气流床气化炉内颗粒停留时间分布

２００７一０６—２１收到初稿，２００７一０８—１６收到修改稿。 联系人：刘海峰。第一作者：许建良（１９８１～），男，博士研 究生。 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目 （２００４ｃＩｊ２１７７０３）；教育部新世纪人才支持计划项目（ＮｃＥＴ ０５ ０４１３）；长江学者和创新团队发展计划项目（ＩＲＴ０６２０）。
１ 实验部分
实验采用高度为１０００ ｍｍ、直径为２８０ ｍｍ的 有机玻璃气化炉模型，其结构如图１所示。该装置 的炉壁侧面和顶部分别设有安装多喷嘴气化炉喷嘴 和Ｔｅｘａｃｏ气化炉喷嘴的喷嘴室。喷嘴直径分别为 ８、１６ ｍｍ。实验用固相颗粒为经去离子水洗涤后 的玻璃微珠，其质量流量为１０５ ｋｇ·ｈ～，颗粒密 度为２４９０ ｋｇ·ｍ＿’，其粒径范围分为４６．９～９４．８ ｐｍ和１５０～２５０ ｐｍ，采用Ｂｅｃｋｍａｎ激光测粒仪测 量颗粒粒径，用Ｒｏｓｉｎ—Ｒａｍｍｌｅｒ分布计算平均粒 径为７５、１９９肛ｍ。颗粒示踪剂为ＫＣｌ溶液浸泡后 的玻璃微珠（经过滤，干燥处理）。实验流程如图 ２所示：高压钢瓶气体经减压阀后分别压迫４个加 料罐内的玻璃微珠和鼓风机产生的高速气流在三通 处混合，经气化炉的４个喷嘴喷出进入气化炉；示 踪剂在电磁阀和气动阀组合控制下瞬间进入喷嘴 （当用于测量Ｔｅｘａｃｏ气化炉内颗粒停留时间时， 颗粒和示踪剂的加料位置置于气化炉顶部）。在气 化炉出口有一股连续流动的去离子水用于溶解黏附 在示踪剂颗粒表面的氯化钾粉末。采用电导率仪连 续测量溶解在去离子水中的氯化钾离子浓度来测量 气化炉内的颗粒停留时间分布曲线，测量信号经计 算机处理后输出，其中采用频率为１００ Ｈｚ。
万方数据
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２００７一０６—２１． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ： Ｐｒｏｆ． ＬＩＵ Ｈａｉｆｅｎｇ． Ｅ—ｍａｉｌ： ｈｆｌｉｕ＠ ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ： ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（２００４ＣＢ２１７７０３）．
离开床层。典型的气流床气化技术有Ｔｅｘａｃｏ水煤 浆气化技术、Ｓｈｅｌｌ粉煤气化技术和华东理工大学 开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术。
目前对气固两相流停留时间的研究主要集中于 循环流化床和固定床内颗粒停留时间分布。如 Ｈａｒｒｉｓ等口１１采用磷光示踪法系统研究了循环流化 床内颗粒停留时间分布，Ｂａｒｙｓｈｅｖａ等¨ｏ采用光学
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报
第５９卷
法研究了固定床内颗粒运动轨迹和逗留时间。对气 流床内颗粒停留时间分布的研究开展得很少，目前 的研究主要集中于气相系统，如于遵宏等睁６３研究 了Ｔｅｘａｃｏ气化炉内气相停留时间分布，赵铁均‘７］ 采用氢气脉冲法研究了多喷嘴气化炉内气体停留时 间分布，许寿泽等口。９１采用马尔可夫链模拟了多喷 嘴对置式气化炉中气体停留时间分布。由于炉内流 体属气固多相流体系，气相的停留时问分布和混合 行为不能反映颗粒在气化炉内的停留时间分布及其 混合行为。而在工业运用中，煤粉颗粒的停留时间 对碳转化率和合成气组成具有十分重要的意义口…。 为此，本文采用一种合适的实验方法，对气流床气 化炉内颗粒停留时间分布进行研究。
第５９卷第１期 ２００８年１月
Ｊｏｕｒｎａｌ
化
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ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
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Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
（Ｃｈｉｎａ）
Ｖ０１．５９ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８
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气流床气化炉内颗粒停留时间分布
本文对同一工况进行了８组以上平行实验，图 ４给出了某一工况下测量得到的８组电压信号，从 图中可以得出该实验具有良好的重复性。
图３颗粒在整个系统及加入与 检测系统中的停留时间分布
Ｆｉｇ．３ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ＲＴＤ ｉｎ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ｇａｓｉｆｉｅｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ ｓｔｒｅａｍｓ； ｍｕｌｔｉ＿ｂｕｒｎｅｒ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ
ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ ｇａｓｉｆｉｅｒ；
Ｔｅｘａｃｏ
ｇａｓｉｆｉｅｒ；
ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ
ｇ
，＼１声
气流床气化技术因具有煤种和粒度适应性强、 操作压力和温度高、碳转化率高、生产强度大等特 点，而广泛应用于煤气化领域。气流床内物料运动 特点是煤粉颗粒与气化剂同时进入气化炉，颗粒在 气流的曳力作用下弥散于整个床层内并最终被夹带
２．３气化炉内颗粒停留时间分布 图６是颗粒直径为７５弘ｍ，气速分别为２５、
１００ ｍ·ｓ＿１下Ｔｅｘａｃｏ气化炉和多喷嘴气化炉内颗 粒停留时间分布函数图。从图中可以看出颗粒在两 种气化炉内的分布是不同的。相比而言，多喷嘴气 化炉内颗粒停留时间分布要窄，而且在２ ｓ前，流 出的Ｔｅｘａｃｏ气化炉的颗粒质量分数要远大于多喷 嘴气化炉（见表１）。图７～图９分别给出了不同气 速下颗粒在两种气化炉内的平均停留时间、方差和 最短停留时间。从图中可以看出，多喷嘴气化炉内 的颗粒平均停留时间与Ｔｅｘａｃｏ气化炉基本相等， 但方差要小，而颗粒最短停留时间却要大很多。造 成如此大差别的原因可能是Ｔｅｘａｃｏ气化炉内，属 受限射流的流场，部分流体和颗粒因短路而直接出 气化炉，造成颗粒的最短逗留时间较小；同时射流 流股因卷吸和壁面的束缚作用而形成一个大的回流 区，颗粒在气化炉内的返混增大，导致颗粒具有较 大方差。而在多喷嘴气化炉内，由于４个喷嘴的轴 线与气化炉轴线垂直，出喷嘴后的颗粒在惯性和相 向运动的气流作用下来回振荡运动，最后在径向加 速和重力作用下离开撞击流股和撞击区。撞击的作 用导致颗粒在撞击区内的停留时间延迟，避免了 Ｔｅｘａｃｏ气化炉中的短路现象。另外由于４股流体 的撞击阻滞作用使得离开撞击区的流体和颗粒速度 减小，气化炉内流场分布和两相混合更为均匀，因 此多喷嘴气化炉内颗粒的返混和死区比Ｔｅｘａｃｏ气 化炉要小。
万方数据
第１期
许建良等：气流床气化炉内颗粒停留时间分布
· ５５Hale Waihona Puke Baidu·
磁阀和气动阀组合控制示踪剂在瞬间加入到喷嘴 内。在溶解测量系统中（图２Ｂ），去离子水流中颗 粒体积分数约为０．０７，颗粒在连续流动的去离子 水中呈悬浮状态。由于示踪剂的量很少，而且其表 面的ＫＣｌ极易溶于水，因此示踪剂表面的ＫＣｌ的 溶解速率很快，通过实验测得当经历ｏ．１ ｓ时约有 ９１％的Ｋｃｌ溶解到去离子水中。为了验证实验方 法的可行性，分别测量了颗粒在整个系统和示踪剂 加入与溶解测量系统中（图２Ａ、Ｂ）的逗留时间 分布。图３给出了颗粒在整个系统及示踪剂加入与 溶解测量系统中的停留时间分布（ＲＴＤ）。从图中 可以看出，颗粒在系统Ａ＋Ｂ中的逗留时间是很短 的，而且基本处于平推流运动。因此在实验中，采 用直接方法去除该段时间。
图４实验数据的重复性
Ｆｉｇ．４ Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＲＴＤ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
２．２最短停留时间的定义 最短停留时间是指颗粒从进入气化炉到开始有
颗粒出气化炉的时间，是影响碳转化率的重要参 数，其定义如图５所示。
Ｆｉｇ．５
图５最短停留时Ｉ司的定义
Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ。ｆ ｌａｇ ｔｉｍｅ ｒ ｆｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ＲＴＤ
ｏ，Ｓｃｉｅ”ｃＰ ｎ”矗＿『Ｐｃ＾竹ｏ￡ｏｇ了，Ｓ＾口行ｇ＾豇ｉ ２００２３７，Ｃ＾西２Ⅱ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ 出ｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ ｇａｓｉｆｉｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｎｅｗ ｓｔｉｍｕｌｕｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｐｏｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｂｕｒｎｅｒ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ （ＯＭＢＥＦ） ａｎｄ Ｔｅｘａｃｏ ｇａｓｉｆｉｅｒ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｔｉｍｕｌｕｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ ｇａｓｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｉｎ ｔｈｅ ＯＭＢＥＦ ｇａｓｉｆｉｅｒ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｈａｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｅｘａｃｏ ｇａｓｉｆｉｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｇａｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ， ｔｈｅ ｍｅａｎ ａｎｄ ｖａｒｉａｎｃｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｂｏｔｈ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ
２ 结果与讨论
２．１实验方法可行性研究 气固两相流中固体颗粒停留时间的测量是一个
比较困难的问题，特别是对于颗粒逗留时间短的气 流床气化炉系统。目前颗粒停留时间的测量方法有
图１气化炉结构图
Ｆｉｇ．１ Ｇａｓｉｆｉｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
图２实验流程图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ
１一ｓｔｅｅｌ ｂｏｔｔｌｅ； ２一ｖａｌｖｅ； ３一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｕｇｅ； ４一Ｖｅｎｔｕ“ｔｕｂｅ； ５一ｐａｒｔｉｃｌｅ ｆｅｅｄ ｔａｎｋ； ６一ｃｏｍｐｕｔｅｒ； ７一ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ； ８一ｇａｓｉｆｉｅｒ； ９～ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ；
１０—ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ； １１ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｃｏｖｅｒ ｔａｎｋ； １２一ｍｅａｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ； １３一ｗａｔｅｒ ｐｕｍｐ； １ ４——ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ｔａｎｋ
ＸＵ ＪｉａｎＩｉａｎｇ，ＤＡＩ Ｚｈｅｎｇｈｕａ，ＬＩ Ｑｉａｏｈｏｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉｆｅｎｇ，ＬＩＵ Ｈａｉｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｆｕｃｈｅｎ。ＹＵ Ｚｕｎｈｏｎｇ （ＫＰｙ Ｌｎ６０ｒ“￡ｏｒｙ ｏ厂ＣｏｎＺ Ｇｎｓｉ厂ｉｆｎｆｉｏ行，Ｍｉ九ｉｓｆｒｙ ｏ厂。ＥⅪ“ｃｎ￡ｉｏ咒，Ｅ＆ｓ￡Ｃ矗ｉ咒“Ｕ”ｉ刨Ｐｒｓｉｆｙ
化学示踪法口¨、放射物质示踪法［１ ２１、颗粒提取 法［１ ３｜、荧光法［１４１和着色示踪法［１５１等。本实验采用 化学示踪法对气化炉内颗粒停留时间进行研究。
颗粒停留时间测量的准确性主要受示踪剂种 类、示踪剂加入方式和数据采集三方面的影响。本 实验使用的示踪剂是经饱和氯化钾溶液充分浸泡 （经过滤和干燥处理）的玻璃微珠颗粒，因此示踪 剂和实验颗粒具有相同的物理性质；采用精密的电
万方数据
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工
许建良，代正华，李巧红，李伟锋，刘海峰，王辅臣，于遵宏 （华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海２００２３７）
关键词：撞击流；多喷嘴气化炉；Ｔｅｘａｃｏ气化炉；停留时间分布
中图分类号：ＴＫ ２２９．６；ＴＱ ０２１．４
文献标识码：Ａ
文章编号：０４３８一１１ ５７（２００８）０１一００５３一０５
Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ—ｆｌｏｗ ｇａｓｉｆｉｅｒ