流化床內生物質石英砂混合流動壓力脈動頻譜特性

王肖祎，仲兆平，王澤宇，趙凱(東南大學 能源與環境學院 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京，210096)

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流化床內生物質石英砂混合流動壓力脈動頻譜特性

王肖祎，仲兆平，王澤宇，趙凱
(東南大學 能源與環境學院 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京，210096)

摘要：為考察生物質顆粒的添加對流化床流動特性的影響，研究不同靜止床高和生物質添加量下矩形流化床的壓力脈動頻譜特性，床料選用0.8 mm粒徑的石英砂，柱形生物質顆粒直徑×長為10 mm×10 mm。研究結果表明：當不添加生物質顆粒時，高靜止床高下壓力脈動信號的功率譜密度圖在 0～5 Hz 區間會出現主頻。當處于低靜止床高且生物質添加量較少時，功率譜密度圖主頻完全消失；當生物質添加量較多時則會出現1個明顯的主頻，該主頻隨氣速的增大而增大。當處于高靜止床高時，只有在低氣速下，生物質添加才會對壓力脈動頻譜特性有明顯影響。

關鍵詞：流化床；生物質顆粒；混合流動；壓力脈動；功率譜密度

生物質熱解和氣化技術是綜合利用生物質能的方法，流態化下的熱解技術是其工業應用的重要工藝之一[1]。生物質由于密度小、質地軟、形狀不規則難以單獨流化，通常將生物質與石英砂等流化介質混合流動。因此，流化床內生物質混合流動的影響因素一直受到關注。CLARKE等[2?5]對生物質顆粒與不同形狀、密度、粒徑的顆粒的混合流動進行研究，重點對壓降、混合狀況、以及燃燒后的氣體進行分析。為避免生物質與石英砂混合流動出現分層，將生物質壓縮成型，成型后的生物質密度大且形狀規則。然而生物質顆粒的添加對流化床內氣泡行為、流動特性的影響研究較少。流化床內的壓力脈動是由氣泡的形成、聚并和破裂以及氣泡的運動引起的[6]。流化床內的壓力脈動信號可以反映床內流化質量[7]、 顆粒流動[8]、 氣泡行為[9]，有助于深入理解流化床流體動力學特性，可以區分幾種典型的流化狀態[10]以及判斷最小流化速度[11]。許多研究者采用不同的方法處理分析了流化床內壓力脈動信號。PRARISE等[12]研究了2種不同密度的顆粒在不同床高及長寬比下的流動特性，采用高斯光譜壓力分布法分析，發現在低床高、底長寬比、低顆粒密度時流化質量最好。JAIBOON 等[13]在流化床和循環流化床提升管處測量壓力脈動，對不同流型下的壓力脈動信號進行了頻譜分析，指出了不同流型和提升管高度下功率譜密度顯示不同的分布特征，鼓泡和騰涌流型下存在明顯的峰值。LIU 等[14]分析了壓力信號的功率譜密度，比較不同氣泡尺寸的頻譜變化，指出氣泡的連貫性和氣泡尺寸可以明顯地反映到壓力脈動信號中，但在一定程度上會被氣泡的運動影響。本文作者通過對不同靜止床高，不同生物質顆粒質量分數下，生物質與石英砂混合流動的壓力脈動信號進行頻譜分析，考察了生物質添加量和靜止床高對壓力脈動信號，即氣泡行為、流化狀態等特性的影響。采用功率譜密度分析系統的周期特性，綜合分析床內生物質石英砂2組分流動的動力學特點，研究由于生物質的添加，床內氣泡、顆粒流動等特性的變化。這對進一步研究生物質熱解與氣化，控制給料速率，強化傳熱，提高效率有著重要的實踐意義。

1　實驗部分

本研究實驗系統如圖1所示，主要包括實驗室規模的流化床、供風系統、數據采集系統以及圖像采集系統。流化床主體采用厚度為6 mm的有機玻璃制成，床高1000 mm，為觀察床內氣泡行為、顆粒流動等特性，流化床采用較大的長寬比，截面長×寬為120 mm×32 mm。布風板厚度6 mm，上有直徑為1mm等邊三角形排列的小孔126個，開孔率為2.6%；為防止小孔被顆粒堵塞，在布風板上方布置1層孔徑為0.25 mm的篩網。本實驗的流化風由羅茨風機提供，風量由轉子流量計控制，其量程分別為1～20 m3/h 和4～40 m3/h。為使氣流分布均勻，測得的壓力脈動更加準確，在風室內加一均風板均勻布風。

測壓點應布置在流化床中心流態化充分發展的地方[15]，本實驗分別布置3個高度的測壓孔來測量不同工況下的壓力脈動信號，孔中心距布風板分別為200，300和400 mm。床內的壓力脈動信號通過壓力變送器(型號為KMSSTO；量程為0～35 kPa)、USB數據采集器采集(RBH8251?13 型)，采樣頻率為100 Hz，連續采集10 s。

圖1　可視化流化床實驗系統圖Fig.1　Visual experimental system of fluidized bed

為了清晰地觀察顆粒混合流動，選用石英砂和成型的柱形生物質顆粒作為床料，石英砂平均粒徑為0.8 mm，密度為2 650 kg/m3，柱形生物質顆粒直徑×長為10 mm×10 mm，密度約為1300 kg/m3。單組分石英砂作床料時，實驗測得的臨界流化速度為0.87 m/s。為考察生物質顆粒的添加對流化床內壓力脈動、氣泡行為、流動特性的影響，本實驗在鼓泡和騰涌階段采樣。表1所示為表觀氣速、生物質質量分數以及靜止床高的具體參數。

表1　實驗工況Table1　ExperimentalConditions

2 壓力脈動信號分析

頻譜分析通常用來揭示時間序列的周期性特征，可以檢測系統隨機過程的頻繁性。功率譜密度(power spectral density，PSD)作為頻譜分析的重要分析方法之一，可以通過快速傅里葉變換[16](fast Fourier transform，FFT)來實現。在相同時間間隔?t下測得壓力脈動時間序列x(n)，其中：n=1,2,3,…,N，N為時間長度。時間序列的自相關序列為

式中：f為采樣頻率。

通過FFT得到PSD為

3 結果分析與討論

壓力脈動信號包含了流化床內的綜合因素，包括氣泡的產生、流動、聚并和破裂以及顆粒的擾動等，是床內流動的外在動態反映。以往流化床壓力脈動頻域分析結果表明，流化床內壓力脈動信號頻率較低，一般密集于30 Hz以下，而實測的壓力波動時間序列往往包含大量高頻噪音信號，一般認為30 Hz以上的信號為高頻噪聲信號[17]。本研究采用Butterworth 低通數字濾波方法去除30 Hz以上的高頻噪聲，并將數據歸一化處理。

在對壓力脈動信號進行頻譜分析時，得到的功率譜往往具有一個明顯的主峰值，這個主峰值對應的頻率稱為信號的主頻，即信號主周期的倒數。另外，壓力脈動功率譜中除存在主峰外，還會出現與主頻數量級相當的寬譜信號，說明壓力波動信號中存在多個頻率，這與布風板的射流引起的小氣泡和顆粒的無規則運動有關[18]。

3.1氣速與床高的影響

靜止床高(H)會影響氣泡穿過床層的時間，H增加使得氣泡經過的路徑變長，氣泡產生、聚并的概率增大，同時床層阻力和壓降也會增加。圖2所示為不同氣速下的壓力脈動信號。從圖2可知：當 H=50 mm時，信號幅值較小脈動劇烈，單從原始信號不能觀察出變化趨勢；當H=150 mm時，壓力脈動信號可以看出有明顯的波動，變化趨勢明顯，并且其幅值隨著氣速的增加而增大。

圖3所示為 H=50 mm 時不同生物質添加量下脈動信號的PSD圖。從圖3(a)，3(d)和3(g)可見：當H=50 mm時，單組分石英砂在不同氣速下的功率譜密度分布在相對高頻的區域并且信號的主頻不是很明顯，其主頻與寬譜區域頻率會隨著氣速的增大而降低。圖4所示為H=50 mm時不同生物質添加量下流化床內氣泡狀態。從圖 4(a)和圖 4(d)可以看出：此時 H較低，床內氣體射流和小氣泡的行為占主導作用，小氣泡還沒有聚并長大就已經到達頂部破碎。由于氣速的增加，氣泡擾動增強，使得一部分氣泡發生聚并，頻率會相應降低，但由于床高和氣泡直徑的限制，床層并沒有出現嚴重的不穩定性，所以此時信號的主頻并不明顯。

圖2不同氣速下的壓力脈動信號Fig.2Pressure fluctuation signals in difficult velocities

圖3　H=50 mm時不同生物質添加量下脈動信號的PSD圖Fig.3　PSD of different w at different velocities and biomass weight with H=50 mm

圖4H=50 mm時不同生物質添加量下流化床內氣泡狀態Fig.4Photos of different w at different velocities and biomass weight with H=50 mm

圖5所示為H=150 mm時不同生物質添加量下脈動信號的PSD圖。從圖5(a)，5(d)和5(g)可見：當H=150 mm 時，單組分石英砂在不同氣速下的功率譜密度在 0～5 Hz 間會出現1個明顯的主頻。圖6所示為H=150 mm 時不同生物質添加量下流化床內氣泡狀態。在氣固兩相流中，氣泡在上升的過程中會發生聚并和長大(見圖6(a))，此時大氣泡對流場的擾動更為劇烈，并且壁面的存在同樣會誘導流場的波動，H 高使氣泡形成到破碎的周期變長，此低頻部分就代表大氣泡產生和破碎的過程。需要指出的是，對于截面小的流化床，當初始床高足夠高，氣速足夠大時，氣泡最終會達到足以布滿這個容器界面，形成“騰涌”。當H=150 mm，氣速v=1.74 m/s和v=2.31m/s時，功率譜的主頻非常明顯，幅值也較高，這是因為床內產生了騰涌(見圖6(d))。本研究中主頻隨著床高增加而減小，這與FAN等[19]研究結論一致。

圖5　H=150 mm時不同生物質添加量下脈動信號的PSD圖Fig.5　PSD of different w at different velocities and biomass weight with H=150 mm

3.2生物質質量分數(w)的影響

本實驗研究不同密度、粒徑的物質混合對流化床內壓力脈動信號的影響，當生物質質量分數為 26.5%時，由于生物質和石英砂的密度、粒徑的不同，床內會出現明顯的分層現象，此時已經不屬于雙組分的混合流動，所以不對此工況作分析比對。

3.2.1低靜止床高的影響

當 H=50 mm(見圖 3)、生物質添加量較低(6.4%)時，功率譜密度分布圖中主頻和寬譜區域完全消失，PSD分布非常均勻，幾乎看不出變化。流化床內生物質的粒徑較石英砂大的多，大顆粒的存在使得床內氣泡的產生和破裂都要相對容易。從圖 4(b)和圖 4(e)也可以看出：石英砂和生物質的交界處很容易形成氣泡，氣泡產生后即脫離生物質沿石英砂組分向上移動，當遇到下一個生物質顆粒的時候便會破裂從而形成下一個氣泡；不能遇到生物質的氣泡則以小氣泡的形式在石英砂顆粒群中流動。靜止床高較低時氣體射流和小氣泡行為占主導作用，生物質的存在使得氣泡尺寸和運動速度都有很大的差別，并且此時的床層比較穩定，所以并不能觀察到明顯的頻譜特性。當生物質添加量高(17.8%)時，高頻寬譜區頻率隨著氣速的增加而減小；功率譜在中頻區中會出現一個較明顯的主頻，并且隨著氣速的增加主頻也增大。從圖 4(c)和圖 4(f)可知：此時生物質質量分數高會存在2個或多個生物質聚合在一起的情況，當小氣泡經過此區域時會發生聚并形成較大的氣泡且氣泡直徑相對均勻，此時就會對顆粒產生較大地擾動，固體顆粒的運動也更加活躍；另一方面隨著氣速的增大，氣泡上升速率增加使主頻升高。

3.2.2高靜止床高的影響

從圖5可知：當氣速較低且生物質質量分數較低(6.4%)時，功率譜密度同樣表現為幅值減弱、頻率分布較為均勻。從圖6可知：生物質的存在使得0～5 Hz間的主頻相對減弱，但沒有完全消失。生物質添加后大氣泡破碎并且氣泡邊界不再明顯，這說明生物質的存在不但有利于氣泡的形成與聚并，并且有利氣泡的破裂。原因可能是當氣泡上升長大的過程中遇到生物質顆粒，干擾了氣泡以原本形態繼續運動，使氣泡分裂；還有可能因為氣泡在上升過程中合并和長大到一定程度時，由于生物質與石英砂密度和粒徑的不同，使得氣泡上方的生物質回落到氣泡中，在一定程度上影響了氣泡特性，使低頻信號能量減弱。

當生物質質量分數較高(17.8%)時，又會產生0～5 Hz 間的主頻，相對于不添加生物質時其主頻減小。從圖 6(c)可知：此時生物質質量分數高，顆粒的聚合有利于形成大氣泡，該工況H較高，氣泡有足夠的時間聚并、長大。

高氣速下，PSD 頻率集中，在 0～5 Hz 間有明顯的主頻，添加生物質后其功率譜密度并沒有明顯的變化。這是由于床內出現了“騰涌”(見圖 6(d)，6(e)和6(f))，氣泡行為主要受表觀氣速和靜止床高的影響，可見在此工況時生物質對流化狀態的影響已經很小。

圖6　H=150 mm時不同生物質添加量下流化床內氣泡狀態Fig.6　Photos of bubbles at different velocities and biomass weight with H=150 mm

4 結論

1)高靜止床高時，由于大氣泡的存在，功率譜密度在0～5 Hz會出現明顯的主頻；低靜止床高時，主頻較高并存在高頻寬譜區域。

2)當 H=50 mm、生物質添加量少時氣泡分布較均勻、氣泡直徑差別較大，功率譜密度主頻消失；生物質添加量多時由于生物質的聚合，產生較大的氣泡，并且氣泡直徑較均勻(～40 mm)，功率譜密度在中頻處存在明顯的主頻，并且隨著氣速的增大而增大。

3)當H=150 mm、低氣速時生物質的添加對壓力脈動信號的影響較大，表現為低生物質添加量下功率譜頻率分布較均勻、幅值減小；高氣速下生物質的添加對壓力脈動信號幾乎沒有影響。

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(編輯 羅金花)

Frequency spectrumCharacteristics of pressure fluctuation in fluidized bed with biomass particles and quartz sands

WANG Xiaoyi,ZHONG Zhaoping,WANG Zeyu,ZHAO Kai
(Key Laboratory of Energy ThermalConversion andControl of the Ministry of Education,School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract:To research the influences of fluidCharacters on fluidized bed added biomass particles,the pressure fluctuation spectrum behaviors at different static bed heights and biomass weight were investigated in a rectangular fluidized bed.The quartz sands with the diameter of 0.8 mm andCylinder-shaped biomass particles with both of the diameter and length of10 mm were adopted as bed materials.The results show that power spectral density has an obviously main frequency between 0?5 Hz when the static bed height is high and without biomass particles.The main frequency of the power spectral density disappearsCompletely,when the static bed height is low and a small amount of biomass is added.But an obvious main frequency occurs when a large amount of biomass is added.When the static bed height is high,the biomass particles influence the flow of gas only at a low superficial gas velocity.

Key words:fluidized bed? biomass particles? mixed flow? pressure fluctuation? power spectral density

中圖分類號：TQ051

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0279?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.038

收稿日期：2014?12?29；修回日期：2015?03?01

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(51276040,U1361115)(Projects(51276040,U1361115)supported by the National Natural Science Foundation ofChina)

通信作者：仲兆平，教授，博士生導師，從事生物質熱解研究；E-mail: zzhong@seu.edu.cn