DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.038
流化床内生物质石英砂混合流动压力脉动频谱特性
王肖祎，仲兆平，王泽宇，赵凯
(东南大学 能源与环境学院 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京，210096)
摘要：为考察生物质颗粒的添加对流化床流动特性的影响，研究不同静止床高和生物质添加量下矩形流化床的压力脉动频谱特性，床料选用0.8 mm粒径的石英砂，柱形生物质颗粒直径×长为10 mm×10 mm。研究结果表明：当不添加生物质颗粒时，高静止床高下压力脉动信号的功率谱密度图在0~5 Hz区间会出现主频。当处于低静止床高且生物质添加量较少时，功率谱密度图主频完全消失；当生物质添加量较多时则会出现1个明显的主频，该主频随气速的增大而增大。当处于高静止床高时，只有在低气速下，生物质添加才会对压力脉动频谱特性有明显影响。
关键词：流化床；生物质颗粒；混合流动；压力脉动；功率谱密度
中图分类号：TQ051 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)01-0279-07
Frequency spectrum characteristics of pressure fluctuation in fluidized bed with biomass particles and quartz sands
WANG Xiaoyi, ZHONG Zhaoping, WANG Zeyu, ZHAO Kai
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of the Ministry of Education,
School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: To research the influences of fluid characters on fluidized bed added biomass particles, the pressure fluctuation spectrum behaviors at different static bed heights and biomass weight were investigated in a rectangular fluidized bed. The quartz sands with the diameter of 0.8 mm and cylinder-shaped biomass particles with both of the diameter and length of 10 mm were adopted as bed materials. The results show that power spectral density has an obviously main frequency between 0-5 Hz when the static bed height is high and without biomass particles. The main frequency of the power spectral density disappears completely, when the static bed height is low and a small amount of biomass is added. But an obvious main frequency occurs when a large amount of biomass is added. When the static bed height is high, the biomass particles influence the flow of gas only at a low superficial gas velocity.
Key words: fluidized bed; biomass particles; mixed flow; pressure fluctuation; power spectral density
生物质热解和气化技术是综合利用生物质能的方法，流态化下的热解技术是其工业应用的重要工艺之一[1]。生物质由于密度小、质地软、形状不规则难以单独流化，通常将生物质与石英砂等流化介质混合流动。因此，流化床内生物质混合流动的影响因素一直受到关注。CLARKE等[2-5]对生物质颗粒与不同形状、密度、粒径的颗粒的混合流动进行研究，重点对压降、混合状况、以及燃烧后的气体进行分析。为避免生物质与石英砂混合流动出现分层，将生物质压缩成型，成型后的生物质密度大且形状规则。然而生物质颗粒的添加对流化床内气泡行为、流动特性的影响研究较少。流化床内的压力脉动是由气泡的形成、聚并和破裂以及气泡的运动引起的[6]。流化床内的压力脉动信号可以反映床内流化质量[7]、颗粒流动[8]、气泡行为[9]，有助于深入理解流化床流体动力学特性，可以区分几种典型的流化状态[10]以及判断最小流化速度[11]。许多研究者采用不同的方法处理分析了流化床内压力脉动信号。PRARISE等[12]研究了2种不同密度的颗粒在不同床高及长宽比下的流动特性，采用高斯光谱压力分布法分析，发现在低床高、底长宽比、低颗粒密度时流化质量最好。JAIBOON等[13]在流化床和循环流化床提升管处测量压力脉动，对不同流型下的压力脉动信号进行了频谱分析，指出了不同流型和提升管高度下功率谱密度显示不同的分布特征，鼓泡和腾涌流型下存在明显的峰值。LIU等[14]分析了压力信号的功率谱密度，比较不同气泡尺寸的频谱变化，指出气泡的连贯性和气泡尺寸可以明显地反映到压力脉动信号中，但在一定程度上会被气泡的运动影响。本文作者通过对不同静止床高，不同生物质颗粒质量分数下，生物质与石英砂混合流动的压力脉动信号进行频谱分析，考察了生物质添加量和静止床高对压力脉动信号，即气泡行为、流化状态等特性的影响。采用功率谱密度分析系统的周期特性，综合分析床内生物质石英砂2组分流动的动力学特点，研究由于生物质的添加，床内气泡、颗粒流动等特性的变化。这对进一步研究生物质热解与气化，控制给料速率，强化传热，提高效率有着重要的实践意义。
1 实验部分
本研究实验系统如图1所示，主要包括实验室规模的流化床、供风系统、数据采集系统以及图像采集系统。流化床主体采用厚度为6 mm的有机玻璃制成，床高1 000 mm，为观察床内气泡行为、颗粒流动等特性，流化床采用较大的长宽比，截面长×宽为120 mm×32 mm。布风板厚度6 mm，上有直径为1 mm等边三角形排列的小孔126个，开孔率为2.6%；为防止小孔被颗粒堵塞，在布风板上方布置1层孔径为0.25 mm的筛网。本实验的流化风由罗茨风机提供，风量由转子流量计控制，其量程分别为1~20 m3/h和4~40 m3/h。为使气流分布均匀，测得的压力脉动更加准确，在风室内加一均风板均匀布风。
测压点应布置在流化床中心流态化充分发展的地方[15]，本实验分别布置3个高度的测压孔来测量不同工况下的压力脉动信号，孔中心距布风板分别为200，300和400 mm。床内的压力脉动信号通过压力变送器(型号为KMSSTO；量程为0~35 kPa )、USB数据采集器采集(RBH8251-13型)，采样频率为100 Hz，连续采集10 s。
图1 可视化流化床实验系统图
Fig. 1 Visual experimental system of fluidized bed
为了清晰地观察颗粒混合流动，选用石英砂和成型的柱形生物质颗粒作为床料，石英砂平均粒径为 0.8 mm，密度为2 650 kg/m3，柱形生物质颗粒直径×长为10 mm×10 mm，密度约为1 300 kg/m3。单组分石英砂作床料时，实验测得的临界流化速度为0.87 m/s。为考察生物质颗粒的添加对流化床内压力脉动、气泡行为、流动特性的影响，本实验在鼓泡和腾涌阶段采样。表1所示为表观气速、生物质质量分数以及静止床高的具体参数。
表1 实验工况
Table 1 Experimental conditions
2 压力脉动信号分析
频谱分析通常用来揭示时间序列的周期性特征，可以检测系统随机过程的频繁性。功率谱密度(power spectral density，PSD)作为频谱分析的重要分析方法之一，可以通过快速傅里叶变换[16](fast Fourier transform，FFT)来实现。在相同时间间隔△t下测得压力脉动时间序列x(n)，其中：n=1, 2, 3, …, N，N为时间长度。时间序列的自相关序列为
(1)
式中：f为采样频率。
通过FFT得到PSD为
(2)
3 结果分析与讨论
压力脉动信号包含了流化床内的综合因素，包括气泡的产生、流动、聚并和破裂以及颗粒的扰动等，是床内流动的外在动态反映。以往流化床压力脉动频域分析结果表明，流化床内压力脉动信号频率较低，一般密集于30 Hz以下，而实测的压力波动时间序列往往包含大量高频噪音信号，一般认为30 Hz以上的信号为高频噪声信号[17]。本研究采用Butterworth低通数字滤波方法去除30 Hz以上的高频噪声，并将数据归一化处理。
在对压力脉动信号进行频谱分析时，得到的功率谱往往具有一个明显的主峰值，这个主峰值对应的频率称为信号的主频，即信号主周期的倒数。另外，压力脉动功率谱中除存在主峰外，还会出现与主频数量级相当的宽谱信号，说明压力波动信号中存在多个频率，这与布风板的射流引起的小气泡和颗粒的无规则运动有关[18]。
3.1 气速与床高的影响
静止床高(H)会影响气泡穿过床层的时间，H增加使得气泡经过的路径变长，气泡产生、聚并的概率增大，同时床层阻力和压降也会增加。图2所示为不同气速下的压力脉动信号。从图2可知：当H=50 mm时，信号幅值较小脉动剧烈，单从原始信号不能观察出变化趋势；当H=150 mm时，压力脉动信号可以看出有明显的波动，变化趋势明显，并且其幅值随着气速的增加而增大。
图3所示为H=50 mm时不同生物质添加量下脉动信号的PSD图。从图3(a)，3(d)和3(g)可见：当H= 50 mm时，单组分石英砂在不同气速下的功率谱密度分布在相对高频的区域并且信号的主频不是很明显，其主频与宽谱区域频率会随着气速的增大而降低。图4所示为H=50 mm时不同生物质添加量下流化床内气泡状态。从图4(a)和图4(d)可以看出：此时H较低，床内气体射流和小气泡的行为占主导作用，小气泡还没有聚并长大就已经到达顶部破碎。由于气速的增加，气泡扰动增强，使得一部分气泡发生聚并，频率会相应降低，但由于床高和气泡直径的限制，床层并没有出现严重的不稳定性，所以此时信号的主频并不明显。
图2 不同气速下的压力脉动信号
Fig. 2 Pressure fluctuation signals in difficult velocities
图5所示为H=150 mm时不同生物质添加量下脉动信号的PSD图。从图5(a)，5(d)和5(g)可见：当H= 150 mm时，单组分石英砂在不同气速下的功率谱密度在0~5 Hz间会出现1个明显的主频。图6所示为H=150 mm时不同生物质添加量下流化床内气泡状态。在气固两相流中，气泡在上升的过程中会发生聚并和长大(见图6(a))，此时大气泡对流场的扰动更为剧烈，并且壁面的存在同样会诱导流场的波动，H高使气泡形成到破碎的周期变长，此低频部分就代表大气泡产生和破碎的过程。需要指出的是，对于截面小的流化床，当初始床高足够高，气速足够大时，气泡最终会达到足以布满这个容器界面，形成“腾涌”。当H=150 mm，气速v=1.74 m/s和v=2.31 m/s时，功率谱的主频非常明显，幅值也较高，这是因为床内产生了腾涌(见图6(d))。本研究中主频随着床高增加而减小，这与FAN等[19]研究结论一致。
图3 H=50 mm时不同生物质添加量下脉动信号的PSD图
Fig. 3 PSD of different w at different velocities and biomass weight with H=50 mm
图4 H=50 mm时不同生物质添加量下流化床内气泡状态
Fig. 4 Photos of different w at different velocities and biomass weight with H=50 mm
图5 H=150 mm时不同生物质添加量下脉动信号的PSD图
Fig. 5 PSD of different w at different velocities and biomass weight with H=150 mm
3.2 生物质质量分数(w)的影响
本实验研究不同密度、粒径的物质混合对流化床内压力脉动信号的影响，当生物质质量分数为26.5%时，由于生物质和石英砂的密度、粒径的不同，床内会出现明显的分层现象，此时已经不属于双组分的混合流动，所以不对此工况作分析比对。
图6 H=150 mm时不同生物质添加量下流化床内气泡状态
Fig. 6 Photos of bubbles at different velocities and biomass weight with H=150 mm
3.2.1 低静止床高的影响
当H=50 mm(见图3)、生物质添加量较低(6.4%)时，功率谱密度分布图中主频和宽谱区域完全消失，PSD分布非常均匀，几乎看不出变化。流化床内生物质的粒径较石英砂大的多，大颗粒的存在使得床内气泡的产生和破裂都要相对容易。从图4(b)和图4(e)也可以看出：石英砂和生物质的交界处很容易形成气泡，气泡产生后即脱离生物质沿石英砂组分向上移动，当遇到下一个生物质颗粒的时候便会破裂从而形成下一个气泡；不能遇到生物质的气泡则以小气泡的形式在石英砂颗粒群中流动。静止床高较低时气体射流和小气泡行为占主导作用，生物质的存在使得气泡尺寸和运动速度都有很大的差别，并且此时的床层比较稳定，所以并不能观察到明显的频谱特性。当生物质添加量高(17.8%)时，高频宽谱区频率随着气速的增加而减小；功率谱在中频区中会出现一个较明显的主频，并且随着气速的增加主频也增大。从图4(c)和图4(f)可知：此时生物质质量分数高会存在2个或多个生物质聚合在一起的情况，当小气泡经过此区域时会发生聚并形成较大的气泡且气泡直径相对均匀，此时就会对颗粒产生较大地扰动，固体颗粒的运动也更加活跃；另一方面随着气速的增大，气泡上升速率增加使主频升高。
3.2.2 高静止床高的影响
从图5可知：当气速较低且生物质质量分数较低(6.4%)时，功率谱密度同样表现为幅值减弱、频率分布较为均匀。从图6可知：生物质的存在使得0~5 Hz间的主频相对减弱，但没有完全消失。生物质添加后大气泡破碎并且气泡边界不再明显，这说明生物质的存在不但有利于气泡的形成与聚并，并且有利气泡的破裂。原因可能是当气泡上升长大的过程中遇到生物质颗粒，干扰了气泡以原本形态继续运动，使气泡分裂；还有可能因为气泡在上升过程中合并和长大到一定程度时，由于生物质与石英砂密度和粒径的不同，使得气泡上方的生物质回落到气泡中，在一定程度上影响了气泡特性，使低频信号能量减弱。
当生物质质量分数较高(17.8%)时，又会产生0~5 Hz间的主频，相对于不添加生物质时其主频减小。从图6(c)可知：此时生物质质量分数高，颗粒的聚合有利于形成大气泡，该工况H较高，气泡有足够的时间聚并、长大。
高气速下，PSD频率集中，在0~5 Hz间有明显的主频，添加生物质后其功率谱密度并没有明显的变化。这是由于床内出现了“腾涌”(见图6(d)，6(e)和6(f))，气泡行为主要受表观气速和静止床高的影响，可见在此工况时生物质对流化状态的影响已经很小。
4 结论
1) 高静止床高时，由于大气泡的存在，功率谱密度在0~5 Hz会出现明显的主频；低静止床高时，主频较高并存在高频宽谱区域。
2) 当H=50 mm、生物质添加量少时气泡分布较均匀、气泡直径差别较大，功率谱密度主频消失；生物质添加量多时由于生物质的聚合，产生较大的气泡，并且气泡直径较均匀(~40 mm)，功率谱密度在中频处存在明显的主频，并且随着气速的增大而增大。
3) 当H=150 mm、低气速时生物质的添加对压力脉动信号的影响较大，表现为低生物质添加量下功率谱频率分布较均匀、幅值减小；高气速下生物质的添加对压力脉动信号几乎没有影响。
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(编辑 罗金花)
收稿日期：2014-12-29；修回日期：2015-03-01
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51276040, U1361115) (Projects(51276040, U1361115) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：仲兆平，教授，博士生导师，从事生物质热解研究；E-mail: zzhong@seu.edu.cn
