[doc] 成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速研究

[doc] 成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速研究 成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速 研究 第23卷第2期 2007年3月 电站系统工程 PowerSystemEngineering V.01.23No.2 Mar.,2007 文章编号:1005-006X(2007)02-00i4-03 成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速研究 清华大学热能工程系杨石杨海瑞侯祥松吕俊复 摘要:为了研究成型生物质颗粒与砂混合物的流化特性.在一个小型冷态鼓泡床试验台上进行一系列试验.得到不同砂粒径,不同 掺混比下成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,混合物的初始流化风速随砂的粒径和生物质掺混比的增加而增加.提出 一 种适合计算生物质颗粒与砂混合物初始流化风速的方法,该方法可以预测生物质与砂混合物的初始流化风速. 关键词:鼓泡床;成型生物质颗粒;流化;初始流化风速 中图分类号:TKi6文献标识码:A ResearchonMinimumFluidizationVelocityOfMixtureofPelletizedBiomassandSands GShi,YANGHai-rui,HOUXiang-song,LyJun.fu Abstract:Inordertoresearchthefluidizationcharacteristicofmixturesofbiomassandsands,aseriesofexperimentwas conductedonapilotscalecoldbubbiingbedapparatusandtheminimumfluidizationvelocitiesofmixturesofbiomass andsandswithdifferentsanddiametersandbiomassmixingratioswereobtained..I1lcresultsshowedthattheminimum fluidizationvdocitiesincreasedwithincreasingofsanddiameterandbiomassmingratio.Amohodtocalculatethe minimumfluidizationvelocitiesofmixtureofbiomassandsandWaSprcseatcd.AnditiSfoundthattheproposedmethod quitesatisfactofiiypredictminimumfluidizationVdocificsofmixturesthevaluesformixtures. Keywords:bubblingbcd:pelletizedbiomass;fluidization;minimmnfluidizationvelocity 生物质能燃烧发电技术在我国是一种新兴的生物质能 利用技术.燃用生物质发电,不但可以节省大量的化石燃料, 而且其燃烧排放的二氧化硫量极低,具有经济,社会和环境 保护等多重意义.因此生物质能燃烧发电技术受到广泛的关 注.在对生物质能燃烧发电技术的探索之中,我们遇到了一 些问题:首先由于生物质燃料的某些理化性质与煤存在明显 差异,因此适合于燃煤发电的锅炉燃烧工艺不一定适合燃烧 生物质.通过锅炉制造厂商的研发和电厂实际运行的检验, 我们确定循环流化床燃烧技术是一种适合生物质燃烧发电 的燃烧工艺.其次,作为一种发电用燃料,生物质的密度, 热值都比较低.对燃料的输运,储藏造成极大不便.为解决 这个问题,目前电厂大多燃用压缩成型后的生物质. 在流化床锅炉中燃烧生物质,首先要保证物料流化充 分,这是流化床锅炉能稳定燃烧的关键因素.一般来讲,生 物质的流化特性不好,大多数纯生物质是不能流化起来的, 只有与其它流化特性良好的物料混合后,才有可能流化.国 内外学者对生物质与床料混合的流态化已经进行了长时间 的研究.学者们普遍认为在生物质质量掺混比较低时,混合 物的初始流化风速随生物质掺混比例的增加而增大,随床料 粒径的增大而增大【0.2】.在前人的研究中,选用的生物质均 为未经压缩成型的原生生物质或锯末,木屑等废料,它们的 物理性质和几何尺寸与成型生物质颗粒差别很大.原有的结 论对成型生物质颗粒未必适用,因此对成型生物质颗粒的流 化特性还需要进行专门的研究.有些学者还用不同的数学方 程对初始流化风速进行计算.Cheung[‘】将双组分混合物的初 始流化速度表示为两种单组分初始流化速度的函数,只要知 收稿日期:2006-09-04 杨~/(19Sl-).男.硕士研究生.北京,100084 道单组分各自的初始流化风速,就可以求出混合物的初始流 化风速.但是单纯的成型生物质颗粒是不能被流化的,因此 也不存在初始流化风速,这种方法对含有成型生物质颗粒的 混合物不适用.Ran[I】提出了适合于单独不可流化物质与其 他床料混合物初始流化风速的计算方法.但是在计算混合物 初始流化风速时引入一个与床料粒径呈线性关系的修正系 数首先必须通过试验确定不同床料粒径下不同掺混比的 混合物的初始流化风速,得到与床料粒径的关系式,才能 计算混合物的初始流化风速.对于一种新的颗粒来讲,他们 的方法计算工作量大.宋朝新【4】等人也提出了类似的方法, 但也面临同样的问题.Formisani[曾实验测出混合物的临界 空隙率,再代入公式求出混合物的初始流化风速,但是既然 混合物的临界空隙率已经确定,那么临界流化风速也已经确 定,这种方法存在逻辑上的问题.本文将前人的计算方法加 以归纳,提出一种适用于生物质成型颗粒的双组分初始流化 风速的计算方法. I试验介绍 在本试验中,生物质为压缩成型的秸秆颗粒.颗粒为直 径4mm,长度不一的圆柱体,试验前将颗粒统一切割成1.5 cm长.床料选用200~400m,400~800IIm,800~i600 IIm的砂子.试验 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的物性见表l. 表l试验材料物性表 第2期杨石等:成型生物质颗粒与砂混合的初始流化风速研究l5 ??赫. —膏 .t? J薯蠢 图l试验台示意图 试验台结构如图l所示,为便于观察床料的流化状态, 床身为高looomm,内径90mm的有机玻璃圆柱.布风板 为不锈钢风帽.风速由流量计测量空气流量并折算之后得 到.床压降由u形管测压计测量.在试验中,砂与成型生 物质颗粒混合后加入床内.首先调节阀门,使流化风量由0 逐渐增大,开始每次增大l,II,稳定5mm,当接近初始 流化风速时,每增大0.2I,稳定5mm,并记录床压降, 直至床压降稳定,物料充分流化.由此得到床压降随风量(流 化风速)变化的上行曲线.在充分流化状态稳定10rain后, 再逐渐减小流化风量至0.得到床压降随流化风速变化的下 行曲线.由于增压时会出现床压鼓泡现象,因此利用下行曲 线确定物料的初始流化风速. 2试验结果与分析 通过观察发现:升高风速的过程中,在生物质掺混比较 低的情况下,混合物能够连续,均匀地进入流化状态.降低 风速的过程中,在生物质低掺混比工况下,混合物能够连续, 均匀地从流化状态进入固定床状态.当生物质掺混比过高 (床料为l撑砂时,掺混比高于20%:床料为2,3撑砂时,掺 混比高于lO%),随着风速增加,砂子颗粒首先被流化,底 层砂子颗粒被气体从沟流带到床层顶部,而生物质颗粒没有 被流化.风速继续增大,整个混合物进入流化状态;当风速 降低到一定程度,生物质颗粒会首先停止流化向下沉降,tc./s (b)2号砂20% 图2压降一流化风速曲线 图2表示了典型的生物质与砂子混合流化的风速一压降 曲线.由图2可见,在同一流化风速下,上行曲线的压降值 大于下行曲线,而且生物质的掺混比例越高,上行曲线与上 行曲线偏差越大,这与文献【l】的结果相反.这是由于【l】中 生物质的几何尺寸与成型生物质颗粒的差异,导致流化状态 下颗粒的空隙率的差异.而床压降对空隙率的变化反应敏 感,所以出现了本文与文献【l】中,上行,下行曲线压力不一 致的情况. 8 瑙 匿 璃 彀 霜 图3生物质掺混比与初始流化风速的关系 实验结果见图3,可以看到成型生物质颗粒与砂的混合 物初始流化风速随生物质掺混比例的增加而增大,随床料粒 径的增大而增大.这与未经压缩的原生生物质相一致. 3生物质颗粒与砂混合物初始流化风速计算 综合前人对混合物的计算方法,生物质颗粒与砂混合物 初始流化风速应按下述步骤确定:?求生物质和砂子各自的 物性,包括球形度,密度,粒径;?求混合物的平均物性; ?求混合物初始流化风速. 3l单组分物性确定 3.1.1单组分球形度确定 球形度与颗粒的比表面,孔分布及粗糙度等物性均有直 接的关系,很难进行准确的测定.根据Casal[6]的研究在层 流区,颗粒的球形度可以表示成如下形式: : (, 150 , p , )~(Re<20)(1) ,口,K 式中s——球形度;——床料的空隙率;颗粒的平 r|n 均直径,m;——气体黏度系数,Pa?s;系数七=..=, lln l广一流化风速,m/s;r压力,Pa;—一床层高,in. 七值可以由实验测量. 利用公式,可以计算出砂子的球形度.但是由于单纯的 成型生物质颗粒是不能被流化的,因此纯生物质颗粒在流化 过程中空隙率是一个定值.所以无法利用此种方法求生物质 颗粒的球形度. 按照球形度的定义,计算生物质颗粒的球形度.球形度 定义为与实际颗粒体积相等的球形颗粒表面积与其实际表 面积之比川. 成型生物质颗粒为圆柱形,表面粗糙,在计算粒径和球 形度时,首先要测量单颗粒的表面积.对比不同的实验测量 手段之后.本文选择用全自动物理,化学吸附分析仪(bet) 测量颗粒的比表面积.用压汞仪测量颗粒的真密度. 单颗粒表面积=颗粒比表面积,颗粒体积=颗粒比表面积 l6电站系统工程2007年第23卷 ×颗粒密度,颗粒质量, 然后按照式(2)【B】计算. :(2) p /Vp 式中,——颗粒的表面积,m:——颗粒的体积,m3; 生物质颗粒的平均粒径计算在下面讨论. 3.1.2单组分平均粒径确定 砂子的平均粒径可由激光粒度分析仪直接测量,生物质 颗粒的平均粒径等于与生物质颗粒体积相等的球体直径. 3.2平均物性计算 3.2_l混合物密度计算 根据Goossens[91提出的混合物平均物性概念,混合物的 平均密度可用二组分加和的总重与其加和的总体积之比来 表示,即 1 . (3) 式中,p广一混合物密度,kg/m3一生物质质量掺混 比;p厂一生物质密度,kg/m3,广_砂子质量掺混比, p广_砂子密度,kg/m3. 3.2.2混合物平均粒径计算’ 平均粒径采用文献【9】中的计算公式: 破九(4) 式中,——混合物平均粒径,m:b——生物质颗粒的 球形度;s——砂子球形度. 3.3混合物初始流化风速计算 单颗粒En方程为基础的简化方程作为计算公式 H “ 焉()噍 表2计算值与实验值的比较 由表可见计算值与实验值可以比较好的吻合.除砂 掺混2O%生物质的情况下,误差为28.8%外,其他情况误差 均在10%以内.根据Geldart颗粒分类【71,实验中的生物质颗 粒和3撑砂颗粒属于GeldartD类颗粒,此类颗粒可以出现鼓 泡,但是颗粒的混合性较差,容易产生喷射流.1撑和砂 属于GeldartB类颗粒,易于鼓泡.因此相同掺混比下,生 物质与l撑和2撑砂子的混合物更容易流化,初始风速也更低. 而与3撑砂子的混合物不易流化,初始流化风速很高. 4结论 (1)相同的生物质颗粒与不同的砂子混合物的流化特 性,受砂子粒径和生物质掺混比的影响. (2)生物质掺混比在20%以内时,混合物可以被流化, 混合物的初始流化风速随床料的粒径增加而增加,随生物质 掺混比的增加而增加. (3)采用改进的初始流化风速计算方法可以预测生物 质掺混比在20~,6以内的混合物初始流化风速.口 参考文献 式中,?床压降,Pa:床层高,m:z广一流化【2】 风速,m/s. 等号右边第一项为黏性项,当流速较低时,它占主导作 用;第二项为惯性项,当流动为湍流时,该项起主要作用. 当混合物处于鼓泡床状态时,雷诺数Re<20,此时式(5) 简化成 垒:l50f.(6) H() 则:若? 式中,一初始流化风速,m/s:p,——气体密度,kg/m’: -广一初始流化风速下的床层空隙率:广重力加速度, m,. 对于混合物Umf: 根据文献[10, 简化为 150#1一 【4】 [51 【6】 [71 11]~Ep|,颗粒工况下,式(3)可以进一步[91 … (-p,)g— 【l0】 (9)【II】 由式(9)得到混合物的初始流化风速与实验值见表2. 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