趙文立，沙作良，王鐵峰，王金福

(1. 天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2. 清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084)

內(nèi)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)速率實(shí)驗(yàn)研究

趙文立1，沙作良1，王鐵峰2，王金福2

(1. 天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2. 清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084)

采用熱顆粒示蹤和信號(hào)相關(guān)法對(duì)氣固內(nèi)循環(huán)流化床的顆粒循環(huán)速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．考察操作氣速、提升管下部孔徑和提升管高度對(duì)于顆粒循環(huán)速率的影響．結(jié)果表明：在所考察的實(shí)驗(yàn)條件下，顆粒循環(huán)速率在 15～70,kg/(m2·s)之間變化．操作氣速增大時(shí)，顆粒流化程度增強(qiáng)，顆粒循環(huán)速率增加；提升管下部開孔數(shù)目不變而孔徑增加時(shí)，顆粒循環(huán)阻力減小，顆粒循環(huán)速率明顯增加；提升管高度由235,mm增加到295,mm時(shí)，顆粒循環(huán)速率呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，在提升管高度為265,mm時(shí)存在極大值．

內(nèi)循環(huán)流化床；顆粒循環(huán)速率；熱顆粒示蹤

Abstract：The solid circulation rate was experimentally studied by heat-particle tracing and correlation function method.The effects of superficial gas velocity，diameter of orifices on the riser wall and height of the riser on the solid circulation rate were studied in an internally circulating fluidized bed reactor. The results showed that the circulation rate Gswas in the range of 15 to 70,kg/(m2·s). With an increase in the gas velocity，the fluidization of the particles was enhanced and resulted in an increase in Gs. With a fixed number of orifices，increased orifice diameter decreased the friction of the particle circulation and increased the circulation rate. The solid circulation rate had a maximum with the riser height 265,mm when the riser heath changed in the range of 235,mm to 295,mm.

Keywords：internally circulating fluidized bed；solid circulation rate；heat-particle tracing

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，能源的需求量劇增．循環(huán)流化床作為一種氣固接觸面積大、反應(yīng)效率高的工業(yè)反應(yīng)器，被廣泛應(yīng)用于煤的燃燒與氣化、固體廢物焚化以及石油加工領(lǐng)域[1–3]．但是，傳統(tǒng)的循環(huán)流化床需要較高的提升管以及旋風(fēng)分離器．為了降低流化床的高度以及昂貴的設(shè)備費(fèi)用，各種內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器[4–5]相繼被開發(fā)出來．這種反應(yīng)器由低速的移動(dòng)床(下降管)與高速的流動(dòng)床(提升管)構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)．流化床中的顆粒在氣體的帶動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)，顆粒進(jìn)入移動(dòng)床后開始向下運(yùn)動(dòng)，形成了大尺度的顆粒循環(huán)．除了結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低廉外，內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器還有許多優(yōu)點(diǎn)．例如，反應(yīng)過程中的熱損失較低；對(duì)于一些燃燒過程來說，顆粒在移動(dòng)床中較長的停留時(shí)間可以大大提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率．另外，利用內(nèi)循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可以對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分區(qū)，通過對(duì)加熱區(qū)(移動(dòng)床)和主反應(yīng)區(qū)(流化床)的分別布?xì)怙L(fēng)形成了固相顆粒內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了加熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)的分離．

在內(nèi)循環(huán)流化床的眾多可控參數(shù)中，顆粒循環(huán)速率(Gs)對(duì)于顆粒停留時(shí)間、傳質(zhì)傳熱等參數(shù)具有重要影響．Milne等[6]認(rèn)為基于下降管橫截面積的固體循環(huán)速率與下降管的表觀氣速呈線性關(guān)系，而提升管的表觀氣速對(duì)其影響不大．Lanauze[7]基于流化床與移動(dòng)床的固含率差別建立了預(yù)測(cè)提升管固含率的模型．Song等[8]測(cè)量了 3種氣體分布器下的顆粒循環(huán)速率，并對(duì)錐形分布器進(jìn)行了進(jìn)一步的討論．Ahn等[9]利用 De Jong 和 Hoelen[10]提出的公式擬合過孔循環(huán)量數(shù)據(jù)，并得到了相應(yīng)的流量系數(shù)．Chu和Hwang[11]在與外界壓力平衡的基礎(chǔ)上，在一個(gè)多腔內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器內(nèi)建立了數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測(cè)顆粒質(zhì)量流率．Shih等[12]研究了流化床與移動(dòng)床的表觀氣速、顆粒平均粒徑與提升管形狀對(duì) Gs的影響，并提出了穩(wěn)態(tài)下預(yù)測(cè) Gs的關(guān)聯(lián)式．Cheng等[13]在加壓下降管中使用壓力計(jì)來預(yù)測(cè) Gs，獲得了一些在不同的區(qū)域利用壓差預(yù)測(cè) Gs的關(guān)聯(lián)式．Patience等[14]通過測(cè)量提升管與上部旋風(fēng)分離器中間的圓柱形管道內(nèi)的壓降預(yù)測(cè)Gs．

本文采用改進(jìn)的熱示蹤法對(duì)內(nèi)循環(huán)流化床的顆粒循環(huán)速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了流化數(shù)、提升管開孔直徑和提升管高度對(duì)Gs的影響．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示，由有機(jī)玻璃制成，其外徑為 130,mm，內(nèi)徑為 120,mm，高度為 800,mm；內(nèi)部設(shè)有提升管，其外徑為 80,mm，內(nèi)徑為 70,mm，高度為250,mm，在提升管下部均勻分布孔徑為10,mm的24個(gè)小孔．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Scheme of the experimental apparatus

氣體分布器與提升管底部相連，直徑 120,mm．在保證過孔氣速的條件下，在提升管與環(huán)隙部位均勻打孔，孔徑 1,mm．氣體分布板下部存在兩個(gè)氣室，為床層流化提供氣體．上面的擴(kuò)大段外徑為 310,mm，內(nèi)徑 250,mm，高 400,mm，可以防止氣速較高時(shí)的顆粒夾帶現(xiàn)象．顆粒為平均粒徑 300,μm 的石英砂，按照Gerldart分類法屬于B類顆粒，起始流化速度Umf為 0.051,m/s．空氣由空氣壓縮機(jī)出來，經(jīng)過分子篩、減壓閥與氣體流量計(jì)進(jìn)入反應(yīng)裝置，經(jīng)過氣體分布器進(jìn)入顆粒床層使顆粒流化，經(jīng)擴(kuò)大段進(jìn)行氣固分離后，從上面的出氣管排出．

1.2 測(cè)量方法

1.2.1 下降管平均固含率εs

利用壓差法測(cè)量環(huán)隙下降管的平均固含率．具體方法是用壓力傳感器測(cè)量?jī)奢S向位置間的床層壓差，壓差由兩測(cè)點(diǎn)間氣固混合物與氣體密度的不同所致．記兩測(cè)點(diǎn)間距為 h1，則壓差 Δp與平均固含率 εs滿足

式中：Δp為壓力探頭測(cè)量點(diǎn)間壓差，Pa；ρs為顆粒密度，kg/m3；ρf為空氣密度，kg/m3，此處忽略不計(jì)；h1為壓力探頭測(cè)量點(diǎn)間距離，mm；εs為測(cè)量點(diǎn)間平均固含率，無量綱．

1.2.2 顆粒平均速度us與顆粒循環(huán)速率Gs

采用熱示蹤法測(cè)量顆粒平均速度．傳統(tǒng)的熱示蹤法采用熱電偶測(cè)量顆粒床層溫度，由于氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱顆粒與熱電偶的接觸不均勻，而且熱電偶的響應(yīng)時(shí)間長，造成信號(hào)峰拖尾現(xiàn)象，增加了實(shí)驗(yàn)誤差．為了提高實(shí)驗(yàn)精度，本實(shí)驗(yàn)采用了Raytek compact MI型紅外測(cè)溫探頭進(jìn)行測(cè)量，該探頭響應(yīng)時(shí)間為150,ms(95%)，測(cè)量精度為±1%或1,℃．測(cè)量時(shí)首先把加料裝置傾斜一定角度固定在外筒壁上，下降管內(nèi)顆粒流化以后有一小部分進(jìn)入加料管．在加料管上用加熱帶加熱并用溫度控制儀進(jìn)行控溫，待溫度達(dá)到設(shè)定值后用高壓脈沖把高溫顆粒打入流化床中．進(jìn)料口下端兩個(gè)紅外溫度探頭對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過信號(hào)相關(guān)處理即可求得顆粒平均速度

式中：h2為紅外探頭測(cè)量點(diǎn)間距離，cm；Δt為當(dāng) c(τ)取得極大電信號(hào)值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s．其中Δt由式(4)確定

式中：V1(t)為上游探頭的電信號(hào)值，mV；V2(t)為下游探頭的電信號(hào)值，mV；c(τ)為兩路電信號(hào)積分值．

圖2為對(duì)典型信號(hào)示意圖．

圖2 兩路紅外測(cè)溫探頭的典型輸出信號(hào)Fig.2 Typical signals from the infrared temperature probes

顆粒循環(huán)速率Gs可由式(5)進(jìn)行計(jì)算

2 結(jié)果與討論

2.1 流化數(shù)對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響

在氣固內(nèi)循環(huán)流化床中，當(dāng)提升管和下降管表觀氣速不同時(shí)，則兩區(qū)域的固含率也不同，在密度差的推動(dòng)下形成顆粒的循環(huán)流動(dòng)．在本實(shí)驗(yàn)中，中心管的操作氣速比環(huán)隙的操作氣速大，因此，中心管作為提升管，環(huán)隙作為下降床．為使表觀氣速數(shù)據(jù)在工業(yè)放大過程中便于參考，本工作使用流化數(shù)代替表觀氣速．流化數(shù)為表觀氣速與顆粒起始流化速度的比值．其中 UR為提升管表觀氣速，UD為下降床表觀氣速，Umf為顆粒起始流化速度且僅與顆粒物理性質(zhì)有關(guān)．圖 3為提升管流化數(shù)(UR/Umf)與下降管流化數(shù)(UD/Umf)對(duì)于顆粒循環(huán)速率 Gs的影響．隨著 UR/Umf增大，提升管中顆粒床層的固含率下降，提升管與下降管的密度差增大，使得 Gs逐漸增大，但是其增加速率在氣速進(jìn)一步提高時(shí)明顯降低．Song等[8]認(rèn)為，在較高氣速下，提升管內(nèi)部會(huì)形成中間上升、邊壁下降的內(nèi)環(huán)流結(jié)構(gòu)，且隨著氣速增大顆?；旌蠂?yán)重．此外，提升管入口氣速較大時(shí)，一部分氣體通過提升管底部的開孔進(jìn)入環(huán)隙下降床，導(dǎo)致提升管與下降管的操作氣速差別和床層密度差降低，阻礙顆粒循環(huán)速率的進(jìn)一步增大．另外，下降管表觀氣速也對(duì)顆粒循環(huán)速率有明顯影響．因此，進(jìn)一步在相同UR/Umf下考察了 UD/Umf對(duì) Gs的影響．圖 3表明，在所考察的操作條件，增大UD/Umf可以明顯地提高顆粒循環(huán)速率．由以上結(jié)果可知，Gs不僅受到提升管和下降管床層密度差的影響，而且與下降管的流化質(zhì)量密切相關(guān)．當(dāng)UD/Umf為 1.46時(shí)，下降管床層的流化質(zhì)量較差．隨著 UR/Umf增加，Gs的增加速率下降較快，當(dāng) UD/Umf為2.92甚至更高時(shí)，下降管均勻流化，Gs會(huì)有明顯的增加，且增加速率隨著UR/Umf增加變化不大．

圖3 流化數(shù)對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響Fig.3 Effect of fluidization number on Gs

2.2 提升管開孔直徑對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響

圖4 提升管開孔直徑對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響Fig.4 Effect of diameter of orifices on Gs

2.3 提升管高度對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響

圖5 為UD/Umf＝2.19時(shí)，提升管高度HR對(duì)于顆粒循環(huán)速率 Gs的影響．當(dāng) HR在 235～295,mm 之間變化時(shí)，Gs在 HR＝265,mm 附近存在一個(gè)極大提升管下部開孔數(shù)目一定時(shí)，開孔直徑 dor決定了顆粒循環(huán)流通面積，因此對(duì)顆粒循環(huán)量有顯著影響．UD/Umf＝2.19時(shí)，提升管開孔直徑對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響如圖 4所示．從圖 4中可以看出，當(dāng) dor由8,mm 增加到 16,mm 時(shí)，顆粒循環(huán)速率明顯增大．其原因在于開孔率增加使顆粒循環(huán)流通面積增大，流動(dòng)阻力減小，顆粒與氣體更容易通過開孔從下降管進(jìn)入提升管．這個(gè)結(jié)果與Milne等[6]和Ahn等[9]報(bào)道的結(jié)果一致．他們認(rèn)為，當(dāng) dor較小時(shí)，下降管小孔附近會(huì)出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象，阻礙氣流和顆粒從提升管進(jìn)入下降管．在本研究中，提升管下部開孔率較大，但是當(dāng)dor較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象，Gs隨著 UR/Umf的增大變化不明顯；而當(dāng)dor逐漸增大以后，氣流與顆粒的過孔阻力會(huì)逐漸降低，Gs會(huì)隨著 UR/Umf的增大而大幅度增加．值．Shih等[12]認(rèn)為，隨著HR升高，顆粒和提升管之間的摩擦力不斷增大，而且提升管中的顆?；芈涞目赡苄暂^大，當(dāng)提升管超過床層時(shí)回落程度減小，所以 Gs會(huì)存在一個(gè)先下降后上升再下降的過程．由于 Shih等[12]采用的設(shè)備規(guī)模較大，摩擦力對(duì) Gs的影響比本實(shí)驗(yàn)裝置更明顯．本實(shí)驗(yàn)的靜床層高度為 245,mm，當(dāng) HR為 235,mm時(shí)提升管完全位于床層以下．提升管頂部的顆粒在氣體曳力以及氣泡破碎的作用下存在從提升管到下降管和從下降管到提升管兩種運(yùn)動(dòng)．由于提升管操作氣速高于下降管操作氣速，使得提升管床層高于下降管床層．隨著 HR升高，顆粒從下降管運(yùn)動(dòng)落入提升管的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)逐漸減小，造成了提升管內(nèi)外密度差增加，循環(huán)量增大．當(dāng) HR進(jìn)一步增大時(shí)，由于UR導(dǎo)致的床層膨脹有限，提升管內(nèi)顆粒落入下降床的量迅速減小，Gs明顯下降．

圖5 提升管高度對(duì)顆粒循環(huán)速率的影響Fig.5 Effect of height of draft tube on Gs

3 結(jié) 論

(1)操作氣速增大時(shí)，顆粒流化程度增強(qiáng)，顆粒循環(huán)速率 Gs增加；在所考察的實(shí)驗(yàn)條件下，Gs在 15～70,kg/(m2·s)之間變化．

(2)提升管下部開孔數(shù)目不變而孔徑增加時(shí)，顆粒循環(huán)阻力減小，顆粒循環(huán)速率明顯增加．

(3)提升管高度由235,mm增加到295,mm時(shí)，顆粒循環(huán)速率呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，在提升管高度為265,mm時(shí)存在極大值．

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Experimental Study on the Solid Circulation Rate in an Internally Circulating Fluidized Bed

ZHAO Wen-li1，SHA Zuo-liang1，WANG Tie-feng2，WANG Jin-fu2
(1. College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2. Department of Chemical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

TQ013.2

A

1672-6510(2011)01-0023-04

2010–10–15；

2010–11–26

天津市科委國際合作項(xiàng)目(07ZCGHHZ01600)；北京市科技新星項(xiàng)目(2009B35)

趙文立（1985—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：王鐵峰，副教授，wangtf@tsinghua.edu.cn.