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摘要 [目的]研究在流化过程中颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的配比等参数对流化质量的影响，为进一步实现反应器的优化设计及数值模拟作铺垫。[方法]在内胆式双热型生物质热裂解反应器中，通过流态化实验，研究不同的生物质粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的不同配比等参数对颗粒流化质量的影响规律。[结果]对于同种颗粒，随着粒径的增加，临界流化速度增大，床层压降随着气速的增加也逐渐增大；对于粒径相同的不同种类颗粒，临界流化速度随颗粒堆积密度的增加而增大；随着生物质颗粒与热载体颗粒混合比的增加，临界流化速度几乎都降低。[结论]选取生物质颗粒和热载体颗粒的配比为2∶3时，流化质量相对较好。
关键词：热裂解反应器；流化质量；颗粒粒径
中图分类号：S216；O643.38 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-013-04
生物质热裂解反应器是生物质热裂解制取生物油系统在运行过程中最重要的部分。只有通过反应器，才能实现生物质颗粒的闪速升温和气相的快速析出。对于反应器的选择和设计是生物质热裂解制油试验研究的关键环节[1]。考虑到在设计热裂解反应器时，流化风速、载气流量及反应物料进入反应器的高度等参数不能完全确定，而且在流化过程中生物质粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的配比、物料堆积高度、分布板开孔率的大小以及流化气进气方式等参数对流化质量的影响较大。因此，笔者主要通过流态化试验，研究在流化过程中颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的配比及物料堆积高度等参数对流化质量的影响，为进一步实现反应器的优化设计、数值模拟作铺垫。
1 材料与方法
1.1 试验系统的设计 试验系统如图1所示，主要由空气压缩机、转子流量计、有机玻璃管反应器、分布板、U型管压差计、橡胶软管和塑料软管组成。为了便于观察实验参数的确定，将不锈钢制热裂解反应器用有机玻璃反应器代替，反应器的尺寸为内径0.22 m，床高1.45 m[2]。该试验系统的条件为常温差压。设备经检查安装好，开动气泵，调节流量计，流量逐渐增大，通过U形压力计读取压降，测定在不同条件下床层的压降和流化速度的关系。
1.2 试验参数及方法的选取
1.2.1 颗粒种类及粒径的选取。
选取玉米秸秆粉（下文简称秸秆粉）、红松木粉、糠、稻壳4种生物质颗粒和河沙、石英砂2种热载体颗粒，粒径范围均选取三组，具体如下：
①秸秆粉粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
②红松木粉粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
③糠粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm；
④稻壳粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm；
⑤河沙粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
⑥石英砂粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm。
1.2.2 研究方法。
选用降速法，测量颗粒的临界流化速度，即先把流化风速升高至使颗粒达到完全流化状态，而且还有一定的速度裕度[3]。继续增大风速，当有微小颗粒飞出反应器时，即达到最大进气量；然后开始逐渐降低风速，减小压缩机阀门开度，读取各状态下的流量计读数。
1.3 临界流化速度的确定
1.3.1 理论模型的建立。
假定反应器内部的颗粒均为相同直径的球形颗粒，且忽略颗粒之间的范德华力、静电力等的影响。考虑到当各颗粒之间的距离比颗粒直径大几个数量级或更多大时，在反应器内部每个颗粒均可认为是单一的悬浮颗粒，其悬浮条件满足式（1）。
1.3.2 试验参数的计算。
试验时采用空气压缩机，用转子流量计测定流量，则根据有机玻璃管的直径，可由式（6）求得玻璃管中的流化速度。
ut=QπD24×3 600（6）
式中，ut为试验测得流化风速，m/s；Q为转子流量计测得的流化风流量，m3/h；D为玻璃管的直径，mm。
试验采用常温20 ℃的空气作为流化气体，其基本参数为μf=1.824×10-5Pa·s，ρf=1.205 kg/m3。
2 结果与分析
2.1 流化速度理论值与试验值的对比 通过经验公式（3）、（4）、（5），计算得到的流化速度结果和试验结果。由表1可知，4种生物质颗粒和2种热载体颗粒的流化速度试验值均随粒径的增大而增大，理论计算值除玉米秸秆粉外，也随粒径的增大而增大。
对于玉米秸秆粉颗粒，公式（4）和（5）计算值非常接近。在同一流体中，粒径大的颗粒受的气流阻力较大，因此与公式（3）的计算值相差较大。对于粒径小于0.5 mm时，式（4）和（5）的计算值和实验值较接近，而对于粒径大于0.5 mm时，3个公式的计算值均和试验值相差较大。主要是由于秸秆粉颗粒在小粒径时，形状较规则，简化为球形颗粒误差较小，而当其粒径较大时，形状不太规则，简化为球形模型时产生的误差较大。对于稻壳颗粒，公式（4）和（5）计算值非常接近，对于粒径小于0.3 mm，式（4）和（5）的计算值和试验值较接近，而对于粒径大于0.3 mm时，公式（3）的计算值和试验值比较接近。主要是由于稻壳颗粒粒径较大时，形状较规则，简化为球形颗粒误差较小，而当其粒径较大时，形状不太规则，简化为球形模型时产生的误差较大。对于红松木粉和糠公式（3）、（4）和（5）计算值相差不大，而与试验值相差较大，主要是因为红松木粉和糠的形状不规则性随粒径的增加而变化的更明显。对于热载体颗粒，河沙和石英砂公式（4）和（5）的计算值和试验值较接近，公式（3）的计算值比试验值大，不太适合密度较高的颗粒。 2.2 流化质量的影响因素分析
2.2.1 不同入料颗粒粒径对流化质量的影响。
当粒径不同时，同种物料颗粒压差-流速曲线如图2所示。
从图2可以看出，当颗粒粒径不同时，因空隙率的存在，颗粒的堆积密度不同，使得同种物料的起始流化速度存在较大的差异。对于同种物料，随着粒径的增加，临界流化速度增大；床层压降随着气速的增加也逐渐增大，当气速较小时，小粒径的物料因堆积密度较小，孔隙率较大，易被流化，在达到临界流化前，其床层压降值比大粒径物料的压降值大。形状较规则且接近球形的秸秆粉、红松木粉、糠和河沙均符合上述规律，而稻壳和石英砂颗粒因其形状不规则，颗粒的堆积密度并不随颗粒粒径的增加而增大，因此小粒径颗粒流化前的床层压降并不比大粒径颗粒的压降值大。
从图3可以看出，对于同种粒径的4种生物质颗粒，临界流化速度随着颗粒堆积密度的增加而增大，其中秸秆粉颗粒的临界流化速度最小，约为0.013 m/s，红松木粉的临界流化速度最大，约为0.27 m/s。而床层压降在流化之前，随着气速的增加而逐渐增大，当颗粒达到流态化以后，压降值只在很小的范围内波动，几乎稳定。对于不同颗粒其压降变化差别较大，并不完全取决于颗粒的堆积密度，其变化与颗粒的性质、形状等有关。也就是说，床层压差的高低不能作为衡量流化质量好坏的标准，但可以从压降的变化情况来判别是否达到流态化。以流态化曲线的拐点为参考，在其之后曲线近似于水平，而在拐点之前属于固定床段，之后则属于流化床段[5]。
2.2.2 不同生物质颗粒和热载体颗粒混合比对流化质量的影响。
在生物质热裂解过程中需要借助热载体颗粒来增大加热速率，因此要考虑生物质和热载体颗粒混合后的流化效果，来选择合适的混合比。结合试验数据，得到当混合物组成相同、配比不同时，其压差-流速曲线如图4所示。
从图4可以看出，随着混合比的增加，即混合物中生物质颗粒浓度的增大，临界流化速度几乎都降低，主要原因是由于生物质颗粒的密度明显低于热载体颗粒，其临界流化速度也明显低于热载体颗粒，因而混合物的临界流化速度会随着生物质颗粒浓度的增加而降低，压降也随着生物质颗粒浓度的增加而降低。有几个特例，如图4d中红松和石英砂混合物，质量比为2∶5时临界流化速度低于质量比为2∶3时临界流化速度；图4e中秸秆和河沙混合物，质量比为2∶3时临界流化速度最大，压降也最大；图4f中秸秆和石英砂混合物，质量比为2∶3时的压降略高于质量比为2∶5的压降。分析这几种特例，产生的主要原因可能有：①试验过程中，因密封不好可能部分地方存在漏气，使得测量结果存在误差；②混合颗粒的形状差异使得粒径分布不均匀，出现部分颗粒聚集现象，流化过程中出现死区；③床层内压降值并不稳定，差压计读数存在波动，会引起读数误差。结合不同混合比的流化特性曲线可以看出，为了提高流化质量，选取生物质颗粒和热载体颗粒的配比为2∶3比较合适。
3 结论
通过流态化实验台，研究了颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒混合配比等参数对流化质量的影响。研究表明，对于同种物料，随着粒径的增加，临界流化速度增大；床层压降随着气速的增加也逐渐增大；对于同种粒径的不同种类颗粒，临界流化速度随颗粒堆积密度的增加而增大；随着混合比的增加，临界流化速度几乎都降低，选取生物质颗粒和热载体颗粒的配比为2∶3时流化质量相对较好。该研究为生物质热裂解反应器优化设计提供参考依据。
参考文献
[1] 刘荣厚.生物质快速热裂解制取生物油技术的研究进展[J].沈阳农业大学学报，2007，38（1）：3-7.
[2] 李三平，王述洋，孙雪，等.新型内胆式双热型生物质热解反应器设计模型[J].林产化学与工业，2014，34（1）：49-56.
[3] 邹家柱，刘泽华.生物质与惰性颗粒流化特性的实验研究[J].南华大学学报：自然科学版，2011，25（2）：33-36.
[4] 吴占松，马润田，汪展文，等.流态化技术基础及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5] 栾敬德，刘荣厚，武丽娟.生物质快速热裂解制取生物油的研究[J].农机化研究，2006（12）：206-210.
关键词：热裂解反应器；流化质量；颗粒粒径
中图分类号：S216；O643.38 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-013-04
生物质热裂解反应器是生物质热裂解制取生物油系统在运行过程中最重要的部分。只有通过反应器，才能实现生物质颗粒的闪速升温和气相的快速析出。对于反应器的选择和设计是生物质热裂解制油试验研究的关键环节[1]。考虑到在设计热裂解反应器时，流化风速、载气流量及反应物料进入反应器的高度等参数不能完全确定，而且在流化过程中生物质粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的配比、物料堆积高度、分布板开孔率的大小以及流化气进气方式等参数对流化质量的影响较大。因此，笔者主要通过流态化试验，研究在流化过程中颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒的配比及物料堆积高度等参数对流化质量的影响，为进一步实现反应器的优化设计、数值模拟作铺垫。
1 材料与方法
1.1 试验系统的设计 试验系统如图1所示，主要由空气压缩机、转子流量计、有机玻璃管反应器、分布板、U型管压差计、橡胶软管和塑料软管组成。为了便于观察实验参数的确定，将不锈钢制热裂解反应器用有机玻璃反应器代替，反应器的尺寸为内径0.22 m，床高1.45 m[2]。该试验系统的条件为常温差压。设备经检查安装好，开动气泵，调节流量计，流量逐渐增大，通过U形压力计读取压降，测定在不同条件下床层的压降和流化速度的关系。
1.2 试验参数及方法的选取
1.2.1 颗粒种类及粒径的选取。
选取玉米秸秆粉（下文简称秸秆粉）、红松木粉、糠、稻壳4种生物质颗粒和河沙、石英砂2种热载体颗粒，粒径范围均选取三组，具体如下：
①秸秆粉粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
②红松木粉粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
③糠粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm；
④稻壳粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm；
⑤河沙粒径，第1组0～0.20 mm，第2组0.20～0.45 mm，第3组0.45～0.60 mm；
⑥石英砂粒径，第1组0.20～0.45 mm，第2组0.45～0.60 mm，第3组0.60～1.10 mm。
1.2.2 研究方法。
选用降速法，测量颗粒的临界流化速度，即先把流化风速升高至使颗粒达到完全流化状态，而且还有一定的速度裕度[3]。继续增大风速，当有微小颗粒飞出反应器时，即达到最大进气量；然后开始逐渐降低风速，减小压缩机阀门开度，读取各状态下的流量计读数。
1.3 临界流化速度的确定
1.3.1 理论模型的建立。
假定反应器内部的颗粒均为相同直径的球形颗粒，且忽略颗粒之间的范德华力、静电力等的影响。考虑到当各颗粒之间的距离比颗粒直径大几个数量级或更多大时，在反应器内部每个颗粒均可认为是单一的悬浮颗粒，其悬浮条件满足式（1）。
1.3.2 试验参数的计算。
试验时采用空气压缩机，用转子流量计测定流量，则根据有机玻璃管的直径，可由式（6）求得玻璃管中的流化速度。
ut=QπD24×3 600（6）
式中，ut为试验测得流化风速，m/s；Q为转子流量计测得的流化风流量，m3/h；D为玻璃管的直径，mm。
试验采用常温20 ℃的空气作为流化气体，其基本参数为μf=1.824×10-5Pa·s，ρf=1.205 kg/m3。
2 结果与分析
2.1 流化速度理论值与试验值的对比 通过经验公式（3）、（4）、（5），计算得到的流化速度结果和试验结果。由表1可知，4种生物质颗粒和2种热载体颗粒的流化速度试验值均随粒径的增大而增大，理论计算值除玉米秸秆粉外，也随粒径的增大而增大。
对于玉米秸秆粉颗粒，公式（4）和（5）计算值非常接近。在同一流体中，粒径大的颗粒受的气流阻力较大，因此与公式（3）的计算值相差较大。对于粒径小于0.5 mm时，式（4）和（5）的计算值和实验值较接近，而对于粒径大于0.5 mm时，3个公式的计算值均和试验值相差较大。主要是由于秸秆粉颗粒在小粒径时，形状较规则，简化为球形颗粒误差较小，而当其粒径较大时，形状不太规则，简化为球形模型时产生的误差较大。对于稻壳颗粒，公式（4）和（5）计算值非常接近，对于粒径小于0.3 mm，式（4）和（5）的计算值和试验值较接近，而对于粒径大于0.3 mm时，公式（3）的计算值和试验值比较接近。主要是由于稻壳颗粒粒径较大时，形状较规则，简化为球形颗粒误差较小，而当其粒径较大时，形状不太规则，简化为球形模型时产生的误差较大。对于红松木粉和糠公式（3）、（4）和（5）计算值相差不大，而与试验值相差较大，主要是因为红松木粉和糠的形状不规则性随粒径的增加而变化的更明显。对于热载体颗粒，河沙和石英砂公式（4）和（5）的计算值和试验值较接近，公式（3）的计算值比试验值大，不太适合密度较高的颗粒。 2.2 流化质量的影响因素分析
2.2.1 不同入料颗粒粒径对流化质量的影响。
当粒径不同时，同种物料颗粒压差-流速曲线如图2所示。
从图2可以看出，当颗粒粒径不同时，因空隙率的存在，颗粒的堆积密度不同，使得同种物料的起始流化速度存在较大的差异。对于同种物料，随着粒径的增加，临界流化速度增大；床层压降随着气速的增加也逐渐增大，当气速较小时，小粒径的物料因堆积密度较小，孔隙率较大，易被流化，在达到临界流化前，其床层压降值比大粒径物料的压降值大。形状较规则且接近球形的秸秆粉、红松木粉、糠和河沙均符合上述规律，而稻壳和石英砂颗粒因其形状不规则，颗粒的堆积密度并不随颗粒粒径的增加而增大，因此小粒径颗粒流化前的床层压降并不比大粒径颗粒的压降值大。
从图3可以看出，对于同种粒径的4种生物质颗粒，临界流化速度随着颗粒堆积密度的增加而增大，其中秸秆粉颗粒的临界流化速度最小，约为0.013 m/s，红松木粉的临界流化速度最大，约为0.27 m/s。而床层压降在流化之前，随着气速的增加而逐渐增大，当颗粒达到流态化以后，压降值只在很小的范围内波动，几乎稳定。对于不同颗粒其压降变化差别较大，并不完全取决于颗粒的堆积密度，其变化与颗粒的性质、形状等有关。也就是说，床层压差的高低不能作为衡量流化质量好坏的标准，但可以从压降的变化情况来判别是否达到流态化。以流态化曲线的拐点为参考，在其之后曲线近似于水平，而在拐点之前属于固定床段，之后则属于流化床段[5]。
2.2.2 不同生物质颗粒和热载体颗粒混合比对流化质量的影响。
在生物质热裂解过程中需要借助热载体颗粒来增大加热速率，因此要考虑生物质和热载体颗粒混合后的流化效果，来选择合适的混合比。结合试验数据，得到当混合物组成相同、配比不同时，其压差-流速曲线如图4所示。
从图4可以看出，随着混合比的增加，即混合物中生物质颗粒浓度的增大，临界流化速度几乎都降低，主要原因是由于生物质颗粒的密度明显低于热载体颗粒，其临界流化速度也明显低于热载体颗粒，因而混合物的临界流化速度会随着生物质颗粒浓度的增加而降低，压降也随着生物质颗粒浓度的增加而降低。有几个特例，如图4d中红松和石英砂混合物，质量比为2∶5时临界流化速度低于质量比为2∶3时临界流化速度；图4e中秸秆和河沙混合物，质量比为2∶3时临界流化速度最大，压降也最大；图4f中秸秆和石英砂混合物，质量比为2∶3时的压降略高于质量比为2∶5的压降。分析这几种特例，产生的主要原因可能有：①试验过程中，因密封不好可能部分地方存在漏气，使得测量结果存在误差；②混合颗粒的形状差异使得粒径分布不均匀，出现部分颗粒聚集现象，流化过程中出现死区；③床层内压降值并不稳定，差压计读数存在波动，会引起读数误差。结合不同混合比的流化特性曲线可以看出，为了提高流化质量，选取生物质颗粒和热载体颗粒的配比为2∶3比较合适。
3 结论
通过流态化实验台，研究了颗粒粒径、生物质颗粒和热载体颗粒混合配比等参数对流化质量的影响。研究表明，对于同种物料，随着粒径的增加，临界流化速度增大；床层压降随着气速的增加也逐渐增大；对于同种粒径的不同种类颗粒，临界流化速度随颗粒堆积密度的增加而增大；随着混合比的增加，临界流化速度几乎都降低，选取生物质颗粒和热载体颗粒的配比为2∶3时流化质量相对较好。该研究为生物质热裂解反应器优化设计提供参考依据。
参考文献
[1] 刘荣厚.生物质快速热裂解制取生物油技术的研究进展[J].沈阳农业大学学报，2007，38（1）：3-7.
[2] 李三平，王述洋，孙雪，等.新型内胆式双热型生物质热解反应器设计模型[J].林产化学与工业，2014，34（1）：49-56.
[3] 邹家柱，刘泽华.生物质与惰性颗粒流化特性的实验研究[J].南华大学学报：自然科学版，2011，25（2）：33-36.
[4] 吴占松，马润田，汪展文，等.流态化技术基础及应用[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5] 栾敬德，刘荣厚，武丽娟.生物质快速热裂解制取生物油的研究[J].农机化研究，2006（12）：206-210.