床料對固廢流化床顆粒混合特性的影響

胡 顥 沙春發(fā) 邵應(yīng)娟 鐘文琪 金保昇

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096)

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

作為世界上最大的能源消耗和廢棄物產(chǎn)生國，我國面臨著能源不足和固體廢棄物環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn).近年來，國家及地區(qū)的一系列規(guī)劃中都對固體廢棄物的高效清潔能源化利用提出了嚴(yán)格的要求，因而固體廢棄物的能源化利用技術(shù)發(fā)展迅速［1］.其中，利用氣固流化床熱轉(zhuǎn)化技術(shù)處理固體廢棄物，包括氣化［2］、熱解［3］，焚燒［4］等，由于其處理效率高、燃料適用性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、污染物排放低等特點［5］，已成為國內(nèi)外對可燃固體廢棄物規(guī)模化、高效能源化利用清潔的發(fā)展方向.

單一的固體廢棄物很難流化，實際工業(yè)應(yīng)用中往往在反應(yīng)器中加入一定量的床料顆粒以輔助其流化［6］.因此，在利用固廢流化床處置固體廢棄物時，不可避免地涉及到流化床內(nèi)多組分復(fù)雜顆粒系統(tǒng)混合與分離問題.在以往的研究中，主要從氣速［7］、顆粒密度［8］、顆粒尺寸［9］、流化床結(jié)構(gòu)［10］等方面考察對顆粒系統(tǒng)混合特性的影響，而床料對于顆粒混合特性的影響分析卻鮮有報道.

本文建立了固體廢棄物流化床冷態(tài)試驗裝置，選取典型的固體廢棄物材料作為物料顆粒，對不同床料下床層內(nèi)的混合情況進(jìn)行試驗研究，重點考察床料密度、粒徑及體積分?jǐn)?shù)對于顆粒系統(tǒng)混合特性的影響，以期為可燃固體廢棄物燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計、運行和參數(shù)優(yōu)化提供參考.

1 試驗系統(tǒng)及方法

本文建立的固廢流化床冷態(tài)試驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括空氣供給、流化床本體、樣本收集、壓力信號采集和圖像采集5 個部分.床體材料為透明耐磨有機(jī)玻璃，以便在可視化環(huán)境下采集床體內(nèi)部流化及混合情況，床體橫截面為200 mm ×200 mm 的正方形，床高1 200 mm，布風(fēng)板采用風(fēng)帽形式，開孔率為6.57%，66 個風(fēng)帽呈等邊三角形均勻布置.試驗臺后板可拆卸，以方便插入隔板進(jìn)行取料分析，為加強(qiáng)密封，后板與左右板連接處裝有橡皮墊圈并用螺栓加固.流化氣由羅茨風(fēng)機(jī)提供，羅茨風(fēng)機(jī)的出力為28 m3/min，最高壓力可達(dá)350 kPa 表壓，軸功率為28 kW，運行時完全能夠滿足試驗對風(fēng)壓和風(fēng)量的要求.流化氣流量控制通過管路上三路并聯(lián)的浮子流量計完成，氣體首先通入床體風(fēng)室，經(jīng)過布風(fēng)板風(fēng)帽的小孔進(jìn)入床內(nèi)，并穿過床層直接排入大氣.在流化床床體側(cè)面，距布風(fēng)板60，120，180，240，400，600，700，800，1 000 mm壁面處分別開有9 個測壓孔，差壓傳感器的兩端分別與該孔和風(fēng)室的氣體聯(lián)箱相連.差壓信號通過送入量程為0～16 kPa 的多通道差壓變送器，輸出信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，由計算機(jī)采集，并配以高分辨率數(shù)碼CCD 相機(jī)采集圖像，記錄不同工況下床內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)和顆粒混合行為.

圖1 試驗系統(tǒng)圖

常見的固體廢棄物主要有紙張、塑料、廚余、木塊、金屬制品、果皮、煤渣、磚塊等，當(dāng)這些物質(zhì)的顆粒在流化床中流化時，每種顆粒的分布情況并不相同.Chiba 等［11］的試驗研究表明，相比于顆粒尺寸與形狀，顆粒密度對于其混合特性的影響更為明顯.因此，本文試驗中，根據(jù)常見固體廢棄物的密度分布情況，選擇4 種密度間存在一定差異的模擬固廢異型顆粒作為試驗物料，分別為木塊顆粒B、聚苯乙烯塑料顆粒C、玉米顆粒D、建筑碎石顆粒E，這些顆粒在尺寸、形狀及密度之間都存在一定的差異.試驗中分別選用煤粉與石英砂顆粒作為流化介質(zhì)(床料)，其中煤粉顆粒A1 與石英砂顆粒A2 具有相同的粒徑分布，而石英砂A2，A3，A4 為3 種具有不同粒徑分布的顆粒.床料與物料的具體特性參數(shù)如表1和表2所示.

混合試驗前首先測定顆粒系統(tǒng)的臨界速度值.參照文獻(xiàn)［12］中對異型多組分顆粒系統(tǒng)最小流化速度值的測定方法，本文以降速法測定床層的壓降值，并通過繪制降速壓降曲線來確定不同工況下的最小流化速度.試驗初始床層選用充分混合床層，固定靜止床高為200 mm，按體積比先將床料放入床內(nèi)，再將物料(每種模擬固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)相同)均勻放在床料上部，開啟羅茨風(fēng)機(jī)，將流量調(diào)制成2.5 m/s，并保持5 min，使床層內(nèi)物料與床料充分混合.調(diào)節(jié)流量計至試驗所需工況，保持10 min 待混合穩(wěn)定后快速切斷氣流，凍結(jié)床層，將床層沿高度方向分成4 份，插入隔板分層后，通過取料裝置收集每層樣本顆粒并加以分析.

表1 床料的基本特性

表2 模擬固廢顆粒的基本特性

為了同時考察床層局部區(qū)域與床層整體的混合情況，本文定義了2 種顆粒濃度形式:顆粒的特征濃度和顆粒的局部濃度.其中，顆粒的特征濃度是指整個床層內(nèi)該種顆粒的特征濃度，定義為

式中，mi為取樣樣本中模擬固廢的質(zhì)量;mi，t為該類模擬固廢顆粒的總質(zhì)量.當(dāng)每層樣本中pi值越接近，說明顆粒的分布越均勻.顆粒的局部濃度為

式中，mi，bt為取樣樣本中所有顆粒的總質(zhì)量.

在任一顆粒系統(tǒng)中，顆粒的混合特性都是混合機(jī)制與分層機(jī)制競爭的結(jié)果，研究者針對不同混合體系也提出了不同的混合指數(shù)表征方式.本文參照Hemati 等［13］對混合指數(shù)的定義，即

式中，σ0為當(dāng)模擬固廢顆粒和床料完全分離狀態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差，該值僅與混合物體系中模擬固廢顆粒的總體積分?jǐn)?shù)以及取樣的層數(shù)有關(guān)，相對其混合物體系本身為定值;σ 為實際隨機(jī)分布態(tài)下的局部濃度標(biāo)準(zhǔn)差，定義為

因此，當(dāng)顆粒混合體系處于完全分離態(tài)時，σ =σ0，此時M =0;當(dāng)混合物達(dá)到完全混合狀態(tài)，模擬固廢顆粒在各樣本內(nèi)平均分布時，σ =0，此時M =1，說明床層內(nèi)物料混合達(dá)到最理想狀態(tài);隨機(jī)混合時，0＜M ＜1，且M 值越接近于1，說明顆粒系統(tǒng)混合越為均勻，M 值越趨于0，則顆粒系統(tǒng)分層越嚴(yán)重.

2 結(jié)果與討論

2.1 床料密度對于顆粒混合的影響

對氣固流化床混合特性研究中采用的床料往往為砂粒［7，12］、煤粒［13］、FCC 催化裂化催化劑［10］、玻璃球［11］等.本文為了考察床料密度對于顆粒混合的影響，分別選用粒徑分布相同、密度相差較大(ρA2≈1.86ρA1)的煤粉顆粒A1 與石英砂顆粒A2作為床料，且使混合系統(tǒng)中固廢顆粒所占體積分?jǐn)?shù)都為20%.通過降速法繪制床層的壓降特性圖，并以固定床區(qū)與流化床區(qū)壓降曲線所得交點作為最小流化速度值［12］.由此可得，當(dāng)采用煤粉A1 作為床料時最小流化速度Umf為0.19 m/s，而當(dāng)采用石英砂A2 作為床料時Umf達(dá)到0.27 m/s.可見，隨著床料密度的增大，顆粒系統(tǒng)的最小流化速度也隨之增大，需要更大的氣速才可實現(xiàn)床層的流化效果.

圖2 4 類模擬固廢顆粒的特征濃度分布

4 種模擬固廢顆粒在床層中的特征濃度分布如圖2所示.可以看出，在低氣速時，床層的分層機(jī)制作用明顯，其中以木塊顆粒B 在石英砂床料A2中、建筑碎石顆粒D 在煤粉床料A1 中的表現(xiàn)最為明顯，此時幾乎只存在局部的固廢顆粒堆積;在氣速U 上升至3Umf時，各模擬固廢顆粒的分布特性明顯趨于均勻，可見氣速的增大有利于提高床層內(nèi)的混合質(zhì)量.許多學(xué)者［7，13－16］在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流化數(shù)N(N=U/Umf)達(dá)到某一值時(如文獻(xiàn)［7］中N=2.3、文獻(xiàn)［13］中N=2.5)，顆粒系統(tǒng)的混合趨于穩(wěn)定，此時繼續(xù)增大氣速，顆粒系統(tǒng)混合特性幾乎不變.借鑒這一規(guī)律，本文以氣速U =3Umf時的工況作為混合穩(wěn)態(tài)工況對床層內(nèi)混合特性進(jìn)行考察.此外，當(dāng)采用不同密度床料時，模擬固廢顆粒的分布規(guī)律也存在較為明顯的變化.比較圖2可以發(fā)現(xiàn)，床料密度的增大提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢，這種提升作用具有兩面性:對于高密度固廢顆粒，ρb的增大有利于床層的整體混合，并對ρp較大顆粒的底部偏析具有抑制作用;對于低密度固廢顆粒，ρb的增大不利于床層的整體混合，容易造成物料顆粒在床層頂部的分層堆積現(xiàn)象.

圖3給出了混合指數(shù)M 隨ρb/ρp的變化規(guī)律，可以看出:某一種物料顆粒在床層內(nèi)的混合特性取決于床料密度與這種物料密度的比值.當(dāng)ρb/ρp＜0.7 或ρb/ρp＞4 時，床層混合指數(shù)小于0.5，此時分層機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在低氣速U =Umf時，模擬固廢顆粒幾乎都堆積在床層頂部或底部區(qū)域，此時模擬固廢顆粒與床料的混合幾乎不發(fā)生.在ρb/ρp≈2.4 時，床層混合最為理想，此時混合指數(shù)接近于1.由圖3還可看出，ρb/ρp越接近于2.4，氣速改變對于床層的混合特性影響就較小.這一現(xiàn)象說明，氣速對于分層機(jī)制主導(dǎo)下的床層混合效果改變較為明顯，而對于混合機(jī)制主導(dǎo)下的床層混合效果改善不大.

圖3 混合指數(shù)隨ρb/ρp 的變化

2.2 床料粒徑對顆粒混合的影響

為了考察床料粒徑對于顆粒混合的影響，本文篩分出了3 種粒徑分布不同的石英砂顆粒A2，A3和A4，并保證顆粒系統(tǒng)中床料所占體積分?jǐn)?shù)為80%，此時床層的最小流化速度Umf分別為0.27，0.39，0.52 m/s，可見，同床料密度的影響作用相同，當(dāng)采用的石英砂床料粒徑不斷增大時，顆粒系統(tǒng)的最小流化速度值也不斷增大.

圖4 4 類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)

混合穩(wěn)態(tài)工況下4 種模擬固廢顆粒的特征濃度分布如圖4所示.從圖中可以看出，床料粒徑的增大同樣提升了模擬固廢顆粒的浮升趨勢，但與床料密度的提升作用相比，床料粒徑的影響效果較小.從圖中4 種模擬固廢顆粒的特征濃度分布來看，床料粒徑的增大對于木塊顆粒B 的影響效果并不明顯，因為其本身就存在一定的上部分層，床料粒徑增大后，這種分層作用就增大，但并不能改變高氣速下混合機(jī)制主導(dǎo)這一規(guī)律.對于其他3 類顆粒，床料粒徑的增大對其影響效果較為明顯，其中塑料顆粒C的混合質(zhì)量變差，這主要是由于床料粒徑的增大使其原先較為均勻的分布轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ纳喜科觯瑥亩呌凇斑^飽和”狀態(tài);而對于原先床層下部分布較多的玉米顆粒D 與建筑碎石顆粒E，床料的增大促進(jìn)了其沿床層的均勻分布，混合質(zhì)量增強(qiáng).4 種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料粒徑變化的關(guān)系如圖5所示.可以看出，當(dāng)床料由石英砂A2 變?yōu)槭⑸癆4時，玉米顆粒的混合指數(shù)趨于0.95，碎石顆粒的混合指數(shù)也由原來的0.72 增大至0.75.

圖5 混合指數(shù)隨床料粒徑db 的變化(U=3Umf)

2.3 床料體積分?jǐn)?shù)對于顆粒混合的影響

目前針對雙組分系統(tǒng)混合規(guī)律中床料分?jǐn)?shù)的影響已有大量的研究，且獲得了一系列成果，但從目前檢索的文獻(xiàn)來看，仍無法得到一致性的結(jié)論，如Hemati 等［13］認(rèn)為床料體積分?jǐn)?shù)與床層混合質(zhì)量相互獨立，床料體積分?jǐn)?shù)的變化并不影響混合質(zhì)量;而Zhang 等［14］的試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床料體積分?jǐn)?shù)的增大，有利于床層的混合.

選擇石英砂A2 作為床料，分別考察床料體積分?jǐn)?shù)為90%，80%，70%時混合穩(wěn)態(tài)下床層內(nèi)各模擬固廢顆粒的特征濃度分布，如圖6所示，各配比下顆粒系統(tǒng)的最小流化速度分別為0.21，0.24，0.27，0.32，0.39 m/s.可以發(fā)現(xiàn)，隨著床料體積分?jǐn)?shù)Xv，b的增大，4 種模擬固廢顆粒的特征濃度分布趨于均勻，其中以塑料顆粒C 與建筑碎石顆粒E 尤為明顯.以混合指數(shù)M 作為混合效果的考察標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示，在穩(wěn)態(tài)混合氣速下，4 種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)的增大出現(xiàn)相同的變化趨勢，這表明床料體積分?jǐn)?shù)的增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合.

圖6 4 類模擬固廢顆粒的特征濃度分布(U=3Umf)

圖7 混合指數(shù)隨床料體積分?jǐn)?shù)Xv，b的變化(U=3Umf)

在實際固廢流化床應(yīng)用工業(yè)中，為增大固廢的處理量，往往需要盡可能地增加固廢所占比例;但從固廢流化床穩(wěn)定運行而言，隨著固廢所占比例增大，床料所占份額逐漸減小，床層內(nèi)顆粒系統(tǒng)的流化質(zhì)量與穩(wěn)態(tài)下顆粒系統(tǒng)的混合質(zhì)量將逐漸變差.邵應(yīng)娟等［12］的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)床料體積分?jǐn)?shù)小于25%時，無法實現(xiàn)固廢顆粒與床料顆粒的共流化;在針對雙組分顆粒混合的大量研究［15－16］中也已證實，為形成良好的流化混合質(zhì)量，應(yīng)保證床料具有一定份額(Xm，b≥85%［15］，Xm，b≥90%［16］).從本文試驗發(fā)現(xiàn)，使床料體積分?jǐn)?shù)大于80%時，可使4 種模擬固廢顆粒的混合指數(shù)都大于0.7，床層混合較好.

3 結(jié)論

1)床料密度對固廢流化床內(nèi)顆粒系統(tǒng)的混合特性影響較大，床料密度的增大顯著地提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢;某一種模擬固廢顆粒在床層內(nèi)的分布特性取決于床料密度與這種顆粒密度的比值ρb/ρp，在ρb/ρp≈2.4 時，床層混合效果最為理想.

2)床料粒徑的增大提高了模擬固廢顆粒的浮升趨勢，但這種提升作用幅度較小，且容易使原來分布較為均勻的固廢顆粒(如本文中塑料顆粒C)出現(xiàn)“過飽和”態(tài)，使混合變差.

3)床料體積分?jǐn)?shù)增大有利于床層內(nèi)顆粒的穩(wěn)態(tài)混合，為保證固廢流化床內(nèi)良好的流化混合質(zhì)量，床料體積分?jǐn)?shù)應(yīng)大于80%.

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