利用光纤传感技术对旋风热解器中高密度粒子带进行识别与不稳定性分析

《Separation and Purification Technology》：Identification and instability characterization of a high-density particle band in a cyclone pyrolyzer using fiber optic sensing

　　

张楠|杨景轩|魏晓阳|连文浩|李东兵|张忠林|郝晓刚|阿布利蒂·阿布杜拉|关国庆|范慧玲

中国山西省太原市太原理工大学化学与化学工程学院，邮编030024

摘要

在旋风式热解器中，高密度颗粒带是促进二元颗粒间快速混合和高效传热的关键流体动力学特征。然而，由于气流场的固有不稳定性，高密度颗粒带往往会出现不稳定的流动结构，而目前文献中尚未有关于其不稳定性的研究。本研究利用光纤传感技术系统地研究了旋风式热解器中高密度颗粒带的不稳定性特征与形成机制。通过设定0.05的固体含量阈值，可区分分散颗粒与高密度颗粒带。研究结果表明，当平均固体含量超过0.15时，颗粒主要聚集在高密度颗粒带内，即该结构开始形成。高密度颗粒带的质量分数始终高于其存在时间分数，其完全形成的条件为存在时间分数大于0.3且对应质量分数大于0.9。动态分析显示，随着平均固体含量的增加，高密度颗粒带的持续时间也会增加，但其出现频率则先上升后下降。频域分析表明，在测量位置，固体含量波动信号仅存在一个主导频率峰，说明固相主要受周期性流动结构的控制。这些发现为理解高密度颗粒带的流体动力学特性提供了重要依据，同时也为优化旋风式热解器的稳定性提供了实用指导。

引言

煤炭是中国最重要的能源和化工原料，约占一次能源总量的50%，短期内煤炭为主的能源结构不会发生改变[1]、[2]、[3]、[4]。我国煤炭资源中低阶煤占比超过一半，而且由于高阶煤消耗过度，这一比例还在上升[5]、[6]。低阶煤的热值低、含水量高、挥发分高，直接燃烧效率低且会造成严重环境污染[7]、[8]、[9]。鉴于其较高的热化学反应性，热解和气化是能够充分利用挥发分生产高附加值产品的有效热化学转化技术[10]、[11]。与气化相比，热解反应所需的温度更低，且只需一步即可完成，因此被认为是在清洁高效利用低阶煤方面最具前景的技术。目前，基于循环流化床技术，已开发出一系列以热解为核心的低阶煤多联产技术[7]、[12]、[13]。

在循环流化床系统中，通常采用降流式热解器对低阶煤进行热解以获得中间产物，因为它具有停留时间短、停留时间分布窄以及呈塞流状态等优点[14]、[15]、[16]。但在传统的降流式热解器中，固体含量通常低于0.03，很难大幅提高，这限制了传热效率和热解效率[14]、[17]。为克服这一缺陷，人们在传统降流式热解器中引入离心力场，从而设计了旋风式热解器[4]、[18]。在旋风式热解器中，颗粒在离心力作用下被限制在靠近壁面的区域，形成高固体含量区域。实验和数值模拟结果均表明，旋风式热解器中的固体含量可轻松达到0.3，这一数值比降流式热解器高出一个数量级[4]、[18]、[19]。张等人发现，旋风式热解器不仅能显著提升传热效率，其设备高度还仅为降流式热解器的1/4[7]。此外，旋风式热解器还保留了降流式热解器的塞流优势，同时能在离心力作用下快速分离气体产物，减少二次反应，进一步提升热解效率[18]、[20]、[21]。因此，相比降流式热解器，旋风式热解器更适合作为循环流化床系统中的低阶煤热解反应器。

在旋风式热解器的近壁面区域，大部分颗粒会频繁地在特定的周向角度聚集，形成高密度颗粒带，而其余的分散颗粒则分布在其他周向角度区域[22]、[23]。高密度颗粒带处于高度集中的区域内，有助于实现携带热量的颗粒与煤颗粒之间的充分混合和高效传热，从而显著提升热解效率。曹等人利用高速摄影技术研究了高密度颗粒带的宏观流动行为，发现气流场对其形态特征有着重要影响[22]。连等人也通过计算流体力学-离散元方法证实，气流场与高密度颗粒带的结构特征之间存在密切关联[4]。张等人则研究了高密度颗粒带的形成机制，发现气流场产生的正颗粒压力梯度会促使颗粒从固体含量较低的区域向固体含量较高的区域迁移[10]。这些研究共同表明，气流场在高密度颗粒带的结构特征中起着关键作用。在相关的气流动力学研究中，孙等人和刘等人发现，气流场具有复杂的非稳态特性，表现为气体旋流的高频波动以及气核的周期性振荡[24]、[25]、[26]。因此，气流的非稳态波动必然会导致高密度颗粒带的动态演变和非稳态特性。尽管目前许多基础研究都集中在气流的非稳态结构上[23]、[25]、[26]，但对于理解旋风式热解器流体动力学而言同样重要的高密度颗粒带的不稳定性特征，至今仍未有相关研究报道。

本研究利用光纤传感技术系统地研究了旋风式热解器中高密度颗粒带的不稳定性特征。通过分析固体含量的概率密度分布，确定了用于区分高密度颗粒带（密相）与分散颗粒（稀相）的固体含量阈值。为阐明其非稳态动态特性，研究了高密度颗粒带的固体含量、相分数、存在持续时间及出现频率等属性。此外，还通过快速傅里叶变换进行了幅频分析，以揭示固体含量信号的周期性波动特征[26]。本研究旨在明确高密度颗粒带的动态结构，从而为旋风式热解器的稳定控制及规模化应用提供指导。

章节节选

实验装置

本研究构建了一个双入口旋风式热解器的实验系统（如图1所示），气体和颗粒分别通过两个螺旋给料器和控制阀独立调控。气体流量通过涡流流量计测量，而颗粒的质量流量则由四个重量传感器检测。气体经过袋式过滤器过滤后排走，而从旋风式热解器底部流出的颗粒则被收集在

相态划分

本研究对旋风式热解器内的非均匀结构进行了全面分析。根据颗粒的分布情况，将颗粒划分为高密度颗粒带（密相）和分散颗粒（稀相）。由于这是首次对这两种颗粒流动状态进行定量分析，因此首先研究了整体流动特性以建立基准。在此基础上，选择了合适的方法来

结论

本研究利用光纤传感技术系统地研究了旋风式热解器中高密度颗粒带的瞬时流动结构。0.05的静态固体含量阈值可有效区分旋风式热解器中的分散颗粒和高密度颗粒带。从固体含量、相分数、存在持续时间及频率等方面对高密度颗粒带的相态特性进行了全面分析。主要结论如下：

• (1)
  高密度颗粒带的固体含量会随着固体质量的增加而上升

作者贡献说明

张楠：论文撰写——初稿撰写、审稿与编辑、研究工作、方法设计、结果验证。杨景轩：论文撰写——审稿与编辑、研究指导、结果验证。魏晓阳：论文撰写——审稿与编辑、方法设计、研究指导、结果验证。连文浩：论文撰写——审稿与编辑。李东兵：论文撰写——审稿与编辑。张忠林：论文撰写——审稿与编辑。郝晓刚：论文撰写——审稿与编辑。阿布利蒂·阿布杜拉：论文撰写——审稿与编辑。关国庆：论文撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省重大科技专项（项目编号：202501090302003）、国家自然科学基金（项目编号：22378285和22108262）以及中国山西省留学人员奖学金委员会（编号：2022-138）的支持。