CFB煤燃燒/熱解雙反應器中熱解室對立管內氣固流動(dòng)特性的影響

第32卷第6期燃料化學(xué)學(xué)報Vol.32 No.62004年12 月JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TBCHNOLOGYDec.2004文章編號:0253-2409 2004 )06-0711-06CFB煤燃燒/熱解雙反應器中熱解室對立管內氣固流動(dòng)特性的影響王志鋒'2 ,梁鵬'2 ,董眾兵,畢繼誠'( 1.中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉化國家重點(diǎn)實(shí)驗室,山西太原030001 ;2.中國科學(xué)院研究生院,北京10039;3. 安徽理工大學(xué)化工系,安徽淮南232001 )摘要:考察了循環(huán)流化床煤燃燒/熱解雙反應器系統中熱解室的存在對立管內的壓力分布及氣固流動(dòng)狀況的影響。提升管的內徑100mm.高6m立管的內徑44mm.高3m熱解室的截面積200mmx200mm、高770nmo結果表明隨著(zhù)提升管內表觀(guān)氣速U,的增加,有無(wú)熱解室立管內均為負壓差流動(dòng),負壓差梯度隨著(zhù)U,的增加而減小。有熱解室時(shí)熱解室內要保持一定的料位高度整個(gè)立管內固體顆粒的流動(dòng)為負壓差移動(dòng)床流動(dòng)沒(méi)有熱解室時(shí)，立管內為稀相流動(dòng)和移動(dòng)床流動(dòng)同時(shí)存在立管內平衡料柱高度隨U, 的增加而升高。隨著(zhù)循環(huán)量G, 的增加兩種類(lèi)型的立管內負壓差梯度均隨之增大，也存在著(zhù)流動(dòng)形態(tài)的差別。循環(huán)量G,的增加會(huì )引起立管內平衡料柱高度的降低。立管內氣固相對滑移速度也隨著(zhù)循環(huán)量G,的增加而增大。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床( CFBO ;煤熱解;立管;氣固流動(dòng)中圖分類(lèi)號:TQ052文獻標識碼:A循環(huán)流化床( CFB )廣泛應用于氣固接觸過(guò)程,大類(lèi)即非流態(tài)化流動(dòng)(又稱(chēng)移動(dòng)床流動(dòng)、填充床流如燃燒、煤氣化以及催化反應等，尤其是CFB燃燒動(dòng)或粘附滑移流動(dòng))和流態(tài)化流動(dòng)。立管內顆粒流技術(shù)作為一種新型高效低污染清潔煤技術(shù)備受研動(dòng)的復雜性主要表現在有時(shí)兩種不同類(lèi)型的流動(dòng)方究者關(guān)注。將煤直接燃燒,是對煤中高附加烴類(lèi)資式共存如稀相-填充床共存、稀相-密相共存以及源的浪費，直接燃燒過(guò)程中煤中污染物稀釋在體積密相-填充床共存等。郭天民等+門(mén)、LI Hong-龐大的煙氣中污染物是爐中脫除還是爐后脫除都zhongTl、張濟宇等61對單一立 管移動(dòng)床中的氣固流會(huì )帶來(lái)熱效率的低下或動(dòng)力的大量消耗給污染物動(dòng)規律都做了大量的研究,LI Hong-zhong 還繪制了脫除帶來(lái)困難121將煤的燃燒與熱解有機地耦合起立管移動(dòng)床氣固流動(dòng)相圖并對理想料封狀態(tài)做了來(lái)利用循環(huán)流化床的熱灰作為熱載體對煤進(jìn)行低系統闡述。為了掌握該系統中流體的流動(dòng)特性為溫熱解釋放出焦油和熱解氣熱解后的半焦與熱灰熱態(tài)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和設計提供必要的參數,在實(shí)驗室再返回到循環(huán)流化床進(jìn)行燃燒產(chǎn)生蒸氣用來(lái)發(fā)電建立了一套循環(huán)流化床燃燒/熱解冷模實(shí)驗裝置重和供熱實(shí)現熱、電、油、氣四聯(lián)產(chǎn)將煤中高附加值點(diǎn)考察該系統中熱解室對立管內氣、固流動(dòng)狀況的的烴類(lèi)提取出來(lái)而且顯著(zhù)提高了整個(gè)過(guò)程的熱效影響。率同時(shí)降低了治污成本。循環(huán)流化床燃燒/熱解系1實(shí)驗裝置統是在循環(huán)流化床的旋風(fēng)分離器與立管間加入了熱實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1提升管的內徑為100 mm、高為解反應器將循環(huán)灰引入熱解反應器與煤混合進(jìn)行6m立管的內徑為44mm、高為3m熱解室的截面熱解后再通過(guò)立管返回床內。立管作為連接循環(huán)流積為200 mmx 200 mm、高為770 mm。提升管中固體化床與熱解反應器的通道,既要使熱解后的半焦和顆粒由氣體夾帶進(jìn)入旋風(fēng)分離器經(jīng)氣固分離后進(jìn)入熱灰順暢返回循環(huán)流化床,又要防止循環(huán)流化床中底部帶有錐形氣體分布板的熱解室中再經(jīng)由底部的含氧氣體竄入熱解反應器以免發(fā)生危險,即立管裝有閘板閥的立管返回提升管中。為了考察熱解室要起到足夠的料封作用,因而立管的設計與操作對對立管內氣固流動(dòng)狀況的影響將熱解室用與立管燃燒/熱解系統的穩定運行至關(guān)重要。而通常立管直徑相同的直管代替,即固體顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器分內的氣固流動(dòng)型式非常復雜,Leung 等3]對立管內的離后直接進(jìn)入立管內,由返料閥控制再返回到提升流動(dòng)形態(tài)提出了劃分標準概括起來(lái)主要可分成兩管中其他組件的位置均不變。圖1熱解室上有為收稿日期: 2004-06-09 ;修回日期:2004-10-16712燃料化學(xué)學(xué)報32卷模擬釋放熱解氣而設的出口為了比較二者的差別，轉 子流量計來(lái)改變提升管內的表觀(guān)氣速U,的大小,在取代熱解室的立管相同高度的位置上也設有開(kāi)立管內的壓力分布隨U,變化分別見(jiàn)圖2、圖3(注:口。立管內的壓力分布由壓力自動(dòng)采集系統來(lái)完實(shí)驗所測的壓力為表壓下同》有熱解室時(shí)熱解成7。在圖1立管上安裝了6個(gè)壓力傳感器,以立反應在熱解室內完成，,反 應后的半焦經(jīng)立管返回提管底部閘板閥下的傳感器為基準,從下至上距此依升管。為了防止提升管內的氣體返竄”到熱解室,次為90mm、725mm、1615mm、2430mm及2735mm。立管內的物料要保持穩定的移動(dòng)床流動(dòng)以形成良好在無(wú)熱解室的立管上安裝了7個(gè)壓力傳感器其中的料封。在冷態(tài)實(shí)驗中旋風(fēng)料腿內為稀相流動(dòng)熱傳感器1至6的位置同圖1第7個(gè)安裝在距立管底解室要保持一定的料位高度且為移動(dòng)床,與熱解室部閘板閥3405mm的位置。相連的立管內為負壓差移動(dòng)床流動(dòng)。在熱態(tài)實(shí)驗中實(shí)驗中所用的物料為硅膠顆粒其平均粒徑為要有效地控制熱解室內的料位高度及煤與灰在熱解407 pum密度為794 kg/m'。.室內的停留時(shí)間使半焦和灰在進(jìn)入立管之前已反應完全，這更有利于該系統的穩定運行。隨著(zhù)提升管內表觀(guān)氣速U,的增加立管內的負壓差梯度減小壓力分布趨于均勻。但對高度一定的立管而言移動(dòng)床料封能力是有限的,即不能超出其臨界料封4能力( 0p/Z)其中( 10p1/Z) =(0.6~ 0.71 ρi°- 136),3否則就會(huì )發(fā)生氣體返竄、料封破壞等。沒(méi)有熱解室時(shí)立管內也表現為負壓差流動(dòng),但流動(dòng)狀況比較復雜為上部的稀相流動(dòng)和下部的移動(dòng)床流動(dòng)共存4圖3中的*”表示該點(diǎn)在稀相流動(dòng)部分。立管內平4g衡料柱高度也隨著(zhù)U,的增大而升高這是因為在立管底部閥門(mén)開(kāi)度-定的情況下隨著(zhù)提升管內表觀(guān)氣速U,的增加物料顆粒在提升管內的停留時(shí)間減少提升管內氣流的動(dòng)能增大傳遞給顆粒的能量|16增大,使更多的顆粒參與循環(huán),從而提升管內顆粒的質(zhì)量分數降低,使得立管內的料柱高度升高。立管內負壓差梯度隨U,的變化趨勢同有熱解室的情況,]10壓力梯度的變化在移動(dòng)床流動(dòng)部分比較明顯。2000圖1 CFB 煤燃燒/熱解雙反應器冷模示意圖1000Figure 1 Diagram of cold model CFB combined withcoal pyrolysis reactor0一(4內(315(2)1一-riser ;2- -cyclone ; 3- -feeding hopper ; 4-pyrolysis reactor ;10002000 3000 4000 50005- gas distributor ;6- standpipe ; 7- -bypass ; 8- platform bal-Pressure p/Paance; 9-Inner- componen; 10- flashboard valve ; 11- -rotor圖2 U, 對立管內壓力分布的影響(有熱解室)flowmeter ; 12一compressorFigure 2 Fffect of U, on pressure distribution in the standpipe結果與討論( with pyrolysis chamber)+8 TL 2e6期王志鋒等:CFB煤燃燒/熱解雙反應器中熱解室對立管內氣固流動(dòng)特性的影響7133000300冒2000s 20001000974^ (3)520(2)*(1)|0(1)1(2)8“2(3)號(4)500 1000 1500 2000 2500 30001400280042005600Pressure p/Pa圖3 U, 對立管內壓力分布的影響(無(wú)熱解室)圖4 C. 對立管內壓力分布的影響有熱解室)Figure 3 Effect of U, on pressure distribution in the standpipeFigure4 Efct of G。on pressure distribution in the standpipe( without pyrolysis chamber)( with pyrolysis chamber)(1)U。=2.69m/s;(2)U。=2.90 m/s;(1)G, =61.6kg(m s);(2)G, =91.3kg/(m3 s);(3)Ug =3.11 m/s;(4)U。= 3.33 m/s(3)G. = 123.8kg(m s);(4)G, = 158.9kg( m的s)2.2循環(huán)量對立 管內壓力分布的影響顆粒循 環(huán)量的測量是在系統穩定運行狀態(tài)下,關(guān)閉旋風(fēng)下的且3000插板閥,同時(shí)開(kāi)啟支管的插板閥使顆粒放出并計時(shí)，定通過(guò)稱(chēng)重測得循環(huán)量。在提升管內表觀(guān)氣速U,一定的情況下循環(huán)量G,的大小通過(guò)改變立管底部閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節。在表觀(guān)氣速U,為3.18 m/s時(shí)立管內壓力分布隨循環(huán)量的變化分別見(jiàn)圖4、圖5(其中o(1)"■0(2)間4)圖5中*"意義同圖3)由圖4可以看出隨著(zhù)循160024003200環(huán)量G。的增加立管內的壓力梯度也隨之增大。這是因為G,的增加使得提升管內固體質(zhì)量分數和壓圖5 G, 對立管內壓力分布的影響(無(wú)熱解室)降增加,使提升管和立管底部壓力升高立管的負壓.Figure5 Effect of G, on pressure distribution in the standpipe差梯度增大。在循環(huán)量較低時(shí)立管內的負壓差梯(1)G. =77.94kg(m s);(2)G. =92.02 kg(m s);度很小接近自由流落在實(shí)驗范圍內立管內為穩定的負壓差移動(dòng)床流動(dòng)。由圖5可知立管內的負壓(3)G. = 118.34kg( m s);(4)G, = 136.03 kg( m s)力梯度隨G,的增加而增大立管內為稀相流動(dòng)和密解室內的停留時(shí)間使煤熱解完全后再進(jìn)入立管。相移動(dòng)床流動(dòng)共存對于上部稀相流動(dòng)區壓力變化2.3立管內的氣、固流動(dòng)立管 內氣固流動(dòng)狀況非不大,壓力梯度的變化主要集中在下部移動(dòng)床流動(dòng)常復雜通常以氣固相對滑移速度U來(lái)劃分其流區可以看出立管內的料柱高度隨G,的增加而降動(dòng)類(lèi)型8]即低,因為在U,一定的情況下，參與循環(huán)的固體顆粒W。ρ(1-E)~ Pρε在提升管內的停留時(shí)間不變循環(huán)量G,的增加使得其中:w。、w。為立管截面固、氣質(zhì)量流率，定義向提升管內顆粒的質(zhì)量分數增加,而 系統的裝料量是-定的相應地降低了立管內的平衡料柱高度。下流動(dòng)方向為正; U。< Cnd為非流態(tài)化流動(dòng);在熱態(tài)過(guò)程中，循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際循環(huán)量比冷態(tài)實(shí)驗中的循環(huán)量要大使得熱解室的處理量Us≥n為流化床流動(dòng)。也隨之增大,立管內的移動(dòng)床壓降也會(huì )隨之增大。立管內移動(dòng)床流動(dòng)其壓降與氣固相對滑移速斗了(9:江石4去占h鵝空二二古午h的R不北十工|止714燃料化學(xué)學(xué)報32卷0.018P二p=哭=[K1U1+ K,1 U。12]其中K和K,分別為g 0012-150p( 1-ε丫1.75p(1 _∈)SKi =(dde)Kz =dde0.006式中”: +”號取決于U_的方向,當U_向下時(shí)取U,-3.18 m/s言: 0.000張濟宇等6在重力流落實(shí)驗以及負壓差流落實(shí)708090100110120130 140驗對移動(dòng)床空隙率的測量中發(fā)現移動(dòng)床空隙率會(huì )Cireulatingrate G,/kg. (m2.s')隨顆粒移動(dòng)速度以及負壓差梯度的增加而增加但圖7 G,對立管內U的影響(無(wú)熱解室)這兩種因素使ε的增加均是微弱的假定其在移動(dòng)Figure 7 ffet of G, on U. in the standpipe過(guò)程中固定不變。對于-定的固體顆粒來(lái)說(shuō)由于其( without pyrolysis chamber)物性參數為一定值,因此由Ergurt 101方程可以看出壓( 1) experimental ;( 2 ) computational力梯度的變化與立管內氣固相對滑移速度的關(guān)系。實(shí)驗中對立管內氣體流動(dòng)速度的測量采用氣體可以通過(guò)對立管內壓力及氣體流動(dòng)方向的確定來(lái)控示蹤法".21 ,用與空氣導熱系數相差較大的氦氣為制料封的穩定。對于無(wú)熱解室的情況,立管內為稀示蹤氣體根據示蹤氣體流經(jīng)兩個(gè)固定探針時(shí)所用相流動(dòng)和移動(dòng)床流動(dòng)共存實(shí)驗所測量的氣、固體積的時(shí)間來(lái)確定立管內氣體的流動(dòng)速度。固體流動(dòng)速流量均為移動(dòng)床段的氣、固流動(dòng)速度隨著(zhù)G, 的增度用顆粒速度儀來(lái)測量。在提升管內表觀(guān)氣速U,加氣固相對滑移速度也隨之增大。為3.18 m/s時(shí)有、無(wú)熱解室立管內氣固相對滑移速3.結語(yǔ)度U隨循環(huán)量G,的變化分別見(jiàn)圖6、圖7。從兩個(gè)(1 )有熱解室時(shí)旋風(fēng)料腿內為稀相流動(dòng),與熱圖中可以看出,由實(shí)驗所得到Ua隨循環(huán)量G。的變解室相連的立管內為移動(dòng)床流動(dòng)。立管內的負壓差化趨勢與由Ergunt10]方程計算所得到趨勢的基本一梯度隨著(zhù)提升管內表觀(guān)氣速U,的增加而減小隨著(zhù)致。對于有熱解室的情況來(lái)說(shuō)立管的高度為一定循環(huán)量G,的增加而增大,而且立管內的氣固相對滑值立管中為移動(dòng)床流動(dòng)。隨著(zhù)循環(huán)量G。 的增大,移速度也隨著(zhù)循環(huán)量G,的增加而增大;立管內的壓力梯度隨之增大,氣固相對滑移速度也( 2 )無(wú)熱解室時(shí)立管內為稀相流動(dòng)與移動(dòng)床流隨之增大。實(shí)驗中通過(guò)對氣體體積流量的測量發(fā)動(dòng)共存。隨著(zhù)提升管內表觀(guān)氣速U,的增加立管內現在實(shí)驗操作范圍內氣體的流動(dòng)方向向下,即提升的壓力梯度減小,平衡料柱高度增加。隨著(zhù)循環(huán)量管中的氣體不會(huì )返竄”到熱解室內。在熱態(tài)實(shí)驗中G,的增加立管內的壓力梯度也隨之增大,料柱高度降低立管內的氣固相對滑移速度也隨之增大;( 3有熱解室時(shí),由于熱解室內要保持一定的料旦0.012:2位高度而且是煤熱解完全后產(chǎn)生的半焦與灰一起進(jìn)入立管內為了使立管內保持很好的移動(dòng)床料封會(huì )0.006在改變操作條件時(shí)要考慮立管的臨界料封能力。U,-3.54 m/s貴0.000致謝:感謝廣東坪石電廠(chǎng) 和淮南科技項目的支持。0100201401680符號說(shuō)明:Circulatingrate G/kg ●(m2.s'). d-顆粒直徑m;G,- -循環(huán)量kg(m s);圖6 G,對立管內Uz的影響(有熱解室)H-立管高度m;Figure6 Efect of G, on U_ in the standpipep- -壓力Pa;6期王志鋒等:CFB煤燃燒/熱解雙反應器中熱解室對立管內氣固流動(dòng)特性的影響715Umit一最小流化速度m/s;ρ。-氣體密度kg/m? ;Ua一氣固相對滑移速度m/s;ρ°一固體顆粒堆密度kg/m2 ;w。- -立管截面固體質(zhì)量流率kg(m2 s);ε- -空隙率;w。- -立管截面氣體質(zhì)量流率kgK(m s);Em一最小流態(tài)化空隙率;Z一立管內平衡料柱高度m;φ-球形度;ρ。-固體顆粒密度kg/m' ;μ一氣體粘度,Pa s參考文獻:[1]劉桂建彭子成王桂梁等.煤中微量元素在燃燒過(guò)程中的變化J]燃料化學(xué)學(xué)報, 2001 292):119-123.( LIU Gui- jian , PENG Zi-cheng , WANG Gui- liang ,et al . 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Graduate School of the Chinese Acadery of Sciences , Bejing 100039 , China ;3. Department of Chemical Engineering , Anhui Univrsity of Science and Technology , Huainaon 232001 , China )Abstract : Effects of the pyrolysis chamber on the pressure distribution and the behavior of gas/ solid flow in the stand-pipe of a CFB combined with coal pyrolysis reactor were studied. The riser column was 0.1 m in diameter ,6 m inheight. And the standpipe was 0.044 m in diameter ,3 m in height. The rectangle pyrolysis chamber with cone-shapeddistributing plates laid between the cyclone dipleg and the standpipe. The across section and the height of the chamberare 200 mm X 200 mm and 0.77 m respectively. The experiments showed that with the increase of the superficial gasvelocity in the riser ,U, ,the flow patterm in the standpipe was negative pressure difference flow whether the pyrolysischamber was set up in the standpipe or not. And the negative pressure gradient decreased with U, increasing. Solids inpyrolysis chamber must maintain a certain height , the flow pattern in the whole standpipe was negative pressure differ-ence moving bed. If without pyrolysis chamber , the lean phase flow and the moving bed flow co-existed in the stand-pipe. And with the increase of U，, the equilibrium height of the solid in the standpipe was heightened. With circulat-ing rate G, increasing ,the negative pressure gradient in the two type standpipes increased also. Without pyrolysis cham-ber , the increase of the circulating rate G. would cause the equilibrium height of the solid in the standpipe declined.With G。increasing the slip velocity in the standpipe was also increased.Key words : CFB ; coal pyrolysis ; standpipe ; gas/ solid flowFoundation item : National Key Project for Basic Research( G19990221-02 ).Author introduction : WANG Zhi-feng( 1972- ) , male , Ph. D. student , major in chemical process. E- mail .wangzf@ sxicc . ac. cn.歡迎訂閱第33卷( 2005年X燃料化學(xué)學(xué)報》《燃料化學(xué)學(xué)報》是中國化學(xué)會(huì )和中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所主辦科學(xué)出版社出版的學(xué)術(shù)性刊物。創(chuàng )刊于1956年,公開(kāi)發(fā)行。本刊是我國能源領(lǐng)域中重要的學(xué)術(shù)性期刊。設有研究快報、研究論文、研究簡(jiǎn)報、綜述和知識介紹等欄目。主要報道國內在燃料化學(xué)、化工及其交叉學(xué)科的基礎研究等領(lǐng)域內的科技新成就和最新進(jìn)展刊登具有較高學(xué)術(shù)水平和應用價(jià)值的論文既傳播知識交流學(xué)術(shù)思想,又促進(jìn)了經(jīng)濟發(fā)展并為培養人才作貢獻?！度剂匣瘜W(xué)學(xué)報》已連續多年入選國內外檢索系統，國外如”: CA"" Ei" AJ”International Chemical Engi-neering" Fuel and Energy Abstract"' Coal Abstracts" 美國American Petroleum Institute Central Abstracting and In-formation Services" 等。國內如《K 中國學(xué)術(shù)期刊文摘》《中國化學(xué)化工文摘》《中國科學(xué)引文數據庫》《中國化學(xué)文獻數據庫》《中國科技期刊題名數據庫》《中國科技論文統計與分析數據庫》《中國礦業(yè)文摘》《中國科技論文統計與分析》等連續幾年入選CA"千種表。已成為《中國期刊網(wǎng)》《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)》全文收錄期刊、《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數據庫》源期刊、《系統期刊數據庫》源期刊,2001年度獲新聞出版總署授予的中國期刊方陣雙效期刊”。并多次獲國家、中國科學(xué)院、華北地區優(yōu)秀期刊獎?！度剂匣瘜W(xué)學(xué)報》為雙月刊,A開(kāi)本,128 頁(yè),全部為銅版紙印刷,每?jì)远▋r(jià)15元,全年90元(含郵資)歡迎廣大讀者 在當地郵局訂閱( 郵政代號:22- 50%若需過(guò) 刊或漏訂,可隨時(shí)與編輯部聯(lián)系。聯(lián)系地址.大原市桃園南路77號《獄料化學(xué)學(xué)報》編輯部郵政編碼. 030001