基于循環(huán)灰熱載體煤熱解的固-固顆粒冷態(tài)混合特性

朱家龍，張亞青，李新新，李淑芳，梁鵬

（山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

基于循環(huán)灰熱載體煤熱解的固-固顆粒冷態(tài)混合特性

朱家龍，張亞青，李新新，李淑芳，梁鵬

（山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

以開發(fā)循環(huán)流化床（CFB）燃燒/煤熱解分級轉(zhuǎn)化工藝為應(yīng)用背景，為在移動(dòng)床混合段內(nèi)利用有限高度空間達(dá)到理想的灰/煤混合效果，建立了內(nèi)置錐面形擋板結(jié)構(gòu)的固-固冷態(tài)混合實(shí)驗(yàn)裝置，并對顆粒的混合特性進(jìn)行了研究。分別以石英砂和硅膠模擬CFB循環(huán)灰和煤，采用擋板重力混合的方法，探究了擋板角度、層數(shù)、放置方式（對向和旋轉(zhuǎn)放置）以及物料混合比等因素對混合效果的影響，并與機(jī)械混合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，在混合過程中顆粒的混合和分散是并存的，旋轉(zhuǎn)放置30°的擋板層數(shù)越多，硅膠和石英砂顆?；旌显骄鶆颍旌衔锪现惺⑸氨壤礁?，混合效果越好。通過優(yōu)化擋板結(jié)構(gòu)及設(shè)置方式強(qiáng)化對流混合和剪切混合可明顯改善固-固混合效果。雖然與機(jī)械混合相比，擋板混合效果略差，但在一定操作范圍內(nèi)仍可滿足灰/煤混合熱解工藝的要求。

移動(dòng)床；錐面形擋板；混合特性；煤熱解；固體熱載體

煤炭分質(zhì)、分級利用已成為我國煤炭資源清潔高效利用的重要發(fā)展方向。近年來，循環(huán)流化床（CFB）燃燒技術(shù)以其燃料適應(yīng)性廣、處理負(fù)荷大、污染物排放水平低等優(yōu)勢得到快速發(fā)展［1-2］。另一方面，移動(dòng)床煤熱解技術(shù)具有操作平穩(wěn)、加熱均勻、反應(yīng)器易于放大等優(yōu)點(diǎn)一直以來受到研究者的重視［3］。這為移動(dòng)床煤熱解與CFB燃燒耦合的分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)工藝的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，該多聯(lián)產(chǎn)工藝將熱解與燃燒過程作為一個(gè)整體考慮，在熱解階段將煤中的富氫組分分離，產(chǎn)生煤氣和焦油，剩余的富碳組分進(jìn)入CFB鍋爐燃燒，產(chǎn)生電能和熱能［4］。此外，由于移動(dòng)床熱解系統(tǒng)獨(dú)立于CFB燃燒系統(tǒng)，當(dāng)熱解操作出現(xiàn)異常時(shí)來自CFB的循環(huán)灰可直接返回鍋爐單獨(dú)運(yùn)行。因此，移動(dòng)床煤熱解/CFB燃燒分級轉(zhuǎn)化工藝實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的分質(zhì)、分級利用，且易于操作維護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源綜合利用的有效途徑之一。

由于該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，許多研究者開展了煤種及操作條件對循環(huán)灰固體熱載體煤熱解實(shí)驗(yàn)的影響研究［5-8］。而圍繞移動(dòng)床中的技術(shù)瓶頸問題如熱灰與煤的混合、循環(huán)灰在兩器（CFB燃燒室和熱解反應(yīng)器）間的分配和高溫?zé)峤饷簹獾膬艋矫鎴?bào)道較少，特別是反應(yīng)器內(nèi)灰/煤物料的理想混合關(guān)系到煤熱解效率和過程的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械攪拌混合是廣泛采用的固固混合方式，而在高溫?zé)峤夤r下，攪拌結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，且?guī)砀邷刈冃魏兔芊饫щy等問題，因此機(jī)械攪拌的方式無法應(yīng)用于移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)高溫循環(huán)灰與煤料的混合。重力混合法是一種操作簡單、能耗低、設(shè)備放大難度小、對設(shè)備材質(zhì)要求低的固固混合方式。BROADBENT等［9］對雙錐混料器的混合機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在重力作用下，混合器中增加折流板有效強(qiáng)化了對流混合。孫其誠等［10］建立了圓筒混合器內(nèi)顆?；旌狭鲃?dòng)模型，并分析了重力作用下顆粒流動(dòng)和混合規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混合度在混合過程中存在周期性變化規(guī)律。HU等［11］報(bào)道了將原料顆粒和熱載體一起加入一種優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器（MRCR）混合并反應(yīng)，其混合速度快，流動(dòng)效果好且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單。對已有研究結(jié)果的分析表明，重力混合法可望應(yīng)用于CFB燃燒/移動(dòng)床煤熱解分級轉(zhuǎn)化工藝中，以解決高溫循環(huán)灰與煤混合的瓶頸問題。雖然前人在固固靜態(tài)混合器開發(fā)、顆?；旌夏Ｐ偷确矫骈_展了相關(guān)研究工作，但有關(guān)固-固重力混合效果影響因素的系統(tǒng)性研究工作較少，特別是現(xiàn)行CFB鍋爐返料器距離返灰口垂直方向距離有限，這就意味著要在有限的高度空間放置移動(dòng)床反應(yīng)器和混合器，即要求利用盡量小的高度完成高溫循環(huán)灰與煤的重力混合。因此，有必要對CFB燃燒/煤熱解分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的固-固重力混合方式進(jìn)行深入研究，從優(yōu)化混合效果的角度出發(fā)，探尋最佳的混合段結(jié)構(gòu)形式及明確混合機(jī)理。本文的研究工作可為固體熱載體煤熱解反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)以及CFB燃燒/煤熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)物料

為了使物料性質(zhì)（密度、休止角、粒度等）與灰、煤相似，在循環(huán)灰固體熱載體與煤混合熱解的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中，選取粒徑為3～5mm、堆密度為1.12～1.3×103kg/m3、休止角為20°的硅膠模擬煤顆粒；選取粒徑0.2～0.4mm、堆密度為1.31×103kg/m3、休止角為30°的石英砂模擬高溫循環(huán)灰顆粒作為實(shí)驗(yàn)物料。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置及流程

擋板重力混合模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。整個(gè)裝置由不銹鋼支架支撐，主要由料箱（600mm× 600mm×600mm）、混合段（φ100mm×5mm，長度為600mm）、接收段（φ100mm×5mm，長度為600mm）等三部分組成。硅膠和石英砂顆粒分別置于兩個(gè)料箱中，料箱的開啟由球形閥控制。混合段對向或旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)角60°）設(shè)置不同角度和層數(shù)的半錐面形擋板，擋板幾何尺寸見表1。接收段平均分割成6個(gè)獨(dú)立接收單元（各接收單元中硅膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為y1、y2、y3、y4、y5、y6）。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，開啟硅膠和石英砂料箱底部的球形閥，兩種顆粒在重力作用下進(jìn)入混合段。硅膠和石英砂顆粒在初始相遇階段發(fā)生快速對流混合，隨后經(jīng)混合段內(nèi)設(shè)置的多層擋板強(qiáng)化混合，最后落入接收段。分別篩分并稱量6個(gè)獨(dú)立接收單元中硅膠和石英砂的質(zhì)量即可得出各接收單元中的質(zhì)量比，將各單元石英砂總和與硅膠總和比值得到混合比R。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次平行實(shí)驗(yàn)的均值。

表1　混合擋板幾何尺寸

由于在CFB燃燒/移動(dòng)床煤熱解分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，混合段的允許高度是有限的，因此，本文實(shí)驗(yàn)最多考察了放置6層擋板對混合效果的影響?？紤]到循環(huán)灰與煤料休止角較小，流動(dòng)性好，對流和擴(kuò)散混合效率高，混合能力潛力大，本文探究了擋板與混合段壁面角度分別為30°、40°、50°時(shí)對混合效果的影響。為驗(yàn)證擋板重力混合的可行性，本實(shí)驗(yàn)與機(jī)械混合進(jìn)行了對比。

1.3混合狀態(tài)表征方法

除能耗、成本、機(jī)械磨損度、使用壽命等評價(jià)混合機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)外，顆?；旌隙群推x平均值相對誤差也是有效評價(jià)混合結(jié)果的重要標(biāo)準(zhǔn)?；旌隙鹊亩x選用LIM等［12］提出的樣本標(biāo)準(zhǔn)方差公式，如式（1）。

式中，M表示混合度；yi為第i單元硅膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為N個(gè)單元硅膠平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)；N為樣品個(gè)數(shù)。M取值范圍0～1，M越小，混合效果越好。

偏離平均值相對誤差的定義選用公式（2），用E表示，E值越小，說明混合效果越好。

圖1　固-固冷態(tài)混合實(shí)驗(yàn)裝置圖

2　結(jié)果與討論

2.1擋板角度對混合效果的影響

圖2顯示了對向放置6層擋板時(shí)，擋板角度（30°、40°、50°）對顆?；旌掀x平均值的相對誤差和混合度的影響。結(jié)果表明，無擋板時(shí)曲線上下波動(dòng)較大，這是由于硅膠和石英砂從物料管道流出相遇時(shí)兩相顆粒具有一定的初速度，顆粒之間發(fā)生對流混合，但由于接觸時(shí)間短，混合不夠充分。放置不同角度擋板后，各曲線上下波動(dòng)幅度明顯減小，且整個(gè)混合過程不會(huì)出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象。這主要是由于經(jīng)過初步對流混合后，顆粒在擋板作用下發(fā)生多次對流和剪切混合，從而提高了顆粒的混合均勻性。與40°和50°擋板相比，30°擋板混合偏離平均值的相對誤差曲線更平滑，石英砂與硅膠的混合效果更好。一方面是由于擋板40°或50°放置時(shí)，流體幾乎垂直從一擋板流向另一擋板，從而導(dǎo)致對流混合明顯減弱；另一方面是流體離開擋板時(shí)顆粒做拋射運(yùn)動(dòng)，拋射角度過大反而出現(xiàn)石英砂與硅膠再分散的現(xiàn)象，影響混合效果。此外，本實(shí)驗(yàn)物料在擋板上的混合停留時(shí)間約0.6～1.5s，結(jié)合已有研究結(jié)果［5］，粉煤在擋板混合歷程中不足以發(fā)生熱解反應(yīng)，因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，高溫灰在擋板混合階段對煤的瞬間加熱過程可以忽略。具有黏結(jié)性的煤作為熱解原料可能會(huì)出現(xiàn)顆粒黏結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致混合物料流動(dòng)性減弱，為了防止混合物料出現(xiàn)聚集堵塞現(xiàn)象，保證多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，混合段中擋板角度應(yīng)小于30°為宜。

圖2　對向放置6層不同擋板角度（30°、40°、50°）混合時(shí)混合度與偏離平均值的相對誤差曲線

2.2擋板放置方式對混合效果的影響

圖3顯示了對向和旋轉(zhuǎn)放置4層30°擋板混合偏離平均值的相對誤差曲線與混合度。可見，與對向放置相比，擋板旋轉(zhuǎn)放置時(shí)偏離平均值相對誤差的曲線更為平緩，對向放置時(shí)顆粒混合度為0.0535，旋轉(zhuǎn)放置時(shí)顆?；旌隙葹?.0240，說明擋板旋轉(zhuǎn)放置有利于提高混合均勻度。這是由于對向放置擋板時(shí)，顆粒流經(jīng)擋板做二維運(yùn)動(dòng)，主要依靠豎直方向上的對流混合；而擋板旋轉(zhuǎn)放置時(shí)，顆粒流經(jīng)擋板做三維運(yùn)動(dòng)，豎直方向顆粒主要發(fā)生對流混合，同時(shí)水平方向上的顆粒流動(dòng)以剪切混合為主。因此，實(shí)際應(yīng)用中擋板應(yīng)旋轉(zhuǎn)放置，提高灰煤剪切混合效果，以利于灰、煤之間的傳熱，提高煤熱解效率。

2.3擋板層數(shù)對混合效果的影響

圖4顯示了對向放置2～6層30°擋板時(shí)各接收單元顆?；旌掀x平均值相對誤差曲線與混合度圖?？梢钥闯?，隨著擋板層數(shù)的增加，偏離平均值的相對誤差逐漸減小，對向放置6層30°擋板時(shí)混合度M的值最小為0.0265。這主要是由于隨著擋板層數(shù)的增加，顆粒之間發(fā)生對流、剪切混合的次數(shù)增多，使得混合更均勻。由此可以推測，擋板放置層數(shù)越多，顆粒混合均勻性越好。但在實(shí)際CFB燃燒/煤熱解耦合工藝中，移動(dòng)床混合段的高度受限，因此要求在有限的高度空間及擋板層數(shù)的條件下達(dá)到最理想的混合效果。

圖3　對向放置、旋轉(zhuǎn)放置4層30°擋板時(shí)混合度與偏離平均值相對誤差曲線

圖4　對向放置2～6層擋板（30°）混合度與偏離平均值的相對誤差曲線

2.4硅膠/石英砂比例對混合效果的影響

旋轉(zhuǎn)放置6層30°擋板時(shí)，硅膠/石英砂比例對顆?；旌掀x平均值相對誤差以及混合度的影響如圖5所示。可見，隨著硅膠/石英砂比例的減小，偏離平均值的相對誤差曲線更接近于0線，混合度數(shù)值逐漸減小，混合均勻度提高。這是由于顆粒擴(kuò)散是接收段內(nèi)的主導(dǎo)混合機(jī)制，石英砂的顆粒直徑遠(yuǎn)小于硅膠顆粒，當(dāng)石英砂顆粒向硅膠顆?？障吨羞M(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，硅膠/石英砂比例的減小能使硅膠顆粒更加均勻地分布在石英砂顆粒間，從而提高了混合均勻性。因此，在CFB燃燒/煤熱解分級轉(zhuǎn)化工藝中，增加作為固體熱載體的循環(huán)灰比例，一方面會(huì)給熱解系統(tǒng)帶來更多熱量，進(jìn)而提高熱解溫度，另一方面，循環(huán)灰比例的提高能使灰/煤顆?；旌细泳鶆?，防止煤粒間的黏結(jié)。

圖5　旋轉(zhuǎn)放置6層（30°）擋板不同混合比R下混合度與偏離平均值相對誤差曲線

2.5冷態(tài)擋板與機(jī)械混合實(shí)驗(yàn)對比

為驗(yàn)證擋板重力混合在CFB燃燒/煤熱解分級轉(zhuǎn)化工藝中對灰/煤混合的應(yīng)用可行性，將優(yōu)化條件下的擋板重力混合與機(jī)械混合［13］實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。圖6顯示了不同條件機(jī)械混合與擋板混合偏離平均值相對誤差曲線與混合度圖。結(jié)果表明，機(jī)械混合的混合度的范圍是0.0039～0.0155。高灰煤比時(shí)，灰和煤兩種顆?；旌细泳鶆颍旌闲Ч脫醢寤旌蠈?shí)驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)放置6層30°擋板對不同比例硅膠/石英砂的混合度范圍在0.0125～0.0253，與機(jī)械混合相比，擋板重力混合效果略差。但由于擋板重力混合節(jié)省了機(jī)械混合所消耗的動(dòng)力，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在一定操作范圍內(nèi)仍可滿足灰/煤混合熱解工藝的要求。

圖6　機(jī)械混合與擋板混合混合度與偏離平均值的相對誤差曲線

3　結(jié) 論

為改進(jìn)CFB燃燒/煤熱解分級轉(zhuǎn)化工藝中循環(huán)灰熱載體與煤的混合方式，設(shè)計(jì)并制作了冷態(tài)擋板重力混合裝置。發(fā)現(xiàn)擋板重力混合過程中，顆粒初始相遇時(shí)為對流混合，通過優(yōu)化擋板結(jié)構(gòu)及設(shè)置方式強(qiáng)化對流混合和剪切混合可明顯改善固-固混合效果，而接收段內(nèi)顆粒的混合以滲透方式的擴(kuò)散混合為主。結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)放置30°的擋板層數(shù)越多，硅膠和石英砂顆?；旌显骄鶆?；石英砂比例的增加會(huì)加強(qiáng)石英砂顆粒向硅膠顆?？障吨械臄U(kuò)散滲透，從而增加混合均勻性。與機(jī)械混合相比，雖然擋板混合效果略差，但在一定操作范圍內(nèi)仍可滿足灰/煤混合熱解工藝的要求，同時(shí)避免了機(jī)械混合能耗高、高溫磨損和密封困難等問題。本文可為固體熱載體煤熱解反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)及CFB燃燒/煤熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)提供理論參考。

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Cold mixing characteristics of solid particles based on the coal pyrolysis with circulating ash heat carrier

ZHU Jialong，ZHANG Yaqing，LI Xinxin，LI Shufang，LIANG Peng
（Shandong University of Science and Technology，College of Chemical and Environmental Engineering，Qingdao 266590，Shandong，China）

To develop a step conversion process of coal pyrolysis/circulating fluidized bed（CFB）combustion，this paper focuses on realizing an optimal ash/coal mixing effect of moving bed within a limited height space of mixing section. A solid-solid cold mixing apparatus with adjustable cone shaped baffles inside was built and the mixing characteristics of particles were studied. Silica and quartz sand were used to simulate coal and circulating ash heat carrier from CFB，respectively. The influences of the material mixing ratio，the angle of baffles，the number and placement method（opposite and revolving）of baffles on mixing effect by using gravity mixing method were investigated，and the results were compared with those achieved by mechanical mixing. Mixing and dispersing coexist in the process of particles mixing. It was found that the more layers of 30°baffle by revolving placed，the more uniform of the silica and quartz mixture. The uniform mixture was obtained at the higher proportion of quartz sand to silica. Optimizing baffle structure and setting mode enhances convection mixing and shear mixing，which improves the solid-solid mixing effect obviously. Although the mixing effect of the cone shaped baffle is slightly worse compared with that of mechanical mixing，baffle mixing can still meet the requirements of the ash/coal mixing operation of coal pyrolysis with a solid heat carrier.

moving bed；cone shaped baffle；mixing characteristics；coal pyrolysis；solid heat carrier

TQ 530.2

A

1000-6613（2016）11-3498-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.017

2016-03-29；修改稿日期：2016-04-21。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21376142）。

朱家龍（1992—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：梁鵬，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail liangpeng202@hotmail.com。