物質(zhì)與媒體混合系統(tǒng)的臨界流化速度[J]. 節(jié)能技術(shù)，1995(6)：10－12，18. Han Zhenbo, Bao Yiling, Wu Wenyuan, et al. Critical fluidization velocity of biomass and media mixing system[J]. Energy Saving Technology, 1995 (6): 10－12, 18. (in Chinese with English abstract)

[33] 陳明強(qiáng)，姚運(yùn)金，任錚偉，等. 木屑-石英砂噴動(dòng)流化床內(nèi)流動(dòng)特性研究[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，24(4)：54－60. Chen Mingqiang, Yao Yunjin, Ren Zhengwei, et al. Flow characteristics of mixture of quartz sand – sawdust in a spout-fluidized bed with a draft tube[J]. Journal of Anhui Univerisity of Science and Technology (Natural Science), 2004, 24(4): 54－60. (in Chinese with English abstract)

[34] 劉偉偉，范怡平，盧春喜. 大差異雙組分混合顆粒的最小流化特性[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2008，8(6)：1070－1074. Liu Weiwei, Fan Yiping, Lu Chunxi. Minimum fluidization characteristics of binary mixtures of particles with significant size difference[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2008, 8(6): 1070－1074. (in Chinese with English abstract)

[35] Cheung L, Nienow A W, Rowe P N. Minimum fluidisation velocity of a binary mixture of different sized particles[J]. Chemical Engineering Science, 1974, 29(5): 1301－1303.

[36] Goossens W R A. Fluidization of binary mixtures in the laminar flow region[J]. Chemical engineering progress symposium series, 1971, 67: 38－45.

[37] Coltters R, Rivas A. Minimum fluidation velocity correlations in particulate systems[J]. Powder Technology, 2004, 147(1/2/3): 34－48.

[38] Guo Z, Chen X, Liu H, et al. Gravity discharge characteristics of biomass-coal blends in a hopper[J]. Fuel, 2014, 125: 137－143.

Fluidization characteristics of torrefied forest waste biomass and pulverized coal mixture particles with different mixing ratios

Xu Guiling, Li Menghui, Lu Ping

(210042,)

Fluidized bed co-gasification of biomass and coal is a new technology for efficient and clean coal utilization, as well as an innovative method for the large-scale efficient utilization of biomass energy. The effective fluidization of gasification feedstocks can promote the heat transfer, mass transfer between gas-solid phases and increase the chemical reaction rate. Using torrefied biomass to replace raw biomass can improve the fluidization characteristics of gasification feedstocks. The investigations on fluidization characteristics of binary particle mixtures (BPMs) of torrefied biomass and pulverized coal are of great importance to the design and stable operation of fluidized bed reactors. In this paper, the fluidization experiments for the BPMs of forest waste biomass and pulverized coal were carried out with a fluidization experimental setup. The fluidization curves for the BPMs were obtained, the characteristic velocities including initial fluidization velocity, minimum fluidization velocity and complete fluidization velocity, were determined, and then “composition-characteristic velocity” phase equilibrium diagram was drawn. The effect of torrefied biomass mass fraction (0, 20%, 40%, 60%, 80% and 100%) on the fluidization characteristics of the BPMs were investigated. An empirical formula for predicting minimum fluidization velocity of the BPMs was proposed. The results showed that the individual fluidization curves for torrefied biomass and pulverized coal, respectively, can be divided into four regions: I fixed bed region, II transition region, III initial fluidization region, and IV complete fluidization region. The sequence of standardized bed pressure drop (p) in region IV for four different raw materials was as follows: anthracite 1 (0.90) > anthracite 2 (0.86) > torrefied biomass 1 (0.84) > torrefied biomass 2 (0.53), indicating the decrease of fluidization quality. The fluidization curves for the BMPs were similar to those of single-component particle system, while the gas velocity ranges corresponding to region II and region III were narrower. As torrefied biomass mass fraction increased, the values ofpin complete fluidization region decreased, indicating that the fluidization quality became poor, meanwhile, the initial fluidization velocity first increased and then decreased, the complete fluidization velocity first decreased and then increased, the minimum fluidization velocity decreased gradually. Different characteristic velocities corresponded to the transition between different fluidization stages. Combining the fluidization gas velocity with the “Composition - characteristic velocity” phase diagram, the fluidization state for the BMPs can be pre-judged. The fluidization gas velocity can be adjusted according to the requirement of industrial application. The empirical formula obtained in this paper can predict the minimum fluidization velocity of the BPMs of torrefied biomass and pulverized coal well with errors ranging from -25% to +20%.

biomass; coal; velocity; binary particle mixture; fluidization characteristic

徐貴玲，李夢(mèng)慧，盧 平.烘焙林業(yè)廢棄物生物質(zhì)與煤粉不同配比混合顆粒的流化特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(3)：218－225.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.028 http://www.tcsae.org

Xu Guiling, Li Menghui, Lu Ping.Fluidization characteristics of torrefied forest waste biomass and pulverized coal mixture particles with different mixing ratios[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 218－225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.028 http://www.tcsae.org

2018-07-20

2018-12-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（51506100）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（15KJB470008）

徐貴玲，江蘇南京人，講師，博士，主要從氣固兩相流動(dòng)研究。 Email：xuguiling@njnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.028

TQ 536

A

1002-6819(2019)-03-0218-08