水稻秸秆与煤混合颗粒的流动特性的研究.doc

水稻秸秆与煤混合颗粒的流动特性的研究 郭强，刘海峰，陈雪丽，李帅丹，郭小磊，龚新 摘要 在气流床气化炉内颗粒流动性是一个影响生物质与煤共利用关键因素。本文研究水稻秸秆和煤的混合颗粒的流动特性。结果表明：由于共混物的颗粒分离，豪斯纳比率无法表明流动能力。两者的内摩擦角的正切和α（内摩擦角和休止角的平均值），共混物质量分数显示线性增加，二者增量几乎是相同的。由此得出影响水稻秸秆颗粒形状两种角度的修正参数 关键词：流量特性；混合颗粒；水稻秸秆；煤 1 前言 由于全球变暖的问题，生物质能源利用的经济适用（如秸秆，甘蔗，咖啡稻壳，木屑和稻壳）[1]。生物质与煤共同使用，如共气化与燃烧，目前正在考虑作为减少温室气体排放的有效手段[1-3]。近年来，各种各样的生物质与煤共利用技术，如固定床燃烧或气化，流化床燃烧或气化，煤粉燃烧和气流床气化，吸引了关注世界各地的[4]。在中国，有丰富的秸秆和煤炭资源，与农村焚烧稻草容易造成环境污染。因此，水稻秸秆和煤气流床气化将是一个有效的解决方案。然而，Dai等人指出燃料制备处理存储加工送料燃烧和气化行为，积灰和排放仍有许多问题尚未解决[4]。显然，燃料的加工和处理的问题有在工业过程中的重要影响，特别是对煤粉系统。同时，生物质颗粒是灵活的、有较大的纵横比和粗糙的表面，因此，本系统研究生物质与煤混合颗粒的流动特性。 粒状材料的研究有着悠久的历史。然而，直到现在，许多这样的材料的现象，如“巴西果效应”，一直被称为20世纪30年代以来，还没有被完全理解，仍然吸引了很多研究者的关注。Shinbrot和穆齐奥认为粒度偏析由重物抬离床惯性引起的，允许更小的颗粒渗透到下面[5]。burtally等人观察到自发分离的的混合物为细青铜和玻璃类似直径的球体，并认为分离机理是受到空气中的颗粒运动的影响[6]。M bius等人报道，粒度偏析由粒子间隙影响[7]。利用和库尔琴提出的方式确定颗粒的“temperature”[8]，其中的气体分子的随机运动定义为温度，研究了颗粒材料的统计特性。律师和百灵达研究了通过测量接触力和切向和法向粮食规模的部队在一个二维光弹性磁盘系统的颗粒材料中的应力各向异性[9]。因此，对颗粒材料的研究仍不充分。 本文中，通过测量内摩擦角，和休止角计算豪斯纳比率，研究了稻草和煤混合颗粒流动性。这项工作将有助于在物理性能和在气流床气化制生物质与煤混合物的气动运输更直接有用的巨大差异的混合颗粒的研究。 2 材料与方法 2.1 材料 在这项研究中，稻草和北宿煤为实验材料。从由中国公司生产的微粉碎机FW177得到的颗粒进行筛分，分成三个不同的颗粒尺寸范围：150~180μm，180~250μm， 250~425μm。北宿煤，一种广泛使用的烟煤气流床气化技术在中国，是地面的通过粒度分析仪测定马尔文Mastersizer2000球磨机及粒径分布。图1给出的概率密度函数（PDF）的粒径（D）北宿煤，和体积平均粒径为39.39μm。 图1 北宿煤的粒度概率密度函数。 煤粒和稻草颗粒均在105℃干燥2小时，和混合，得到一系列的共混物，其中水稻秸秆的质量分数（W）分别为5%，10%，15%，20%，25%和30%。由于水分含量是一个关键因素，粉末流动性能，用红外水分仪测量安培共混物的水分含量控制在1.2~1.5% [10,11]。 2.2 方法 2.2.1 水稻秸秆颗粒的纵横比 每个筛尺寸，随机选择300稻草颗粒通过尼康E200显微镜拍摄的。不同的粒度所获得的图像进行图像分析处理软件实现的平均纵横比，如表1所示。 表1 水稻颗粒平均粒径 2.2.2 豪纳斯比率（HR） 豪斯纳比率是目前作为一个性能表征广泛使用，堆积密度和相对变化在许多过程可以体现其流动特性[12]。如图2所示，体积V1，微量样品自然放置，质量没有改变，此时体积为V2。分别获得堆积密度和带密度为M/V1和M/V2。豪斯纳比率可以得到： HR=ρT/ρB (1) 图2 松装密度和振实密度的测定。 2.2.3 内摩擦角（ФI） 粉末颗粒之间的摩擦特性反映了内摩擦角是料斗设计的一个重要参数。GEOCOMP公司生产的Trac II剪切装置用于测量样品的内摩擦角。 2.2.4 休止角（ФR） 如图3所示，样品流下来慢慢从一个漏斗固定的正上方一盘。当ФR为常数，定义为休止角。 图3 休止角测定 3 结果与讨论 在这项研究中，也进行了测量煤粒和稻草颗粒的流动性能，如表2所示。煤颗粒近似球形并且难以压缩。如表1所示，稻草的纵横比颗粒粒径的增加。煤颗粒和稻草