固体热载体与生物质颗粒之间的传热研究

李志合，崔喜彬，柏雪源，易维明，李永军

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博255049)

　　摘要：为研究生物质颗粒与陶瓷球固体热载体之间的传热规律，利用自制散体颗粒换热实验台对陶瓷球热载体与气体之间的对流传热特性以及生物质与陶瓷球颗粒之间的传热特性进行了实验研究。采用解析法和RMC关联式法分析出单陶瓷球颗粒与空气的对流换热系数分别为291.3W/(m²·℃)和200.3W/(m²·℃)，确定的陶瓷球热载体与生物质颗粒群传热的准则方程分别为Nu_c=176+0.079Re_c和Nu_c=22.97+0.2251Re_b，为固体热载体加热生物质热解规律的研究提供了理论基础。

　　引言

　　生物质在反应器中的热解是一个复杂的物理化学过程，期间受颗粒相的流动、气固多相间的传热传质及热化学反应动力学等过程的影响，即颗粒流动影响传热传质，而传热传质影响热裂解过程。因此要全面揭示生物质的热裂解机理，需要从颗粒相的流动、气固多相间的传热传质以及生物质热裂解化学动力学三方面综合研究。目前，涉及颗粒的传热研究以流化床和循环流化床反应器居多^[1～5]，而对于高温固体热载体加热工艺下的生物质热裂解机理的研究较为鲜见。而研究其传热规律有助于该工艺的优化和热解机理的科学了解。

　　本文利用自制散体颗粒换热实验台对热载体颗粒与气体(以空气代替热解气体产物)之间的对流传热特性以及生物质颗粒与陶瓷球热载体之间的传热特性进行实验研究。根据实验数据，利用解析法和无量纲分析方法对单热载体颗粒与空气之间的对流换热系数进行分析计算。并对陶瓷球热载体与生物质颗粒群的对流换热进行分析，确定颗粒群的传热准则方程，为固体热载体加热生物质热解规律的研究奠定基础。

　　1实验台与材料

　　研究采用的散体颗粒换热实验台的结构示意图如图1所示，主要包括陶瓷球热载体、生物质粉颗粒喂料器、下降管、颗粒分离装置、计算机温度检测系统。其工作原理为：加热到预先设定温度的陶瓷球热载体，迅速放入陶瓷球喂料器的料箱并进行温度控制，从螺旋喂料器喂入的生物质粉和从热载体喂料器喂入的陶瓷球沿下降管混合向下流动，从而发生热交换。混合颗粒在下降管下端的分离装置内实现分离，陶瓷球和生物质粉分别落入不同集料箱并利用T型热电偶进行温度数据采集。而气体温度利用抽气热电偶在下降管各采样点采集数据。

　　下降管采用长1600mm、内径110mm绝热性能较好的PVC管材制成。为减少管壁的热损失，管内壁附上一层厚度为25mm泡沫绝热材料，外壁利用硅酸铝喷丝毡进行保温。从上管口向下分别在100、400、800、1200和1500mm5点放置安放T型铠装热电偶用以测量管内气体温度。

　　实验中陶瓷球为直径2mm的规则球体，生物质为60～80目的玉米秸秆粉。

　　2实验结果

　　以温度为90℃的陶瓷球、其质量流量分别为1.0、1.2、1.4kg/min进行陶瓷球热载体与空气之间的对流换热实验，下降管内空气与热载体换热前后的初、终温度实验数据如表1所示。在上述热载体流量下，以陶瓷球与生物质质量比分别为15∶1、20∶1、25∶1进行热载体和生物质颗粒之间的换热实验，热载体颗粒与生物质颗粒换热实验数据如表2所示。

　　3分析与讨论

　　陶瓷球热载体、生物质颗粒在下降管内与空气的换热属于多相流动与传热现象，存在颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的碰撞接触导热、颗粒与空气之间的对流换热以及管壁面对颗粒的辐射等传热方式。而颗粒流动PIV实验研究表明^[6]：除管道边壁附近外，2种颗粒在下降过程中与壁面间的碰撞几率很小，而且管壁所附有的绝热材料导热系数极小，可以忽略颗粒与管壁的碰撞传热；而陶瓷球在下降过程中不存在碰撞，因此也不必考虑陶瓷球颗粒之间碰撞接触时的导热传热。颗粒流动实验发现，陶瓷球与生物质颗粒充满整个管道，互相遮挡，因此虽然存在辐射，但其传热相互抵消，因此可以不予考虑辐射传热的影响。MansooriZ也认为在稠密颗粒系统中，在低于600℃时，辐射传热的影响很小，可以不予考虑^[7]。这样，分析中只需要考虑陶瓷球和管内空气的对流换热。而对流换热的分析，即是对对流换热系数的分析求解。

　　3.1单热载体颗粒的对流换热系数

　　3.1.1解析法

　　假设当陶瓷球热载体在下降管内与空气进行热交换时，tc时刻放出的热量全部被空气吸收，则

　　3.1.2 RMC关联式法

　　RMC法是由RanzWE和MarshallWR于1952年提出^[8]，其方程为

　　利用上述2种方法，根据实验数据计算得到陶瓷球热载体与空气之间的对流换热系数如表3所示。其中解析法是根据陶瓷球热载体与空气在入口和出口处的温度数据计算的，因此可以看作是整个下降管内的平均换热系数。而RMC法是根据下降管出口处的运动参数和物性参数计算的，是局部换热系数，故二者之间存在较大差距。

　　3.2颗粒群的传热分析

　　3.2.1热平衡分析

　　陶瓷球、生物质粉和空气三者之间存在如图2所示的热平衡关系。在下降管内，陶瓷球和生物质粉换热后，高温陶瓷球放出热量，温度降低；生物质粉吸收热量，温度升高；下降管内的空气也吸收热量，温度升高。

　　3.2.2陶瓷球热载体颗粒群的传热准则方程

　　颗粒系统内的传热非常复杂，单颗粒的传热不能反应整个颗粒系统的传热规律。比如，由于不同下降距离处颗粒运动状态的改变，从而导致颗粒相与气体相之间的相对速度的改变；同时，不同空间位置处的颗粒由于温度、运动速度的不同会影响传热传质。因此，利用单颗粒分析出的换热系数和准则方程不适合颗粒群系统的传热研究，必须利用颗粒群系统参数的特征量来计算其准则数。对于颗粒群系统的传热，可以利用颗粒群的当量直径以及特征速度进行分析计算。

　　根据表1实验数据以及上述热平衡分析方法，计算得到各工况下陶瓷球热载体颗粒群的努塞尔数和雷诺数如表4所示。

　　根据表4中的Nuc和Re_c的值，利用数据处理软件Oringin810进行线性回归得到的线性关系如图3所示。从图3看出，Nu_c和Re_c数具有较好的线性关系。

　　3.2.3生物质颗粒群的传热准则方程

　　生物质颗粒群特征参数的处理方法参见文献[9]。根据生物质颗粒群的特征参数、表2中实验数据以及上述分析方法计算得到生物质颗粒群的当量直径、传热系数及准则方程分析中所用到的相关参数的值如表5所示。

　　根据表5中的数据计算得到的Nu_c与Re_b如表6所示。

　　根据表6中Nu_c和Re_b的值，线性回归得到的得到Nu_c和Re_b的关系如图4所示。从图4看出，Nu_c和Re_b数具有较好的线性关系。

　　4结束语

　　在下降管散体颗粒换热实验台上，以陶瓷球质量流量分别为1.0、1.2、1.4kg/min进行了陶瓷球与空气(代替热解气)的对流换热实验。在前述陶瓷球流量下，以陶瓷球与生物质粉质量比分别为15∶1、20∶1、25∶13种工况进行了陶瓷球热载体、生物质粉与空气的多相传热实验。采用解析法和关联式法分析出了单陶瓷球颗粒与空气的对流换热系数，分别为291.3W/(m²·℃)和200.3W/(m²·℃)。采用热平衡方法分析得出了陶瓷球热载体颗粒群和生物质颗粒群的无量纲换热准则方程分别为Nu_c=176+0.079Re_c和Nu_c=22.97+0.2251Re_b，为生物质热解规律的研究提供了传热理论基础。

　　参考文献

　　[1]傅利华，郑典模，孙云.生物质快速热解液化技术的研究进展[J].江西化工，2007 (2)：45～49.

　　[2]BridgwaterAV.Principles and practice of biomass fast pyrolysis processes for liquids[J].Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis，1999，51(1)：3～22.

　　[3]戴天红，钱壬章，李宏顺.循环流化床的传热机理——颗粒絮团更新模型[J].燃烧科学与技术，1997，3(3)：270～279.

　　[4]刘安源，刘石.流化床内颗粒碰撞传热的理论研究[J].中国电机工程学报，2003，23(3)：161～165.

　　[5]孔行健，孙国刚，王茂辉.大差异颗粒气固流化床传热特性实验研究[J].炼油技术与工程，2008，38(3)：18～23.

　　[6]李志合，易维明，刘焕卫，等.垂直下降管内陶瓷球流动与传热的试验[J].农业工程学报，2009，25(2)：72～76.

　　[7]Mansoori Z，Saffar-AvvalM，Basirat TabriziH，et al.Inter-particle heat transfer in a riser of gas-solid turbulent flows[J].PowderTechnology，2005，159(1)：35～45.

　　[8]Papadikis K，Gerhauser H，BridgwaterA V，et al.CFD modeling of thefast pyrolysis of an in-flight cellulosic particle subjected to convective heat transfer[J].Biomass and Bioenergy，2009，33(1)：97～107.

　　[9]李志合.下降管内反应器内生物质热裂解规律的研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2010.