李 睿，張少峰,2，王德武

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130）

出口結(jié)構(gòu)對循環(huán)流化床提升管內(nèi)氣固流動的約束影響

李 睿1，張少峰1,2，王德武1

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130）

循環(huán)流化床提升管出口結(jié)構(gòu)不同，對提升管內(nèi)氣固流動的約束影響不同，因此所適用的過程及工藝不同。按出口氣固轉(zhuǎn)向形式，總體上可分為氣固轉(zhuǎn)向型出口和非轉(zhuǎn)向型出口兩類，針對研究及應(yīng)用較多的氣固轉(zhuǎn)向型出口，概述了出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)軸、徑向流動特性以及顆粒內(nèi)、外循環(huán)強(qiáng)度等參數(shù)的影響，總結(jié)評述了現(xiàn)有量化分析比較出口結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度的方法，并對未來研究方向進(jìn)行了展望。

循環(huán)流化床；提升管；出口結(jié)構(gòu)；約束影響；氣固流動；綜述

循環(huán)流化床作為一種高效的反應(yīng)器，具有相間接觸面積大、傳質(zhì)傳熱效率高等優(yōu)點[1]，在能源、化工、冶金等以氣相或顆粒相加工為主的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。提升管是循環(huán)流化床內(nèi)氣固接觸及反應(yīng)的主要場所，其中的氣固流動性能不僅影響系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，也影響整個裝置效率的高低[5]。為此，以往研究者在顆粒物性、操作條件、裝置結(jié)構(gòu)等對提升管內(nèi)氣固流動的影響方面進(jìn)行了大量的研究，其中有關(guān)裝置結(jié)構(gòu)影響的研究表明[6-10]，不同的出口結(jié)構(gòu)形式對提升管內(nèi)氣固流動及系統(tǒng)操作的約束影響不同。因此，在實際應(yīng)用中，針對不同工藝過程特點和要求，往往采用的出口結(jié)構(gòu)不同，如：對于循環(huán)流化床鍋爐，為了提高煤粉的燃燒時間和燃燒效率，一般采用約束性較強(qiáng)的出口結(jié)構(gòu)以增加顆粒的回流率[11]；而對于石油催化裂化過程，為了降低油氣的二次裂化反應(yīng)，一般采用約束性較弱的出口結(jié)構(gòu)以降低油氣返混[12]；也有從出口設(shè)備防磨損的角度考慮而采用約束性較強(qiáng)的氣墊彎頭的形式[13]。

出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)氣固流動的影響，研究者將其稱為“出口效應(yīng)”或“端頭效應(yīng)”[14]，其實質(zhì)是出口結(jié)構(gòu)對出口區(qū)氣固流動的約束作用及這種約束作用沿提升管軸徑向發(fā)展的一種體現(xiàn)。出口結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)度不同，提升管內(nèi)軸徑向固含率、顆粒速度、質(zhì)量流率、氣固返混等參數(shù)的分布不同，對此，程易等[15]對常見的幾種出口結(jié)構(gòu)從定性上對其進(jìn)行了分類，將其劃分為強(qiáng)約束出口、中等約束出口、弱約束出口及最弱約束出口。這種定性上的劃分，對于同一種出口結(jié)構(gòu)，在不同操作條件下所表現(xiàn)出來的約束特性，就無法直接進(jìn)行比較，因此，一些研究者針對出口結(jié)構(gòu)的約束影響，結(jié)合這種影響所引起的提升管內(nèi)氣固流動參數(shù)的變化規(guī)律，建立了一些定量分析的方法。本文從實驗研究及工業(yè)應(yīng)用中常見的幾種出口結(jié)構(gòu)出發(fā)，概述了出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)軸、徑向氣固流動的影響，以及出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)、外顆粒循環(huán)強(qiáng)度的影響，同時，也對前人用于定量分析出口結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度所建立的一些方法進(jìn)行了概括和評述，以期為工業(yè)應(yīng)用或?qū)嶒炑芯恐刑嵘艹隹诮Y(jié)構(gòu)的選擇與裝置調(diào)控提供參考。

1 提升管出口結(jié)構(gòu)形式

提升管出口結(jié)構(gòu)按氣固流動形式可歸結(jié)為兩類：一是氣固轉(zhuǎn)向型出口結(jié)構(gòu)，如T型出口（包括其相關(guān)改進(jìn)形式）[6-8,16-18]、L型出口（包括其相關(guān)改進(jìn)形式）[6,7,13,19]、C型出口（包括其相關(guān)改進(jìn)形式）[20-22]，這類出口結(jié)構(gòu)在以往研究及應(yīng)用中報道較多；二是氣固非轉(zhuǎn)向型的出口結(jié)構(gòu)，如“氣固分布器+流化床層”形式的出口[23]，這類出口結(jié)構(gòu)主要用在提升管與其它床型串聯(lián)組合的裝置上[24-27]。對于以上出口結(jié)構(gòu)的幾何形式如表1所示。

本文主要基于第一類出口結(jié)構(gòu)的約束影響進(jìn)行相關(guān)對比及論述。

表1 提升管出口結(jié)構(gòu)示意圖Table 1 Schematic diagram of riser outlet structure

2 出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)氣固流動特性的影響

出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)氣固流動特性的影響，主要體現(xiàn)在流動參數(shù)曲線的軸、徑向分布形態(tài)及量值大小兩方面。在提升管內(nèi)各種流動參數(shù)中，固含率是具有代表性且相對容易獲得的流動特性參數(shù)之一，故本節(jié)以不同出口結(jié)構(gòu)下的固含率軸、徑向分布特性為例進(jìn)行分析說明。

2.1 出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)軸向流動特性的影響

對于C型出口結(jié)構(gòu)，當(dāng)提升管較高，氣固流動能夠達(dá)到充分發(fā)展的情況下，Bai和Kato[28,29]在綜合了大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和自己實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上認(rèn)為，隨著顆粒循環(huán)強(qiáng)度由小到大逐漸增加，固含率沿軸向依次會呈現(xiàn)直線型、指數(shù)型和S型的分布特征，此后再繼續(xù)增大顆粒循環(huán)強(qiáng)度，將只造成底部密相高度增加，并不影響床層底部與頂部的固含率。對于L型、T型出口結(jié)構(gòu)，Jin[7]的研究表明，在表觀氣速小于3 m/s的情況下，出口結(jié)構(gòu)對提升管軸向流動影響較小；而 Suneel[30]進(jìn)一步研究認(rèn)為，隨著表觀氣速和顆粒循環(huán)強(qiáng)度增加，出口約束影響將逐漸明顯，出口影響區(qū)內(nèi)固含率增大，影響區(qū)以外固含率基本不變，此時固含率軸向分布呈頂部大、底部小的特征，若此時繼續(xù)增大顆粒循環(huán)強(qiáng)度，出口影響區(qū)范圍逐漸向下拓展，同時伴隨提升管底部固含率增大，中間固含率基本不變，固含率軸向分布發(fā)展為兩端大、中間小的C型分布特征，若再進(jìn)一步增大循環(huán)強(qiáng)度，則在保持C型分布特征的情況下，整個軸向固含率都將增加。在操作條件相同的情況下，金燕等[13]比較了C型、L型、T型出口結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)度認(rèn)為，C型出口無明顯約束作用，T型出口較L型出口約束影響更明顯，表現(xiàn)為出口影響區(qū)長度及影響區(qū)內(nèi)同一位置固含率增加幅度更大。以上關(guān)于不同出口結(jié)構(gòu)下的軸向流動特性對比可參見圖1。

圖1 不同出口結(jié)構(gòu)下固含率軸向分布特征的比較Fig.1 Comparison of axial distributions of solids holdup under different outlet structures

以上研究結(jié)論主要基于循環(huán)強(qiáng)度相對較低的操作條件，而P?rssinen等[31]在顆粒循環(huán)強(qiáng)度較高時（G≥400 kg/（m2·s））研究發(fā)現(xiàn)，對于C型出口結(jié)構(gòu)，提升管出口區(qū)域也存在明顯的約束效應(yīng)，提升管內(nèi)固含率沿軸向在接近出口的區(qū)域仍然會出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象。

2.2 出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)徑向流動特性的影響

出口結(jié)構(gòu)對于徑向流動特性的影響主要體現(xiàn)在靠近出口的區(qū)域，其中氣固出口轉(zhuǎn)向形式主要影響固含率徑向分布曲線的形態(tài)，而出口約束強(qiáng)度主要影響固含率量值的大小。對于各類出口結(jié)構(gòu)，整體上，固含率徑向分布仍然表現(xiàn)為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)-核型分布特征[32]。對比C型、L型、T型出口結(jié)構(gòu)，在操作條件相同的情況下，在出口影響區(qū)內(nèi)同一高度截面上，固含率徑向分布僅在量值上依C型、L型、T型出口的次序而有所增大，且在核心區(qū)，固含率增大的幅度要小于環(huán)形區(qū)，具體可參見圖2。

圖2 不同出口結(jié)構(gòu)下固含率徑向分布特征的比較Fig.2 Comparison of radial distributions of solids holdup under different outlet structures

與C型、L型、T型等氣固轉(zhuǎn)向型出口相比，王德武等[33]采用“氣固分布器+流化床層”形式的非轉(zhuǎn)向型出口結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，在出口約束阻力較大的情況下，受倒錐形氣固分布器結(jié)構(gòu)影響，提升管擴(kuò)徑位置下方會存在一段固含率最大值出現(xiàn)在無因次半徑0.7附近的區(qū)域，而整體上的環(huán)-核分布特性基本不變。對于出口影響區(qū)內(nèi)同一截面的周向不同徑向位置，Wu Xuezhi等[34]采用數(shù)值模擬的方法對C型和T型出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明，C型出口的約束性相對較弱，周向不同徑向位置上固含率基本呈對稱分布，而T型出口受其強(qiáng)約束性的影響，同一截面周向不同徑向位置上的固含率分布并不對稱。而Yan Aijie等[35]采用C型出口在顆粒循環(huán)強(qiáng)度較高的條件下得到的結(jié)果與低循環(huán)強(qiáng)度時不同，其研究結(jié)果顯示，在接近出口的截面上，在垂直于氣固轉(zhuǎn)向出口方向的徑向位置，固含率徑向上大小呈對稱分布，而在平行于氣固轉(zhuǎn)向出口方向的徑向位置，固含率徑向分布并不對稱，其主要體現(xiàn)在邊壁環(huán)形區(qū)內(nèi)，在遠(yuǎn)離氣固轉(zhuǎn)向的一端，邊壁環(huán)形區(qū)內(nèi)固含率相對較大。

3 出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)、外顆粒循環(huán)強(qiáng)度的影響

出口結(jié)構(gòu)及其約束作用會對提升管內(nèi)特別是出口區(qū)顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度（內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度也稱下行顆粒循環(huán)強(qiáng)度）產(chǎn)生影響，金燕等[14]研究比較了C型和T型出口對提升管內(nèi)局部顆粒循環(huán)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在相同的操作條件下，C型出口結(jié)構(gòu)由于其約束作用較弱，對顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度無明顯影響，而T型出口結(jié)構(gòu)會顯著增大出口邊壁區(qū)域的顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度，從而在遠(yuǎn)離飽和夾帶的條件下就能夠得到只有在接近飽和夾帶時才能得到的下降顆粒流。安恩科等[17,36,37]通過實驗進(jìn)一步考察了 T型出口的凸起高度和床頂結(jié)構(gòu)型式對內(nèi)循環(huán)顆?；亓鏖L度的影響，結(jié)果表明，在一定的表觀氣速和顆粒外循環(huán)強(qiáng)度下，采用平床頂時，凸起高度越高，顆?；亓鏖L度越長，當(dāng)高度超過一定值以后，回流長度基本不再變化；采用斜床頂時，由于受床頂導(dǎo)流作用，內(nèi)循環(huán)顆?；亓鏖L度較平床頂結(jié)構(gòu)增加。Van等[38]通過研究T型和L型出口對出口區(qū)截面局部顆粒循環(huán)強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，在垂直于氣固轉(zhuǎn)向出口的方向上，顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度基本呈對稱分布，而在平行于氣固轉(zhuǎn)向出口的方向上，顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度并不對稱(圖3)。

圖3 不同出口結(jié)構(gòu)下提升管所能達(dá)到的最大顆粒外循環(huán)強(qiáng)度的比較Fig.3 Comparison of the largest particles outer circulation strength under different outlet structures

為了在提升管內(nèi)實現(xiàn)高密度、高循環(huán)強(qiáng)度操作，一些研究者還考察了提升管出口結(jié)構(gòu)對顆粒外循環(huán)強(qiáng)度的影響。

Wang Xueyao等[39]和Kim等[40]分別研究了低密度和高密度操作下，不同出口結(jié)構(gòu)的提升管所能達(dá)到的最大顆粒外循環(huán)強(qiáng)度，盡管在低密度與高密度操作時所能達(dá)到的最大顆粒外循環(huán)強(qiáng)度差別較大，但是其研究結(jié)果均表明，在其它條件相同的情況下，隨著表觀氣速增加，提升管內(nèi)所能實現(xiàn)的最大顆粒外循環(huán)強(qiáng)度均增加，但對于不同出口結(jié)構(gòu)，在相同表觀氣速下所能達(dá)到的最大顆粒外循環(huán)強(qiáng)度卻明顯不同，其值依C型、L型、T型出口的次序而降低（如圖3所示），這也表明出口約束作用越弱，對建立高密度、高循環(huán)強(qiáng)度操作越有利。

4 出口結(jié)構(gòu)對提升管內(nèi)、外顆粒循環(huán)

對于常見的C型、L型、T型出口結(jié)構(gòu)，在操作條件及裝置主體結(jié)構(gòu)相同的情況下，其約束強(qiáng)度可從定性上歸結(jié)為依C型、L型、T型出口的次序增大，而在實際操作中，各類出口的約束強(qiáng)弱就不能僅從幾何結(jié)構(gòu)上加以分析比較，還應(yīng)考慮提升管內(nèi)操作條件等的影響。對此，一些研究者分別從不同角度定義了反映約束影響的參數(shù)，如表2所示。歸結(jié)起來，各參數(shù)定義主要基于以下四個方面：

（Ⅰ）出口約束強(qiáng)度不同，出口影響區(qū)的范圍（主要指出口以下軸向上的距離）不同；

（Ⅱ）出口約束強(qiáng)度不同，出口影響區(qū)內(nèi)下行顆粒循環(huán)強(qiáng)度不同；

（Ⅲ）出口約束強(qiáng)度不同，出口影響區(qū)內(nèi)顆粒速度滑落系數(shù)不同；

（Ⅳ）出口約束強(qiáng)度不同，出口影響區(qū)內(nèi)固含率或顆粒速度值較無約束時的差別不同。

表2 出口結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度的量化分析比較方法Table 2 A quantitative analysis on constraint strength of outlet structure

表2列出的幾種方法均是從出口約束所導(dǎo)致的流動現(xiàn)象出發(fā)，參數(shù)定義式中基本或部分包含了裝置結(jié)構(gòu)、顆粒物性、操作條件或受其影響的流動參數(shù)，在一定范圍內(nèi)能夠定量反應(yīng)出口結(jié)構(gòu)約束影響的強(qiáng)弱；但也應(yīng)注意到，各式在導(dǎo)出上還是以經(jīng)驗關(guān)聯(lián)為主，同時，因公式中部分參數(shù)測量困難，在取值上還存在一定的假定或簡化，因此使用范圍有一定的限制。第（Ⅰ）類方法中，Jin的參數(shù)主要考慮了表觀氣速的影響，在提升管高度和顆粒循環(huán)強(qiáng)度差別較大時，從參數(shù)量值上直接比較約束強(qiáng)度會存在較大誤差；Harris的參數(shù)綜合考慮了提升管高度及操作條件的影響，但當(dāng)提升管高度差別較大時，從參數(shù)量值上直接比較約束強(qiáng)度會存在較大誤差；第（Ⅱ）類方法中，Van的方法在操作條件相同的情況下，不同出口結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)度可依此進(jìn)行比較，但同一結(jié)構(gòu)在表觀氣速差異較大時會存在誤差；Senior的方法綜合考慮了上下行顆粒的運(yùn)動情況，但是由于下行顆粒速度測量困難，在計算時將其定為一個定值，因此在不同的操作條件下，同一出口的約束強(qiáng)度會存在較大誤差；第（Ⅲ）類方法中，Patience和Harris的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式都是基于其他研究者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析回歸得出的，不適宜大循環(huán)量（G≥400 kg/（m2·s））的預(yù)測比較；Gupta的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式雖然對不同類型顆粒進(jìn)行了細(xì)分，但是此經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式涉及到有作用的參數(shù)比較多，在計算的過程中容易導(dǎo)致結(jié)果的數(shù)量級出現(xiàn)問題；第（Ⅳ）類方法中，Wang的參數(shù)需要對無約束時的截面平均固含率進(jìn)行理論計算，無法通過實驗進(jìn)行測量。綜合分析可見，對于循環(huán)流化床提升管結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度的量化分析，還需要進(jìn)一步挖掘出口結(jié)構(gòu)的約束影響機(jī)制，結(jié)合多相流理論，建立適用性更廣的理論模型。

5 結(jié) 論

循環(huán)流化床提升管出口結(jié)構(gòu)不同，對提升管內(nèi)氣固流動的約束影響不同，因此所適用的過程及工藝不同。在相同條件下，不同出口結(jié)構(gòu)的提升管內(nèi)軸、徑向流動特性參數(shù)曲線分布形態(tài)和量值不同，在出口結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度較大的情況下，會造成出口區(qū)域固含率增大、顆粒速度降低、顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度增加，也會使系統(tǒng)所能達(dá)到的最大外循環(huán)強(qiáng)度降低。同時，出口結(jié)構(gòu)的約束強(qiáng)度也受操作條件影響，研究者們分別基于存在出口影響區(qū)、顆粒內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度增強(qiáng)、顆粒速度滑落系數(shù)降低、固含率增加等現(xiàn)象，耦合操作條件建立了量化分析出口約束強(qiáng)度的方法。但綜合循環(huán)流化床的已有研究結(jié)果可見，其很多理論及認(rèn)識都是基于弱約束出口或忽略了出口結(jié)構(gòu)約束影響下得到的，因此，關(guān)于出口結(jié)構(gòu)及其約束的影響，未來還應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行深入研究：（1）探索氣體提升與出口約束間的協(xié)同作用關(guān)系，深入挖掘出口結(jié)構(gòu)約束的理論機(jī)制，開發(fā)強(qiáng)化或降低出口約束影響的結(jié)構(gòu)或方法；（2）結(jié)合多相流理論，建立更為合理且廣泛適用的量化分析比較約束強(qiáng)度的方法；（3）針對建立高密度、高循環(huán)強(qiáng)度操作體系，設(shè)計更為合理的出口結(jié)構(gòu)，并探索其影響機(jī)制；（4）探索出口結(jié)構(gòu)對反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱等方面的影響。

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Constraint Effect of Outlet Structure on Gas-solid Flow Behavior in the Circulating Fluidized-bed Riser

LI Rui1, ZHANG Shao-feng1,2, WANG De-wu1
（1. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China；2. Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China）

Changing the outlet geometric structure will exert different constraint effects on gas-solid flow behavior in the circulating fluidized-bed riser. So the riser outlet structures are usually different according to the different technical requirements. According to the turning form of gas-solid, the outlets in general can be divided into the gas-solid turning and non-turning type. The gas-solid turning outlets are usually used in prior research and application. In this paper, effect of the outlet structure on gas-solid flow behavior both along with axial and radial direction in a riser, inner and external particle circulation flux and other parameters was summarized. The existing quantitative analysis methods of comparing the outlet structure constraint strength were introduced. And its research direction was prospected.

Circulating fluidized-bed; Riser; Outlet structure; Constraint effect; Gas-solid flow; Review

TQ050.1；TQ 051.1；TQ052

A

1671-0460（2015）08-1888-06

國家自然科學(xué)基金項目，項目號：21106028；河北省自然科學(xué)基金，項目號：B2013202125。

2015-01-23

李睿（1989-），男，甘肅張掖人，碩士研究生，2015年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究方向：化工過程多相流。E-mail：liruihebut@163.com。

王德武（1980-），男，副教授，博士，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點實驗室，研究方向為流態(tài)化技術(shù)及多相流反應(yīng)工程。E-mail：wangdewu211@163.com。