1 引言 目前，世界各国面临最大的环保问题之一是垃圾处理问题。焚烧法处理垃圾，可实现垃圾的减容化、无害化、资源化。但是，垃圾焚烧的同时也产生了以下3个主要问题：高温腐蚀^[1]、二噁英的污染、重金属的污染问题^[2]。这3个问题都直接或间接的与垃圾中存在的氯有关。如果事先把垃圾中的氯去除，3个问题便可同时解决。中国科学院过程工程研究所提出了一种新型双级料腿循环流化床垃圾焚烧技术^[1]。该技术采用分级转化方法，在常规循环流化床基础上，增加一个循环料腿，垃圾在这个循环料腿中与从一级回料腿来的热灰混合，垃圾热解后的气体经过一脱氯床后被引入燃烧室的上部，进行高温燃烧。半焦经过二级料腿回到燃烧室底部，进行低温燃烧。重金属也基本存留在灰渣中，有效地减轻了重金属的排放污染问题。设备内部就地脱氯，有效地解决了燃烧过程中高温腐蚀和二噁英的排放问题。 垃圾在双级料腿循环流化床第二级料腿中停留时间的长短直接影响垃圾的热解效率，如垃圾中的氯是否完全以氯化氢的形式溢出。这对双料腿循环流化床能否实现燃烧前脱除氯化氢是至关重要的。目前，对停留时间的研究多数集中在连续操作中气体的停留时间分布以及宽筛分流化床中细颗粒的停留时间分布^[2~4]。对这样一种新型的双级料腿循环流化床的研究却鲜有报道。由于垃圾与床料颗粒(主要为沙子)特性的差异，因此，实验用不同种类的大颗粒物料来模拟垃圾中的不同组分，研究了不同密度、粒径的大颗粒物料在双级料腿循环流化床第二级循环料腿中停留时间的分布，建立了适用于本实验条件的停留时间分布数学模型。2 实验装置及步骤 根据几何相似原理，建立了如图1所示的双级料腿循环流化床垃圾焚烧炉冷态实验装置，图中1~12为实验中所设的测压点，以监测实验工况的变化。脱氯床上加入定量的沙子来模拟实际的脱除氯化氢吸收剂。为了便于观察实验现象，实验装置全部用有机玻璃管构成。实验所用窄筛分床料为普通河沙，空气流化。各种实验用料的物性参数如表1所示。主床采用φ70的有机玻璃管，热解室采用φ50的有机玻璃管构成。主床高8.2m。在旋风分离器下部设置了一个循环流率的测量点，以测量瞬时循环流率。两级回料腿采用一种简易的流动密封阀。

开启循环流化床，调节流化气速U₁、U₂和U₃，大约2 min后，各点的压力不再变化，流化稳定。把事先称量好的大颗粒物料从图1所示位置迅速加入到二级料腿中，同时开始计时，△t₁时间后，关闭整个循环流化床。关闭的顺序是首先关闭二级料腿进气阀门，然后依次是燃烧室进气阀门和第一级料腿的进气阀门。取出热解室中的大颗粒物料称量，然后再取出燃烧室中的大颗粒物料称量，两次称量的物料量总和应等于最初加入的物料量。对应的1个时间△t₁，一般重复做3次，取平均值，作为1个实验数据点。取时间△t₂(△t₂>△t₁)，重复上述的操作。直到第二级循环料腿中加入的大颗粒物料量接近于零。一般对应一种大颗粒物料取8个数据点左右。

3 结果与模型讨论3.1实验结果与讨论 通过改变主床流化风速，第一、二级循环料腿的流化风速、大颗粒的种类和重量以及改变通过脱氯床的阻力，分别测得了各种工况条件下大颗粒物料的停留时间分布。如图2~7所示。

图2所示为主床流化风速U₁对大颗粒物料停留时间分布特性（RTD）的影响。U₁增大，循环流率R(kg/m²s)增加，单位时间内颗粒的溢出量增加，因此，颗粒总的停留时间降低。图3所示为第二级循环料腿流化风速U₂对RTD的影响。从图中可以看出，改变U₂，对大颗粒的停留时间影响不大。这是因为，U₂的变化对循环流率的贡献较小。同时，由于轻质的大颗粒在重质流化床中本身有上浮分离的趋势，而增加流化风速U₂，气泡数量和大小增加，床内扰动增强，颗粒的轴向返混加强^[5]。综合考虑这几个因素，使得颗粒的停留时间变化较小。图4所示为第一级循环料腿流化风速对RTD的影响。U₃增大，系统的循环流率增加，在U₂保持不变的情况下，单位时间从第二级料腿中溢流出的颗粒量增加，因此，颗粒总的停留时间减小。 图5所示为不同进样量对RTD的影响。当初始的大颗粒的质量分数降低时，颗粒总的停留时间基本不变，这说明在实验操作工况条件没有变化时，颗粒总的停留时间可能是一个与颗粒的物性参数有关的量。这可以从图7的实验结果得到验证。图6所示为第二级料腿上部脱氯床层高度变化时对RTD的影响。脱氯床层高度增加引起通过脱氯床层的压力增加，使得脱氯床下部空间压力增大。但是，由于系统的循环流率没有变化，表观流化气速没有变化，所以，颗粒在流化床中的混合特性不变，最终的停留时间也不会改变。 图7所示为不同种类粒子RTD的比较。对密度相等的绿豆和红豆两种粒子，颗粒直径增大，总的停留时间基本不变。密度不等的轻质粒子塑料珠，停留时间不仅比同粒径的红豆低，而且也低于粒径较小的绿豆的停留时间。这说明，颗粒密度对停留时间的分布要比颗粒直径影响大。由玻璃珠和沙子组成的等密度体系，两种粒子发生明显的分离。除了大约不到10%的玻璃珠在前期从第二级循环料腿口排出外，其余的玻璃珠粒子都沉积在流化床的底部。3.2 停留时间分布模型 本实验建立了如图8所示的两并联全混釜反应器模型。模型假设： （1）大颗粒物料进料方式为脉冲函数，并在很短的时间内完成。 （2）大颗粒物料在热解室中的流动假设首先为平推流，然后是两个并联的全混釜。平推流的停留时间为，可通过实验测定。两并联的全混釜停留时间分别为所占的比例分别为q、1-q。

对理想的搅拌池，可用如下的微分方程描述：对于脉冲输入信号的响应，可以求得停留时间累积函数微分方程(1)的解为根据模型提出的假设，可直接得到轻质颗粒在第二级循环料腿中的停留时间分布密度函数为

利用最小二乘法，可以对所测得的实验数据曲线进行拟合，求得模型参数和q的值。其中的值由实验测得。根据模型的假设，大颗粒物料在第二级循环料腿中的平均停留时间为3.3 模型结果与讨论 图2~图7中实线所示为模型计算的结果，不同实验工况下的模型参数、q见表2。从图中实验数据与模型计算结果的比较来看，该模型很好的模拟了实验结果，平均误差小于5%。模型的物理意义可以解释为：轻质大颗粒从热解室底部端口进入二级料腿后，颗粒流量进行了不均匀分配，一部分颗粒停留时间短，而另一部分颗粒停留时间较长。其中靠近溢流口侧的部分颗粒能以较短的平均停留时间从二级料腿溢出， 而远离溢流口侧的部分颗粒需要经过较长时间才能从二级料腿溢出。 从表中的结果可知，循环流率的增加使停留时间急剧降低。而表观气速U₂变化对大颗粒的平均停留时间影响不大。颗粒的密度和尺寸对停留时间均有影响，但是，密度对停留时间的影响要比尺寸的影响大。这与Chiba^[6]和Manfred^[7]得到的结论相同。对密度较轻的塑料珠要比密度较重的红豆的平均停留时间短。这可能由于不同密度的颗粒在气泡上升的通路上下降的距离不同，密度越轻，下降距离越小，能够更快的运行到床层表面而溢出。 本文所有的实验是在二级料腿的表观气速U₂大于2倍的最小流化气速的情况下完成的。大颗粒物料与沙子在流化床中混合较好，Wu^[8]和Rowe^[9]在对沙子和大尺寸的轻质物料最混合研究时也得到了类似的结论。同时，根据Rasul^[10]和Mohammad^[11]给出的关于混合分离的判据，也可以证明本实验条件下颗粒与沙子处在混合较好的区域。 在流化床设计和运行时，只要保证二级料腿的流化数大于2，垃圾与流化介质沙子混合良好，这对垃圾的完全热解是必要的。垃圾中不可燃的重质组分在流化床中一般沉积于床底，要使这部分物料在流化床底部聚集到一起，从排渣口定期排出。由于垃圾中的可燃组分以轻质物料(与沙子相比)居多，轻质的垃圾组分具有明显的上浮趋势，造成部分垃圾停留时间较短，热解不完全。同时，大颗粒物料在细颗粒流化床中还表现出了横向混合较弱的特点。所以，在第二级循环料腿设计中，布风板、溢流口的设计就显得尤为重要。同时，合理的配风，增加流化床内颗粒的扰动，使混合加强，有利于垃圾组分在停留时间内达到完全热解。

4 结论 本文所有的实验工作均在双级料腿循环流化床冷模实验装置中完成。通过对实验结果的分析，主要得到了如下的结论： （1）采用两并联的全混流来模拟轻质大颗粒物料在第二级循环料腿中的停留时间分布特性，建立了停留时间分布数学模型，模型较好的模拟了实验结果，平均误差小于5%。结果表明，在流化数大于2时，轻质颗粒与床料混合较好，没有明显的分离现象发生。 （2）影响颗粒停留时间的主要因素是循环流率、表观流化气速、颗粒的密度和尺寸。循环流率增大，停留时间急剧降低。表观气速对停留时间影响较小。颗粒密度对停留时间的影响比尺寸要大。颗粒越轻，停留时间越短。当颗粒密度达到循环沙子的密度时，两种粒子分层，大颗粒的粒子绝大部分沉积在床底，不能从溢流口排出。

参考文献

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