產(chǎn)品詳情
達冠生物質(zhì)燃燒機內(nèi)顆粒流動行為
摘要：針對石油焦及氣化余焦的燃燒特點和流態(tài)化特性，提出了一種采用氣固密相環(huán)流燒焦與快速床管式燒焦技術(shù)相組合的新型生物質(zhì)燃燒機結(jié)構(gòu)。在不同操作條件（導流筒區(qū)表觀氣速0 772—1. 674 m。s-]，環(huán)隙區(qū)表觀氣速Q(mào) 223～0 519m。s_1，裝置系統(tǒng)的顆粒外循環(huán)強度40 8—229 4kg。m_2。s_1）及兩類顆粒體系下．采用光纖測量儀對組合生物質(zhì)燃燒機環(huán)流段內(nèi)顆粒流動特性進行了系統(tǒng)的實驗研究。結(jié)果表明，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度在導流筒區(qū)、底部區(qū)和顆粒分流區(qū)床層內(nèi)沿徑向的分布規(guī)律為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布，體現(xiàn)了氣固流化床典型聚式流態(tài)化的非均一性特征；在環(huán)隙區(qū)，受環(huán)流段結(jié)構(gòu)的影響，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度參數(shù)沿床層徑向的分布相對較均勻；混合顆粒體系的固含率、顆粒軸向速度較單一石英砂顆粒體系的要小，細顆粒的加入在一定程度上能改善氣固混合的均勻程度；兩類顆粒體系在底部區(qū)和顆粒分流區(qū)的徑問流動具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環(huán)流段內(nèi)氣固的充分混合接觸。
引 言
隨著石油資源的逐漸匱乏，我國對石油進口的依賴性問題日趨突出，每年要從中東進口大量高含硫原油。這些高含硫原油經(jīng)過石油煉制工藝中的延遲焦化過程后，會產(chǎn)生大量的石油焦。石油焦由于硫含量商不能用作針狀焦等高附加值產(chǎn)品，因J如何合理利用石油焦成為石化企業(yè)急需解決的問題。石油焦揮發(fā)分較少(5%～16%，質(zhì)量分數(shù))，含碳量較高(80%以上，質(zhì)量分數(shù))，灰含量少，有較高的熱值(31000 kJ。kg-i)，因此綜合考慮，石油焦可用作燃燒和氣化的原料，即可確定石油焦的兩條應(yīng)用路線為：一是直接固硫燃燒，產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電；二是把石油焦在氣化爐內(nèi)氣化，得到合成氣，進一步分離還可得到氫氣。我國現(xiàn)有的石油焦氣化技術(shù)碳的轉(zhuǎn)化率只有85%左右，還有15%的碳以氣化余焦的形式從氣化爐內(nèi)排出，也需要把這部分氣化余焦燃燒產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，形成多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。因此，實現(xiàn)石油焦的這兩條多聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用路線，可很好地解決石油焦的應(yīng)用問題，具有較好的經(jīng)濟和社會效益。
石油焦燃燒時易成團結(jié)渣，起燃溫度高，燃燒特性指數(shù)低，燃燒速率分為易燃和難燃兩個階[11，而且燃燒時產(chǎn)生S02氣體污染大氣，這成為石油焦燃燒技術(shù)的難題；而氣化余蕉由于呈多孔狀，不僅可以避免燃燒時的結(jié)塊現(xiàn)象同時還可提高燃燒效率，但由于氣化余焦粒徑較?。ㄆ骄?0～30 t/m），流化性能差，在常規(guī)生物質(zhì)燃燒機內(nèi)停留時間短，這也成為氣化余焦燃燒的一個難題。
當前最為成熟的石油焦及氣化余焦燃燒技術(shù)是燃煤循環(huán)流化床鍋爐(CFB)技術(shù)‘2]。我國雖然已有循環(huán)流化床鍋爐的相關(guān)技術(shù)，但目前還停留在引進國外成套技術(shù)的階民如果長期靠引進國外技術(shù)，存在兩方面的問題：一是因國外只有Foster Wheeler公司有成熟的商用技術(shù)，缺乏競爭，導致引進的費用十分昂貴；二是國內(nèi)引進的FosterWheeler公司CFB技術(shù)用于燃燒石油焦時還存在很多工程問題，如顆粒停留時間短、飛灰跑損量大、飛灰含碳量高灰渣量大、循環(huán)料管易結(jié)渣堵塞、循環(huán)倍率低等1，很難實現(xiàn)石油焦的高效潔凈燃燒。
針對上述石油焦和氣化余焦的燃燒特性及流態(tài)化特點，合理構(gòu)型的高效燃燒設(shè)備應(yīng)同時滿足高濃度、強返混、長停留時間及高循環(huán)倍率的要求。本文把在催化劑汽提領(lǐng)域得到較好應(yīng)用的氣固密相流技術(shù)‘4。9】和常規(guī)環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)‘¨¨11應(yīng)用到燒焦過程，并與快速床燒焦管[12。131技術(shù)組合形成一種新型高效生物質(zhì)燃燒機（圖1）。該生物質(zhì)燃燒機昀關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)流段與快速床燒焦管的流體力學特性和兩者的耦合調(diào)控規(guī)律。本文在冷態(tài)實驗條件下，主要針對兩類模擬顆粒體系下生物質(zhì)燃燒機環(huán)流段內(nèi)顆粒的濃度（或固含率）和顆粒軸向速度分布特性進行了實驗研究，目的是考察氣固兩相在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的流動規(guī)餓為裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 實驗裝置及測試方法
1 1實驗裝置
圖1為冷態(tài)實驗裝置。裝置主體由底部環(huán)流段和上部燒焦管組成。環(huán)流段（圖2）的導流簡直徑+336 mmX3 mm、高1300 mm，外簡體直徑+500mmX12 mm、高2290 mm，環(huán)流段的導流筒底部設(shè)置一個凸面氣體分布器，其開孔率為6%，導流筒與環(huán)流段外簡體內(nèi)壁之間的環(huán)隙空間底部設(shè)置一環(huán)管式氣體分布器，其開孔率為0 36%；燒焦管內(nèi)徑+186 mm，高10000 mmo燒焦管出口接一種設(shè)計獨特的新型氣固快速分離器，并串聯(lián)高效旋風嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)燃燒機內(nèi)顆粒流動行為分離器?？諝庥娠L機經(jīng)緩沖罐、流量計，分3路進入裝置，一路從導流筒底部的凸面氣體分布器進入導流筒，為流化主風；另一路從環(huán)管式氣體分布器進入環(huán)隙空間，為流化松動風；第三路經(jīng)儲料器底部的環(huán)管式氣體分布器進入儲料器，對物料起流化松動作用。通過調(diào)節(jié)導流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)之間的風量，使顆粒在環(huán)流段形成環(huán)流流動。顆粒除了在環(huán)流段內(nèi)形成環(huán)流流動外，還在流化風的作用下進入燒焦管向上運動，使顆粒在整個系統(tǒng)中循環(huán)流動。氣固兩相在燒焦管出口經(jīng)新型氣固快速分離器及旋風分離器分離后，顆粒沿下料立管進入儲料器，然后沿循環(huán)回料管返回環(huán)流段，氣體則經(jīng)布袋除塵器凈化后放空。
寫普通循環(huán)流化床生物質(zhì)燃燒機相比，該裝置在結(jié)構(gòu)和操作方式上有著明顯的不同，其區(qū)別在于底部環(huán)流段采用了帶導流筒內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方式，通過改變導流筒與環(huán)隙區(qū)之間的流化風量，使顆粒在導流筒和環(huán)隙區(qū)之間形成中心氣升式的內(nèi)環(huán)流流動方式，強化顆粒的返混，有利于延長細焦粒在器內(nèi)的停留時間及改善氣固之間的混合效果，同時環(huán)流段導流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)的表觀氣速相對較低，使環(huán)流段處于氣固密相環(huán)流流動狀態(tài)（導流筒區(qū)為湍動床，環(huán)隙區(qū)為鼓泡床），提供焦粒所需的高濃度燃燒環(huán)境；環(huán)流段上部采用熱輸入強度大及傳質(zhì)傳熱速率快的快速床燒焦管，使顆粒在整個裝置系統(tǒng)中形成外循環(huán)，并利用快速床操作氣速較高的特點，可實現(xiàn)顆粒高循環(huán)倍率的循環(huán)流態(tài)化流動；燒焦管出口采用新型氣固分離器及旋風分離器使氣固得以快速分離，使未燃盡的焦粒被捕集返回生物質(zhì)燃燒機循環(huán)燃燒。因此通過達種組合結(jié)構(gòu)，可把多種操作方式，如鼓泡床、湍動床、快速床及循環(huán)流化床（內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)）的流態(tài)化特征耦合在一起，從而有助于燒焦效率的提高。
1 2實驗介質(zhì)
實驗中的流化介質(zhì)為常溫空氣，而固體模擬顆粒的選取根據(jù)石油焦顆粒的燃燒特性和流態(tài)化性能確定。由于氣化余焦和未燃盡的石油焦細粉在實際燃燒過程中，存在兩個問題：一是細焦粒本身的流化性能差，燃燒效率不高；二是焦粒燃燒后以高溫煙氣形式排放，使生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的起燃溫度不易維持穩(wěn)定。為了解決這兩個不利于燃燒的問題，本文采用石英砂顆粒作為生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的主要床層顆粒，其具有兩方面的作用：一是作為焦粒的助流化劑，使焦粒在生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)形成良好的流化，強化焦粒的燃燒；二。 1360。是利用石英砂顆粒具有耐熱耐磨及比熱較高的特性，在實際燃燒過程中充當循環(huán)熱載體，以維持器內(nèi)燃燒所需的起燃溫度。因此，在實際燃燒過程中，生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的顆粒為石英砂與焦粒的二元混合顆粒體系。
為此，本實驗采用了兩類固體顆粒體系：一類以純石英砂顆粒作為實驗的固體物料（其物性數(shù)據(jù)見表1），根據(jù)其顆粒密度和粒徑值，按照Geldart顆粒分類法，實驗所用的石英砂顆粒屬于A類顆粒；另一類為石英砂顆粒與小粒徑FCC催化劑顆粒的混合體系（其粒徑分布見表2），其中小粒徑FCC催化劑顆粒的質(zhì)量分數(shù)為10%，小粒徑FCC催化劑顆粒用于模擬氣化余焦和未燃盡的石油焦細顆粒（小粒徑FCC催化劑顆粒物性數(shù)據(jù)見表3），本實驗所用的FCC催化劑顆粒屬于C類顆粒。
1 4測量方法
本文采用PV -4A型顆粒濃度、速度光纖測量儀（中國科學院過程工程研究所研制）測定環(huán)流段床層內(nèi)各局部徑向位置的顆粒濃度和真實顆粒軸向速度。圖3為采用PV -4A型光纖測量儀的測量原理，其具體測量方法見文獻[ 14-15]，由于顆粒軸向速度光纖測量儀主要用于測量軸向運動的顆粒軸向速度，所以本實驗中測得各局部位置處的顆粒軸向速度均指顆粒的軸向運動速度。測量時光纖探頭置于環(huán)流段4個區(qū)域[導流筒區(qū)(I)、環(huán)隙區(qū)( II)、底部區(qū)(IID和顆粒分流區(qū)(Ⅳ)]的不同軸、徑向位置。圖3中給出了各區(qū)域的軸向測量位置，表4列出了各區(qū)域的量綱1徑向測量位置（以環(huán)流段外筒體內(nèi)半徑R為特征長度進行量綱
1化）。
環(huán)流段內(nèi)固含率的測定需要對光纖探頭進行標定，其目的是要得到顆粒反射光光強信號對應(yīng)的電壓值與顆粒濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，本實驗的標定式采用Boltzmann函數(shù)式‘1q，見式(1)和式是利用石英砂顆粒具有耐熱耐磨及比熱較高的特性，在實際燃燒過程中充當循環(huán)熱載體，以維持器內(nèi)燃燒所需的起燃溫度。因此，在實際燃燒過程中，生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的顆粒為石英砂與焦粒的二元混合顆粒體系。
為此，本實驗采用了兩類固體顆粒體系：一類以純石英砂顆粒作為實驗的固體物料（其物性數(shù)據(jù)見表1），根據(jù)其顆粒密度和粒徑值，按照Geldart顆粒分類法，實驗所用的石英砂顆粒屬于A類顆粒；另一類為石英砂顆粒與小粒徑FCC催化劑顆粒的混合體系（其粒徑分布見表2），其中小粒徑FCC催化劑顆粒的質(zhì)量分數(shù)為10%，小粒徑FCC催化劑顆粒用于模擬氣化余焦和未燃盡的石油焦細顆粒（小粒徑FCC催化劑顆粒物性數(shù)據(jù)見表3），本實驗所用的FCC催化劑顆粒屬于C類顆粒。
1 4測量方法
本文采用PV -4A型顆粒濃度、速度光纖測量儀（中國科學院過程工程研究所研制）測定環(huán)流段床層內(nèi)各局部徑向位置的顆粒濃度和真實顆粒軸向速度。圖3為采用PV -4A型光纖測量儀的測量原理，其具體測量方法見文獻[ 14-15]，由于顆粒軸向速度光纖測量儀主要用于測量軸向運動的顆粒軸向速度，所以本實驗中測得各局部位置處的顆粒軸向速度均指顆粒的軸向運動速度。測量時光纖探頭置于環(huán)流段4個區(qū)域[導流筒區(qū)(I)、環(huán)隙區(qū)( II)、底部區(qū)(IID和顆粒分流區(qū)(Ⅳ)]的不同軸、徑向位置。圖3中給出了各區(qū)域的軸向測量位置，表4列出了各區(qū)域的量綱1徑向測量位置（以環(huán)流段外筒體內(nèi)半徑R為特征長度進行量綱1化）。
環(huán)流段內(nèi)固含率的測定需要對光纖探頭進行標定，其目的是要得到顆粒反射光光強信號對應(yīng)的電壓值與顆粒濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，本實驗的標定式采用Boltzmann函數(shù)式‘1q，見式(1)和式導流筒內(nèi)顆粒的固含率沿徑向的分布呈中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布形式。在0< r/R≤0 35的徑向中心區(qū)域，固含率分布較均勻；而當0 35< r/R≤0 7的近壁區(qū)，固含率增加較快，在導流筒壁（r/R-0 7）處，固含率達到最大值。固含率沿徑向的不均勻分布與氣體速度在床層內(nèi)的不均勻分布、顆粒與壁面及顆粒之間的相互作用等因素有關(guān)。在壁面處由于壁面效應(yīng)的影響，局部氣體速度相對較小，隨徑向位置向中心靠近，局部氣速逐漸增加，在床層中心處的氣體速度大于床層表觀氣速，因此，在床層中心處的氣含率較高，使中心區(qū)的固含率降低；而在壁面附近由于氣體速度相對較小，氣體對顆粒的曳力作用較小，顆粒不能被氣體充分帶走，并旦在壁面與顆粒的相互摩擦下，近壁處的顆粒軸向速度較小，另外由于顆粒之間相互作用形成顆粒團，使顆粒在邊壁區(qū)更不易被氣體帶走，因此顆粒在邊壁區(qū)的固含率較高。
圖4還表明，導流筒區(qū)各徑向位置的混合顆粒固含率值均比單一石英砂顆粒的要小。本實驗所用的FCC細顆粒屬于Geldart顆粒分類中的C類顆粒，石英砂顆粒屬于A類顆粒范圍。根據(jù)文獻[ 17-18]的研究結(jié)果，30 t/m的C類顆粒在密相流化床中具有流化奇異性，即3畔m的C類顆粒的床層膨脹性比其粒徑大的顆粒和粒徑小的顆粒都要大，說明30 Vm的C類顆粒的床層具有相對較高的滯氣性能。因此當C類顆粒與A類顆?；旌蠒r，有助于混合顆粒體系床層的膨脹，因此在相同的操作條件下，該二元混合顆粒體系的床層膨脹比單一石英砂顆粒體系的要大，所以前者的床層固含率比后者的要低。
圖5為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度在導流筒區(qū)的徑向分布。由圖5看出，導流筒區(qū)顆粒軸向速度沿徑向的分布規(guī)律為在床層中心區(qū)速度大、邊壁區(qū)速度小。顆粒軸向速
度的這種徑向非均勻分布形式與固含率在徑向呈環(huán)一核型分布密切相關(guān)。在核心區(qū)（即床層截面中心區(qū)），固含率小，氣體的速度大，顆粒受氣體向土的曳力作用較大，因此顆粒隨氣體向上運動的速度較大；而隨著徑向位置向邊壁靠近進入固含率分布的環(huán)形區(qū)，由于固含率大，顆粒的聚集傾向較強，形成顆粒團，使環(huán)形區(qū)的空隙率小，進入環(huán)形區(qū)的氣體向上的流動阻力大，大部分氣體則從核心區(qū)通過，環(huán)形區(qū)的氣體速度變小，使環(huán)形區(qū)顆粒受到的氣體向上曳力減小，另外，由于環(huán)形區(qū)靠近邊壁的顆粒與壁面相碰撞和摩擦，使顆粒的能量耗散，因此這些因素綜合起來使得邊壁區(qū)的顆粒向上運動速度比中心區(qū)低。
由圖5可知，混合顆粒體系的顆粒軸向速度均比單一石英砂顆粒體系的要小。這是由于往單一石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒時，這些細顆粒由于以不同形式存在于床層內(nèi)，并且與有顆粒發(fā)生碰撞、黏附等相互作用而形成更大粒徑的顆粒團，粒團終端速度增大，因此使顆粒的運動速度比原有顆粒小。
當在單一石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒日寸，這些FCC催化劑細顆粒在床層中主要以3種形式存在，即單一的白由細顆粒、顆粒自聚形成的自聚體、顆粒自聚體之間或與主體顆粒群（石英砂顆粒）形成的顆粒吸附體。這3種形式的顆粒在床層內(nèi)相互碰撞、相互作用，處于一種動態(tài)平衡過程中。顆粒粒徑越小，顆粒之間親和力越大，也就越容易發(fā)生自聚，而且團聚體也相對比較牢固，一般稱為一次團聚。而顆粒吸附體是顆粒自聚體再與本身或其他顆粒發(fā)生的團聚而形成的團聚體，稱為二次團聚，這類團聚體相對比較松散。因此可見，在本實驗的石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒后，這些細顆粒不僅本身之間會形成自聚體，而且還會與主體顆粒（石英砂顆粒）形成吸附體，提高了床層內(nèi)顆粒的終端速度，在同一操作條件下，測得的這種混合顆粒體系的向上運動顆粒速度就比原單一石英砂顆粒體系的速度要小。
2 2環(huán)隙區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
圖6為該二元混合顆粒與單一石英砂顆粒體系在環(huán)隙區(qū)的固含率徑向分布。由圖可看出，環(huán)隙區(qū)的固含率沿徑向分布較為均勻，而混合顆粒體系的固含率比單一石英砂顆粒體系的要大。
圖7為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度茌環(huán)隙區(qū)的徑向分布?；旌项w粒在環(huán)隙區(qū)的向下速度比單一石英砂顆粒的大。環(huán)隙顆粒軸向速度在徑向上為兩側(cè)近壁面處偏低，這是因為壁面對顆粒的摩擦阻力所致；而在環(huán)隙區(qū)徑向的中間位置顆粒軸向速度稍大，但總體來看，顆軸向速度在環(huán)隙區(qū)徑向的分布較為均勻。這可以從兩方面來解釋：一方面，顆粒在環(huán)隙區(qū)的向下運動屬于順重力場運動，顆粒向下的流動阻力較??；另一方面，由前述的分析可知，在主體顆粒（石英砂顆粒）中加入細顆粒后，由于細顆粒本身形成自聚體，以及細顆粒吸附在石英砂顆粒上形成吸附體第6期嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)顆粒流動行為粒團，因此使床層顆粒的終端速度變大，所以使混合顆粒在環(huán)隙區(qū)的向下運動速度變大，這也說明混合顆粒體系可以加快顆粒在環(huán)流段的環(huán)流速度。
2 3底部區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
底部區(qū)是顆粒從環(huán)隙區(qū)流向?qū)Я魍矃^(qū)的一個環(huán)流通道。當顆粒從環(huán)隙區(qū)下部流入導流筒區(qū)下部日寸，由于顆粒作徑向流動，可以對來自氣體分布器的氣泡產(chǎn)生剪切和破碎作用形成更小直徑的氣泡，使氣泡與顆粒的相界接觸面積增大，從而提高氣固的混合性能，因此環(huán)流段的底部區(qū)成為氣體和顆粒進行有效接觸與混合的一個重要區(qū)域。
圖8給出了該二元混合顆粒與單一石英砂顆粒體系在底部區(qū)的固含率徑向分布情況。底部區(qū)的固含率分布由于受導流筒和環(huán)隙區(qū)的影響，可分為兩個明顯不同的區(qū)域，即導流筒橫截面正下方區(qū)及環(huán)隙區(qū)橫截面正下方區(qū)。導流筒正下方區(qū)的固含率比環(huán)隙正下方區(qū)的要小，這主要是因為導流筒正下方區(qū)由于氣體分布器向?qū)Я魍矁?nèi)通入的流化風量較大，使該區(qū)域的氣含率比環(huán)隙正下方區(qū)的氣含率要大。正是由于環(huán)隙醫(yī)底部與導流筒正下方區(qū)之間存在著這個固含率差作為推動力，使環(huán)隙區(qū)的顆粒從環(huán)隙區(qū)下部進入環(huán)流段底部區(qū)的中心區(qū)域，然后又在導流筒下部氣體分布器提供的流化風作用下，使顆粒向上進入導流筒內(nèi)，從而使顆粒在環(huán)隙區(qū)和導流筒區(qū)之間形成環(huán)流流動。
圖8表明，在0<，／R≤0 5徑向范圍內(nèi)，固含率沿徑向的分布相對較均勻。這是因為環(huán)隙區(qū)下部的顆粒徑向流入導流筒下部日寸，對來自氣體分布器的氣泡具有剪切和破碎作用，使氣固之間的接觸和混合較充分，因此，在該徑向區(qū)域內(nèi)顆粒的固含率分布變得很均勻，這一結(jié)論也充分說明了對應(yīng)用于氣固兩相體系下的環(huán)流反應(yīng)器具有破碎氣泡和提高氣固混合特性的優(yōu)點。
由圖8看出，在底部區(qū)r/R≤0 6的徑向范圍內(nèi)，混合顆粒體系的固含率比單一石英砂顆粒體系的要小，而在r/R>0 6的徑向范圍內(nèi)，兩類顆粒體系的固含率基本相同。
圖9為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度在底部區(qū)沿徑向的分布。導流筒正下方區(qū)域正好處于導流筒區(qū)的氣體分布器上方，顆粒受氣體的曳力作用較大，顆粒主要向上運功，下的返混運動較小，同時由于顆粒從環(huán)隙區(qū)進入導流筒底部區(qū)時徑向運動，對氣體分布器產(chǎn)生的氣泡進行剪切和破碎，使氣體和顆粒能均勻接觸，因此在導流筒正下方區(qū)的0< r/R≤0 5徑向范圍內(nèi)顆粒軸向速度分布較均勻。顆粒在環(huán)隙區(qū)底部正下方由于運動方向要變?yōu)閺较蛳騼?nèi)，因此其軸向的速度基本上降為零。為了使顆粒從環(huán)隙區(qū)底部順暢地沿徑向流入導流筒區(qū)的底部，在環(huán)隙區(qū)底部的顆粒應(yīng)該處于合適的流化狀態(tài)，這是保證環(huán)流段內(nèi)顆粒能形成較好環(huán)流流動的關(guān)鍵因素之一。因此環(huán)隙區(qū)底部的氣體分布器（本實驗采用環(huán)管式氣體分布器）除了應(yīng)有合理的開孔率要求外，還應(yīng)該滿足以下兩點要求：①氣體分布器應(yīng)該有一個合理的安裝位置，這樣既能保證從氣體分布器出來的流化風不會倒竄入導流筒，又能使環(huán)隙區(qū)底部正下方各處的顆粒均處于正常流化狀態(tài)；②從環(huán)隙區(qū)氣體分布器來的流化風量要適當，若過大會造成環(huán)隙區(qū)顆粒不易往下流動，過小又造成環(huán)隙區(qū)顆粒流化不好。
由圖9可知，在底部區(qū)r/R≤0 6的徑向范圍內(nèi)（即導流筒正下方區(qū)），混合顆粒的軸向速度均比單一石英砂顆粒的要小。在底部區(qū)r/R>n 6的。
2 4顆粒分流區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
顆粒分流區(qū)是環(huán)流段內(nèi)氣固流動較為復雜的一個區(qū)域，顆粒在該區(qū)要發(fā)生向上夾帶、向下返混及沿徑向向外的流動?？傮w來講，顆粒在該區(qū)分成兩路流動，一路進入環(huán)隙區(qū)維持環(huán)流流動，另一路進入燒焦管，形成整個燃燒裝置的外循環(huán)。顆粒分流區(qū)的空間高度和該區(qū)的表觀氣速決定了顆粒在環(huán)流段的內(nèi)環(huán)流量和在裝置系統(tǒng)的外循環(huán)量。
圖10為顆粒分流區(qū)的固含率徑向分布。從圖10看出，床層固含率沿徑向的分布變化呈中心區(qū)較均勻而邊壁區(qū)變化較大的環(huán)一核型分布結(jié)構(gòu)。床層固含率在徑向0< r/R<Q 8較寬的區(qū)域內(nèi)分布較均勻，而在0 8< r/R<1.0的邊壁區(qū)域變化較大。顆粒分流區(qū)的這種徑向固含率大范圍的均勻分布可由以下原因來說明：當氣泡從導流筒上端口以上的密相床層界面進入到顆粒分流區(qū)時，由于氣泡破裂產(chǎn)生向四周的彈濺，使顆粒被夾帶進入顆粒分流區(qū)空間，大部分顆粒由于氣泡的這種彈濺力作用被挑灑進入到環(huán)隙區(qū)正上方，而由于環(huán)隙區(qū)內(nèi)的流化風量較小，處于環(huán)隙區(qū)正上方的氣體對顆粒的曳力較小，因此從導流筒區(qū)被拋灑的顆粒便在慣性力的作用下更易進入環(huán)隙區(qū)，而當這部分顆粒從導流筒正上方區(qū)進入環(huán)隙區(qū)時，實際上要沿徑向向外運動，同樣，這部分作徑向運動的顆粒也要對顆粒分流區(qū)內(nèi)的氣泡進行一次剪切和破碎作用，使顆粒分流區(qū)內(nèi)氣固的接觸和混合更充分，因此，在顆粒分流區(qū)的徑向較寬范圍內(nèi)，固含率分布變得比較均勻。在邊壁區(qū)，由于壁面的影響，使得顆粒的聚集強，從而導致顆粒的固含率較大。
從圖10可知，顆粒分流區(qū)混合顆粒體系的固含率均比單一石英砂顆粒體系的要小。由該圖還可看出，混合顆粒體系的固含率在顆粒分流區(qū)的徑向分布比單一石英砂顆粒體系的要均勻，這說明細顆粒的適當摻入不僅沒有降低原有顆粒體系的流化性能，而且由于粗細顆粒間的相互作用，這種混合顆粒在一定程度上還能起到改善氣固混合均勻性的作用。
圖1 1為顆粒分流區(qū)內(nèi)顆粒軸向速度的徑向分布。由圖可知，在顆粒分流區(qū)內(nèi)，混舍顆粒的軸向速度總體比單一石英砂顆粒的要小。顆粒軸向速度在顆粒分流區(qū)沿徑向的分布規(guī)律為中心大、邊壁小的近似拋物線形的分布。顆粒軸向速度在邊壁處為負值，表明顆粒在邊壁附近以向下運動為主。由于氣體攜帶顆粒從導流筒上端口以較大的速度進入顆粒分流區(qū)時，顆粒在軸向較低位置的中心區(qū)域仍能保持較高的速度，而隨著徑向位置向邊壁區(qū)靠近，由于壁面效應(yīng)及氣體速度較小，顆粒聚集傾向較強，易形成顆粒團，所受到的氣體向上曳力較小，因此邊壁區(qū)顆粒易發(fā)生返混，顆粒時均速度出現(xiàn)負值，說明顆粒在邊壁區(qū)以向下運動為主。
3 結(jié) 論
在不同操作條件下，采用光纖測量儀對一套大型組合流化床生物質(zhì)顆粒燃燒機環(huán)流段內(nèi)兩類顆粒體系的流動特性進行了研究得出如下結(jié)論：
(1)兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度在導流筒區(qū)、底部區(qū)和顆粒分流區(qū)床層內(nèi)沿徑向的分布規(guī)律為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布，體第6期嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)顆粒流動行為現(xiàn)了氣固流化床典型聚式流態(tài)化的非均一性特征；
(2)在環(huán)隙區(qū)，受環(huán)流段結(jié)構(gòu)的影響，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度參數(shù)沿床層徑向的分布相對較均勻；
(3)混合顆粒體系的固含率、顆粒軸向速度較單一石英砂顆粒體系的要小，細顆粒的加入在一定程度上能改善氣固混合的均勻程度；
(4)兩類顆粒體系在底部區(qū)和顆粒分流區(qū)的流動規(guī)律，間接反映了顆粒的環(huán)流流動具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環(huán)流段內(nèi)氣固的充分混合接觸。
生物質(zhì)燃燒機，http://www.jiegankeliji.com
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
摘要：針對石油焦及氣化余焦的燃燒特點和流態(tài)化特性，提出了一種采用氣固密相環(huán)流燒焦與快速床管式燒焦技術(shù)相組合的新型生物質(zhì)燃燒機結(jié)構(gòu)。在不同操作條件（導流筒區(qū)表觀氣速0 772—1. 674 m。s-]，環(huán)隙區(qū)表觀氣速Q(mào) 223～0 519m。s_1，裝置系統(tǒng)的顆粒外循環(huán)強度40 8—229 4kg。m_2。s_1）及兩類顆粒體系下．采用光纖測量儀對組合生物質(zhì)燃燒機環(huán)流段內(nèi)顆粒流動特性進行了系統(tǒng)的實驗研究。結(jié)果表明，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度在導流筒區(qū)、底部區(qū)和顆粒分流區(qū)床層內(nèi)沿徑向的分布規(guī)律為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布，體現(xiàn)了氣固流化床典型聚式流態(tài)化的非均一性特征；在環(huán)隙區(qū)，受環(huán)流段結(jié)構(gòu)的影響，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度參數(shù)沿床層徑向的分布相對較均勻；混合顆粒體系的固含率、顆粒軸向速度較單一石英砂顆粒體系的要小，細顆粒的加入在一定程度上能改善氣固混合的均勻程度；兩類顆粒體系在底部區(qū)和顆粒分流區(qū)的徑問流動具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環(huán)流段內(nèi)氣固的充分混合接觸。
引 言
隨著石油資源的逐漸匱乏，我國對石油進口的依賴性問題日趨突出，每年要從中東進口大量高含硫原油。這些高含硫原油經(jīng)過石油煉制工藝中的延遲焦化過程后，會產(chǎn)生大量的石油焦。石油焦由于硫含量商不能用作針狀焦等高附加值產(chǎn)品，因J如何合理利用石油焦成為石化企業(yè)急需解決的問題。石油焦揮發(fā)分較少(5%～16%，質(zhì)量分數(shù))，含碳量較高(80%以上，質(zhì)量分數(shù))，灰含量少，有較高的熱值(31000 kJ。kg-i)，因此綜合考慮，石油焦可用作燃燒和氣化的原料，即可確定石油焦的兩條應(yīng)用路線為：一是直接固硫燃燒，產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電；二是把石油焦在氣化爐內(nèi)氣化，得到合成氣，進一步分離還可得到氫氣。我國現(xiàn)有的石油焦氣化技術(shù)碳的轉(zhuǎn)化率只有85%左右，還有15%的碳以氣化余焦的形式從氣化爐內(nèi)排出，也需要把這部分氣化余焦燃燒產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，形成多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。因此，實現(xiàn)石油焦的這兩條多聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用路線，可很好地解決石油焦的應(yīng)用問題，具有較好的經(jīng)濟和社會效益。
石油焦燃燒時易成團結(jié)渣，起燃溫度高，燃燒特性指數(shù)低，燃燒速率分為易燃和難燃兩個階[11，而且燃燒時產(chǎn)生S02氣體污染大氣，這成為石油焦燃燒技術(shù)的難題；而氣化余蕉由于呈多孔狀，不僅可以避免燃燒時的結(jié)塊現(xiàn)象同時還可提高燃燒效率，但由于氣化余焦粒徑較?。ㄆ骄?0～30 t/m），流化性能差，在常規(guī)生物質(zhì)燃燒機內(nèi)停留時間短，這也成為氣化余焦燃燒的一個難題。
當前最為成熟的石油焦及氣化余焦燃燒技術(shù)是燃煤循環(huán)流化床鍋爐(CFB)技術(shù)‘2]。我國雖然已有循環(huán)流化床鍋爐的相關(guān)技術(shù)，但目前還停留在引進國外成套技術(shù)的階民如果長期靠引進國外技術(shù)，存在兩方面的問題：一是因國外只有Foster Wheeler公司有成熟的商用技術(shù)，缺乏競爭，導致引進的費用十分昂貴；二是國內(nèi)引進的FosterWheeler公司CFB技術(shù)用于燃燒石油焦時還存在很多工程問題，如顆粒停留時間短、飛灰跑損量大、飛灰含碳量高灰渣量大、循環(huán)料管易結(jié)渣堵塞、循環(huán)倍率低等1，很難實現(xiàn)石油焦的高效潔凈燃燒。
針對上述石油焦和氣化余焦的燃燒特性及流態(tài)化特點，合理構(gòu)型的高效燃燒設(shè)備應(yīng)同時滿足高濃度、強返混、長停留時間及高循環(huán)倍率的要求。本文把在催化劑汽提領(lǐng)域得到較好應(yīng)用的氣固密相流技術(shù)‘4。9】和常規(guī)環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)‘¨¨11應(yīng)用到燒焦過程，并與快速床燒焦管[12。131技術(shù)組合形成一種新型高效生物質(zhì)燃燒機（圖1）。該生物質(zhì)燃燒機昀關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)流段與快速床燒焦管的流體力學特性和兩者的耦合調(diào)控規(guī)律。本文在冷態(tài)實驗條件下，主要針對兩類模擬顆粒體系下生物質(zhì)燃燒機環(huán)流段內(nèi)顆粒的濃度（或固含率）和顆粒軸向速度分布特性進行了實驗研究，目的是考察氣固兩相在生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的流動規(guī)餓為裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 實驗裝置及測試方法
1 1實驗裝置
圖1為冷態(tài)實驗裝置。裝置主體由底部環(huán)流段和上部燒焦管組成。環(huán)流段（圖2）的導流簡直徑+336 mmX3 mm、高1300 mm，外簡體直徑+500mmX12 mm、高2290 mm，環(huán)流段的導流筒底部設(shè)置一個凸面氣體分布器，其開孔率為6%，導流筒與環(huán)流段外簡體內(nèi)壁之間的環(huán)隙空間底部設(shè)置一環(huán)管式氣體分布器，其開孔率為0 36%；燒焦管內(nèi)徑+186 mm，高10000 mmo燒焦管出口接一種設(shè)計獨特的新型氣固快速分離器，并串聯(lián)高效旋風嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)燃燒機內(nèi)顆粒流動行為分離器?？諝庥娠L機經(jīng)緩沖罐、流量計，分3路進入裝置，一路從導流筒底部的凸面氣體分布器進入導流筒，為流化主風；另一路從環(huán)管式氣體分布器進入環(huán)隙空間，為流化松動風；第三路經(jīng)儲料器底部的環(huán)管式氣體分布器進入儲料器，對物料起流化松動作用。通過調(diào)節(jié)導流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)之間的風量，使顆粒在環(huán)流段形成環(huán)流流動。顆粒除了在環(huán)流段內(nèi)形成環(huán)流流動外，還在流化風的作用下進入燒焦管向上運動，使顆粒在整個系統(tǒng)中循環(huán)流動。氣固兩相在燒焦管出口經(jīng)新型氣固快速分離器及旋風分離器分離后，顆粒沿下料立管進入儲料器，然后沿循環(huán)回料管返回環(huán)流段，氣體則經(jīng)布袋除塵器凈化后放空。
寫普通循環(huán)流化床生物質(zhì)燃燒機相比，該裝置在結(jié)構(gòu)和操作方式上有著明顯的不同，其區(qū)別在于底部環(huán)流段采用了帶導流筒內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方式，通過改變導流筒與環(huán)隙區(qū)之間的流化風量，使顆粒在導流筒和環(huán)隙區(qū)之間形成中心氣升式的內(nèi)環(huán)流流動方式，強化顆粒的返混，有利于延長細焦粒在器內(nèi)的停留時間及改善氣固之間的混合效果，同時環(huán)流段導流筒區(qū)和環(huán)隙區(qū)的表觀氣速相對較低，使環(huán)流段處于氣固密相環(huán)流流動狀態(tài)（導流筒區(qū)為湍動床，環(huán)隙區(qū)為鼓泡床），提供焦粒所需的高濃度燃燒環(huán)境；環(huán)流段上部采用熱輸入強度大及傳質(zhì)傳熱速率快的快速床燒焦管，使顆粒在整個裝置系統(tǒng)中形成外循環(huán)，并利用快速床操作氣速較高的特點，可實現(xiàn)顆粒高循環(huán)倍率的循環(huán)流態(tài)化流動；燒焦管出口采用新型氣固分離器及旋風分離器使氣固得以快速分離，使未燃盡的焦粒被捕集返回生物質(zhì)燃燒機循環(huán)燃燒。因此通過達種組合結(jié)構(gòu)，可把多種操作方式，如鼓泡床、湍動床、快速床及循環(huán)流化床（內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)）的流態(tài)化特征耦合在一起，從而有助于燒焦效率的提高。
1 2實驗介質(zhì)
實驗中的流化介質(zhì)為常溫空氣，而固體模擬顆粒的選取根據(jù)石油焦顆粒的燃燒特性和流態(tài)化性能確定。由于氣化余焦和未燃盡的石油焦細粉在實際燃燒過程中，存在兩個問題：一是細焦粒本身的流化性能差，燃燒效率不高；二是焦粒燃燒后以高溫煙氣形式排放，使生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的起燃溫度不易維持穩(wěn)定。為了解決這兩個不利于燃燒的問題，本文采用石英砂顆粒作為生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的主要床層顆粒，其具有兩方面的作用：一是作為焦粒的助流化劑，使焦粒在生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)形成良好的流化，強化焦粒的燃燒；二。 1360。是利用石英砂顆粒具有耐熱耐磨及比熱較高的特性，在實際燃燒過程中充當循環(huán)熱載體，以維持器內(nèi)燃燒所需的起燃溫度。因此，在實際燃燒過程中，生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的顆粒為石英砂與焦粒的二元混合顆粒體系。
為此，本實驗采用了兩類固體顆粒體系：一類以純石英砂顆粒作為實驗的固體物料（其物性數(shù)據(jù)見表1），根據(jù)其顆粒密度和粒徑值，按照Geldart顆粒分類法，實驗所用的石英砂顆粒屬于A類顆粒；另一類為石英砂顆粒與小粒徑FCC催化劑顆粒的混合體系（其粒徑分布見表2），其中小粒徑FCC催化劑顆粒的質(zhì)量分數(shù)為10%，小粒徑FCC催化劑顆粒用于模擬氣化余焦和未燃盡的石油焦細顆粒（小粒徑FCC催化劑顆粒物性數(shù)據(jù)見表3），本實驗所用的FCC催化劑顆粒屬于C類顆粒。
1 4測量方法
本文采用PV -4A型顆粒濃度、速度光纖測量儀（中國科學院過程工程研究所研制）測定環(huán)流段床層內(nèi)各局部徑向位置的顆粒濃度和真實顆粒軸向速度。圖3為采用PV -4A型光纖測量儀的測量原理，其具體測量方法見文獻[ 14-15]，由于顆粒軸向速度光纖測量儀主要用于測量軸向運動的顆粒軸向速度，所以本實驗中測得各局部位置處的顆粒軸向速度均指顆粒的軸向運動速度。測量時光纖探頭置于環(huán)流段4個區(qū)域[導流筒區(qū)(I)、環(huán)隙區(qū)( II)、底部區(qū)(IID和顆粒分流區(qū)(Ⅳ)]的不同軸、徑向位置。圖3中給出了各區(qū)域的軸向測量位置，表4列出了各區(qū)域的量綱1徑向測量位置（以環(huán)流段外筒體內(nèi)半徑R為特征長度進行量綱
1化）。
環(huán)流段內(nèi)固含率的測定需要對光纖探頭進行標定，其目的是要得到顆粒反射光光強信號對應(yīng)的電壓值與顆粒濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，本實驗的標定式采用Boltzmann函數(shù)式‘1q，見式(1)和式是利用石英砂顆粒具有耐熱耐磨及比熱較高的特性，在實際燃燒過程中充當循環(huán)熱載體，以維持器內(nèi)燃燒所需的起燃溫度。因此，在實際燃燒過程中，生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)的顆粒為石英砂與焦粒的二元混合顆粒體系。
為此，本實驗采用了兩類固體顆粒體系：一類以純石英砂顆粒作為實驗的固體物料（其物性數(shù)據(jù)見表1），根據(jù)其顆粒密度和粒徑值，按照Geldart顆粒分類法，實驗所用的石英砂顆粒屬于A類顆粒；另一類為石英砂顆粒與小粒徑FCC催化劑顆粒的混合體系（其粒徑分布見表2），其中小粒徑FCC催化劑顆粒的質(zhì)量分數(shù)為10%，小粒徑FCC催化劑顆粒用于模擬氣化余焦和未燃盡的石油焦細顆粒（小粒徑FCC催化劑顆粒物性數(shù)據(jù)見表3），本實驗所用的FCC催化劑顆粒屬于C類顆粒。
1 4測量方法
本文采用PV -4A型顆粒濃度、速度光纖測量儀（中國科學院過程工程研究所研制）測定環(huán)流段床層內(nèi)各局部徑向位置的顆粒濃度和真實顆粒軸向速度。圖3為采用PV -4A型光纖測量儀的測量原理，其具體測量方法見文獻[ 14-15]，由于顆粒軸向速度光纖測量儀主要用于測量軸向運動的顆粒軸向速度，所以本實驗中測得各局部位置處的顆粒軸向速度均指顆粒的軸向運動速度。測量時光纖探頭置于環(huán)流段4個區(qū)域[導流筒區(qū)(I)、環(huán)隙區(qū)( II)、底部區(qū)(IID和顆粒分流區(qū)(Ⅳ)]的不同軸、徑向位置。圖3中給出了各區(qū)域的軸向測量位置，表4列出了各區(qū)域的量綱1徑向測量位置（以環(huán)流段外筒體內(nèi)半徑R為特征長度進行量綱1化）。
環(huán)流段內(nèi)固含率的測定需要對光纖探頭進行標定，其目的是要得到顆粒反射光光強信號對應(yīng)的電壓值與顆粒濃度之間的函數(shù)關(guān)系式，本實驗的標定式采用Boltzmann函數(shù)式‘1q，見式(1)和式導流筒內(nèi)顆粒的固含率沿徑向的分布呈中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布形式。在0< r/R≤0 35的徑向中心區(qū)域，固含率分布較均勻；而當0 35< r/R≤0 7的近壁區(qū)，固含率增加較快，在導流筒壁（r/R-0 7）處，固含率達到最大值。固含率沿徑向的不均勻分布與氣體速度在床層內(nèi)的不均勻分布、顆粒與壁面及顆粒之間的相互作用等因素有關(guān)。在壁面處由于壁面效應(yīng)的影響，局部氣體速度相對較小，隨徑向位置向中心靠近，局部氣速逐漸增加，在床層中心處的氣體速度大于床層表觀氣速，因此，在床層中心處的氣含率較高，使中心區(qū)的固含率降低；而在壁面附近由于氣體速度相對較小，氣體對顆粒的曳力作用較小，顆粒不能被氣體充分帶走，并旦在壁面與顆粒的相互摩擦下，近壁處的顆粒軸向速度較小，另外由于顆粒之間相互作用形成顆粒團，使顆粒在邊壁區(qū)更不易被氣體帶走，因此顆粒在邊壁區(qū)的固含率較高。
圖4還表明，導流筒區(qū)各徑向位置的混合顆粒固含率值均比單一石英砂顆粒的要小。本實驗所用的FCC細顆粒屬于Geldart顆粒分類中的C類顆粒，石英砂顆粒屬于A類顆粒范圍。根據(jù)文獻[ 17-18]的研究結(jié)果，30 t/m的C類顆粒在密相流化床中具有流化奇異性，即3畔m的C類顆粒的床層膨脹性比其粒徑大的顆粒和粒徑小的顆粒都要大，說明30 Vm的C類顆粒的床層具有相對較高的滯氣性能。因此當C類顆粒與A類顆?；旌蠒r，有助于混合顆粒體系床層的膨脹，因此在相同的操作條件下，該二元混合顆粒體系的床層膨脹比單一石英砂顆粒體系的要大，所以前者的床層固含率比后者的要低。
圖5為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度在導流筒區(qū)的徑向分布。由圖5看出，導流筒區(qū)顆粒軸向速度沿徑向的分布規(guī)律為在床層中心區(qū)速度大、邊壁區(qū)速度小。顆粒軸向速
度的這種徑向非均勻分布形式與固含率在徑向呈環(huán)一核型分布密切相關(guān)。在核心區(qū)（即床層截面中心區(qū)），固含率小，氣體的速度大，顆粒受氣體向土的曳力作用較大，因此顆粒隨氣體向上運動的速度較大；而隨著徑向位置向邊壁靠近進入固含率分布的環(huán)形區(qū)，由于固含率大，顆粒的聚集傾向較強，形成顆粒團，使環(huán)形區(qū)的空隙率小，進入環(huán)形區(qū)的氣體向上的流動阻力大，大部分氣體則從核心區(qū)通過，環(huán)形區(qū)的氣體速度變小，使環(huán)形區(qū)顆粒受到的氣體向上曳力減小，另外，由于環(huán)形區(qū)靠近邊壁的顆粒與壁面相碰撞和摩擦，使顆粒的能量耗散，因此這些因素綜合起來使得邊壁區(qū)的顆粒向上運動速度比中心區(qū)低。
由圖5可知，混合顆粒體系的顆粒軸向速度均比單一石英砂顆粒體系的要小。這是由于往單一石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒時，這些細顆粒由于以不同形式存在于床層內(nèi)，并且與有顆粒發(fā)生碰撞、黏附等相互作用而形成更大粒徑的顆粒團，粒團終端速度增大，因此使顆粒的運動速度比原有顆粒小。
當在單一石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒日寸，這些FCC催化劑細顆粒在床層中主要以3種形式存在，即單一的白由細顆粒、顆粒自聚形成的自聚體、顆粒自聚體之間或與主體顆粒群（石英砂顆粒）形成的顆粒吸附體。這3種形式的顆粒在床層內(nèi)相互碰撞、相互作用，處于一種動態(tài)平衡過程中。顆粒粒徑越小，顆粒之間親和力越大，也就越容易發(fā)生自聚，而且團聚體也相對比較牢固，一般稱為一次團聚。而顆粒吸附體是顆粒自聚體再與本身或其他顆粒發(fā)生的團聚而形成的團聚體，稱為二次團聚，這類團聚體相對比較松散。因此可見，在本實驗的石英砂顆粒體系中摻加細粒徑的FCC催化劑顆粒后，這些細顆粒不僅本身之間會形成自聚體，而且還會與主體顆粒（石英砂顆粒）形成吸附體，提高了床層內(nèi)顆粒的終端速度，在同一操作條件下，測得的這種混合顆粒體系的向上運動顆粒速度就比原單一石英砂顆粒體系的速度要小。
2 2環(huán)隙區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
圖6為該二元混合顆粒與單一石英砂顆粒體系在環(huán)隙區(qū)的固含率徑向分布。由圖可看出，環(huán)隙區(qū)的固含率沿徑向分布較為均勻，而混合顆粒體系的固含率比單一石英砂顆粒體系的要大。
圖7為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度茌環(huán)隙區(qū)的徑向分布?；旌项w粒在環(huán)隙區(qū)的向下速度比單一石英砂顆粒的大。環(huán)隙顆粒軸向速度在徑向上為兩側(cè)近壁面處偏低，這是因為壁面對顆粒的摩擦阻力所致；而在環(huán)隙區(qū)徑向的中間位置顆粒軸向速度稍大，但總體來看，顆軸向速度在環(huán)隙區(qū)徑向的分布較為均勻。這可以從兩方面來解釋：一方面，顆粒在環(huán)隙區(qū)的向下運動屬于順重力場運動，顆粒向下的流動阻力較??；另一方面，由前述的分析可知，在主體顆粒（石英砂顆粒）中加入細顆粒后，由于細顆粒本身形成自聚體，以及細顆粒吸附在石英砂顆粒上形成吸附體第6期嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)顆粒燃燒機內(nèi)顆粒流動行為粒團，因此使床層顆粒的終端速度變大，所以使混合顆粒在環(huán)隙區(qū)的向下運動速度變大，這也說明混合顆粒體系可以加快顆粒在環(huán)流段的環(huán)流速度。
2 3底部區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
底部區(qū)是顆粒從環(huán)隙區(qū)流向?qū)Я魍矃^(qū)的一個環(huán)流通道。當顆粒從環(huán)隙區(qū)下部流入導流筒區(qū)下部日寸，由于顆粒作徑向流動，可以對來自氣體分布器的氣泡產(chǎn)生剪切和破碎作用形成更小直徑的氣泡，使氣泡與顆粒的相界接觸面積增大，從而提高氣固的混合性能，因此環(huán)流段的底部區(qū)成為氣體和顆粒進行有效接觸與混合的一個重要區(qū)域。
圖8給出了該二元混合顆粒與單一石英砂顆粒體系在底部區(qū)的固含率徑向分布情況。底部區(qū)的固含率分布由于受導流筒和環(huán)隙區(qū)的影響，可分為兩個明顯不同的區(qū)域，即導流筒橫截面正下方區(qū)及環(huán)隙區(qū)橫截面正下方區(qū)。導流筒正下方區(qū)的固含率比環(huán)隙正下方區(qū)的要小，這主要是因為導流筒正下方區(qū)由于氣體分布器向?qū)Я魍矁?nèi)通入的流化風量較大，使該區(qū)域的氣含率比環(huán)隙正下方區(qū)的氣含率要大。正是由于環(huán)隙醫(yī)底部與導流筒正下方區(qū)之間存在著這個固含率差作為推動力，使環(huán)隙區(qū)的顆粒從環(huán)隙區(qū)下部進入環(huán)流段底部區(qū)的中心區(qū)域，然后又在導流筒下部氣體分布器提供的流化風作用下，使顆粒向上進入導流筒內(nèi)，從而使顆粒在環(huán)隙區(qū)和導流筒區(qū)之間形成環(huán)流流動。
圖8表明，在0<，／R≤0 5徑向范圍內(nèi)，固含率沿徑向的分布相對較均勻。這是因為環(huán)隙區(qū)下部的顆粒徑向流入導流筒下部日寸，對來自氣體分布器的氣泡具有剪切和破碎作用，使氣固之間的接觸和混合較充分，因此，在該徑向區(qū)域內(nèi)顆粒的固含率分布變得很均勻，這一結(jié)論也充分說明了對應(yīng)用于氣固兩相體系下的環(huán)流反應(yīng)器具有破碎氣泡和提高氣固混合特性的優(yōu)點。
由圖8看出，在底部區(qū)r/R≤0 6的徑向范圍內(nèi)，混合顆粒體系的固含率比單一石英砂顆粒體系的要小，而在r/R>0 6的徑向范圍內(nèi)，兩類顆粒體系的固含率基本相同。
圖9為二元混合顆粒體系和單一石英砂顆粒體系下顆粒軸向速度在底部區(qū)沿徑向的分布。導流筒正下方區(qū)域正好處于導流筒區(qū)的氣體分布器上方，顆粒受氣體的曳力作用較大，顆粒主要向上運功，下的返混運動較小，同時由于顆粒從環(huán)隙區(qū)進入導流筒底部區(qū)時徑向運動，對氣體分布器產(chǎn)生的氣泡進行剪切和破碎，使氣體和顆粒能均勻接觸，因此在導流筒正下方區(qū)的0< r/R≤0 5徑向范圍內(nèi)顆粒軸向速度分布較均勻。顆粒在環(huán)隙區(qū)底部正下方由于運動方向要變?yōu)閺较蛳騼?nèi)，因此其軸向的速度基本上降為零。為了使顆粒從環(huán)隙區(qū)底部順暢地沿徑向流入導流筒區(qū)的底部，在環(huán)隙區(qū)底部的顆粒應(yīng)該處于合適的流化狀態(tài)，這是保證環(huán)流段內(nèi)顆粒能形成較好環(huán)流流動的關(guān)鍵因素之一。因此環(huán)隙區(qū)底部的氣體分布器（本實驗采用環(huán)管式氣體分布器）除了應(yīng)有合理的開孔率要求外，還應(yīng)該滿足以下兩點要求：①氣體分布器應(yīng)該有一個合理的安裝位置，這樣既能保證從氣體分布器出來的流化風不會倒竄入導流筒，又能使環(huán)隙區(qū)底部正下方各處的顆粒均處于正常流化狀態(tài)；②從環(huán)隙區(qū)氣體分布器來的流化風量要適當，若過大會造成環(huán)隙區(qū)顆粒不易往下流動，過小又造成環(huán)隙區(qū)顆粒流化不好。
由圖9可知，在底部區(qū)r/R≤0 6的徑向范圍內(nèi)（即導流筒正下方區(qū)），混合顆粒的軸向速度均比單一石英砂顆粒的要小。在底部區(qū)r/R>n 6的。
2 4顆粒分流區(qū)的固含率和顆粒軸向速度分布
顆粒分流區(qū)是環(huán)流段內(nèi)氣固流動較為復雜的一個區(qū)域，顆粒在該區(qū)要發(fā)生向上夾帶、向下返混及沿徑向向外的流動?？傮w來講，顆粒在該區(qū)分成兩路流動，一路進入環(huán)隙區(qū)維持環(huán)流流動，另一路進入燒焦管，形成整個燃燒裝置的外循環(huán)。顆粒分流區(qū)的空間高度和該區(qū)的表觀氣速決定了顆粒在環(huán)流段的內(nèi)環(huán)流量和在裝置系統(tǒng)的外循環(huán)量。
圖10為顆粒分流區(qū)的固含率徑向分布。從圖10看出，床層固含率沿徑向的分布變化呈中心區(qū)較均勻而邊壁區(qū)變化較大的環(huán)一核型分布結(jié)構(gòu)。床層固含率在徑向0< r/R<Q 8較寬的區(qū)域內(nèi)分布較均勻，而在0 8< r/R<1.0的邊壁區(qū)域變化較大。顆粒分流區(qū)的這種徑向固含率大范圍的均勻分布可由以下原因來說明：當氣泡從導流筒上端口以上的密相床層界面進入到顆粒分流區(qū)時，由于氣泡破裂產(chǎn)生向四周的彈濺，使顆粒被夾帶進入顆粒分流區(qū)空間，大部分顆粒由于氣泡的這種彈濺力作用被挑灑進入到環(huán)隙區(qū)正上方，而由于環(huán)隙區(qū)內(nèi)的流化風量較小，處于環(huán)隙區(qū)正上方的氣體對顆粒的曳力較小，因此從導流筒區(qū)被拋灑的顆粒便在慣性力的作用下更易進入環(huán)隙區(qū)，而當這部分顆粒從導流筒正上方區(qū)進入環(huán)隙區(qū)時，實際上要沿徑向向外運動，同樣，這部分作徑向運動的顆粒也要對顆粒分流區(qū)內(nèi)的氣泡進行一次剪切和破碎作用，使顆粒分流區(qū)內(nèi)氣固的接觸和混合更充分，因此，在顆粒分流區(qū)的徑向較寬范圍內(nèi)，固含率分布變得比較均勻。在邊壁區(qū)，由于壁面的影響，使得顆粒的聚集強，從而導致顆粒的固含率較大。
從圖10可知，顆粒分流區(qū)混合顆粒體系的固含率均比單一石英砂顆粒體系的要小。由該圖還可看出，混合顆粒體系的固含率在顆粒分流區(qū)的徑向分布比單一石英砂顆粒體系的要均勻，這說明細顆粒的適當摻入不僅沒有降低原有顆粒體系的流化性能，而且由于粗細顆粒間的相互作用，這種混合顆粒在一定程度上還能起到改善氣固混合均勻性的作用。
圖1 1為顆粒分流區(qū)內(nèi)顆粒軸向速度的徑向分布。由圖可知，在顆粒分流區(qū)內(nèi)，混舍顆粒的軸向速度總體比單一石英砂顆粒的要小。顆粒軸向速度在顆粒分流區(qū)沿徑向的分布規(guī)律為中心大、邊壁小的近似拋物線形的分布。顆粒軸向速度在邊壁處為負值，表明顆粒在邊壁附近以向下運動為主。由于氣體攜帶顆粒從導流筒上端口以較大的速度進入顆粒分流區(qū)時，顆粒在軸向較低位置的中心區(qū)域仍能保持較高的速度，而隨著徑向位置向邊壁區(qū)靠近，由于壁面效應(yīng)及氣體速度較小，顆粒聚集傾向較強，易形成顆粒團，所受到的氣體向上曳力較小，因此邊壁區(qū)顆粒易發(fā)生返混，顆粒時均速度出現(xiàn)負值，說明顆粒在邊壁區(qū)以向下運動為主。
3 結(jié) 論
在不同操作條件下，采用光纖測量儀對一套大型組合流化床生物質(zhì)顆粒燃燒機環(huán)流段內(nèi)兩類顆粒體系的流動特性進行了研究得出如下結(jié)論：
(1)兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度在導流筒區(qū)、底部區(qū)和顆粒分流區(qū)床層內(nèi)沿徑向的分布規(guī)律為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)一核型分布，體第6期嚴超宇等：氣固環(huán)流生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)顆粒流動行為現(xiàn)了氣固流化床典型聚式流態(tài)化的非均一性特征；
(2)在環(huán)隙區(qū)，受環(huán)流段結(jié)構(gòu)的影響，兩類顆粒體系的固含率和顆粒軸向速度參數(shù)沿床層徑向的分布相對較均勻；
(3)混合顆粒體系的固含率、顆粒軸向速度較單一石英砂顆粒體系的要小，細顆粒的加入在一定程度上能改善氣固混合的均勻程度；
(4)兩類顆粒體系在底部區(qū)和顆粒分流區(qū)的流動規(guī)律，間接反映了顆粒的環(huán)流流動具有剪切破碎氣泡的作用，有利于環(huán)流段內(nèi)氣固的充分混合接觸。
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