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热解是一种从煤中直接获取低碳燃料及高值化学品的温和转化工艺。基于多层流化床工艺的煤热解技术可有效地发挥流化床的高气固传热传质速率和多层流化床梯级升温的优势,可沿床层建立温度梯度以满足对煤热解反应的调控要求,实现多段分级热解,达到提高热解油气品质的目的。但多层流化床的稳定操作范围比单层流化床窄,且与结构参数、操作条件密切相关。目前有关分布板和溢流管的结构参数对稳定操作气速的影响还不十分清楚,如何针对不同物料确定合适的稳定操作范围,并选择最优的操作参数及结构参数有待进一步研究。
本文在床径为100 mm的溢流式4层流化床冷态装置上,研究了颗粒加料速率、颗粒密度及粒径、气体分布板的开孔率及孔径、溢流管内径及位置、堰高等操作和结构参数对多层流化床稳定操作气速范围以及压力平衡特性的影响。结果表明,这些影响因素的变化改变了多层流化床的压力分布状况,影响了流化气体在分布板和溢流管间的流量分配,从而影响到稳定操作气速范围。通过系统的实验研究,得到以下主要结果:
(1)最小稳定操作气速随颗粒加料速率、颗粒粒度、分布板开孔率及溢流管下端口距分布板高度的增大而增大,随溢流管管径、堰高的增大而减小,与分布板孔径大小无关。最大稳定操作气速随颗粒粒度、堰高、分布板开孔率和孔径的增大而增大,随溢流管管径和溢流管下端口距分布板高度的增大而减小。石英砂和煤颗粒的最大稳定操作气速均先随加料速率增加而增加,超过某一加料速率(表观颗粒速度约为1.0×10-4 m·s-1)之后基本保持不变。石英砂的最大与最小稳定操作气速的比大约是煤颗粒该比的3倍,石英砂的更大操作弹性可能是因为实验中使用的褐煤含水量高、流动性差所致。在本文的实验条件下,煤颗粒的稳定操作气速范围为4.5Umf～0.30Ut,石英砂的稳定操作气速范围为2Umf～0.65Ut。根据实验数据拟合得到了稳定操作气速范围的经验关联式,相对误差范围在±15%以内。
(2)多层流化床分布板压降与单层流化床不同,由于气流夹带细小颗粒上行对分布板小孔的堵塞作用,多层流化床有床料时的分布板压降明显高于空塔的分布板压降,其差值随着分布板开孔率和孔径的减小而增大。对溢流管式多层流化床,床层压降随流化气速的增加而减小,随加料速率、颗粒密度及粒径的增大而增大。与单层流化床不同,由于分布板和溢流管的尺寸改变会影响气流在分布板和溢流管问的流量分配,因而床层压降也受到这些结构因素的影响。实验发现,床层压降随分布板开孔率及孔径、溢流管下端口距分布板高度的增大而降低;随溢流管管径及堰高的增大而增大。通过对多层流化床进行压力平衡分析,建立了计算溢流管料封高度的流体力学模型,通过与实验数据对比发现该模型应用于石英砂时相对误差可控制在±15%之内。