工艺条件对内旋式移动床停留时间的影响
马 栋1,2,3,4,李文博1,2,3,4,裴贤丰1,2,3,4,白效言1,2,3,4
(1.煤炭科学研究总院,北京 100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013;4.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室,北京 100013)
摘 要：为了给热解过程中颗粒在内旋式反应器内的停留时间和混合效果提供理论指导,在内旋式移动床试验装置上,以煤颗粒作为填充物料和示踪剂,利用脉冲法研究了转轴长度、转轴转速、粒径及给料速率等工艺条件对物料停留时间的影响。结果表明：60°倾角安装的桨叶式传动叶片测得的平均停留时间分布曲线存在较大的“拖尾”,曲线尾峰较多,表明反应器内存在返混;反应器内煤料流动流型介于平推流与全混流之间;转轴长度与平均停留时间呈线性关系;转轴转速与平均停留时间呈指数关系,增大转速会加剧轴向返混,同时缩短物料在反应器内的平均停留时间;随着煤料粒径的增大,反应器内平均停留时间和轴向返混程度均呈减小趋势,且粒径大的煤颗粒在输送过程中会出现一定程度的破碎,5～6 mm煤颗粒的破碎率为35.39%;给料速率主要影响煤料在反应器内的填料量,从而影响停留时间分布,平均停留时间随着给料速率的增加而降低。
关键词：内旋式移动床;停留时间;低价煤;热解;转速;粒径;给料速度
0 引 言
低阶煤热解作为煤炭清洁转化的重要途径之一,20 mm以下小粒径低阶煤热解近年来成为研究热点,出现了多种形式的热解工艺及装备[1-3],如多层流化床热解工艺、外热式内构件移动床热解工艺及间热径向流变化料层厚度热解技术、循环流化床煤分级转化煤气焦油半焦多联产装置及循环流态化碳氢固体燃料的四联产装置等。但目前开发的热解工艺普遍面临焦油收率低、品质差(焦油中360℃以上的重质组分多且含尘量高)、油尘难分离的技术瓶颈[4-6],创新热解反应器结构和调控热解反应过程是解决该技术瓶颈的主要方法[7-9]。颗粒的运动规律会影响传热过程、决定热解反应进程,因此颗粒运动规律的研究对于实现热解反应的有效调控至关重要。煤科院煤化工分院自主研发了小粒径低阶煤内旋式移动床热解新工艺,该工艺利用热烟气对低阶煤干燥和热解,通过反应器中旋转内构件的推动实现煤颗粒热解和移动,改变旋转构件结构及布置方式和操作条件可降低粉尘的产生与夹带,反应器内上部低温区的物料与底部高温区的物料相互交替提高了传热传质速率,同时降低了颗粒及挥发分物质在高温区的停留时间,抑制了二次反应[10]。因此研究煤料在内旋式反应器内的停留时间分布(RTD),从而明晰其在反应器内的轴向运动规律对于指导热解过程控制具有重要的理论意义。
热解反应器内物料的停留时间一般在连续运行装置中、采用惰性示踪剂、通过脉冲法研究[11]。霍朝飞[12]以石英砂为原料,研究了螺旋反应器内物料的停留时间,发现增大螺旋转速和颗粒粒径均会提高螺杆的输送效率、减小物料的轴向返混,而颗粒的破碎会加剧物料的轴向返混,与Charlou等[13]的研究结论基本一致。高巍等[14]研究了连续进出料鼓泡流化床内物料停留时间,认为粒径与床层高度是主要影响因素,床层高度增加更有利于物料混合。Patel[15]研究表明城市污泥在连续干燥机内的流型介于平推流与全混流之间。Xi等[16-17]对水平搅拌床反应器进行了建模研究,发现叶片角度变化对轴向混合效果影响不大,转速增加会导致混合加剧。内旋式移动床热解反应器因其结构特点,与普通螺旋输送器不同,需要对反应器内颗粒流动的RTD系统分析,研究下料位置、转轴转速、粒径、给料速率等条件的影响规律。
1 试 验
1.1 试验装置
内旋式移动床停留时间研究试验装置如图1所示。装置热解反应器壁固定,中心旋转轴安装传动叶片,推动物料上下、前后移动;包括料仓、可调节回转加料器、内旋式移动床反应器及储料仓;回转加料器和旋转内构件的转速通过变频器实现无级连续可调;内旋式移动床反应器主体由无缝钢管制成,反应器内径152 mm,移动床长度780 mm,旋转轴上安装桨式叶片,桨叶安装倾角60°。
图1 试验装置示意
Fig.1 Schematic of the experimental device
1.2 试验材料
选用3种粒径(5～6、2～3、1～2 mm)神木煤颗粒,其真密度分别为1 208.1、1 212.4、1 206.2 kg/m3,堆积密度分别为 661.6、667.2、669.8 kg/m3,并将部分5～6 mm煤颗粒用白色颜料上色作示踪剂。填充料和示踪剂均为神木煤,物性参数基本一致;示踪剂的量较少(约占床料总质量2%),不影响填充料的运动规律。
1.3 试验方法
采用控制单一变量法分别研究转轴长度(距下料口 110、220、330、440 mm)、转轴转速(0.57、0.91、1.18、2.00 r/min)、粒径(5 ～6、2 ～3、0 ～1 mm)及给料速率 (1.08、 1.70、 2.11、 2.34、 6.49、 9.79、13.39 kg/h)对煤颗粒停留时间的影响。
试验开始前,将煤料装满料仓,设定给料器和转轴转速,二者同时启动。煤料经进料管落入内旋式移动床反应器内,在叶片推动下由落料口逐渐到达出料口并流出。转轴每旋转360°,在出口处收集对应的出料并称重。当进、出料速率一致并连续稳定15 min以上,认为反应器内物料流动达到稳定状态。
达到稳定状态后,称量约25 g示踪剂,以脉冲形式快速加入并开始计时,收集转轴每旋转360°时的出料,并测量示踪剂在混合物中的质量分数,根据质量分数随时间的变化得到示踪剂的RTD曲线;当取样中没有示踪颗粒时,试验结束。每个试验条件重复3次,结果取3次试验的平均值。
2 试验数据处理
每个取样混合物中示踪颗粒的质量分数定义为
式中,mi为每次取样中示踪剂的质量,g;m为取样混合物的总质量,g。
示踪颗粒停留时间分布函数定义为
转轴每旋转360°的出料量稳定,因此式(2)可简化为
对E(ti)积分得停留时间分布函数F(t),即
停留时间分布曲线的参数,平均停留时间(t)和方差(
)计算公式为
为了应用方便,使用无因次停留时间,其定义为
则无因次方差
为
其中,
为任意数值;
介于 0 ～1。 
=0 时为平推流,轴向不存在返混;
=1时为全混流,轴向返混程度最大。
采用多釜串联模型评价物料在反应器内的返混程度。多釜串联模型是指将一个实际反应器的返混状况与若干个全混釜串联时的返混程度进行等效。全混釜的个数n称为模型参数,是虚拟值,不代表实际反应器个数,亦不限于整数。n越小返混程度越大,无因次方差
与模型参数n的关系为
n=1,
=1 时为全混流;n→∞,
=0 时为平推流。
3 结果与讨论
3.1 转轴长度的影响
在移动床轴向不同位置处加入示踪剂,给料速度1.08 kg/h,转轴转速 0.91 r/min,煤料粒径 2～3 mm。稳定运行时,选择4个位置加入示踪剂,分别距进料口 110、220、330、440 mm,对应转轴长度为550、440、330、220 mm。 这 4 种条件下对 RTD 的影响结果如图2和表1所示。
图2 不同转轴长度下的煤颗粒停留时间分布
Fig.2 Distribution curves of residence time of coal particles at different shaft lengths
表1 转轴长度的影响
Table 1 Effect of shaft length
注:RSDMRT为3组平行试验所得平均停留时间的相对标准偏差;RSDDV为3组平行试验所得平均停留时间分布参数无因方差的相对标准偏差。
从图2可知,随着转轴长度变短,RTD曲线左移,各曲线对应的最高峰升高。图3为平均停留时间和转轴长度关系的拟合曲线,拟合度较高,说明平均停留时间和转轴长度呈现线性关系。同时由表1可以发现,转轴长度减小,停留时间减少,且无因次方差
增大,轴向返混加剧。
图3 平均停留时间和转轴长度的关系
Fig.3 Relationship between average residence time and shaft length
3.2 转轴转速的影响
在给料速度1.08 kg/h、煤料粒径2～3 mm条件下,选择不同转速,研究其对RTD的影响规律,如图4、表2所示。
图4 不同转轴转速下的煤颗粒停留时间分布
Fig.4 Distribution curves of residence time of coal particles at different rotating speed
表2 转轴转速的影响
Table 2 Effect of shaft rotation speed
从图2和图4发现,平均停留时间分布曲线“拖尾”现象严重,即后期出现一定数量的尾峰,说明这些工况均存在一定的轴向返混现象;转轴转速从0.57 r/min增至2.00 r/min,停留时间分布曲线向左移动,且曲线最大值连续递增,平均停留时间由47.89 min降至19.97 min。图5为转轴转速与平均停留时间的拟合关系,可以看出二者呈指数关系,关系式为 y=30.89x-0.693,R2=0.977 4,拟合度较好,可以用于预测新转速下的平均停留时间。
图5 平均停留时间与转轴转速的关系
Fig.5 Relationship between average residence time and spindle speed
为了研究转轴转速与平均停留时间的关系,引入转轴输送效率[18],定义为假定没有倒流的情况下,转轴每转360°物料由当前叶片移动到后一叶片的概率。若不存在返混,则关系式指数为-1;若关系式指数为-1～0,则提高转速会降低输送效率;若关系式指数＜-1,提高转速则会提高传输效率。试验得到的指数为-0.693,表明提高转速会降低输送效率;这也说明采用内旋式传动构件的结构设计,随着转速的增加,煤颗粒之间的返混会更加剧烈,有利于物料的混合与传热,表现为平均停留时间分布曲线的峰数量增多。提高转轴转速,物料由当前叶片移动到下一个叶片的概率降低,但由于该工况下物料返混流动影响程度不如提高转轴的影响程度显著,总的平均停留时间仍呈现为随转速提高而降低。
由表2发现,RSDMRT和RSDDV均小于3%,试验重现性较好。随转速增加,
增加,n减小,平均停留时间减小;增大转速,反应器内颗粒返混程度加大,但
值远小于1,更接近平推流,所以增大转速将使轴向返混加剧,但物料会更快的流出。
3.3 粒径的影响
在给料速度1.08 kg/h、转轴转速0.91 r/min 条件下考察粒径对物料流动的影响,粒径对RTD曲线、平均停留时间、无因次方差、串联釜模型参数等的影响如图6、表3所示。
图6 不同粒径下的煤颗粒停留时间分布
Fig.6 Distribution curves of residence time of coal particles at different particle sizes
表3 粒径的影响
Table 3 Effect of particle size
由表3看出,随粒径增大,平均停留时间减小,无因次方差减少,模型参数n值增大,这是因为粒径增大,颗粒堆积密度减小,相同质量流率的大颗粒体积流率增大,使颗粒在反应器内的迁移速率增大、停留时间减小。所以颗粒增大,使得其与示踪剂之间混合程度减小,颗粒流动形式更趋近于平推流。图6中粒径5～6 mm煤颗粒停留时间分布曲线峰值明显低于粒径2～3、1～2 mm的煤颗粒,原因是转轴叶片对煤颗粒的破碎作用,煤颗粒从料仓经回转加料器进入反应器,在转轴作用下逐步运动出料,这些过程会对煤颗粒造成磨损和破碎,使物料粒径分布变广,颗粒流动速度产生差异,影响停留时间分布曲线的峰值;这也可从3种不同粒径煤颗粒在停留时间分布试验后的粒径分布曲线(图7)证实。由图7可知,5～6 mm颗粒破碎严重,出口处约35.39%破碎到5 mm以下,2～3 mm颗粒17.55%破碎到2 mm以下,1～2 mm颗粒破碎率为6.67%。
图7 3种不同粒径煤颗粒破碎后粒径分布
Fig.7 Particle coal size distribution of three different size after crushing
3.4 给料速率的影响
在转轴转速0.91 r/min、煤料粒径2～3 mm条件下,改变给料速率考察RTD的变化规律(图8和表4)。从图8和表4可以发现,给料速率由1.08 kg/h增至6.49 kg/h时,平均停留时间下降,但随给料速率进一步增大,
几乎不变,原因是转轴转速固定的条件下,存在最大给料速度,其极限即为转轴推进速率,因此当设定给料速率达到一定程度后,实际进入反应器的物料速率保持恒定,反应器内填料量从831.6 g增至约1 126.0 g后保持不变,因而该试验条件下内旋式移动床的最大填料量为1 126.0 g。 当实际给料速率低于 2.73 kg/h,填充量低于1 126.0 g时,随RTD曲线左移,平均停留时间减小,无因次方差减小且模型参数n增大,这是因为填充量增大,质量流率增大,堆密度保持不变时,颗粒体积流率增大,从而使颗粒在反应器内的迁移速率增大,停留时间减少。颗粒质量流率增大后,无因次方差减小,表明颗粒与示踪剂之间混合效果变差,颗粒流动更趋于平推流,不利于物料的返混。
图8 不同给料速率下的煤颗粒停留时间分布
Fig.8 Distribution curves of residence time of coal particles at different feed rates
表4 给料速率的影响
Table 4 Effect of feed rate
4 结 论
1)60°倾角安装的桨叶式叶片测得的平均停留时间分布曲线存在一定的“拖尾”现象,即曲线后期出现一定数量的尾峰,表明内旋式反应器内存在物料返混,有利于物料的均匀传热。
2)550 mm长度转轴的停留时间分布无因次方差
介于 0.025 ～ 0.033,煤料流型介于平推流和全混流之间,平均停留时间和转轴长度呈线性关系。
3)转轴转速与平均停留时间成指数关系,增大转速会降低物料输送效率,同时使轴向返混加剧,物料在反应器内平均停留时间缩短。
4)煤料在反应器内的平均停留时间随粒径的增大而减小,停留时间分布的无因次方差也随粒径增大从0.032减至0.030;粒径较大的煤颗粒在试验过程中会发生机械破碎,粒度越大,破碎率越高。
5)给料速率主要影响煤料在反应器内的填料量,从而影响停留时间分布;平均停留时间随给料速率的增加而降低,增大给料速率会降低轴向返混,使煤料流动流型更趋于平推流。
参考文献(References)：
[1]周琦.多层流化床低阶煤分级热解提高焦油品质研究[J].煤炭科学技术,2016,44(3):169-176.
ZHOU Qi.Study on improving tar quality from staged pyrolysis of low rank coal in multistage fluidized bed[J].Coal Science and Technology,2016,44(3):169-176.
[2]胡二峰,武荣成,张纯,等.间热径向流反应器料层厚度对煤热解特性的影响[J].化工学报,2015,66(2):738-745.
HU Erfeng,WU Rongcheng,ZHANG Chun,et al.Effect of coal bed thickness on pyrolysis behavior in indirectly heated radial flow fixed-bed reactor[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2015,66(2):738-745.
[3]张纯.外热式内构件移动床低阶碎煤热解技术研究[D].北京:中国科学院大学,2015.
[4]苗青,郑化安,张生军,等.低温煤热解焦油产率和品质影响因素研究[J].洁净煤技术,2014,20(4):77-82.
MIAO Qing,ZHENG Huaan,ZHANG Shengjun,et al.Influencing factors of coal tar yield and quality from low-temperature coal pyrolysis[J].Clean Coal Technology,2014,20(4):77-82.
[5]王向辉,门卓武,许明,等.低阶煤粉煤热解提质技术研究现状及发展建议[J].洁净煤技术,2014,20(6):36-41.
WANG Xianghui,MEN Zhuowu,XU Ming,et al.Research status and development proposals on pyrolysis techniques of low rank pulverized coal[J].Clean Coal Technology,2014,20(6):36-41.
[6]黄黎明,马凤云,刘月娥,等.煤热解耦合焦油裂解对焦油品质的影响[J].煤炭学报,2016,41(6):1533-1539.
HUANG Liming,MA Fengyun,LIU Yuee,et al.Effect of coal pyrolysis coupled with its product tar cracking behavior on tar quality[J].Journal of China Coal Society,2016,41(6):1533-1539.
[7]陈兆辉,高士秋,许光文.煤热解过程分析与工艺调控方法[J].化工学报,2017,68(10):3693-3707.
CHEN Zhaohui,GAO Shiqiu,XU Guangwen.Analysis and control methods of coal pyrolysis process[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2017,68(10):3693-3707.
[8]裴贤丰.低阶煤中低温热解工艺技术研究进展及展望[J].洁净煤技术,2016,22(3):40-44.
PEI Xianfeng.Research progress of low rank coal pyrolysis technology at medium and low temperature[J].Clean Coal Technology,2016,22(3):40-44.
[9]刘振宇.煤快速热解制油技术问题的化学反应工程根源:逆向传热与传质[J].化工学报,2016,67(1):1-5.
LIU Zhenyu.Origin of common problems in fast coal pyrolysis technologies for tar:The countercurrent flow of heat and volatiles[J].Journal of Chemical Industry and Engineering,2016,67(1):1-5.
[10]白效言,裴贤丰,张飏,等.小粒径低阶煤热解油尘分离问题分析[J].煤质技术,2015(6):1-4.
BAI Xiaoyan,PEI Xianfeng,ZHANG Yang,et al.Analysis on separation of tar and dust during pyrolysis of small-size low rank coal[J].Coal Quality Technology,2015(6):1-4.
[11]金丹,付海玲,吴剑华,等.混合器停留时间分布的研究进展[J].化工进展,2011,30(7):1399-1405.
JIN Dan,FU Hailing,WU Jianhua,et al.Advance in research on residence time distribution in mixers[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2011,30(7):1399-1405.
[12]霍朝飞.螺旋反应器中颗粒混合及煤热解特性研究[D].北京:中国科学院大学,2015.
[13]CHARLOU C,SAUCEAU M,ARLABOSSE P.Characterisation of residence time distribution in a continuous paddle dryer[J].Journal of Residuals Science&Technology,2013,10(3):117-125.
[14]高巍,张聚伟,汪印,等.连续进出料鼓泡流化床颗粒停留时间分布[J].过程工程学报,2012,12(1):9-13.
GAO Wei,ZHANG Juwei,WANG Yin,et al.Residence time distribution of particles in a bubbling fluidized bed with their continuous input and output[J].The Chinese Journal of Process Engineering,2012,12(1):9-13.
[15]PATEL A K.Study of residence time distribution in a pilot-scale screw conveyor dryer[J].Drying Technology,2007,25(1):249-259.
[16]XI Y,CHEN Q,YOU C.Flow characteristics of biomass particles in a horizontal stirred bed reactor:Part I.Experimental measurements of residence time distribution[J].Powder Technology,2015,269:577-584.
[17]XI Y,CHEN Q,YOU C.Flow characteristics of biomass particles in a horizontal stirred bed reactor:Part II.Modeling studies on particle residence time distribution and axial mixing[J].Powder Technology,2015,269:585-595.
[18]刘冰.应用离散单元法模拟热解过程的颗粒混合与传热[D].北京:中国科学院大学,2013.
Effect of technological conditions on residence time of coal particle in internal rotating reactor
MA Dong1,2,3,4,LI Wenbo1,2,3,4,PEI Xianfeng1,2,3,4,BAI Xiaoyan1,2,3,4
(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Coal Chemistry Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China;4.National Energy Technology and Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China)
Abstract:In order to provide theoretical guidance for the residence time and mixing effect of particles in the internal rotating reactor,the characteristics of residence time distribution(RTD)of coal particle as filling materials and tracers in an internal rotating reactor were investigated with the pulse method.The condition parameters tested included the length of the shaft,shaft speed,particle size and feed rate etc.The results show that the back mixing exists in the reactor with 60°propeller blades for the appearance of large trailing distance and the peaks at rear of average RTD curve.The particle flow pattern in the reactor lies between the ideal plug flow and completely stirred flow.The relationship between average residence time and the length of rotating shaft is linear,which is exponential with the rotating speed.Axial mixing is intensified and the average residence time are shortened by increasing speed.With the increase of coal particle size,both the average residence time in the reactor and the degree of the axial backmixing decrease.In addition,some lager particles would be broken during the transportation process,and percentage of particle breakage of 5-6 mm coal particles is 35.39%.Maintaining a constant rotating speed,the feed rate changes the amount of filler in the reactor and further influenced the RTD,as well the average residence time decreases with the feed rate.
Key words:internal rotating reactor;residence time;low rank coal;pyrolyzation;rotation rate;particle size;feed rate
中图分类号：TQ530.2
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2018)01-0074-06
收稿日期：2017-09-04;
责任编辑：李柏熹
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2018.01.013
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0600404)
作者简介：马 栋(1992—),男,江苏镇江人,硕士研究生,从事煤炭热解转化的研究。E-mail:1054140162@qq.com
引用格式：马栋,李文博,裴贤丰,等.工艺条件对内旋式移动床停留时间的影响[J].洁净煤技术,2018,24(1):74-79.
MA Dong,LI Wenbo,PEI Xianfeng,et al.Effect of technological conditions on residence time of coal particle in internal rotating reactor[J].Clean Coal Technology,2018,24(1):74-79.
