垂直下降管散体颗粒换热实验台设计与应用

　　引言

　　利用颗粒散体间的温差进行热传递可以短时间内实施大热量、高效率的热交换,实现低温颗粒的快速升温[1]。生物质快速热裂解液化制取生物燃油是一种非常有前途的热化学转化技术,越来越受到重视[2~4]。针对该技术,国际上开发了多种工艺类型的反应器装置,如流化床、旋转锥、涡旋反应器等[5]。由于工艺结构不同,生物质颗粒的加热方式存在差异,影响生物质的热裂解过程[6]。

　　Bridgwater总结了几种典型反应器内生物质颗粒的加热方式和传热方式———生物质颗粒依靠高温壁面直接加热、气体加热、固体热载体颗粒加热或这几种方式的组合加热而发生热裂解;反应器内导热、对流和辐射换热3种方式共存,只是不同反应器每种传热方式所占比例不同。如烧灼床反应器导热占95%、对流占4%、辐射占1%;流化床反应器导热占90%、对流占9%、辐射占1%[7]。对于生物质热裂解反应器内颗粒的传热现象,学者们针对流化床的研究较多[8~9]。而利用高温(500℃以上)陶瓷球固体热载体与生物质颗粒在下降管内混合流动使生物质颗粒快速升温从而发生热裂解反应是一种新型工艺,已经建立工业示范装置[10]。了解颗粒在下降管反应器内的换热规律对于该工艺的机理研究和设备的优化设计意义重大。

　　本文设计一种分离式垂直下降管散体颗粒换热实验装置,以研究陶瓷球、生物质颗粒以及管内气体多相流动过程中的对流、导热传热机理。利用设计的实验台进行90℃陶瓷球和室温空气的对流换热实验,验证实验台的可靠性,分析计算对流换热系数,并进行陶瓷球和生物质粉换热实验,研究陶瓷球和生物质粉温度变化随流量和质量比的变化规律。

　　1　结构与原理

　　图1是分离式垂直下降管散体颗粒换热实验台结构示意图,由喂料器、垂直下降管、颗粒分离装置及温度检测系统等组成。

　　工作原理是:加热到90℃的热陶瓷球,迅速倒入喂料器里面并控温。从螺旋喂料器喂入的生物质粉和从陶瓷球喂料器喂入的陶瓷球沿垂直管混合向下流动,从而发生热交换。陶瓷球和生物质粉颗粒流入垂直下降管下面的分离装置后,大粒径的陶瓷球沿筛面向下流动,落入陶瓷球集料箱;生物质粉透过筛网落入生物质粉集料箱。在集料箱内通过T型热电偶进行颗粒温度采集。

　　1·1　垂直下降管

　　垂直下降管采用长1 600 mm、内径110 mm绝热性能好的PVC管材。为减少管壁热损失,管内壁附上一层厚度为15 mm泡沫塑料绝热材料。从上管口向下分别在100、400、800、1 200和1 500 mm5点放置T型热电偶用以测量管内气体温度。