CFB煤燃烧/热解双反应器中热解室对立管内气固流动特性的影响

第32卷第6期燃料化学学报Vol.32 No.62004年12 月JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TBCHNOLOGYDec.2004文章编号:0253-2409 2004 )06-0711-06CFB煤燃烧/热解双反应器中热解室对立管内气固流动特性的影响王志锋'2 ,梁鹏'2 ,董众兵,毕继诚'( 1.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,山西太原030001 ;2.中国科学院研究生院,北京10039;3. 安徽理工大学化工系,安徽淮南232001 )摘要:考察了循环流化床煤燃烧/热解双反应器系统中热解室的存在对立管内的压力分布及气固流动状况的影响。提升管的内径100mm.高6m立管的内径44mm.高3m热解室的截面积200mmx200mm、高770nmo结果表明随着提升管内表观气速U,的增加,有无热解室立管内均为负压差流动,负压差梯度随着U,的增加而减小。有热解室时热解室内要保持一定的料位高度整个立管内固体颗粒的流动为负压差移动床流动没有热解室时，立管内为稀相流动和移动床流动同时存在立管内平衡料柱高度随U, 的增加而升高。随着循环量G, 的增加两种类型的立管内负压差梯度均随之增大，也存在着流动形态的差别。循环量G,的增加会引起立管内平衡料柱高度的降低。立管内气固相对滑移速度也随着循环量G,的增加而增大。关键词:循环流化床( CFBO ;煤热解;立管;气固流动中图分类号:TQ052文献标识码:A循环流化床( CFB )广泛应用于气固接触过程,大类即非流态化流动(又称移动床流动、填充床流如燃烧、煤气化以及催化反应等，尤其是CFB燃烧动或粘附滑移流动)和流态化流动。立管内颗粒流技术作为一种新型高效低污染清洁煤技术备受研动的复杂性主要表现在有时两种不同类型的流动方究者关注。将煤直接燃烧,是对煤中高附加烃类资式共存如稀相-填充床共存、稀相-密相共存以及源的浪费，直接燃烧过程中煤中污染物稀释在体积密相-填充床共存等。郭天民等+门、LI Hong-庞大的烟气中污染物是炉中脱除还是炉后脱除都zhongTl、张济宇等61对单一立 管移动床中的气固流会带来热效率的低下或动力的大量消耗给污染物动规律都做了大量的研究,LI Hong-zhong 还绘制了脱除带来困难121将煤的燃烧与热解有机地耦合起立管移动床气固流动相图并对理想料封状态做了来利用循环流化床的热灰作为热载体对煤进行低系统阐述。为了掌握该系统中流体的流动特性为温热解释放出焦油和热解气热解后的半焦与热灰热态过程的开发和设计提供必要的参数,在实验室再返回到循环流化床进行燃烧产生蒸气用来发电建立了一套循环流化床燃烧/热解冷模实验装置重和供热实现热、电、油、气四联产将煤中高附加值点考察该系统中热解室对立管内气、固流动状况的的烃类提取出来而且显著提高了整个过程的热效影响。率同时降低了治污成本。循环流化床燃烧/热解系1实验装置统是在循环流化床的旋风分离器与立管间加入了热实验装置见图1提升管的内径为100 mm、高为解反应器将循环灰引入热解反应器与煤混合进行6m立管的内径为44mm、高为3m热解室的截面热解后再通过立管返回床内。立管作为连接循环流积为200 mmx 200 mm、高为770 mm。提升管中固体化床与热解反应器的通道,既要使热解后的半焦和颗粒由气体夹带进入旋风分离器经气固分离后进入热灰顺畅返回循环流化床,又要防止循环流化床中底部带有锥形气体分布板的热解室中再经由底部的含氧气体窜入热解反应器以免发生危险,即立管装有闸板阀的立管返回提升管中。为了考察热解室要起到足够的料封作用,因而立管的设计与操作对对立管内气固流动状况的影响将热解室用与立管燃烧/热解系统的稳定运行至关重要。而通常立管直径相同的直管代替,即固体颗粒经旋风分离器分内的气固流动型式非常复杂,Leung 等3]对立管内的离后直接进入立管内,由返料阀控制再返回到提升流动形态提出了划分标准概括起来主要可分成两管中其他组件的位置均不变。图1热解室上有为收稿日期: 2004-06-09 ;修回日期:2004-10-16712燃料化学学报32卷模拟释放热解气而设的出口为了比较二者的差别，转 子流量计来改变提升管内的表观气速U,的大小,在取代热解室的立管相同高度的位置上也设有开立管内的压力分布随U,变化分别见图2、图3(注:口。立管内的压力分布由压力自动采集系统来完实验所测的压力为表压下同》有热解室时热解成7。在图1立管上安装了6个压力传感器,以立反应在热解室内完成，,反 应后的半焦经立管返回提管底部闸板阀下的传感器为基准,从下至上距此依升管。为了防止提升管内的气体返窜”到热解室,次为90mm、725mm、1615mm、2430mm及2735mm。立管内的物料要保持稳定的移动床流动以形成良好在无热解室的立管上安装了7个压力传感器其中的料封。在冷态实验中旋风料腿内为稀相流动热传感器1至6的位置同图1第7个安装在距立管底解室要保持一定的料位高度且为移动床,与热解室部闸板阀3405mm的位置。相连的立管内为负压差移动床流动。在热态实验中实验中所用的物料为硅胶颗粒其平均粒径为要有效地控制热解室内的料位高度及煤与灰在热解407 pum密度为794 kg/m'。.室内的停留时间使半焦和灰在进入立管之前已反应完全，这更有利于该系统的稳定运行。随着提升管内表观气速U,的增加立管内的负压差梯度减小压力分布趋于均匀。但对高度一定的立管而言移动床料封能力是有限的,即不能超出其临界料封4能力( 0p/Z)其中( 10p1/Z) =(0.6~ 0.71 ρi°- 136),3否则就会发生气体返窜、料封破坏等。没有热解室时立管内也表现为负压差流动,但流动状况比较复杂为上部的稀相流动和下部的移动床流动共存4图3中的*”表示该点在稀相流动部分。立管内平4g衡料柱高度也随着U,的增大而升高这是因为在立管底部阀门开度-定的情况下随着提升管内表观气速U,的增加物料颗粒在提升管内的停留时间减少提升管内气流的动能增大传递给颗粒的能量|16增大,使更多的颗粒参与循环,从而提升管内颗粒的质量分数降低,使得立管内的料柱高度升高。立管内负压差梯度随U,的变化趋势同有热解室的情况,]10压力梯度的变化在移动床流动部分比较明显。2000图1 CFB 煤燃烧/热解双反应器冷模示意图1000Figure 1 Diagram of cold model CFB combined withcoal pyrolysis reactor0一(4内(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图2 U, 对立管内压力分布的影响(有热解室)flowmeter ; 12一compressorFigure 2 Fffect of U, on pressure distribution in the standpipe结果与讨论( with pyrolysis chamber)+8 TL 2e6期王志锋等:CFB煤燃烧/热解双反应器中热解室对立管内气固流动特性的影响7133000300冒2000s 20001000974^ (3)520(2)*(1)|0(1)1(2)8“2(3)号(4)500 1000 1500 2000 2500 30001400280042005600Pressure p/Pa图3 U, 对立管内压力分布的影响(无热解室)图4 C. 对立管内压力分布的影响有热解室)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循环量对立 管内压力分布的影响颗粒循 环量的测量是在系统稳定运行状态下,关闭旋风下的且3000插板阀,同时开启支管的插板阀使颗粒放出并计时，定通过称重测得循环量。在提升管内表观气速U,一定的情况下循环量G,的大小通过改变立管底部阀门开度来调节。在表观气速U,为3.18 m/s时立管内压力分布随循环量的变化分别见图4、图5(其中o(1)"■0(2)间4)图5中*"意义同图3)由图4可以看出随着循160024003200环量G。的增加立管内的压力梯度也随之增大。这是因为G,的增加使得提升管内固体质量分数和压图5 G, 对立管内压力分布的影响(无热解室)降增加,使提升管和立管底部压力升高立管的负压.Figure5 Effect of G, on pressure distribution in the standpipe差梯度增大。在循环量较低时立管内的负压差梯(1)G. =77.94kg(m s);(2)G. =92.02 kg(m s);度很小接近自由流落在实验范围内立管内为稳定的负压差移动床流动。由图5可知立管内的负压(3)G. = 118.34kg( m s);(4)G, = 136.03 kg( m s)力梯度随G,的增加而增大立管内为稀相流动和密解室内的停留时间使煤热解完全后再进入立管。相移动床流动共存对于上部稀相流动区压力变化2.3立管内的气、固流动立管 内气固流动状况非不大,压力梯度的变化主要集中在下部移动床流动常复杂通常以气固相对滑移速度U来划分其流区可以看出立管内的料柱高度随G,的增加而降动类型8]即低,因为在U,一定的情况下，参与循环的固体颗粒W。ρ(1-E)~ Pρε在提升管内的停留时间不变循环量G,的增加使得其中:w。、w。为立管截面固、气质量流率，定义向提升管内颗粒的质量分数增加,而 系统的装料量是-定的相应地降低了立管内的平衡料柱高度。下流动方向为正; U。< Cnd为非流态化流动;在热态过程中，循环流化床锅炉的实际循环量比冷态实验中的循环量要大使得热解室的处理量Us≥n为流化床流动。也随之增大,立管内的移动床压降也会随之增大。立管内移动床流动其压降与气固相对滑移速斗了(9:江石4去占h鹅空二二古午h的R不北十工|止714燃料化学学报32卷0.018P二p=哭=[K1U1+ K,1 U。12]其中K和K,分别为g 0012-150p( 1-ε丫1.75p(1 _∈)SKi =(dde)Kz =dde0.006式中”: +”号取决于U_的方向,当U_向下时取U,-3.18 m/s言: 0.000张济宇等6在重力流落实验以及负压差流落实708090100110120130 140验对移动床空隙率的测量中发现移动床空隙率会Cireulatingrate G,/kg. (m2.s')随颗粒移动速度以及负压差梯度的增加而增加但图7 G,对立管内U的影响(无热解室)这两种因素使ε的增加均是微弱的假定其在移动Figure 7 ffet of G, on U. in the standpipe过程中固定不变。对于-定的固体颗粒来说由于其( without pyrolysis chamber)物性参数为一定值,因此由Ergurt 101方程可以看出压( 1) experimental ;( 2 ) computational力梯度的变化与立管内气固相对滑移速度的关系。实验中对立管内气体流动速度的测量采用气体可以通过对立管内压力及气体流动方向的确定来控示踪法".21 ,用与空气导热系数相差较大的氦气为制料封的稳定。对于无热解室的情况,立管内为稀示踪气体根据示踪气体流经两个固定探针时所用相流动和移动床流动共存实验所测量的气、固体积的时间来确定立管内气体的流动速度。固体流动速流量均为移动床段的气、固流动速度随着G, 的增度用颗粒速度仪来测量。在提升管内表观气速U,加气固相对滑移速度也随之增大。为3.18 m/s时有、无热解室立管内气固相对滑移速3.结语度U随循环量G,的变化分别见图6、图7。从两个(1 )有热解室时旋风料腿内为稀相流动,与热图中可以看出,由实验所得到Ua随循环量G。的变解室相连的立管内为移动床流动。立管内的负压差化趋势与由Ergunt10]方程计算所得到趋势的基本一梯度随着提升管内表观气速U,的增加而减小随着致。对于有热解室的情况来说立管的高度为一定循环量G,的增加而增大,而且立管内的气固相对滑值立管中为移动床流动。随着循环量G。 的增大,移速度也随着循环量G,的增加而增大;立管内的压力梯度随之增大,气固相对滑移速度也( 2 )无热解室时立管内为稀相流动与移动床流随之增大。实验中通过对气体体积流量的测量发动共存。随着提升管内表观气速U,的增加立管内现在实验操作范围内气体的流动方向向下,即提升的压力梯度减小,平衡料柱高度增加。随着循环量管中的气体不会返窜”到热解室内。在热态实验中G,的增加立管内的压力梯度也随之增大,料柱高度降低立管内的气固相对滑移速度也随之增大;( 3有热解室时,由于热解室内要保持一定的料旦0.012:2位高度而且是煤热解完全后产生的半焦与灰一起进入立管内为了使立管内保持很好的移动床料封会0.006在改变操作条件时要考虑立管的临界料封能力。U,-3.54 m/s贵0.000致谢:感谢广东坪石电厂 和淮南科技项目的支持。0100201401680符号说明:Circulatingrate G/kg ●(m2.s'). d-颗粒直径m;G,- -循环量kg(m s);图6 G,对立管内Uz的影响(有热解室)H-立管高度m;Figure6 Efect of G, on U_ in the standpipep- -压力Pa;6期王志锋等:CFB煤燃烧/热解双反应器中热解室对立管内气固流动特性的影响715Umit一最小流化速度m/s;ρ。-气体密度kg/m? ;Ua一气固相对滑移速度m/s;ρ°一固体颗粒堆密度kg/m2 ;w。- -立管截面固体质量流率kg(m2 s);ε- -空隙率;w。- -立管截面气体质量流率kgK(m s);Em一最小流态化空隙率;Z一立管内平衡料柱高度m;φ-球形度;ρ。-固体颗粒密度kg/m' ;μ一气体粘度,Pa s参考文献:[1]刘桂建彭子成王桂梁等.煤中微量元素在燃烧过程中的变化J]燃料化学学报, 2001 292):119-123.( LIU Gui- jian , PENG Zi-cheng , WANG Gui- liang ,et al . 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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.欢迎订阅第33卷( 2005年X燃料化学学报》《燃料化学学报》是中国化学会和中国科学院山西煤炭化学研究所主办科学出版社出版的学术性刊物。创刊于1956年,公开发行。本刊是我国能源领域中重要的学术性期刊。设有研究快报、研究论文、研究简报、综述和知识介绍等栏目。主要报道国内在燃料化学、化工及其交叉学科的基础研究等领域内的科技新成就和最新进展刊登具有较高学术水平和应用价值的论文既传播知识交流学术思想,又促进了经济发展并为培养人才作贡献。《燃料化学学报》已连续多年入选国内外检索系统，国外如”: CA"" Ei" AJ”International Chemical Engi-neering" Fuel and Energy Abstract"' Coal Abstracts" 美国American Petroleum Institute Central Abstracting and In-formation Services" 等。国内如《K 中国学术期刊文摘》《中国化学化工文摘》《中国科学引文数据库》《中国化学文献数据库》《中国科技期刊题名数据库》《中国科技论文统计与分析数据库》《中国矿业文摘》《中国科技论文统计与分析》等连续几年入选CA"千种表。已成为《中国期刊网》《中国学术期刊(光盘版)》全文收录期刊、《中国学术期刊综合评价数据库》源期刊、《系统期刊数据库》源期刊,2001年度获新闻出版总署授予的中国期刊方阵双效期刊”。并多次获国家、中国科学院、华北地区优秀期刊奖。《燃料化学学报》为双月刊,A开本,128 页,全部为铜版纸印刷,每册定价15元,全年90元(含邮资)欢迎广大读者 在当地邮局订阅( 邮政代号:22- 50%若需过 刊或漏订,可随时与编辑部联系。联系地址.大原市桃园南路77号《狱料化学学报》编辑部邮政编码. 030001