郭晓慧，司慧，袁飞武，等．流化床中介质的流态化特性研究［J ］．江苏农业科学，2013，41（1）：242－244．流化床中介质的流态化特性研究郭晓慧，司慧，袁飞武，樊超，王霄，李龙（北京林业大学工学院，北京100083）摘要：在生物质热裂解技术中，介质作为流化床中生物质反应的载体，其流态化特性的好坏是制取高品质生物油的决定性因素之一。
分别对石英砂、陶瓷球、高铝矾土3种常用介质进行不同粒径条件下的冷态流化特性试验，比较分析得出，粒径越大介质流化越缓慢，其临界流化速度越大；流态化特性最佳的介质是0．45 0．60mm 粒径的石英砂，通过流体分析软件FLUENT 对该介质进行流态化模拟，证实其流化效果符合BL －SCFB －4型生物质热裂解装置试验的要求。
关键词：流化介质；流化床；流态化中图分类号：S220．2文献标志码：A文章编号：1002－1302（2013）01－0242－03收稿日期：2012－06－11基金项目：国家林业局“948”引进项目（编号：2012－4－19）；国家农业科技成果转化资金（编号：2010GB23600654）。
作者简介：郭晓慧（1984—），女，硕士研究生，山西大同人，研究方向为机械设计及理论、生物质能源化利用技术。
E －mail ：gxh1004@163．com 。
通信作者：司慧，博士，副教授，研究方向为生物质能源化利用技术、机械设计及理论。
E －mail ：sihui@bjfu．edu．cn 。
生物质热裂解是我国近些年来兴起的一种生物质能转化技术，它能够将难以利用的固体生物质转化为液态生物油，这种油经过处理可代替石油做化工原料和燃料等，有助于缓解能源压力，同时减少环境污染。
生物质热裂解的副产品清洁燃气和固体炭，可用来做气体燃料、活性炭和固体燃料，整个热裂解过程基本无废物排放，发展生物质热裂解技术具有广阔的前景［1］。
流化介质作为生物质热裂解在流化床反应器中反应的载体，是决定生物质能否充分热解的关键因素之一。
本研究在北京林业大学设计的BL －SCFB －4型生物质热裂解装置的基础上，对流化床反应器中介质作出选取并进行冷态试验，通过分析它们的流态化特性，选择合适的介质，为该装置的热态试验———制备生物油做好前期准备。
1试验装置BL －SCFB －4型生物质热裂解装置是北京林业大学设计的第4代热解装置，它的进料量是1kg /h ，图1为该装置的工艺流程示意图。
为了便于观察与测量流化介质的流态化特性，对该装置做如下变更：（1）按1ʒ1的比例加工一套材质为有机玻璃的流化床反应器；（2）鼓风机通过气体流量计与反应器的进气口相连；（3）压差计的两端分别与反应器的进料口和出气口连接；（3）反应器的另一个出气口A 与热裂解装置（图1）的分离器B 口连接。
变更部分的流程如图2所示。
2试验方案介质的流态化特性主要影响因素是介质的种类及其粒径大小，本试验主要研究石英砂、陶瓷球、高铝矾土这3种常用流化介质在不同粒径条件下的流态化特性，根据它们流态化特性，选择出最适合BL －SCFB －4型生物质热裂解装置的介质。
—242—江苏农业科学2013年第41卷第1期2．1试验原理及方法2．1．1试验原理［2］流态化是一种因流体由下向上流过固体颗粒堆积的床层使得固体颗粒具有一般流体性质的现象。
当气速较低时（低于临界流化速度），固体颗粒基本处于静止状态，压降波动小且随气速的增大而增大。
气速增大到临界流化速度时，颗粒受到气体的曳力等于它的重力，床层开始流化。
当气速刚好大于临界流化速度时，床层均匀膨胀成散式流态化，此时压降波动较小。
进一步提高气速产生鼓泡形成聚式流态化，压降波动明显增加，且不再随气速的增加而变化。
若继续加大气速，打破气－固之间的力平衡，大部分颗粒被气体带走，此阶段称为输送阶段，对应的速度为粒子的带走速度，整个过程称为流态化过程（图3）。
在热裂解试验中，只进行到聚式流态化阶段。
评判介质流化质量的标准是，测定气体通过床层时流化床内的压差，根据压差与气速的关系曲线以及冷态试验时对介质的流化状态的观察，曲线压力脉动的幅值小，进入聚式流态化阶段较快，即临界流化速度相对较小，该流化介质为佳［3］。
2．1．2试验方法冷态试验中通常采用降速法测定介质的临界流化速度，即先将气速提高到使介质处于流化的状态，然后逐渐减小气体速度，并记录相应的压差，得到压差随气速变化的曲线，来推断流化床内部的流态化特性［4－5］。
2．2试验材料流化介质在本试验中，静床高（介质在反应器内的高度）皆为70mm 。
2．2．1石英砂将石英砂按不同粒径分为3组：第1组粒径为0．2 0．45mm ；第2组粒径为0．45 0．6mm ；第3组粒径为0．6 0．9mm 。
2．2．2陶瓷球将陶瓷球按不同粒径分为3组：第1组粒径为0．2 0．45mm ；第2组粒径为0．45 0．6mm ；第3组粒径为0．6 0．9mm 。
2．2．3高铝矾土将高铝矾土按不同粒径分为3组：第1组粒径为0．2 0．45mm ；第2组粒径为0．45 0．6mm ；第3组粒径为0．6 0．9mm 。
3结果分析3．1石英砂的流态化特性图4为3种粒径的石英砂在常温状态下的流态化特性，可以看出，在流速0．2m /s 以内石英砂均达到很好的流化状态。
粒径为0．20 0．45mm 的石英砂临界流化速度约为0.05m /s ，压差在小于0．05m /s 内随流速变化迅速，很快进入流化状态，压差在大于临界流化速度之后几乎不再变化，呈水平直线。
但在试验过程中发现石英砂（0．20 0．45mm ）在聚式流态化阶段时已有部分砂子飞出，将连接在后面的过滤器堵塞，主要是因为粒径为0．20 0．45mm 的石英砂质量较轻，流态化阶段进程迅速，砂子极易飞出。
粒径为0．45 0.60mm 的石英砂临界流化速度约为0．09m /s ，流速大于0．09m /s 后，石英砂达到了良好的流化状态。
粒径为0．60 0．90mm 的石英砂临界流化速度约为0．15m /s ，压差在流速小于临界速度内变化缓慢，在大于临界速度后趋于平稳，相较前2种粒径的石英砂，粒径为0．60 0．90mm 的石英砂流化相对困难。
石英砂中粒径为0．45 0．60mm 的流化状态最佳。
3．2陶瓷球的流态化特性图5为3种粒径的陶瓷球常温状态下的流态化特性曲线。
在0．2m /s 的流速范围内，仅粒径为0．20 0．45mm 的陶瓷球达到聚式流态化阶段，临界流化速度约为0．13m /s ，压差在流速小于临界流化速度范围内有明显的波动，进入流化状态后相对平稳；粒径为0．45 0．60mm 的陶瓷球临界流化速度约为0．17m/s ，流化非常缓慢，在流速0．17 0．20m/s 内处于初始流化阶段；粒径为0．60 0．90mm 的陶瓷球流速0.20m /s 内始终没有进入初始流化阶段，效果很差。
陶瓷球中粒径为0．20 0．45mm 的流化效果较好。
3．3高铝矾土的流态化特性图6为3种粒径的高铝矾土在常温状态下的流态化特性曲线，在流速0．2m /s 范围内，仅粒径为0．60 0．90mm 的高铝矾土未进入流化状态。
粒径为0．20 0．45mm 的高铝矾土临界流化速度约为0．9m /s ，在固定床阶段压差波动较大，该介质与同粒径的石英砂存在同样的问题，即砂子容易被流化载气带走堵塞过滤器。
粒径为0．45 0．60mm 的高铝矾—342—郭晓慧等：流化床中介质的流态化特性研究土临界流化速度约为0．15m /s ，压差随气速变化相对缓慢且有明显波动，流化后压差稳定。
高铝矾土中粒径为0．45 0.60mm 的流化效果较好。
综合比较这3种介质的流态化特性曲线发现，粒径越大，流化越缓慢，临界流化速度越高，且石英砂总体流化效果最好，高铝矾土次之，陶瓷球最差。
对比3种介质中流化效果，较好的是粒径0．45 0．60mm 的石英砂和高铝矾土、粒径0.20 0．45mm 的陶瓷球，石英砂（0．45 0．60mm ）固定床阶段压差随气速变化迅速，临界流化速度相对较低，较容易流化，即该介质流化效果最好。
4石英砂（0．45 0．60mm ）流态化过程模拟运用FLUENT 软件，根据欧拉双流体模型的算法［6］，模拟石英砂（0．45 0．60mm ）在分布板开孔率为1%的流化床内的流态化过程，图7为从0 1．0s 石英砂在流化床中的体积浓度分布。
可以看出0 0．05s ，石英砂在固定床阶段，床层高度基本不变，底部有小气泡进入，并逐渐变大，气体从石英砂颗粒之间的缝隙中流走；0．05 0．06s ，石英砂处于初始流化阶段，床层明显开始膨胀，局部体积密度变小；0．060.07s 时床层继续膨胀，此时为散式流化状态；从0．07s 开始，床层高度不再变化，石英砂进入聚式流化状态，大部分颗粒均匀分布在床层上方，部分积聚在底部。
这是因为刚开始流化时，床层上部的石英砂首先达到重力与流化载气对它曳力的平衡，均匀向上膨胀。
之后，床层下部的石英砂随着载气向上扩散，而最先飞扬起的那部分因曳力的减小而回落，与剩余部分石英砂混合，形成床层上面的颗粒体积浓度小，下面的体积浓度大的现象。
如此往复循环，达到流化状态稳定。
因此，粒径为0．45 0．60mm 的石英砂流化效果符合BL －SCFB －4型生物质热裂解装置试验的要求。
5结论为了选择适合BL －SCFB －4型生物质热裂解装置中流化床反应器的介质，将石英砂、陶瓷球、高铝矾土这3种常用介质按粒径不同各分为3组对其进行冷态试验，研究它们的流态化特性发现：（1）粒径越大介质流化越缓慢，其临界流化速度越高；（2）总体而言石英砂流化效果最好，高铝矾土次之，陶瓷球最差；（3）石英砂中粒径为0．45 0．60mm 的流态化特性较好，陶瓷球中粒径为0．20 0．45mm 的流化效果较好，高铝矾土中粒径为0．45 0．60mm 的流化效果较好，其中0．45 0．60mm 粒径的石英砂优于其他2种。
试验分析后运用FLUENT 软件模拟石英砂（粒径0．45 0．60mm ）流化过程，证实其流化效果良好，因此，BL －SCFB －4型生物质热裂解装置的流化介质选用0．45 0．60mm 粒径的石英砂。
参考文献：［1］吴创之，庄新姝，周肇秋，等．生物质能利用技术发展现状分析［J ］．可再生能源，2007，29（9）：35－41．［2］金涌，祝京旭，汪展文，等．流态化工程原理［M ］．北京：清华大学出版社，2002：36－40．［3］Vitolo S ，Ghetti P．Physical and combustion characterization ofpyrdyticoils derived from biomass material upgraded by catalytic hy-drogenation ［J ］．Fuel ，1994，73（11）：1810－1812．［4］杨士春，刘荣厚．流化床生物质快速裂解制液体燃料［J ］．河北建筑工程学院学报，2005，23（2）：1－4．［5］李晓光，徐德龙，肖国先，等．大颗粒气固流化床的流化特性［J ］．西安科技学院学报，2003，23（4）：465－469．［6］朱红钧，林元华，谢龙汉．FLUENT 流体分析及仿真实用教程［M ］．北京：人民邮电出版社，2010：56－103．—442—江苏农业科学2013年第41卷第1期。