王娜娜^1，2，李萍¹，司慧¹，齊敬一¹

（1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255000）

　　摘要：設(shè)計制造了一套生物質(zhì)熱裂解用雙倉式氣力輸送喂料裝置，研究流化氣速、噴動氣速、有效噴射距離（s=50mm、100mm、150mm、200mm）、輸料管內(nèi)徑（d1=21mm、24mm、29mm）和生物質(zhì)顆粒粒徑對進(jìn)料率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)料率隨著流化流速、噴動氣速、輸料管內(nèi)徑、生物質(zhì)顆粒粒徑的增大而增大。在有效噴射距離為100mm時，進(jìn)料率最高。固氣比隨著流化氣或噴動氣速的增加先增加后降低，在流化氣和噴動氣的共同作用下，隨著氣體流速的增加固氣比一直在降低。為了描述進(jìn)料率與噴動氣速、流化氣速、有效噴射距離、輸料管內(nèi)徑以及生物質(zhì)顆粒粒徑之間的關(guān)系，采用多元線性回歸分析，建立了多元線性回歸模型。開展了額外試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明試驗(yàn)值和預(yù)測值誤差在±10.2%以內(nèi)，表明所建立的模型可靠，可以利用該模型預(yù)測喂料器的進(jìn)料率。

　　生物質(zhì)能作為一種環(huán)境友好型可再生能源，已成為國內(nèi)外可再生能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用方法很多，其中生物質(zhì)快速熱裂解技術(shù)是國際上公認(rèn)的最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。在生物質(zhì)熱裂解過程中，穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)料是保證熱裂解順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一[1-2]。目前，熱裂解進(jìn)料裝置主要有螺旋進(jìn)料裝置[3-5]、氣力輸送進(jìn)料裝置[6-9]、旋轉(zhuǎn)刮刀喂料裝置[10-11]等。其中，氣力輸送具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、安全可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤粉、糧食等流動性好的物料[12-16]。但是，由于生物質(zhì)粉具有密度小、休止角大、流動性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致生物質(zhì)在氣力輸送過程中易發(fā)生搭橋、堵塞管路等問題[17]。為了提高物料的流動性，Wen等[18]最早把流化床引入到物料輸送領(lǐng)域，研究了玻璃珠和煤粉從流化床一側(cè)出口通過不同管徑水平管的流動特性。Massimilla等[19]設(shè)計了流化床進(jìn)料器，研究石英砂、木屑、玻璃珠等從流化床側(cè)壁孔流出的特性，結(jié)果表明固體質(zhì)量流率與出料孔徑大小有關(guān)。Suri等[20]設(shè)計了筒形進(jìn)料器，在流化床中央設(shè)置一垂直出料管并與水平輸料管相連，用于木炭、玻璃微珠等的水平輸送。結(jié)果表明，固體質(zhì)量流率隨著粒徑和內(nèi)摩擦角的增大和流化空氣流速的減小而減小。

　　到目前為止，基于流化床原理設(shè)計的氣力輸送裝置用于生物質(zhì)熱裂解進(jìn)料鮮有報道，Wang等[21]設(shè)計了雙重氣力輸送進(jìn)料裝置，開展了噴動管內(nèi)徑、布風(fēng)板開孔率等研究，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定進(jìn)料。然而關(guān)于輸料管內(nèi)徑、生物質(zhì)粒徑等對進(jìn)料率影響的研究較少。本文在雙重氣力輸送進(jìn)料器基礎(chǔ)上，設(shè)計了生物質(zhì)熱裂解雙倉式氣力輸送喂料裝置，研究輸料管內(nèi)徑、有效噴射距離、生物質(zhì)顆粒粒徑等因素對進(jìn)料率影響。該裝置從進(jìn)料倉底部通入流化氣，防止物料搭橋或團(tuán)聚，利用噴動氣和流化氣的共同作用實(shí)現(xiàn)物料輸送，而進(jìn)料倉和過渡倉的雙倉設(shè)計能實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料。

　　1試驗(yàn)

　　1.1試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括料斗、過渡倉、進(jìn)料倉、布風(fēng)板、噴動管和輸料管等。過渡倉、進(jìn)料倉由內(nèi)徑200mm，高分別為280mm、300mm，壁厚10mm的有機(jī)玻璃加工而成。在距離布風(fēng)板高35mm管壁上對稱開有兩個直徑為35mm的孔。為了測試輸料管內(nèi)徑對進(jìn)料率的影響，分別加工了3根內(nèi)徑為29mm、24mm、21mm的輸料管和1根內(nèi)徑為21mm的噴動管，長度均為250mm，進(jìn)料管與噴動管同軸布置。進(jìn)料倉布風(fēng)板孔徑1mm，開孔率1.09%，等邊三角形布置。

　　試驗(yàn)以空氣為氣源，利用氣泵對穩(wěn)壓罐進(jìn)行供氣，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。緩沖罐設(shè)有3個出氣口，分別為進(jìn)料裝置提供流化氣、擾動氣和噴動氣。控制系統(tǒng)包括3個電磁閥、2個電動蝶閥、3對光敏傳感器（分別安裝在過渡倉和進(jìn)料倉上，用來檢測料倉內(nèi)物料的高度）。工作原理為：料斗中裝滿物料，電動蝶閥A打開，物料開始下落，光敏傳感器檢測到過渡倉內(nèi)物料已滿，A關(guān)閉。擾動氣打開，當(dāng)過渡倉內(nèi)壓力稍高于進(jìn)料倉時（進(jìn)料倉內(nèi)壓力101.113～101.521kPa），然后電動蝶閥B打開，光敏傳感器檢測到進(jìn)料倉內(nèi)物料已滿，B關(guān)閉，擾動氣關(guān)閉，流化氣和噴動氣打開，開始進(jìn)料。當(dāng)光敏傳感器檢測到進(jìn)料倉物料低位，A打開，重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料，輸料管流出的物料進(jìn)入收集罐，用電子秤進(jìn)行稱重。工作過程中過渡倉內(nèi)的壓力不能低于進(jìn)料倉才能保證物料從過渡倉順利落入進(jìn)料倉內(nèi)，過渡倉和進(jìn)料倉裝有壓力表，用來測量壓力。

　　1.2試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)材料為落葉松，顆粒特性見表1，粒度dp分別為30～60目、60～90目、90～120目和粗篩組分30～120目。

　　1.3試驗(yàn)設(shè)計

　　輸料管內(nèi)徑為d1=21mm、24mm、29mm。有效噴射距離取s=200mm、150mm、100mm、50mm。輸料管和噴動管軸線距離布風(fēng)板高h(yuǎn)=35mm。研究流化氣速、噴動氣速、輸料管內(nèi)徑、有效噴射距離、生物質(zhì)顆粒粒徑對進(jìn)料率影響。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1固氣比的計算方法

　　固氣比為進(jìn)料率與氣體質(zhì)量流量的比值，利用式(1)進(jìn)行計算。

　　2.2流化氣速/噴動氣速對進(jìn)料率影響

　　關(guān)閉噴動氣速，進(jìn)料倉內(nèi)只通入流化氣速時，流化氣速對進(jìn)料率影響如圖2所示。關(guān)閉流化氣路，進(jìn)料倉內(nèi)只通入噴動氣時，噴動氣速對進(jìn)料率影響如圖3所示。從圖2、圖3中可看出無論流化氣速還是噴動氣速增加，輸料率均快速增加，標(biāo)準(zhǔn)差下降。這說明隨著氣體流速的增加，輸料穩(wěn)定性增加。對比圖2、圖3可以看出，在相同的氣體流量下，只通入流化氣時進(jìn)料率比僅通入噴動氣時小，氣體流量為3m³/h（此時流化氣速0.0265m/s，噴動氣速2.407m/s），僅通入流化氣時進(jìn)料率為10.2g/s，僅通入噴動氣時進(jìn)料率為20.1g/s，進(jìn)料率增加了82.8%，這說明進(jìn)料倉內(nèi)通入噴動氣比流化氣更有利于進(jìn)料。從圖2、圖3可以看出，通入流化氣時，進(jìn)料率標(biāo)準(zhǔn)差的波動較小，這說明通入流化氣更有利于物料流動的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

　　試驗(yàn)觀察到在較低的流化/噴動氣速時，物料不斷地在輸料管底部堆積，這是由于在較低氣體流速時，其動能較小，物料不能被流化/噴動氣全部攜帶走[22]，當(dāng)顆粒堆積到一定程度時，顆粒流動狀態(tài)將由帶狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榍馉盍鳎@將導(dǎo)致物料流動的不穩(wěn)定性。Wypych等[23]也在實(shí)驗(yàn)中觀察到類似現(xiàn)象。

　　從圖2、圖3中還可以看出，進(jìn)料率隨著流化/噴動氣速的升高而升高，這是因?yàn)殡S著氣體流速的增加，顆粒速度增加，所以進(jìn)料率一直在增加。在流化/噴動氣速較小時，固氣比隨著氣體流速的增加而增大；當(dāng)氣體流速增大到一定值時，固氣比達(dá)到最高值；繼續(xù)增大氣體流速，這時的氣體流量相對于輸料管中的物料有剩余，所以固氣比反而減少[24-25]。

　　2.3有效噴射距離對進(jìn)料率影響

　　關(guān)閉流化氣速，有效噴射距離對進(jìn)料率影響見圖4。在同樣的噴動氣流速下，有效噴射距離s=100mm時，進(jìn)料率最大。當(dāng)有效噴射距離為150mm、200mm時，有效噴射距離的增加會引起氣體動能的耗散，故此時進(jìn)料率會降低。當(dāng)有效噴射距離為50mm時，在較低噴動氣流速時，進(jìn)料率比s=150mm、200mm時大。而在較高流化氣速時，進(jìn)料率反而比s=150mm、200mm時小。這由于有效噴射距離50mm時，雖然縮短了生物質(zhì)進(jìn)入輸料管的距離，但噴動氣作用的范圍減小，導(dǎo)致噴動管上、下某些位置處，有些物料不能快速流出，所以此時盡管有效噴射距離很小，輸料率依然較低[21]。

　　2.4流化氣和噴動氣雙重作用對進(jìn)料率的影響

　　固定流化氣速為0.0354m/s，噴動氣速對進(jìn)料率影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著噴動氣速的增加，輸料率快速增加，固氣比一直在降低。這主要是由于此時氣體流速已經(jīng)足夠大，顆粒完全處于帶狀流或者懸浮流，而在當(dāng)前的輸料管內(nèi)徑下，顆粒從進(jìn)料倉進(jìn)入輸料管的速度不能大幅度提升，使得氣流過剩。對比圖5和圖4，可以看出流化氣的加入使得進(jìn)料率增加，進(jìn)料率波動降低。s=50mm時，進(jìn)料率增加34.4%～101.8%；s=100mm時，進(jìn)料率增加24.5%～76.6%。

　　2.5輸料管內(nèi)徑對進(jìn)料率的影響

　　固定流化氣速為0.0354m/s，研究不同輸料管內(nèi)徑下噴動氣速對進(jìn)料率的影響，見圖6。從圖6可以看出，在輸料管內(nèi)徑為21mm、24mm、29mm時，進(jìn)料率均隨著噴動氣速的增加而增加，固氣比隨著噴動氣速的增加而降低，這與圖5的結(jié)論一致。在同樣的噴動氣速下，輸料管內(nèi)徑越大，進(jìn)料率越大，并且固氣比隨著噴動管內(nèi)徑的增加而增大。這是由于當(dāng)氣體流速相同時，管徑越大，物料的流速越低，氣體所攜帶的生物質(zhì)顆粒的質(zhì)量流量則越高，氣體利用效率提高，所以進(jìn)料率就越大，固氣比就越高[25]。因此，適當(dāng)增加輸料管直徑，降低管內(nèi)氣體與物料的流動速度，可以有效地降低氣體消耗，提高輸送固氣比。

　　2.6落葉松顆粒粒徑對進(jìn)料率的影響

　　固定流化氣速為0.0354m/s，落葉松顆粒粒徑對進(jìn)料率的影響如圖7所示。從圖7可以看出，同樣的噴動氣流速下，隨著物料粒徑的減小，進(jìn)料率減小。這是由于流體與固體顆粒之間有相對運(yùn)動時，發(fā)生動量傳遞，流體對顆粒表面有曳力，隨著粒徑的減小，流體對顆粒的曳力減小，顆粒跟隨性降低，從而引起進(jìn)料率的減小。

　　3生物質(zhì)進(jìn)料率回歸模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

　　進(jìn)一步開展試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的正確性，測試不同流化氣速、噴動氣速、輸料管內(nèi)徑等條件下生物質(zhì)進(jìn)料率，將其與試驗(yàn)值對比，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，預(yù)測值與試驗(yàn)值吻合度較高，誤差在±10.2%以內(nèi)，說明該模型可以預(yù)測給定試驗(yàn)條件下的進(jìn)料率。

　　4結(jié)論

　　在雙倉式氣力輸送喂料裝置中研究了流化氣速、噴動氣速、有效噴射距離、輸料管內(nèi)徑、生物質(zhì)顆粒粒徑對進(jìn)料率的影響，得到如下結(jié)論。

　　（1）生物質(zhì)的進(jìn)料率隨流化/噴動氣速的增加而增加，固氣比在通入流化氣/噴動氣時，隨著流化氣速/噴動氣速的增加先增大后減小。進(jìn)料倉內(nèi)通入噴動氣更有利于提高物料的進(jìn)料率，通入流化氣更有利于提高進(jìn)料的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

　　（2）有效噴射距離過遠(yuǎn)或過近都會造成進(jìn)料率的下降，當(dāng)有效噴射距離為100mm時，進(jìn)料率最大。在不同有效噴射距離下，進(jìn)料均隨著噴動氣速的增加而增大，固氣比隨之減小。

　　（3）在不同輸料管內(nèi)徑下，進(jìn)料率均隨著噴動氣速的增加而增加，固氣比隨著噴動氣速的增加而降低。在同樣的噴動氣速下，生物質(zhì)的進(jìn)料率和固氣比隨著輸料管內(nèi)徑的增大而增大。

　　（4）生物質(zhì)的進(jìn)料率隨著顆粒粒徑的增大而增大，當(dāng)落葉松顆粒為30～60目、60～90目、30～120目時，粒徑變化對進(jìn)料率的影響較小。當(dāng)粒徑為90～120目時，進(jìn)料率降低較大。

　　（5）建立了生物質(zhì)進(jìn)料率與噴動氣速、流化氣速、輸料管內(nèi)徑、有效噴射距離和生物質(zhì)顆粒粒徑之間的多元線性回歸模型，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的可靠性。