曹曉陽，周發(fā)戚，陳　勇，張慧敏，魏志剛，3，魏耀東

(1.中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249； 2.浙江海洋學院 石化與能源工程學院，浙江 舟山 316000； 3.中國石油 撫順石化公司，遼寧 撫順 113008)

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循環(huán)流化床顆粒輸送斜管的壓力脈動特性

曹曉陽1，周發(fā)戚1，陳勇2，張慧敏1，魏志剛1，3，魏耀東1

(1.中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249； 2.浙江海洋學院 石化與能源工程學院，浙江 舟山 316000； 3.中國石油 撫順石化公司，遼寧 撫順 113008)

以循環(huán)流化床輸送斜管為研究對象，通過改變顆粒質(zhì)量流率，測量斜管內(nèi)蝶閥上、下兩處的動態(tài)壓力。結(jié)果表明，隨著顆粒質(zhì)量流率增加，蝶閥上、下方顆粒的流動形式均發(fā)生變化，斜管內(nèi)的顆粒流態(tài)發(fā)生變化，動態(tài)壓力的波動幅度逐漸增加。蝶閥下方的動態(tài)壓力標準偏差與顆粒質(zhì)量流率呈線性關系，能夠用于表征循環(huán)流化床的顆粒質(zhì)量流率。壓力脈動的小波分析表明，斜管內(nèi)蝶閥上、下方均存在一個主頻，是由于斜管自身的流動結(jié)構(gòu)所致，但蝶閥下方還存在一個次頻，是由于氣體脈動以及氣、固兩相的相互作用所致，且次頻所占能量隨顆粒質(zhì)量流率增加而降低。斜管下料產(chǎn)生的脈動壓力是一種低頻壓力，是斜管振動的激振源。

循環(huán)流化床；斜管；兩相流；動態(tài)壓力；小波分析

斜管是循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路中的一個關鍵部件，主要用于輸送顆粒返回流化床，同時維持系統(tǒng)的壓力平衡。例如,催化裂化裝置的再生斜管和待生斜管用于再生器和沉降器之間的待生催化劑和再生催化劑的輸送，同時維持再生器的燒焦和提升管反應器的裂化反應過程。到目前為止，針對循環(huán)流化床的研究主要集中在流化床和提升管上，考察其氣、固兩相流的流態(tài)及轉(zhuǎn)變條件，建立氣、固流動參數(shù)的數(shù)學模型等，而針對斜管的研究報道非常有限。斜管內(nèi)的顆粒流動是一種順重力的下行流動，顆粒受到垂直重力的作用和斜管器壁的約束，會沉積在器壁上，導致斜管內(nèi)的氣、固兩相流動的顆粒濃度和顆粒速度在橫截面上分布的不均勻性和對稱性，氣體流動可能是下行也可能是上行，氣、固流動比垂直立管的更復雜。盧春喜等[1]將斜管內(nèi)氣、固兩相流態(tài)劃分為黏附滑移流動、過渡流和充氣流動。斜管通常連接提升管反應器，結(jié)合部位的流動是一個受到關注的區(qū)域。Bai等[2]對連接流化床至提升管底部的斜管不同入口結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，認為斜管上蝶閥的開度變化對提升管施加了不同強弱程度的入口約束；蝶閥開度越小，對入口顆粒流動的阻力越大。Engelandt等[3]實驗測量并分析了松動風對提升管Y型35°斜管入口區(qū)域的流動的影響。Arastoopour等[4]對水平0°和傾斜45°提升管入口結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，水平管底部易于產(chǎn)生顆粒的堆積，而45°斜管內(nèi)顆粒堆積減少，同時顆粒分布更加均勻。斜管的傾角對斜管內(nèi)的氣、固兩相流態(tài)有很大的影響。O’dea等[5]、Sarkar等[6-7]、Levy等[8]分別對不同傾角斜管內(nèi)的氣、固流動進行了實驗研究，考察了斜管內(nèi)的流態(tài)變化，建立了斜管壓降的計算模型。斜管內(nèi)的氣、固兩相流具有很強的動態(tài)特性，表現(xiàn)出壓力脈動的變化和流動的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性表現(xiàn)為下行顆粒流動形成陣發(fā)式股流，使通過斜管截面的顆粒濃度發(fā)生周期性的變化，并表現(xiàn)為壓力的低頻脈動[9-10]。Martin等[11]測量了45°斜管的壓力脈動，并建立了顆粒循環(huán)流率與壓力脈動的標準偏差的關系式，可實現(xiàn)顆粒循環(huán)流率的在線測量。

循環(huán)流化床的斜管上通常安裝控制閥，用以調(diào)節(jié)顆粒循環(huán)量。閥門的開度對斜管內(nèi)的流態(tài)有重要影響，使閥前和閥后的流態(tài)存在很大的變化，導致了斜管內(nèi)流態(tài)的多樣性和多變性。為此，筆者采用大型循環(huán)流化床裝置，以45°斜管為研究對象，用流化催化裂化(FCC)平衡催化劑顆粒作為實驗物料，通過改變顆粒循環(huán)流率，測量不同操作條件下斜管內(nèi)的動態(tài)壓力，并觀察其內(nèi)部流態(tài)，運用小波分析方法分析斜管內(nèi)壓力脈動特性，探討壓力脈動的特點和組成，提高對斜管內(nèi)復雜氣、固兩相流的認識。

1　實驗部分

1.1實驗物料

FCC平衡催化劑為GeldartA類顆粒，顆粒物性及粒徑分布見表1。

表1　實驗用FCC平衡催化劑的物性及粒徑分布

1.2實驗裝置與分析儀器

圖1為循環(huán)流化床實驗裝置示意圖。流化床尺寸為φ800 mm×12000 mm，提升管尺寸為φ200 mm×12500 mm，預提升段尺寸為φ600 mm×1500 mm，斜管尺寸為φ250 mm×1300 mm，斜管傾角45°。為便于觀察斜管內(nèi)的流動狀態(tài)，采用有機玻璃制造。一級旋風分離器筒體直徑為φ400 mm，料腿為φ150 mm×9000 mm，料腿出口為直口結(jié)構(gòu)插入流化床的密相床層內(nèi)。

圖1　循環(huán)流化床實驗裝置

采用英國Gems Sensors Ltd.公司動態(tài)壓力傳感器測量斜管內(nèi)動態(tài)壓力，量程0～0.03 MPa，靈敏度20 Pa/mV。測得的壓力由壓力變送器轉(zhuǎn)換為1～5 V的標準電壓信號，用多功能數(shù)據(jù)采集板采樣，采樣頻率500 Hz，采樣時間120 s。斜管上壓力測量點示于圖2。圖2中的C、D兩測量點分別距離蝶閥400 mm。

圖2　斜管測壓點位置

1.3實驗方法

如圖1所示，催化劑顆粒循環(huán)從流化床6經(jīng)45°顆粒輸送斜管16進入提升管下部的預提升器17，預提升器17內(nèi)提升風攜帶催化劑顆粒垂直向上通過提升管15，在旋風分離器10內(nèi)進行氣、固分離后，催化劑顆粒通過其下方的料腿7下行返回流化床，從而完成一個循環(huán)。通過旋風分離器料腿上的測量床9測量顆粒質(zhì)量流率，即在穩(wěn)定操作條件下關閉插板閥，測量一定時間內(nèi)顆粒堆積量，計算顆粒質(zhì)量流率。由斜管16上的蝶閥調(diào)節(jié)顆粒質(zhì)量流率。顆粒循環(huán)流率(Gs)范圍為0～140 kg/(m2·s)，提升管入口表觀氣速(ug)為8.2 m/s。

2　結(jié)果與討論

2.1循環(huán)流化床顆粒輸送斜管實驗現(xiàn)象

實驗中隨蝶閥開度變化，可觀察到斜管內(nèi)顆粒的流態(tài)發(fā)生不同的變化，結(jié)果示于圖3。當?shù)y開度非常小(即催化劑顆粒質(zhì)量流率較小)時，蝶閥前部的催化劑顆粒會堆滿整個斜管，形成移動床流態(tài)，顆粒密度接近堆積密度，在斜管的頂部存在向上運動的小氣泡，其直徑較小但個數(shù)較多，蝶閥后部顆粒因重力作用沿斜管底部形成顆粒股流動，如圖3(a)所示。隨蝶閥開度增大，顆粒質(zhì)量流率增加，蝶閥前部的顆粒流態(tài)與圖3(a)相同，但氣泡直徑變大，氣泡頻率增加，蝶閥后部沉積在斜管底部的顆粒流所占體積增加，如圖3(b)所示。當?shù)y開度繼續(xù)增大，整個斜管內(nèi)出現(xiàn)顆粒的分層流動，顆粒沿斜管底部下行流動，斜管頂部是氣體通道，氣體沿斜管向上運動，如圖3(c)所示。當?shù)y開度達到某個值時，顆粒質(zhì)量流率增到一定值，斜管內(nèi)顆粒流動表現(xiàn)為滿管流化流動，斜管內(nèi)顆粒濃度均勻，顆粒和氣體整體沿斜管向下流動，如圖3(d)所示。

2.2循環(huán)流化床顆粒輸送斜管動態(tài)壓力

圖4為ug=8.2 m/s時，在斜管內(nèi)蝶閥下方D點處測量的不同顆粒質(zhì)量流率下的動態(tài)壓力。從圖4 可見，當Gs=0時，斜管內(nèi)為純氣相，其壓力波動的幅值很小，頻率較高，此壓力脈動屬于提升風的脈動，約為0.5 kPa，平均值是提升風的壓力7.1 kPa；當加入顆粒后，隨Gs增大，動態(tài)壓力的平均值逐漸增加，壓力脈動的波動幅度也逐漸增大。加入顆粒使壓力脈動由兩種不同成分的脈動疊加而成，一種為脈動頻率較高(周期可能為毫秒級)、幅值相對較小的脈動，即高頻低幅脈動；另一種是脈動頻率較低(周期可達十幾秒)、幅值相對較大的脈動，即低頻高幅脈動。高頻低幅脈動主要是由于氣體本身的脈動和顆粒簇的時聚時散產(chǎn)生，而低頻高幅脈動由顆粒流動過程不穩(wěn)定引起，來自蝶閥閥口的排料不穩(wěn)定。

圖3　顆粒和氣體在斜管中的流動狀態(tài)

圖4　蝶閥下方D點處測量的不同顆粒質(zhì)量流率(Gs)下的動態(tài)壓力

圖5為ug=8.2 m/s時，在斜管內(nèi)蝶閥上方C點處測量的不同顆粒質(zhì)量流率下的動態(tài)壓力。從圖5 可見，當Gs=0時，由于蝶閥上方堆滿催化劑顆粒，壓力平均值是9.0 kPa，大于蝶閥下方的壓力平均值；隨蝶閥開度不斷增大，即顆粒質(zhì)量流率變大，有一定量的氣體竄入上行，從而使堆積的顆粒充氣形成流化流動，此處的氣體主要是從預提升器中竄入斜管的流化氣體。壓力脈動也是由高頻低幅部分和低頻高幅部分構(gòu)成，壓力脈動的幅度隨著顆粒質(zhì)量流率增加而增大。

圖6為ug=8.2 m/s時，斜管內(nèi)蝶閥上、下兩個測點在不同顆粒質(zhì)量流率下的壓力平均值。從圖6 能夠看出，隨著Gs的增加，閥下壓力從小于閥上壓力到逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥陂y上壓力；隨著開度的增大，壓力逐漸由正壓差演變?yōu)樨搲翰?；轉(zhuǎn)變?yōu)樨搲翰詈螅碐s超過70 kg/(m2·s)時，動態(tài)壓力的波動幅度也顯著增大，閥下的壓力波動相比于閥上增加更為明顯(見圖4和圖5)。

圖5　蝶閥上方C點處測量的不同顆粒質(zhì)量流率(Gs)下的動態(tài)壓力

圖6　斜管內(nèi)蝶閥上、下兩個測點在不同顆粒質(zhì)量流率下的壓力平均值

2.3循環(huán)流化床壓力脈動的標準偏差分析

(1)

Sd可用于表征壓力脈動強度。圖7為圖4、5所示數(shù)據(jù)的Sd隨Gs的變化。從圖7可見，在純氣流條件下，碟閥上、下兩個測點的壓力脈動的幅值非常??；隨Gs增大，兩個測點的標準偏差值增加，但增加的幅度不同。當Gs增大到一定程度后，蝶閥下面的壓力脈動強度大于上面的壓力脈動強度。在實驗范圍內(nèi)，蝶閥下方的動態(tài)壓力標準偏差與顆粒質(zhì)量流率近似呈線性關系，可以用于表征循環(huán)流化床的顆粒質(zhì)量流率并進行在線監(jiān)測，與Martin等[11]的實驗結(jié)果一致。但Martin實驗測量的是閥前脈動壓力，動態(tài)壓力標準偏差與顆粒質(zhì)量流率呈非性線關系，并不利于建立合理的公式來預測顆粒質(zhì)量流率。由于受到蝶閥的約束作用，閥上顆粒流動的壓力脈動強度不能很好地反映管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率，因此顆粒質(zhì)量流率與標準偏差并不具有線性關系，而閥下的顆粒由于擺脫了蝶閥的約束，其壓力脈動強度能很好地反映斜管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率，顆粒質(zhì)量流率與動態(tài)壓力標準偏差呈線性關系說明，隨著Gs的增大，壓力脈動強度隨著增強。此外，斜管上蝶閥前后的壓力隨著開度的增大逐漸由正壓差演變?yōu)樨搲翰?。正是由于蝶閥孔口變截面的約束作用，造成了斜管上負壓差操作的條件，從而使斜管內(nèi)排料具有一定的不穩(wěn)定特性[13]，表現(xiàn)為下料的顆粒流量的陣發(fā)性變化。因此，蝶閥下面的壓力脈動增加主要是由于蝶閥閥口約束形成負壓差的操作條件所致。

圖7　斜管內(nèi)蝶閥上、下兩個測點壓力的標準偏差(Sd)隨顆粒循環(huán)流率(Gs)的變化

2.4循環(huán)流化床壓力脈動的小波分析

小波分析是信號處理的一種方法。小波分析方法中的Daubechies小波由于具有支集緊、正交性的優(yōu)點[14]，已被應用于流化床壓力脈動信號的分析[15-16]。通過對壓力信號的Daubechies小波分解誤差比較，選用誤差相對較小的db5小波基對圖4和圖5中的動態(tài)壓力信號進行14層多尺度分解。原始信號被分解成細節(jié)信號D1和近似信號A1。近似信號A1再被分解成A2和D2，如此往復進行分解。重構(gòu)小波的傳遞是從細節(jié)尺度D1到近似尺度D14和A14。細節(jié)尺度對應的是原始信號的高頻部分，而近似尺度對應的是原始信號的低頻部分[17]。本研究中，筆者采用細節(jié)能量分率[18-19]表征催化劑顆粒在斜管內(nèi)的壓力脈動特性。

圖8為ug=8.2 m/s時，不同顆粒循環(huán)流率下蝶閥下方D點處動態(tài)壓力信號的小波能量百分比。從圖8可看出，當Gs=0時，即在純氣體工況下，動態(tài)壓力信號的小波能量只有一個峰值，即只有一個主頻，來自于氣體的脈動；當有催化劑顆粒加入時，動態(tài)壓力信號的小波能量存在兩個峰值。較低峰值能量對應的頻率為次頻，較高峰值能量對應的頻率為主頻，主、次兩個頻段均屬于低頻脈動。次頻是D8～D10(0.4883～1.9531 Hz)，由斜管內(nèi)氣、固兩相間的相互作用產(chǎn)生，基本不隨顆粒質(zhì)量流率的變化而變化，其小波能量峰值隨著顆粒質(zhì)量流率增加而降低；主頻是D12～D13(0.0610～0.2441 Hz)，基本不隨顆粒質(zhì)量流率的變化而變化，其小波能量峰值隨顆粒質(zhì)量流率增加而增大。主頻由斜管閥控機制引起的顆粒不穩(wěn)定下料所產(chǎn)生，隨蝶閥開度增大，顆粒質(zhì)量流率增加，壓力脈動強度會逐漸增強，因此其小波能量分率有所加強。

圖8　不同顆粒質(zhì)量流率下蝶閥下方動態(tài)壓力信號的小波能量百分比

圖9為ug=8.2 m/s時，不同顆粒循環(huán)質(zhì)量流率下蝶閥上方C點處動態(tài)壓力信號的小波能量百分比。圖9表明，動態(tài)壓力信號的小波能量只有一個峰值，即只有一個主頻，沒有次頻，而主頻段是D11～D14(0.0305～0.4883 Hz)，隨著顆粒質(zhì)量流率的增大，主頻從0.0305 Hz逐漸增大到0.4883 Hz，但是小波能量分率降低。主頻主要是斜管閥控機制引起的顆粒不穩(wěn)定下料所致，隨蝶閥開度增大，孔口約束作用減小，因此其小波能量分率有所降低，說明蝶閥形成的孔口排料作用在降低，此主頻脈動屬低頻脈動。

圖9　不同顆粒質(zhì)量流率下蝶閥上方動態(tài)壓力信號的小波能量百分比

2.5循環(huán)流化床顆粒輸送斜管壓力脈動

輸送斜管的動態(tài)壓力測量和分析結(jié)果表明，隨著Gs的增加，斜管上兩個測點的動態(tài)壓力波動幅度增大，尤其是閥下的壓力脈動幅度增長較顯著，最大波動幅值可達1.5 kPa，會造成斜管較大程度的振動，且其振動強度會隨著壓力的波動幅度的增大而加強。

斜管內(nèi)顆粒下行流動的不穩(wěn)定導致了壓力脈動，這種壓力脈動對工業(yè)裝置有兩方面的影響。一方面是，壓力脈動的幅度與顆粒循環(huán)流率密切相關，脈動壓力的標準偏差Sd與Gs基本呈線性關系，因此，在結(jié)構(gòu)與入口速度一定的條件下，標準偏差Sd是顆粒質(zhì)量流率Gs的單值函數(shù)。通過對脈動壓力信號的標準偏差分析可以獲得循環(huán)流化床內(nèi)顆粒循環(huán)流率數(shù)據(jù)，用于工業(yè)裝置運行參數(shù)的測量和監(jiān)視。

另一方面，脈動壓力的小波分析表明，閥前、后的主、次兩個頻段均屬于低頻脈動。在工業(yè)裝置中，顆粒輸送斜管一般采用柔性設計結(jié)構(gòu)，斜管比較細長，目的是吸收溫差產(chǎn)生的應力，結(jié)果斜管本身的固有頻率比較低。由于斜管下料產(chǎn)生的脈動壓力是一種低頻壓力變化，形成了斜管振動的激振源，易于造成斜管的振動斷裂[20-24]。因此，為了防止斜管發(fā)生共振響應，應將斜管的固有頻率盡量遠離斜管下料時脈動壓力的主頻和次頻?？梢酝ㄟ^在斜管上增加支撐結(jié)構(gòu)，改變其固有頻率或改變操作參數(shù)的范圍，規(guī)避斜管發(fā)生共振。

3　結(jié)　論

(1)隨斜管內(nèi)顆粒質(zhì)量流率Gs的增大，蝶閥上方催化劑顆粒流態(tài)依次呈現(xiàn)移動床流動，氣、固分層流動，滿管流化流動；而蝶閥下方的催化劑顆粒態(tài)依次為顆粒股流，氣、固分層流動，滿管流化流動。

(2)隨顆粒質(zhì)量流率Gs的增加，斜管內(nèi)壓力脈動的波動幅度增大，蝶閥下方的動態(tài)壓力的標準偏差與Gs呈較好的線性關系，可以用壓力信號的標準偏差來在線檢測循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒質(zhì)量流率。

(3)小波分析表明，斜管內(nèi)蝶閥上方和下方均存在一個主頻，由蝶閥及斜管自身結(jié)構(gòu)引起的壓力脈動所致；蝶閥下方還有一個次頻，由斜管內(nèi)氣體脈動以及氣、固兩相的相互作用所致，其小波能量分率隨顆粒質(zhì)量流率的增加而降低。

(4)斜管下料時產(chǎn)生的脈動壓力均屬于低頻壓力，是造成斜管振動的激振源。工業(yè)中斜管的固有頻率比較低，應將斜管的固有頻率盡量遠離斜管下料時脈動壓力的主頻和次頻。

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Characteristics of Pressure Fluctuations in the Particle-TransportInclined Standpipe of a Circulating Fluidized Bed

CAO Xiaoyang1，ZHOU Faqi1，CHEN Yong2，ZHANG Huimin1，WEI Zhigang1,3，WEI Yaodong1

(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing 102249,China; 2.School of Petrochemical and Energy Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,China; 3.Fushun Petrochemical Company,CNPC,Fushun 113008,China)

In large circulating fluidized bed device,the characteristics of pressure fluctuation in a particle-transport inclined standpipe under different solid circulating flux were investigated based on measuring the dynamic pressure of a gas-solid two-phase flow by using FCC equilibrium catalyst as the particles.The experimental results showed that with increase of particle mass flux,the flow patterns of FCC particles above and below the butterfly valve in the inclined standpipe both successively changed,and the fluctuation amplitude of dynamic pressures increased.The standard deviation of the dynamic pressures below the butterfly valve possessed a linear relation with the particle mass flux,which could be used to characterize the particle mass flux in the inclined standpipe.By wavelet analysis,it is indicated that there existed a main frequency caused by inclined standpipe flow structures in the pressure fluctuations above and below the butterfly valve,besides,there was a secondary frequency in the pressure fluctuation below the butterfly valve caused by gas turbulence and gas-solid interactions.With the increase of particle mass flux,the wavelet energy ratio of the secondary frequency gradually decreased.The fluctuation pressures caused by discharge in the inclined standpipe is a low frequency pressure and the excitation source of inclined standpipe vibration.

circulating fluidized bed；inclined standpipe；two-phase flow; pressure fluctuations；wavelet analysis

2015-09-16

國家自然科學基金項目(21176250)資助

曹曉陽，男，碩士研究生，從事石油化工過程裝備方面的研究

魏耀東，男，教授，博士，從事氣固分離、流態(tài)化及化工過程裝備優(yōu)化等方面的研究；Tel：010-89733939；E-mail:weiyd@cup.edu.cn

1001-8719(2016)05-0913-08

TQ022.3

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.007