0　引　言

我国生物质能源分布广泛，储存丰富，其气化技术的产物热含量为12～20 MJ/m3，具有较高的利用率，是替代化石能源利用的新型技术[1]。为提高生物质气化反应的效率，国内外研究学者对不同形式的气化装置进行研究[2-7]，发现双循环流化床在保留流化床强化热量、质量交换以及混合流动的同时，对气化反应过程的不同阶段进行分区，可有效提高最终产物的生成效率与质量。

双循环流化床包括鼓泡流化床和快速流化床两部分。其中在鼓泡床中发生生物质的气化反应：生物质与水蒸气等气化剂进行反应，生成的气体产物(CH4，CO，H2等)经分离装置后，进入后续净化装置储存、利用，而生物质未完全气化所形成的半焦等与惰性热载体(提供气化反应所需热量，通常为石英砂)一并进入快速流化床中，在该区中与空气混合燃烧，释放的热量被热载体吸收，其中燃烧产物经分离装置后与烟气一同进入后续装置，而热载体则经分离装置分离下来，再次进入气化室内，为生物质的气化反应提供热量，维持两床间的循环[8]。

双循环流化床内石英砂颗粒流动特性是维持床内稳定颗粒循环、高效气化过程的关键，其中在快速流化床中径向、轴向方向的颗粒分布及流动特性存在不同，气化室内鼓泡状态下颗粒流化特性与生成气泡的数量、规模等密切相关[9]。循环流率在一定程度上可反应出两床的颗粒流动特性，SIDDHARTHA等人[10-12]对双循环床系统中表观风速等控制参数对循环流率的影响进行研究，发现其对床内的颗粒流化具有较大影响，为运行中控制的重要参数。为进一步研究床内物料颗粒的流动特性，本文在自行搭建的双循环流化床冷态实验系统上进行各工况下循环流率以及各点压力的测量，分析各参数对提升管内物料循环流率的影响，并对两床内各工况下的压降变化进行研究，以期初步了解系统内的颗粒浓度变化，为生物质气化的双循环流化床的设计、运行提供参考。

1　实验系统简介

本文自行设计搭建的双循环流化床冷态实验系统示意图见图1。为便于观察实验过程中的物料流化现象，实验系统选用6 mm厚的有机玻璃搭建，主要构件包括提升管、旋风分离器、立管、鼓泡床、下部返料管以及其他辅助装置。其中鼓泡床为圆柱形，内径为200 mm，高度为2 000 mm；提升管内径为75 mm，高度为6 000 mm；立管内径为50 mm，下端距离鼓泡床布风板100 mm，运行过程中保证立管下端出口位于物料中；下部返料管内径为30 mm，布置角度为55 °，上端入口距离鼓泡床布风板距离为80 mm；布风装置采用密孔板式，开孔率为25%，开孔直径为6 mm，为防止物料进入风室，在密封孔板上铺设一层90目的筛网。实验系统中不同流化床送风分别由两台风机独立提供，风机型号为9-26No5.6，送风管道上设有转子流量计和蝶阀分别测量和控制空气流量，用于调整流化风速。实验中物料选用石英砂，其真实密度为2 450 kg/m3，堆积密度为1 480 kg/m3，球形度为0.57，颗粒粒径范围为0.150～0.550 mm，对其进行物料筛分，后根据不同比例配比获得平均粒径为0.33 mm的物料。采用吹空法[13]对其在本实验系统中达到快速流态化起始输送速度进行测定，其值为Utr,0.33=3.36 m/s。提升管中压力测点分别布置在距离在提升管布风板上方的8 cm、52 cm、100 cm、400 cm、470 cm、510 cm和570 cm处。气化室中压力测点布置在距离气化室布风板上方2 cm，34 cm，73 cm和195 cm处。

制备类型有氧化石墨烯/聚L-乳酸(PLLA)类复合材料、氧化石墨烯/聚ε-己内酯(PCL)类复合材料、氧化石墨烯/玻璃纤维类复合材料、氧化石墨烯/水泥复合材料等。目前，许多学术研究者对氧化石墨烯-聚合物类复合材料的材料特性及实际运用性能进行了研究。

  

1-送风机；2-蝶阀；3-转子流量计；4-提升管风室；5-鼓泡床风室；6-提升管布风板；7-鼓泡床布风板；8-提升管反应区；9-旋风分离器；10-立管；11-快速关闭阀；12-鼓泡床反应区；13-旋风分离器；14-下部返料管；15-物料收集装置图1　双循环流化床冷态实验系统Fig.1　Cold state test apparatus of double circulating fluidized bed

2　实验方法与物料

由图3可看出随气化室风速Ua的增加，物料循环流率呈缓慢增长趋势，但增长范围有限，只在一定范围内波动。如Ur=5.347 m/s时，当气化室风速从0.353 m/s增加至0.579 m/s时，颗粒循环流率从8.20 kg/(m2·s)增加至10.28 kg/(m2·s)，只增加2.08 kg/(m2·s)，增幅较小，且在某一些工况点出现波动。造成该现象原因是在实验条件下气化室流化风Ua大于Umf，整个气化室床层处于完全流化状态。尽管流化风速增大，但床层压力基本保持不变[15]，返料管进口处的压降和提供给物料颗粒在两床之间循环的动力压降基本为定值，因此物料颗粒循环流率基本保持不变。

配套服务企业包括物流包装生产制造企业、农资企业、农机企业等等，服务于种植户、物流等对象，系统模块可以用于信息发布、数据收集等。

 

(1)

由图7，可看出随着试验系统内初始床层物料量增加，在各工况下提升管压降增加，且基本呈现线性相关关系。造成该现象的原因是初始物料量增加会使得的物料在提升管和气化室内达到动态平衡时的的物料分布较多，提升管内的物料相对增多，提升管内各分区的浓度相对增加，故提升管内的压降增加。此外由图可看出在不同风速工况下，物料量从6 kg增加至7 kg时对应的压降变化在一定程度上大于物料从7 kg增加至8 kg时对应的压降变化，其原因可能与循环流率的增加趋势有关。

 

表1　实验参数汇总

 

Tab.1　Summary of experimental parameters

  

项目符号数值气化室风速/m·s-1Ua0.353/0.398/0.442/0.486/0.531/0.579提升管风速/m·s-1Ur5.013/5.347/5.662/5.976/6.291/6.605初始床层物料量/Kgms6/7/8

3　颗粒循环流率变化

3.1　提升管风速影响

Key words：dual circulating fluidized bed; circulating flowrate; control parameters; pressure drop

3.提出了社会主义核心价值观。报告明确提出要“倡导富强、民主、文明、和谐，倡导自由、平等、公正、法治，倡导爱国、敬业、诚信、友善，积极培育和践行社会主义核心价值观”［1］。社会主义核心价值观是对社会主义核心价值体系的进一步提炼和升华，有利于我们进一步推进社会主义核心价值体系建设。

  

图2　提升管风速对颗粒循环流率的影响(ms=7 kg)Fig.2　Effect of Uron Gs

由图2可看出，颗粒循环流率随着提升管流化风速的增加而增加，且在较小风速下区间的增加趋势较大，达到某一风速值后，颗粒增加趋势逐渐放缓，且该风速至随粒径的增大而增大。以Ua=0.398 m/s工况时为例，当提升管风速从5.013 m/s增加至5.347 m/s时，颗粒循环流率由 3.53 kg/(m2· s)增加至5.78 kg/(m2·s)，而当提升管风速从6.291 m/s增加至6.605 m/s时，循环流率从10.15 kg/(m2· s)增加至10.99 kg/(m2· s)。产生该现象原因是提升管中风速增加使得密相区高度相对减小，稀相区物料浓度在一定程度上下降，最终导致提升管压降整体下降，其与气化室间相对压降增大，提供给物料循环的动力增加。当Ur较小时，风速改变对稀相区物料浓度的减小影响较大，两床间相对压降变化较大，因此循环流率增加较大，而当风速较大时，风速改变对稀相区物料浓度的影响减弱，相对压降变化不再明显，因此循环流率增加趋势变缓。

3.2　气化室风速影响

在本实验系统中气化室内主要进行生物质气化反应。其反应效率与生物质颗粒、流化介质间的混合、流动特性有关，因此对气化室流化风速对循环流率的影响进行实验，图3为气化室风速与颗粒循环流率间的关系。

  

图3　气化室风速对颗粒循环流率影响(ms=8 kg)Fig.3　Effect of Ua on Gs

实验时，首先在鼓泡床中加入一定高度的初始床层物料量，后开启风机，调整风量稳定后，启动快速床侧风机，依次开启二次风控制蝶阀，一次风控制蝶阀，待工况稳定后，快速旋转关闭立管处的收集装置，该装置上开有200目小孔，即可顺利通过空气同时对循环物料的有效收集。测量一定时间Δt内，收集装置内物料所能达到高度Hc，根据物料堆积密度和各装置的尺寸，最终由公式(1)计算快速床区域的物料循环流率。实验过程中各实验参数的选取见表1所示。

3.3　初始床层物料量影响

由图6可看出，随着气化室风速的增大，提升管压降相应增加，但增加趋势变缓。如Ur=6.291 m/s，ms=7 kg时，当Ua=0.353 m/s时，提升管压降为0.631 KPa；当Ua=0.486 m/s时，提升管压降为0.902 KPa；当Ua=0.579 m/s时，提升管压降为0.983 KPa；压降的增加趋势逐渐变缓。造成该现象原因是Ua增加，造成通过返料管进入到提升管的颗粒循环流率增加，使得进入到提升管底部的物料增加，最终颗粒浓度增加，整个床层压降相应增加。而随着气化室风速增加，循环流率增加趋势变换，进入提升管内的物料量也不再变化，故提升管压降增加趋势逐渐变缓。

由表2千粒重、单位面积产量的F值可知，不同耕作方式及密度下，千粒重和单位面积产量的差异达到极显著水平；籽仁率在不同耕作方式的差异达到极显著水平，不同密度下的差异未达到显著。

  

图4　初始床层物料量对循环流率的影响Fig.4　Effect of ms on Gs

由图4可发现，随着初始床层物料量ms的增加，颗粒循环流率存在一定程度的增加，但增长速率存在不同。如在Ua=0.442 m/s，Ur=6.605 m/s时，当初始床层物料量从6 kg增加至7 kg时，质量循环流率从12.67 kg/(m2·s)增加至16.87 kg/(m2·s)；而当初始床层物料量7 kg增加至8 kg时，质量循环流率则增加至17.29 kg/(m2·s)，质量循环流率逐渐减小。出现该现象原因是初始床层物料量增加，运行过程中气化室内物料增加。相同风速下，气化室侧返料管进口处上方的物料数量和浓度均不同程度的增加，返料口处的压力增加，将推动更多的物料进入返料管和提升管中参与循环。因此随着初始床层物料量的增加，质量循环流率增加。增加趋势变缓的原因是当ms从6 kg增加至7 kg时，气化室返料口上方的物料量相对变化较大，因此Gs变化较大；而由7 kg增加至8 kg时，返料口上方的物料量相对变化减小，因此Gs变化较小。

4　提升管压降变化

4.1　提升管风速影响

通过对不同提升管风速下的提升管内压力进行测量，得到的各工况下提升管内的压降变化见图5所示。

伊朗的抗压能力和耐力依然较强。历经40年左右的制裁与反制裁后，伊朗对制裁的适应能力和制裁下的生存能力异常坚韧。国内而言，伊朗政教合一的政体有其合理合法性，得到了最广大底层人民的拥戴。伊朗政府的控局能力依然很强，能够将一些潜在的风险和不稳定的苗头控制在初始阶段和萌芽状态，2018年年初的伊朗骚乱在短时间内得到有效管控就是明证。而且，宗教领袖、议会和总统这“三家马车”相互制衡，类似于“三权分立”的机制，加上伊朗总统选举的民主化，都是伊朗政权相对稳定的“压舱石”。

  

图5　提升管风速对提升管压力分布的影响Fig.5　Effect of Ur on ΔPr

由图5可看出，随着提升管风速增加，提升管内压降逐渐减小。以7 kg初始床层物料量，Ua=0.398 m/s为例时为例，当Ur=5.013 m/s时，提升管压降为1.36 KPa，而当Ur=6.605 m/s时，提升管压降为0.365 KPa。造成该现象原因是：提升管内风速增加，会使得提升管底部密相区床层高度减小，部分密相区变为飞溅区甚至稀相区，整个提升管内物料平均浓度相对减小，因此提升管压降逐渐减小。随着提升管风速增加，提升管内密相区、飞溅区、稀相区的区域范围变化较之前改变较小，故压降减小趋势变缓。

4.2　气化室风速影响

在保证提升管风速相同的情况下，改变气化室风速测量各工况下的提升管压降见图6所示。

保持气化室风速不变，逐一改变提升管风速Ur，测量气化室处的压力，所得的气化室压降ΔPa与Ur处的关系见图8。由图8可看出，随着提升管风速的增加，气化室压降也随之增加，当增加趋势逐渐减缓。以Ua=0.442 m/s，ms=7 kg为例，当Ur从5.013 m/s增加至6.605 m/s时，气化室压降有1.587 KPa增加至1.769 KPa，增幅为0.182 KPa。造成该现象原因是：随着Ur增加，提升管密相区高度相对减小，提升管内物料量相对减少，由于系统物料量守恒，较多的物料可进入到气化室，使得气化室内的物料量相对增加，相应的气化室压降相应增加。随着提升管风速的进一步增加，两床间的物料差值开始逐步减小，因而气化室床层压降的增加趋势趋于平稳。

  

图6　气化室风速对提升管压降的影响Fig.6　Effect of Ua on ΔPr

初始床层物料量ms代表整个系统内循环物料数量，其值大小直接影响到床层浓度以及两床间的压差，进而影响到循环流率的大小。本文对三种初始床层物料量下的物料循环流率进行实验测量，得到的初始床层物料量对颗粒循环流率的影响见图4所示。

4.3　初始物料质量影响

通过对不同初始床层物料量下各工况下的提升管压力进行测量所得的提升管压降见图7所示。

式中：ρb为石英砂堆积密度；Hc为收集置中的堆积高度；Ssp立管横截面积；Sfb快速床横截面积；Δt 物料达到一定高度时的时间。压力采集系统系统包括JYB-G型压力变送器、多功能数据采集模块(USB7360BF)以及计算机系统构成，压力变送器的量程为0～10 KPa, 准确度为±0.25%，响应时间≤100 ms。实验过程时使用橡胶软管采集不同工况下的压力信号，后经压力变送器将其变换为电信号，后由数据采集模块将信号转换为数字信号，最后将各点压力工况存储至计算机中。

  

图7　初始床层物料量对提升管压降的影响(Ur=5.976 m/s)Fig.7　Effect of ms on ΔPr

5　气化室压降变化

5.1　提升管风速影响

断弧焊时要求收弧稳定有力、不拖泥带水，把焊条端部的熔化残余甩掉，以便于下一电弧的再次引燃，减少焊条沾粘现象。由于镍基材料的熔深较浅，盲目的增大焊接参数并不能起到增大熔深的目的，还会使焊条的电阻更大、更易发红，造成药皮脱落严重，会因保护不良产生气孔等缺陷，因此应选用稍小的焊接参数。

要实现利润协调与合理分配，还必须满足以下条件，即各决策主体按上述分配方案所得利润应该不小于其分散决策时的利润，如下：

  

图8　提升管风速对气化室压降的影响Fig.8　Effect of Ur on ΔPa

5.2　气化室风速影响

对不同气化室风速下的气化室内压力进行测量，所得到的气化室压降与气化室风速间的关系见图9。由图9可看出，随着气化室风速的增加，气化室内压降变化只是存在一定范围内轻微波动。如Ur=5.976 m/s，ms=7 kg工况时，当Ua从0.353 m/s增加至0.579 m/s时，气化室压降在1.536 KPa至1.598 KPa间波动。造成该现象原因是在某特定提升管风速下，气化室内的物料量基本为固定值，尽管气化室风速增加，但气化室风速仍处于鼓泡床流型下，气化室压降基本与物料量成线性相关。故气化室压降基本不变。

  

图9　气化室风速对气化室压降的影响Fig.9　Effect of Ua on ΔPa

5.3　初始床层物料量影响

在不同初始床层物料量下，测量气化室压力，所得的气化室压降与初始床层物料量间的关系见图10。由图10可看出随着初始床层物料量的增加，三种工况下气化室压降基本呈线性增加趋势。如Ur=6.291 m/s，Ua=0.486 m/s工况下，当ms=6 kg时，气化室压降为0.998 KPa；当ms=7 kg时，气化室压降为1.515 KPa；当ms=8 kg时，气化室压降为1.846 KPa。造成该现象的原因是整个双循环流化床系统物料量很大一部分集中在气化室中，而气化室内处于鼓泡床流型下，其压降主要气化室内的物料量维持，故气化室内压降基本呈现线性增加趋势。

  

图10　初始床层物料量对气化室压降的影响 (Ur=6.291 m/s)Fig.10　Effect of ms on ΔPa

6　结　论

在双循环流化床冷态实验系统上进行主要控制参数对颗粒流动特性的影响进行一系列的实验研究，得到以下结论：

(1)颗粒循环流率随着提升管风速、初始床层物料量的增加而增加，随气化室风速的增加，物料循环流率呈缓慢增长趋势，但增长范围有限，只在一定范围内波动。

(2)由于床层物料浓度以及密相区、稀相区的改变，提升管压降随提升管风速的增加而下降；随气化室风速和初始床层物料量的增加而增加。

(3) 鉴于循环流率的影响，气化室压降随提升管风速和初始床层物料物料量的增加而增加，但随着气化室风速的增加仅在有限范围内波动。

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