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双循环流化床固体循环通量变化特性的实验研究-知网论文查重

时间:2016-10-11 10:33:00 编辑:知网 阅读:

摘 要

知网论文查重,双流化床装置是一种新型的能源利用技术,其主要是通过阀门等结构动力联结耦合而成的二级反应器。它在节能环保和开发新能源等多方面都具有巨大的潜力,并且在煤炭相关领域的应用也越来越广泛。近几年来,双循环流化床依靠着能在全高度实现高效的气固接触以及运行所需要的存料量少等优点,被更多地应用在燃料的高效利用和分级转化等方面。然而,由于双循环流化床的流动机理、物理结构相对繁琐,以及反应器间的能量与物质的交换控制相对困难,让其稳定地运行在高温状态不易实现。而且,目前对于双流化床内的气固流动、循环及交互规律的掌握并不完全,尤其是对其动态耦合控制规律的认识尚不能完全满足应用要求。

本文构建了两台囊括了气动返料阀、上升管和下降管的循环流化床对称布置所组合成的交互型双流化床试验装置,实现了其高气速流态化。本文的实验条件设置为操作压力范围0~0.1MPa且气体流量不大于800m3/h。在上述实验条件下, 研发了一种连续、实时、非侵入性的微波固体流量测量法,实现对所建立双循环流化床内的固体流量的动态连续测量。在此基础上,揭示了双流化床一侧为快速流化床时,各操作参数(上升管流化风量、气动返料阀返料风量及气动返料阀松动风量)对装置动态固体循环特性的影响。

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  • 绪论

1.1课题的背景及意义

1.1.1本课题的研究背景

随着人类社会的飞速发展,人们对于自然资源的依赖程度大大增加,其消耗速度也在不断增长。其中,化石能源与人类的生产生活联系最为紧密,近些年来,化石能源的全球消耗量正以令人咋舌的速度迅速增长,从某个层面上可以说,正是消耗化石燃料所产生的大量能量延续着人类历史长河的潺潺流水。然而,能源消费的快速增长终将耗尽环境的自我更新能力,并且已经产生一系列环境问题,其中,负面影响最为显著的是二氧化碳的排放问题。

人类过度利用资源导致二氧化碳排放量持续增长,已经成为全球气候变暖的最直接驱动力。最近几十年以来,大气之中的二氧化碳浓度一直居高不下并且保持上升趋势。与工业革命之前的二氧化碳浓度相比,大气中的二氧化碳浓度已经增加了30%左右,而占其增长部分大份额的便是近几十年人类生产生活所产生的二氧化碳。在工业革命之前的上万年时间内,二氧化碳体积分数一直仅以几个百分点小幅度变化,大致维持在280×10-6左右[1]。伴随着大气中二氧化碳浓度的增加,全球平均气温正在不断地上升,对人类的生活造成了许多负面影响。例如,不断消融极地冰川导致海平面的上升,严重威胁沿海城市的安全生存问题;通过干旱、洪涝、厄尔尼诺现象等极端天气和气候事件扩大疫情的流行范围,对于人体的健康有着严重的危害;森林火灾、台风、飓风频繁发生等[2]

由此可见,二氧化碳作为温室气体的最大组成部分,需要世界各国共同努力与合作,来实现其减排问题。由于二氧化碳排放的最大贡献者便是化石燃料的使用,占到人类总排放量的70~90%,并且煤、石油、天然气等化石燃料仍然为当前能源构成的主体部分,所以,面对能源短缺的紧张局势,不但要开发利用新型清洁能源,还要控制与减少化石燃料使用所产生的温室气体以实现人类的可持续发展。

全球气候变化已经带来越来越多的不利影响,人们也越来越意识到二氧化碳的减排问题已经是刻不容缓,于是,许许多多的减排技术应运而生[3],特别是使用化石燃料的生产过程中的减排技术得到了飞速发展。近些年来,流化床技术已经非常成功地运用于煤炭领域中,并且表现出了煤种适应性强、煤炭利用率高、对环境污染性小以及经济性高等优点。双流化床作为流化床的继承与发展,是两级反应器通过阀门等结构动力链接耦合而成。除了具备流化床本身的优点之外,在气化、燃烧、热解等热化学转化过程中还能够通过耦合的双流化床实现热化学转化的解耦,来抑制或者强化子反应间的相互作用,达到热化学转化过程中能量与物质的综合产出、区别利用。作为一种新型的能源利用技术,双流化床技术不但在节能减排和开发利用新能源等方面有着巨大的利用前景,而且在燃料的分级转化上也开始崭露头角。

双流化床气化技术能够将化石燃料燃烧过程和气化过程分别再两床间进行,大大减弱了这两个过程共同进行给整个反应过程带来的影响,因此实现了能源的高效利用。所以,这种洁净煤技术能够良好地实现能量梯级利用,已经渐渐成为化石燃料节能减排技术方面的发展方向。如王晓明等[4]针对作为生物质气化炉的几种典型双流化床的炉型设计问题展开了研究,同时还进行了一系列相关的研究,结果指出,通过外置返料器,外循环流化床能够很好地解决气体发生串混的问题,他们还针对不同气化室研究了优化设计方案能够提升燃气品质的科学依据以及优点与缺点,发现双流化床在生物质气化应用方面具有非常广阔的发展前景。吕清刚等[5]利用一套3米高的双流化床煤气化试验装置,试验了不同煤种的气化过程,对于得到的气化结果进行了对比研究。

此外,由于传统类型的双流化床的运行气速较低(如双鼓泡流化床耦合、循环流化床耦合鼓泡流化床),而双循环流化床比传统双流化床在运行时所需的存料量少,还可以在反应器的全高度进行高效的气固接触,所以,双循环流化床在燃料分级转化以及高效利用这一方面得到了越来越多的关注及应用。并且,双循环流化床还与化学链燃烧技术“配合默契”。作为国际公认的最具有影响力的CO2减排技术之一,化学链燃烧技术过程由氧化反应和还原反应构成。还原反应在空气反应器中进行,主要是通过载氧体将空气中的氧分离出来,然后运输到燃料反应器中。氧化反应在燃烧反应器中进行,燃烧时,燃料与空气不会直接接触,燃烧产物只有水和二氧化碳,所以只需要使用比较简单、容易操作的冷却方法就能分离得到比较纯净的CO2,得以实现二氧化碳的富集。所以,化学链燃烧技术被广泛认为是一种应用前景十分广阔的清洁燃烧方式[6]

然而,由于其物理结构及流动机理都相对复杂,反应器间物质与能量之间的交换控制相对也是比较困难,使得双循环流化床高温运行的稳定性不易实现。而且,目前对于双流化床内的气固流动、循环及交互规律的掌握并不完全,对其动态耦合控制规律的认识尚不能完全满足应用要求。尤其考虑到耦合流化床单元之间颗粒的交互与循环特性对于实现系统整体高效经济的运行具有重大意义,因而实现对颗粒循环流率的控制被认为是实现双循环流化床稳定运行的关键技术,同时也是实现双流化床技术广泛应用过程中存在的技术难点之一。目前,在双循环流化床运行过程之中仍然难以实现对于颗粒循环流率的在线监测,从而给我们研究双流化床内颗粒的流动与循环特性带来了一些困难。

一般来说,固体流量测量方法可以根据测量装置与固体流的接触与否分为侵入式测量法和非侵入式测量法两大类[7-9]。侵入式测量法通常是通过测量过程中被测材料流动状态的改变来实现,也就是说,使用侵入式测量法时,固体流的流动将会被干扰。例如,Mathur和Klinzing[10]使用含有一个振动管的科里奥利质量流量计来估计运输到锅炉炉膛的煤粉流量。Yan和Ma[11]应用静电传感器获得带电粒子通过时产生的电流信号来测量 stack-flow中的固体流量。至于非侵入式测量法,在测量过程中,通过应用非侵入式的传感方法(断层扫描法、数字成像法或者空间滤波法),固体流的流动将不会被干扰。例如,Sun等人[12]建立了一个气动管道质量流量测量系统,他们使用电子电容传感器断层扫描单元来测量浓度以及一对互相关联的电容传感器来测量流动速度。Zheng等人[13] 开发了一种基于光学层析技术和消光原理的新型测量系统,用来测量一个重力滑槽中的固体质量流量。通过建立一个具有多激光源和多探测器阵列的光学传感区域,同时使用图像重建算法处理固体流的投影数据来得到横截面上的被测固体浓度分布。在得到流动速度的数据后,固体流量就能由推导得到。

此外,微波测量技术在测量固体流的各个状态参数方面也已经有了一定的成效。作为一种非侵入式的测量方法,它不但具有非接触测量的优点,而且相较于其他固体流量测量方式,微波测量法还具有安装方便、适用性好等特点,具有很好的应用前景,同时也吸引了一些研究人员的注意[14-16]。例如,微波衰减技术已经被应用于输送过程中固体浓度测量[17]。固体颗粒通过以及微波源和接收器之间的衰减导致微波被部分吸收,且微波传播路径长度一定时,其衰减随固体浓度的增加而增加,于是通过处理检测到的微波信号就能得到固体浓度。另外,Hrin和Tuma[18]基于微波辐射频率的多普勒频移,提出了一种在工业过程中检测固体运动和浓度的方法。他们利用一种与多普勒雷达相似的微波腔来测量颗粒的散射辐射。只有通过多普勒频移所检测到的散射辐射,才能区别流动粒子与收集粒子,进而确定装运条件。此外,Hamid和Stuchly[19]应用微波的多普勒效应开发了一个微波多普勒固体测速仪,其拥有单独的微波发射机和接收器来实现收发两个过程。

本课题在前人对双流化床内部气固流动研究的基础上,通过实验方法就双循环流化床进行研究,以微波固体流量测量技术为基础,为双流化床技术的应用提供固体循环通量测量方面的支持,通过实验研究掌握各项操作参数对双流化床反应器内颗粒流动特性影响并为后续的热态实验运行模型提供了固体循环通量变化特性方面的理论基础。

 

1.1.2国内外研究现状

1.1.2.1双流化床颗粒交互与循环特性探究

双流化床技术是以单个流化床技术为基础的成功创新,在煤气化、生物质气化、化学链燃烧以及固体废弃物的处理等多项清洁型煤利用技术中被广泛的应用,表现出了令人满意的优良实用性与适用性。

华北电力大学陈鸿伟等[20]搭建了一个双循环流化床冷态试验台(图1-1),经过实验研究了两床给风特征对于其内颗粒循环流率的影响,并且重点分析了提升管内的二次风特性与颗粒循环流率之间的关系。试验结果表明:物料粒径一定、静床高不变时,增加两床风速,颗粒循环流率会随着增大,当二次风速超过了一定数值以后,颗粒循环流率增幅趋于平缓; 在提升管内,径向给入二次风相较于切向给入二次风,颗粒的循环流率会更大;随着二次风口高度的变化,颗粒的循环流率也会产生改变,二次风口如果布置在距离布风板15 cm ,将比20 cm 时的颗粒循环流率显著增加; 颗粒的循环流率随着风口数目增加稍有增加。

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