【技術】固體熱載體與生物質顆粒之間的傳熱研究

李志合，崔喜彬，柏雪源，易維明，李永軍

　　摘要：為研究生物質顆粒與陶瓷球固體熱載體之間的傳熱規律，利用自制散體顆粒換熱實驗臺對陶瓷球熱載體與氣體之間的對流傳熱特性以及生物質與陶瓷球顆粒之間的傳熱特性進行了實驗研究。采用解析法和RMC關聯式法分析出單陶瓷球顆粒與空氣的對流換熱系數分別為291.3W/(m

2

·℃)和200.3W/(m

2

·℃)，確定的陶瓷球熱載體與生物質顆粒群傳熱的準則方程分別為Nu

c

=176+0.079Re

c

和Nu

c

=22.97+0.2251Re

b

，為固體熱載體加熱生物質熱解規律的研究提供了理論基礎。

引言

　　生物質在反應器中的熱解是一個復雜的物理化學過程，期間受顆粒相的流動、氣固多相間的傳熱傳質及熱化學反應動力學等過程的影響，即顆粒流動影響傳熱傳質，而傳熱傳質影響熱裂解過程。因此要全面揭示生物質的熱裂解機理，需要從顆粒相的流動、氣固多相間的傳熱傳質以及生物質熱裂解化學動力學三方面綜合研究。目前，涉及顆粒的傳熱研究以流化床和循環流化床反應器居多

[1～5]

，而對于高溫固體熱載體加熱工藝下的生物質熱裂解機理的研究較為鮮見。而研究其傳熱規律有助于該工藝的優化和熱解機理的科學了解。

　　本文利用自制散體顆粒換熱實驗臺對熱載體顆粒與氣體(以空氣代替熱解氣體產物)之間的對流傳熱特性以及生物質顆粒與陶瓷球熱載體之間的傳熱特性進行實驗研究。根據實驗數據，利用解析法和無量綱分析方法對單熱載體顆粒與空氣之間的對流換熱系數進行分析計算。并對陶瓷球熱載體與生物質顆粒群的對流換熱進行分析，確定顆粒群的傳熱準則方程，為固體熱載體加熱生物質熱解規律的研究奠定基礎。

　　研究采用的散體顆粒換熱實驗臺的結構示意圖如圖1所示，主要包括陶瓷球熱載體、生物質粉顆粒喂料器、下降管、顆粒分離裝置、計算機溫度檢測系統。其工作原理為：加熱到預先設定溫度的陶瓷球熱載體，迅速放入陶瓷球喂料器的料箱并進行溫度控制，從螺旋喂料器喂入的生物質粉和從熱載體喂料器喂入的陶瓷球沿下降管混合向下流動，從而發生熱交換?；旌项w粒在下降管下端的分離裝置內實現分離，陶瓷球和生物質粉分別落入不同集料箱并利用T型熱電偶進行溫度數據采集。而氣體溫度利用抽氣熱電偶在下降管各采樣點采集數據。

　　下降管采用長1600mm、內徑110mm絕熱性能較好的PVC管材制成。為減少管壁的熱損失，管內壁附上一層厚度為25mm泡沫絕熱材料，外壁利用硅酸鋁噴絲氈進行保溫。從上管口向下分別在100、400、800、1200和1500mm5點放置安放T型鎧裝熱電偶用以測量管內氣體溫度。

　　實驗中陶瓷球為直徑2mm的規則球體，生物質為60～80目的玉米秸稈粉。

　　以溫度為90℃的陶瓷球、其質量流量分別為1.0、1.2、1.4kg/min進行陶瓷球熱載體與空氣之間的對流換熱實驗，下降管內空氣與熱載體換熱前后的初、終溫度實驗數據如表1所示。在上述熱載體流量下，以陶瓷球與生物質質量比分別為15∶1、20∶1、25∶1進行熱載體和生物質顆粒之間的換熱實驗，熱載體顆粒與生物質顆粒換熱實驗數據如表2所示。

　　陶瓷球熱載體、生物質顆粒在下降管內與空氣的換熱屬于多相流動與傳熱現象，存在顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞接觸導熱、顆粒與空氣之間的對流換熱以及管壁面對顆粒的輻射等傳熱方式。而顆粒流動PIV實驗研究表明

[6]

：除管道邊壁附近外，2種顆粒在下降過程中與壁面間的碰撞幾率很小，而且管壁所附有的絕熱材料導熱系數極小，可以忽略顆粒與管壁的碰撞傳熱；而陶瓷球在下降過程中不存在碰撞，因此也不必考慮陶瓷球顆粒之間碰撞接觸時的導熱傳熱。顆粒流動實驗發現，陶瓷球與生物質顆粒充滿整個管道，互相遮擋，因此雖然存在輻射，但其傳熱相互抵消，因此可以不予考慮輻射傳熱的影響。MansooriZ也認為在稠密顆粒系統中，在低于600℃時，輻射傳熱的影響很小，可以不予考慮

[7]

。這樣，分析中只需要考慮陶瓷球和管內空氣的對流換熱。而對流換熱的分析，即是對對流換熱系數的分析求解。

　　3.1單熱載體顆粒的對流換熱系數

　　3.1.1解析法

　　假設當陶瓷球熱載體在下降管內與空氣進行熱交換時，tc時刻放出的熱量全部被空氣吸收，則

　　3.1.2 RMC關聯式法

　　RMC法是由RanzWE和MarshallWR于1952年提出

[8]

，其方程為

　　利用上述2種方法，根據實驗數據計算得到陶瓷球熱載體與空氣之間的對流換熱系數如表3所示。其中解析法是根據陶瓷球熱載體與空氣在入口和出口處的溫度數據計算的，因此可以看作是整個下降管內的平均換熱系數。而RMC法是根據下降管出口處的運動參數和物性參數計算的，是局部換熱系數，故二者之間存在較大差距。

　　3.2顆粒群的傳熱分析

　　3.2.1熱平衡分析

　　陶瓷球、生物質粉和空氣三者之間存在如圖2所示的熱平衡關系。在下降管內，陶瓷球和生物質粉換熱后，高溫陶瓷球放出熱量，溫度降低；生物質粉吸收熱量，溫度升高；下降管內的空氣也吸收熱量，溫度升高。

　　3.2.2陶瓷球熱載體顆粒群的傳熱準則方程

　　顆粒系統內的傳熱非常復雜，單顆粒的傳熱不能反應整個顆粒系統的傳熱規律。比如，由于不同下降距離處顆粒運動狀態的改變，從而導致顆粒相與氣體相之間的相對速度的改變；同時，不同空間位置處的顆粒由于溫度、運動速度的不同會影響傳熱傳質。因此，利用單顆粒分析出的換熱系數和準則方程不適合顆粒群系統的傳熱研究，必須利用顆粒群系統參數的特征量來計算其準則數。對于顆粒群系統的傳熱，可以利用顆粒群的當量直徑以及特征速度進行分析計算。

　　根據表1實驗數據以及上述熱平衡分析方法，計算得到各工況下陶瓷球熱載體顆粒群的努塞爾數和雷諾數如表4所示。

　　根據表4中的Nuc和Re

c

的值，利用數據處理軟件Oringin810進行線性回歸得到的線性關系如圖3所示。從圖3看出，Nu

c

和Re

c

數具有較好的線性關系。

　　3.2.3生物質顆粒群的傳熱準則方程

　　生物質顆粒群特征參數的處理方法參見文獻[9]。根據生物質顆粒群的特征參數、表2中實驗數據以及上述分析方法計算得到生物質顆粒群的當量直徑、傳熱系數及準則方程分析中所用到的相關參數的值如表5所示。

　　根據表5中的數據計算得到的Nu

c

與Re

b

如表6所示。

　　根據表6中Nu

c

和Re

b

的值，線性回歸得到的得到Nu

c

和Re

b

的關系如圖4所示。從圖4看出，Nu

c

和Re

b

數具有較好的線性關系。

　　在下降管散體顆粒換熱實驗臺上，以陶瓷球質量流量分別為1.0、1.2、1.4kg/min進行了陶瓷球與空氣(代替熱解氣)的對流換熱實驗。在前述陶瓷球流量下，以陶瓷球與生物質粉質量比分別為15∶1、20∶1、25∶13種工況進行了陶瓷球熱載體、生物質粉與空氣的多相傳熱實驗。采用解析法和關聯式法分析出了單陶瓷球顆粒與空氣的對流換熱系數，分別為291.3W/(m

2

·℃)和200.3W/(m

2

·℃)。采用熱平衡方法分析得出了陶瓷球熱載體顆粒群和生物質顆粒群的無量綱換熱準則方程分別為Nu

c

=176+0.079Re

c

和Nu

c

=22.97+0.2251Re

b

，為生物質熱解規律的研究提供了傳熱理論基礎。

　　參考文獻

　　[1]傅利華，鄭典模，孫云.生物質快速熱解液化技術的研究進展[J].江西化工，2007 (2)：45～49.

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　　[4]劉安源，劉石.流化床內顆粒碰撞傳熱的理論研究[J].中國電機工程學報，2003，23(3)：161～165.

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　　[9]李志合.下降管內反應器內生物質熱裂解規律的研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2010.