吳桂英1，杜愛月1，張鍇1，2，3，蔣劍春3

(1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，北京102249；2.華北電力大學生物質發電成套設備國家工程實驗室，北京102206；3.中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇南京210042)

摘要：采用MDMDY-300型全自動密度儀和體積法測量了生物質和3種惰性顆粒的顆粒密度和堆密度，在有機玻璃流化床內考察了生物質單組分及其與3種惰性顆粒雙組分體系的最小流化空隙率和流化速度。結果表明，單組分顆粒密度隨粒徑的變化可以忽略，而堆密度卻隨粒徑的增大有所減小；雙組分體系的最小流化空隙率隨細顆粒組分增加而出現先減小后增大的趨勢，最小值出現在細顆粒組分體積分數為30%左右，且顆粒粒徑差異越大變化趨勢越明顯；雙組分體系的起始流化速度、最小流化速度和完全流化速度均隨細顆粒組分含量增加呈現減小的趨勢，當細顆粒體積分數達到30%左右后起始流化速度的下降趨勢趨于平緩。

生物質與傳統化石燃料具有很大的兼容性，是唯一可直接轉換為含碳化合物的可再生資源。據國際能源署預測，生物質未來的主要用途之一是用來合成清潔液體燃料[1]。我國《可再生能源中長期發展規劃》指出，目前我國生物質資源可轉換為能源的潛力約5億噸標準煤，今后的潛力可達10億噸標準煤，因此合理利用生物質資源對緩解我國油氣資源短缺具有重要的意義。生物質快速熱解是在缺氧狀態下迅速受熱分解，并經快速冷凝后獲得液體產物(生物油)的熱化學轉化過程。生物油既可以作為鍋爐和窯爐燃料直接燃燒，也可以經精制提煉后作為車用燃料或化工原料。自20世紀80年代以來，國際上已開發了旋轉錐、鼓泡流化床、循環流化床和氣流床等多種熱解反應器[2-8]。其中流化床反應器憑借其混合特性良好、傳熱效率高和操作彈性寬等優點而受到加拿大Dynamotive Energy Systems和Ensyn TechnologiesInc等產業界的關注。在實際操作過程中，往往通過加入惰性顆粒以改善床層流化質量和強化過程傳熱。然而，有關生物質流化床快速熱解氣化的研究中[2-9]尚缺乏針對生物質與惰性顆粒雙組分的基礎流態化特性數據。為此，本文作者以菜籽這一典型生物質熱解原料為研究對象，考察了其不同粒徑范圍的最小流化速度，進而比較了樹脂、石英砂和玻璃珠等3種顆粒加入后對其最小流化速度的影響規律，以期為生物質流化床快速熱解技術的工程應用提供基礎數據。

1實驗

實驗采用菜籽、樹脂、石英砂和玻璃珠4種固體顆粒。經篩分后獲得不同粒徑，顆粒密度和堆密度分別采用廣東中山美迪分析儀器廠生產的MDMDY-300型全自動密度儀和經典的體積法測量。

如圖1所示，實驗在一內徑為0.166m和高為2m的有機玻璃流化床中進行，在床的一側貼有坐標紙以讀取床層高度；另一側與U形管壓力計相連，用于測量不同床層高度的壓力。流化床底部裝有孔徑為30μm的不銹鋼燒結板氣體分布器，分布器下部與氣室相連，在氣室上部設有裝滿大顆粒的預分布區以保證氣體分布均勻。空氣首先經壓縮機壓縮，然后由轉子流量計計量后進入流化床下部的氣室。所有實驗均在常溫、常壓下完成。實驗時，先將一定量的物料加入到流化床中，再啟動壓縮機通入流化氣體，并在較高氣速下，保持流量不變約5min以使床層處于完全混合狀態。然后利用降速法對單組分及雙組分體系的最小流化速度進行具體實驗研究。

2結果與討論

2.1顆粒密度

從表1中可以看出，對于單組分而言，堆密度隨顆粒粒徑的增大有所減小，其原因是顆粒粒徑增大，顆粒群的堆放將更為松散，空隙率增大使得堆密度減小；顆粒密度隨顆粒粒徑的增大略有減小，其原因可以歸結為粒徑增大后，顆粒內孔存在的幾率就會增加，導致顆粒密度略減小，但相對偏差小于2.6%，因此在工程范圍內可以忽略。

在上述單組分顆粒密度測量的基礎上，進一步考察了雙組分的顆粒密度。前人已給出了不同的混合物平均顆粒密度計算方法，其中Goossens等[10]提出的比表面平均物性法則被許多研究者所采用[11-12]，該方法假設兩種顆粒物料組成一個完全均一的混合物床層，具體計算公式如下：

從圖2可以看出，以菜籽1和樹脂2在不同配比的雙組分體系的顆粒密度為例，除了在樹脂2的體積分數為0.5%左右時測量值和預測值的最大偏差約為2.8%外，本實驗測量值與Goossens等[10]關聯式的預測值基本一致。

2.2含生物質雙組分體系的流化特征

采用Martin等[13]定義的混合物中粗細顆粒組分平均粒徑之比n來探索惰性顆粒對生物質流化質量的影響。這里粗顆粒組分是指菜籽1，細顆粒組分選取玻璃珠或樹脂2。從圖3所示的雙組分體系最小流化空隙率隨細顆粒體積分數的變化曲線可以看出，隨著雙組分體系中細顆粒組分體積分數的增加，引起雙組分體系中兩組分填充方式的變化，使得雙組分體系的空隙率出現了先減小后增大的趨勢。當雙組分體系中細顆粒組分體積分數較小時，粗顆粒組分為連續相，這時雙組分體系中的細顆粒不足以填滿粗顆粒間隙。隨著雙組分體系中細顆粒組分體積分數的增加，雙組分體系中的細顆粒逐漸填滿粗顆粒空隙，于是雙組分體系空隙率逐漸減小；當細顆粒完全充滿粗顆粒的間隙時，雙組分體系的空隙率達到最小值；隨著細顆粒組分體積分數的進一步增加，雙組分體系中的粗顆粒將分散在細顆粒中間，此時，雙組分體系空隙率主要由細顆粒決定，呈現出逐漸增大的趨勢。且n值越大變化趨勢越明顯，最小值出現在細顆粒組分體積分數為30%左右，該結論與Martin等[13]在液固攪拌釜內的實驗結果基本一致。

2.3生物質最小流化速度

為了考察不同粒徑菜籽的最小流化速度，本研究首先對菜籽1和菜籽2單組分的最小流化速度進行了測定。由圖4壓降隨氣速變化曲線可以得出，菜籽1和菜籽2的最小流化速度分別為0.522和0.572m/s。

進而對菜籽1和菜籽2體積配比為1∶1和1∶2時的雙組分最小流化速度進行了測量。由圖5可以發現菜籽1和菜籽2體積配比為1∶1和1∶2時的最小流化速度分別為0.525和0.542m/s，介于兩個單組分菜籽的最小流化速度0.522和0.572m/s之間，且隨著大顆粒配比的增大而增大。

2.4等密度/不等粒徑雙組分體系的流化速度

由于菜籽本身粒徑分布范圍相對較窄，故等密度/不等粒徑體系實驗物料采用樹脂代替菜籽，其中樹脂1作為改善流化質量的細顆粒組分。

以圖6所示的樹脂1和樹脂3在體積比為2∶5下的流化曲線為例，整個過程明顯分為3個階段，即：1)在低氣速時，床層為固定床；當氣速達到起始流化速度時，雙組分體系中細顆粒最先開始流化，粗顆粒仍然沉積在床層底部，在一定程度上充當分布器的角色；2)逐漸增加氣速，床層出現輕微膨脹，細顆粒向上浮升，使得床層上部處于流化狀態，粗顆粒向床底沉積，在床層中部，處于流化狀態的小顆粒夾帶著大顆粒運動，為混合床層；3)進一步增大氣速時，壓降不隨氣速的變化而變化，雙組分體系處于完全混合狀態。由局部放大圖6(b)可以獲得該體系的起始流化速度(uif，m/s)、最小流化速度(umf，m/s)和完全流化速度(uff，m/s)分別為0.190、0.215和0.254m/s。采用羅國華[14]的分區概念，即：uif線以下區域為固定床，uif及uff兩曲線之間為分離流化床，而uff線以上區域為完全流化床。

從圖7所示的雙組分不同配比對3種流化速度影響情況來看，起始流化速度隨著細顆粒比例在30%以內顯著下降，隨后下降幅度卻非常小，而最小流化速度和完全流化速度卻隨細顆粒體積分數的增加呈逐漸下降的趨勢。

2.5不等密度/不等粒徑雙組分體系的流化速度

為了考察惰性顆粒對生物質最小流化速度的影響，實驗考察了菜籽1與樹脂2及石英砂2不同配比組成的雙組分體系的uif、umf和uff。從圖8可以發現，與2.4節相類似，不等密度/不等粒徑雙組分體系隨著惰性顆粒(細顆粒)組分含量的增加，雙組分體系起始流化速度、最小流化速度、完全流化速度均有所減小，且細顆粒體積分數達到30%左右后起始流化速度的下降趨勢趨于平緩。

3結論

采用MDMDY-300型全自動密度儀和體積法測量了生物質和3種惰性顆粒的顆粒密度和堆密度，在有機玻璃流化床內考察了生物質單組分及其與3種惰性顆粒雙組分體系的最小流化空隙率和流化速度。

3.1對于單組分體系，其顆粒密度隨粒徑變化幾乎不變，而堆密度卻隨粒徑的增大有所減小；對于雙組分體系，在本實驗范圍內可以用Goossens的平均物性計算公式求解混合物料的顆粒密度。

3.2惰性顆粒引入后，雙組分體系的最小空隙率隨細顆粒組分的增加出現先減小后增大的趨勢，其最小值出現在細顆粒組分體積分數為30%左右，且顆粒差異越大，變化趨勢越明顯。

3.3雙組分體系的起始流化速度、最小流化速度、完全流化速度隨細顆粒組分含量增加呈減小趨勢，當細顆粒體積分數達到30%左右后起始流化速度的下降趨勢趨于平緩。

參考文獻：

[1]AUSILIO B，GORANB，MARTIN J，et al.Bioenergy — a sustainable and reliable energy source，a review ofstatus and prospects[R].IEA Bioenergy：ExCo：2009：06.

[2]CZERN IK S，BR IDGWATER A V.Overview of applications of biomass fast pyrolysis oil[J].Energy & Fuels，2004，18：590-598.

[3]BABU B V.Biomass pyrolysis：A state-of-the-artreview[J].Biofuels，Bioproducts &Biorefining，2008，2(5)：393-414.

[4]DENG CJ，L IU R H，CAIJ M.State ofart of biomass fast pyrolysis for bio-oil in China：A review[J].Journal of the Energy Institute，2008，81(4)：211-217.

[5]DEMIRBASM F，BALATM.Biomass pyrolysis for liquid fuels and chemicals：A review[J].Journalof Scientific & Industrial Research，2007，66：797-804.

[6]DESISTO W J，HILLIIN，BEIS S H，et al.Fastpyrolysisofpine sawdust in a fluidized-bed reactor[J].Energy & Fuels，2010，24：2642-2651.

[7]鄭志鋒，蔣劍春，戴偉娣，等.生物質能源轉換技術與應用(Ⅲ)———生物質熱解液體燃料油制備和精制技術[J].生物質化學工程，2007，41(5)：67-77.

[8]林木森，蔣劍春.生物質快速熱解技術現狀[J].生物質化學工程，2006，40(1)：21-26.

[9]劉寶亮，蔣劍春，岳金方，等.冷態鼓泡流化床中木屑流化速度的研究[J].林產化學與工業，2007，27(3)：49-52.

[10]GOOSSENSW R A，DUNMONT GL，SPAEPEN GL.Fluidization of binarymixturesin thelaminar flow region[C].Chem Eng Prog Symp，1971，67：38-45.

[11]ZHANG J Y，LUO G H，PENG H.Particle segregation of a binary mixture in gasfluidized bed，FLUID IZATION ’94 science and technology[C].Conference Paper of 5th China-Japan Symposium，ChemicalIndustryPress，Beijing，China，1994：15-22.

[12]ZHANG K，ZHANGJ，ZHANGB.Experimental andnumerical studyof fluid dynamic parameters in ajetting fluidized bed ofa binarymixture[J].Powder Technology，2003，132：30-38.

[13]MARTIN M，RENAULYM，JEZEQUEL P，et al.Mixability and particle size distribution criteria-study on modelmaterials[J].Powder Tech-nology，2009，190：36-40.

[14]羅國華.氣固流化床中顆粒分離及射流流動特定的研究[D].山西：中國科學研究院煤化所博士學位論文，1996.