【毕业学位论文】隔板式生物质内循环流化床的流动特性研究-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 隔板式生物质内循环流化床的流动特性研究 黄立成 指导教师 马隆龙 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席： in a s 007 摘 要 I摘 要 针对循环流化床（指外循环流化床）生物质气化炉燃气带出气化炉的飞灰含炭量较高，生物质炭在炉内停留时间较短，以及循环流化床结构复杂，被分离的飞灰难以正常循环，炭回流难以控制等问题，研究了一种隔板式生物质内循环流化床气化炉。在流化床中垂直设一隔板，将流化床分为高速区和低速区。隔板两侧的流化速度应控制高速区流化速度大，低速区流化速度小。物料在炉内实现绕隔板的内循环流动。低速区主要为生物质气化区，高速区主要为生物质气化后的焦炭燃烧区。 采用稻壳、石英砂和木粉三种原料，在隔板式内循环流化床气化炉冷态实验装置上对颗粒内循环流动特性进行了研究，考察了高速区和低速区的流化速度、床结构尺寸和侧风量大小等因素对颗粒内循环流动的影响。 本文还研究了稻壳与石英砂的混合物料以及木粉与石英砂的混合物料分别在隔板式生物质内循环流化床中的混合现象和内循环流动特性。 通过对纯生物质颗粒和石英砂颗粒的冷态实验研究发现： （ 1）由于稻壳和木粉密度小，不易形成良好流化，在内循环流化床低速区很容易形成沟流和节涌现象，使流化恶化。要想在内循环流化床中形成良好稳定的内循环，操作气速必须满足如下条件：以稻壳为床料时，要求 uL/uH/石英砂为床料时，要求 uL/uH/木粉为床料时，要求 uL/uH/ 2）两床风速对颗粒循环量有较大的影响。在固定其他条件不变时，增大高速区风速，颗粒循环量和孔口压差随着高速区流化速度的增大先增大后减小，存在一个最大值。 最大值范围出现在： 以稻壳为床料时， 要求 uL/uH/石英砂为床料时，要求 uL/uH/木粉为床料时，要求 uL/uH/（ 3）隔板高度和孔口高度也是影响颗粒循环量的重要因素。当隔板高度逐渐增大时，颗粒循环量先增大后减小，隔板高度在初始床层高度附近时，颗粒循环量达到最大值。颗粒循环量随着孔口高度增加而增加，但增大趋势慢慢变缓。提出了合理的结构尺寸要求：孔口高度 h 在 板高度 L 在 （ 4）侧风的加入能明显改善低速区物料流动性。颗粒循环量随侧风量的增大而增大，当侧风量增大到一定值时，继续增大侧风量，颗粒循环量增大变缓。 （ 5）通过实验数据回归分别得到采用石I英砂、稻壳和木粉三种床料时的颗粒循环量关联式，计算值与实验值误差分别小于 6、 14和 46。石英砂属于流化性质较好的 B 类颗粒，稻壳属于平均粒径大的 D 类颗粒，经验公式计算结果误差较小。而木粉则属于密度小且平均颗粒粒径小的颗粒，可见对于木粉，需要采用其他更合适的经验公式进行计算。 通过对稻壳与石英砂的混合物料以及木粉与石英砂的混合物料分别在隔板式生物质内循环流化床中的混合现象和内循环流动特性的研究发现： （ 1）由于石英砂的包裹与覆盖， 生物质颗粒与石英砂的混合物在隔板式内循环流化床中可以形成良好的混合和稳定的内循环。对于石英砂和稻壳的混合物，当 uL/.2，uH/，就可以形成良好的混合和稳定的混合物料内循环；对于石英砂和木粉的混合物容易形成分层现象，当 uL/uH/，就可以形成良好的物料混合和稳定的混合物料内循环流动。 （ 2）两种混合物料颗粒循环量和孔口处低速区与高速区压差随高速区风速增大的变化趋势相同， 都是先增大后趋于不变。石英砂的加入能增大操作速度范围，使物料的流动阻力比纯生物质的流动阻力小且稳定，改善生物质颗粒在隔板式内循环流化床中的颗粒内循环特性。 关键词： 内循环流化床；流动特性；生物质气化 摘 要 in a he as an on to of in is it is to A to by a of is A on a of of of on of of in of (1) of of it to be in to in as uL/uH/uL/uH/uL/uH/(2) Vbe by of of of a uL/uH/uL/uH/uL/uH/(3) of of on of of be to to of to of of (4) in of of (5) to %、 14% 6% to to is is to of of in (1) to of of in 要 Vto in as of uL/uH/of uL/uH/(2) of of is to of of of of is of 号说明 号说明 颗粒循环量， kg/s 颗粒孔隙率 颗粒密度，又称表观密度， kg/ 颗粒向下的移动速度 移动床的横截面积 高速区流化速度， m/s 低速区流化速度， m/s 高速区风量， m3/s 低速区风量， m3/s 高速区气体分布板面积， 低速区气体分布板面积， 孔口颗粒平均流动速度， m/sA 孔口面积， 颗粒平均粒径， m 流体密度， kg/ 流体粘度， s 临界流化速度， m/s 临界流化空隙率 孔口两侧压差， L隔板高度， 侧风量， m3/h 静床高度， mm h孔口高度， 目 录 第一章 文献综述 .1物质能概况 .1物质能源利用途径 .1物质直接燃烧与混燃技术 .2物质热化学转化 .2物转化技术 .3物质气化原理与流化床气化炉 .3物质气化原理 .3物质流化床气化炉 .4循环流化床的研究 .6发内循环流化床的目的 .6循环的主要功能 .6内外内循环流化床研究进展 .7论文研究的目的和内容 .12第二章 实验介绍 .14态实验装置的介绍 .14验装置主要部分设计依据 .16态实验气化炉的设计 .16态实验装置的设计 .19装置的功能和操作方法 .20低速区风速和侧风量大小的调节 .20板高度调节 .20部孔口大小的调节 .20验原料 .21验原料物性 .21料流化特性实验 .22验方法与测试手段 .24低速区流化速度的测量 .25口颗粒循环量的测量 .25口颗粒流动速度的测量 .26低速区床层的压力测量 .27验步骤 .30第三章 纯物料颗粒循环量和床内压力特性 .31壳、石英砂和木粉在隔板式内循环流化床中的流化状态 .31速区和低速区的流化速度对颗粒循环量的影响 .33速区和低速区的流场压力分布 .38板高度对颗粒循环量的影响 .39口高度对颗粒循环量的影响 .43风量大小对颗粒循环量的影响 .45粒循环量的计算 .49章小结 .52第四章 混合物料的内循环流动特性 .54验介绍 .54合物料在隔板式内循环流化床中的流化现象 .55壳与石英砂混合物料在隔板式内循环流化床中流动现象 .55粉与石英砂混合物料在隔板式内循环流化床中流动现象 .57速区风速对混合物料颗粒循环量和孔口压差的影响 .58速区风速对混合物料颗粒循环量的影响 .59速区风速对混合物料孔口处低速区与高速区压差的影响 .60章小结 .61第五章 全文总结 .63文主要结论 .63文的主要创新点 .64究展望 .64参考文献 .66个人简介及论文发表情况 .70致 谢 .71隔板式生物质内循环流化床的流动特性研究 1第一章 文献综述 物质能概况 生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量最初来源于太阳能，所以生物质能也是太阳能的一种。 生物质的种类繁多，植物中最主要也是我们最经常见到的有木材、农作物废弃物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等） 、杂草、藻类等。非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。 地球上生物质数量巨大，根据生物学家的估计，地球上每年生长的生物质总量约 1400 1800 亿吨（干重） ，相当于目前世界总能耗的 10 倍。我国生物质资源丰富，每年产生的生物质总量有 50 多亿吨（干重） ，相当于 20 多亿吨油当量（ ，约为目前我国一次能源总消耗量的 3 倍。然而目前我国商品化的生物质能源仅占一次能源消耗的 右1。生物质能将在我国未来能源结构中占有重要的地位。 随着矿物燃料的日益枯竭及人类大量使用矿物燃料带来的日益严重的环境问题（如温室效应、酸雨等） ，大力开发清洁的可再生能源已成为摆在世界各国政府面前的一个非常紧迫的世界性课题。生物质能和其他可再生能源（如：太阳能、海洋能、风能、地热能等）相比，具有如下特点2：生物质能具有可再生性，与常规能源的利用具有最大的兼容性，减少温室气体及其他有害气体的排放，不会带来“温室效应”等优点。但是生物质能也有其弱点，比如能量密度较低、重量轻、体积大，给运输带来一定的难度。 物质能源利用途径 由于生物质能在可再生能源中具有重要地位， 近年来生物质能利用技术得到了蓬勃发展。目前比较常用的生物质能源利用技术主要有： （ 1）直接燃烧或与煤等混燃技术； （ 2）热化学转化技术； （ 3）生物转化技术。每种生物质利用技术都第一章 文献概述 2有其最佳适用条件。生物质种类多样性使得各种生物质利用技术同时并存，并互为补充。 物质直接燃烧与混燃技术 生物质直接燃烧或混合燃烧技术由于不存在转化过程热量损失，从理论上讲， 是能源利用效率比较高的一种利用方式。 生物质燃烧技术主要考虑的因素有：（ 1）原料密度，有些生物质(如稻草、秸秆等)等，其堆积密度只有矿物燃料（如煤）的 1/10 1/20,因此利用这些生物质原料时一般需要先进行压缩处理。 （ 2）水分，有些生物质水分高达 50 70，这些生物质在燃烧过程中蒸发需要吸收大量热量，大幅度降低燃烧效率，因此一般需要预干燥处理。 （ 3）颗粒尺寸，对一些粒径比较大的生物质原料（如圆木） ，必须在燃烧前对其进行破碎处理。 （ 4）挥发分，生物质挥发分一般都比较高，接近 60 75。对于炉排式锅炉，生物质燃烧主要不在炉排上而是上部空间， 因此燃烧生物质的锅炉必须有足够的燃烧空间，才能保证燃烧完全和蒸发管安全3。 目前生物质直接燃烧技术主要有： （ 1）炉排燃烧技术； （ 2）悬浮燃烧技术；（ 3）流化床燃烧技术。其中又以流化床（包括鼓泡流化床和循环流化床）燃烧技术近来研究较多，目前该技术国外燃烧生物质的电站规模最大接近 600芬兰的 厂（ 550术）4。 对于大型的生物质直接燃烧发电技术， 考虑到系统比较复杂， 投资成本较高，因此一般其规模都超过 10发电效率接近或超过 30（最高达到 44） ，投资成本约 1200 2900 美元/千瓦（ 1992 年美国价格为基准） 。 物质热化学转化 生物质热化学转化技术根据目标产物不同可分为：热解（干馏）技术、气化技术、直接液化技术。 干馏技术主要目的是生产生物质碳和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定碳或燃气，碳和燃气可分别用于不同用途。其优点是设备简单，可以生产炭和多种化工产品；缺点是利用率较低，适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。 隔板式生物质内循环流化床的流动特性研究 3生物质气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高， 而且用途广泛， 如可以用作生活煤气， 也可以用于烧锅炉或直接发电；主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。 直接液化是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术。它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值均大大提高；主要缺点是技术复杂，热解油只能作为低品位液体燃料，必须精炼提升，目前的成本仍然太高。 物转化技术 生物转化技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。厌氧消化主要是把水中的生物质分解为沼气， 它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。其主要优点是提供的能源形式为沼气（ ，非常洁净，具有显著的环保效益；主要缺点是能源产出低、投资大，比较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。 特种酶技术是利用微生物把生物质转化为液体燃料（如乙醇等）的技术。它的主要优点是可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率；主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。 物质气化原理与流化床气化炉 物质气化原理 生物质气化技术是近年来利用生物质能源的一种主要技术， 国内外大量学者对生物质气化技术进行了研究，至今已有很大的发展。生物质气化是在气化剂存在条件下将组成生物质的碳氢化合物转化为可燃气体的过程。 生物质气化一般经历如下几个阶段：干燥过程。生物质原料加入反应器后，首先被加热，析出生物质所含的水分。热解过程。当温度上升到 200 250，生物质组分开始发生热分解，大分子的碳氢化合物的链被打破，析出生物质的挥发分。留下残炭和灰份第一章 文献概述 4构成进一步反应的床层。 热解过程是一个非常复杂的物理化学过程， 随加热速率、温度和热解气氛不同，热解产物的差别很大5。燃烧过程。在有氧气（或空气）参与的气化过程中，氧气与热解生成的挥发分和残炭发生燃烧反应，释放出热量来维持热解过程和还原反应所需热量。还原反应。还原反应主要发生在燃烧后的水蒸汽和二氧化碳与炭之间，通过还原反应，炭进一步转化为一氧化碳和甲烷等可燃气体。还原反应是吸热反应，温度越高越有利于还原反应进行。 气化器是生物质气化工艺中最核心的设备，根据操作条件的差别，气化反应器可分为： 固定床气化器， 流化床气化器 （包括鼓泡流化床和循环流化床气化器） ，气流床气化器。据统计，目前商业运行的装置中， 75%采用下吸式固定床， 20采用流化床， 用上吸式气化炉，另外 用其他形式气化系统6。 物质流化床气化炉 生物质流化床气化工艺有两种典型的形式，即鼓泡床气化，循环流化床气化（图 ，鼓泡床气化炉是最基本，也是最简单的流化床气化炉7，其结构如图 示。鼓泡床气化炉只有一个流化床反应器，气化剂从底部气体分布板吹入，在流化床上同生物质原料进入气化反应，生成的气化气直接由气化炉出口送入净化系统中，反应温度一般控制在 800左右。鼓泡床流化速度较慢，比较合适于颗粒较大的生物质原料，而且一般必须增加热载体，其典型的燃气成分见表 如图 示，为循环流化床气化炉。循环流化床气化炉在生物质气化各种炉型中研究最为活跃。与鼓泡床气化炉的主要区别是在气化气出口处，设有旋风分离器或袋式分离器。 循环流化床流化速度较高， 使产出气中含有大量固体颗粒，在经过了旋风分离器或滤袋分离器后，通过回料系统，使这些固体颗粒返回流化床，继续进行气化反应，这样提高了炭的转化率。循环流化床气化炉的反应温度一般控制在 700 900。它适用于颗粒较小的生物质颗料，在大部分情况下它可以不必加流化床热载体。所以它运行最简单，但它的炭回流难以控制，在炭回流较少的情况下容易变成低速率的携带床。 隔板式生物质内循环流化床的流动特性研究 5图 鼓泡床气化炉 图 环流化床气化炉 of of 泡床稻壳气化炉产生的气体组分 in 体组分( %、体积分数) 气体热值 / 2140 循环流化床与鼓泡流化床特性的比较见表 环流化床的运行流化速度远大于临界流化速度及自由沉降速度， 而鼓泡流化床的运行速度大于临界流化速度却小于自由沉降速度，以免固体颗粒带出，而循环流化床是固体颗粒带出后再循环回床内，以保持浓相床密度。 表 环流化床于鼓泡床流化特性的比较 of in 型 原料 平均直径 /界流化速度 6作为一种高效、高生产能力的反应装置，与其他炉型相比，循环流化床在生物质气化方面显示出其独有的特点： （ 1）细颗粒物料：它提供了巨大的气固接触表面，减少了颗粒内部的传递阻力。 （ 2）高流化速度：操作速度为颗粒自由沉降速度的 3 5 倍，在高气速的作用下，强化了气固间的传递速度，强化了传热和传质。 （ 3）炭的不断循环：气固分离以后的炭可以循环到反应炉内，使炭能进一步反应完全。 循环流化床的研究 发内循环流化床的目的 目前，循环流化床（指外循环流化床）生物质气化系统虽然应用较广，但是从循环流化床气化炉底部排出的灰渣以及随燃气带出气化炉的飞灰含炭量较高，即生物质炭在炉内的停留时间较短，未达到应有的反应程度即排出炉外。此外，这种循环流化床结构相当复杂，而生物质密度较轻，返料装置不易控制，被分离的飞灰也难于正常循环，炭回流难以控制，在炭回流较少的情况下容易变成低速率的载流床。这使生物质气化效率和炭转化率较低。内循环流化床气化就是基于要克服上述问题而提出的，其设计思想是：延长物料在炉内的停留时间，将燃烧和气化过程分开，两者之间通过热载体即流化介质进行传热传质。 循环的主要功能 内循环的主要功能如下： (1)