邵珠海, 常 劍, 陳宏剛, 張 鍇

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高通量循環(huán)流化床提升管內(nèi)Geldart B類顆粒團(tuán)聚特性研究

邵珠海, 常 劍, 陳宏剛, 張 鍇

(華北電力大學(xué)國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心, 北京102206)

在內(nèi)徑60 mm、高5.5 m的循環(huán)流化床提升管實(shí)驗(yàn)裝置上，基于光纖探針?biāo)鶞y顆粒濃度信號、采用小波分解方法，研究了高通量操作條件下Geldart B類顆粒(石英砂)的團(tuán)聚特性(團(tuán)聚物顆粒濃度、持續(xù)時間和頻率等)。研究表明，團(tuán)聚物在提升管軸徑向分布不均勻，且與操作條件密切相關(guān)。在提升管中心區(qū)域，團(tuán)聚物顆粒濃度小，持續(xù)時間短，出現(xiàn)頻率較高；而在邊壁區(qū)域則相反。團(tuán)聚物顆粒濃度和持續(xù)時間隨循環(huán)量的增加而增加，隨氣速的增加而減??；聚團(tuán)頻率的變化趨勢相反，且在低氣速下隨著循環(huán)量的增加先增加后減小。

高通量；提升管；Geldart B 顆粒；團(tuán)聚物；小波分解

1 引 言

循環(huán)流化床以其高效的氣固混合、傳熱和傳質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化工、能源和醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域。近年來，高通量循環(huán)流化床日益得到研究者的關(guān)注。針對高通量操作條件下提升管內(nèi)氣固兩相宏觀流動特性，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，但對提升管內(nèi)微觀流動結(jié)構(gòu)特別是顆粒團(tuán)聚特性的認(rèn)識有待進(jìn)一步深入[1~5]。

針對循環(huán)流化床提升管內(nèi)固體顆粒的團(tuán)聚特性，國內(nèi)外研究者采用多種現(xiàn)代測試技術(shù)，如多普勒速度儀、高速攝像和光纖探針等，進(jìn)行了測試與分析。劉新華等[6]采用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)考察了操作條件對顆粒團(tuán)聚物性質(zhì)的影響；Breault等[7]采用激光多普勒速度儀研究了Geldart D類顆粒的團(tuán)聚行為，認(rèn)為團(tuán)聚物至少包含6個單顆粒；Xu和Zhu[8]采用高速攝像和光纖探針相結(jié)合的方法對Geldart A類顆粒的團(tuán)聚特性進(jìn)行了研究；漆小波等[9]、Chew等[10]和曾鑫等[11]采用光纖探針對提升管內(nèi)團(tuán)聚物變化規(guī)律進(jìn)行了研究。此外，關(guān)于提升管內(nèi)Geldart A類顆粒團(tuán)聚特性的研究較多，而對高通量提升管內(nèi)Geldart B類顆粒團(tuán)聚特性的研究較少，有待進(jìn)一步深入。

從測量技術(shù)所得信號中識別出團(tuán)聚物，是進(jìn)一步研究團(tuán)聚物特性的前提。目前辨識顆粒團(tuán)聚物的方法主要有三種，即閾值法、中位數(shù)方法和波分解方法。Soong等[12]指出團(tuán)聚物顆粒濃度要明顯高于當(dāng)?shù)氐木植科骄w粒濃度，且團(tuán)聚物顆粒濃度大于局部時均顆粒濃度3倍的標(biāo)準(zhǔn)差，即閾值為：(=3)。閾值法為不少研究者所采用，但如何確定的取值是該方法的關(guān)鍵，如Soong等[12]選取為3，劉新華等[6]和Sharma等[13]設(shè)定為2，Manyele等[14]根據(jù)不同情況將設(shè)定在1.0~1.4。由于光纖探針信號為非正態(tài)分布且不穩(wěn)定，Guenther等[15]認(rèn)為使用閾值識別團(tuán)聚物的方法不妥，進(jìn)而提出了小波分析結(jié)合中位數(shù)的方法。曾鑫等[11]采用該方法分析了團(tuán)聚物出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間的變化規(guī)律，并考察了操作條件對團(tuán)聚物特性的影響；但中位數(shù)方法隨機(jī)性大，可信度有待提高。鑒于閾值方法和中位數(shù)方法的局限，Ren等[16]引用波分解方法識別、分析氣固兩相流體系顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。Chew等[10]和Yang等[17]采用小波分解的方法對提升管內(nèi)顆粒團(tuán)聚特性進(jìn)行了研究分析，得到了較好的結(jié)果。對比上述三種方法可知，閾值法需要人為設(shè)定識別團(tuán)聚物的閾值，中位數(shù)法則以中位數(shù)作為閾值，而小波分解法基于固含率變化曲線分解得到閾值，能有效消除人為因素和隨機(jī)性。

本文采用光纖探針測量高通量操作條件下提升管內(nèi)Geldart B類顆粒(石英砂)的流動特性，并進(jìn)一步采用小波分解方法將固含率信號進(jìn)行分解與分析。在準(zhǔn)確識別顆粒團(tuán)聚物的基礎(chǔ)上，對團(tuán)聚物特性的軸徑向分布以及操作條件的影響進(jìn)行研究，以期為高通量循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該循環(huán)流化床主要由提升管、旋風(fēng)分離器、伴床以及測量桶等組成，其中提升管內(nèi)徑為60 mm，高度為5 m。

圖1 循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)物料為石英砂顆粒，顆粒密度為2659 kg×m-3，堆積密度為1500 kg×m-3，平均粒徑為149 μm，屬Geldart B類顆粒，顆粒尺寸分布詳見圖2；流化介質(zhì)為室溫空氣，密度為1.2 kg×m-3，運(yùn)動黏度為15.610-6m2×s-1。表觀氣速范圍為3~8 m×s-1，固體循環(huán)流率為200~1000 kg×m-2×s-1。

圖2 石英砂粒徑分布

提升管內(nèi)瞬時固含率采用中科院過程所研制的PV-5A型光纖探針進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)中自提升管底部到頂部出口共取6個測點(diǎn)，軸向高度分別為1.1、1.9、2.7、3.3、4.1和5 m，并且每個軸向高度上各取5個徑向位置，即/為0.3、0.5、0.7、0.9和1(其中為測量點(diǎn)距離中心軸線的長度，為提升管半徑)。光纖探針采樣頻率為5000 Hz，為減少實(shí)驗(yàn)誤差，多次采樣取均值作為研究數(shù)據(jù)。

圖3 不同分解層數(shù)下團(tuán)聚物特性

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 團(tuán)聚物的識別方法

前已述及，較之于閾值法和中位數(shù)法，小波分解方法能更有效地識別團(tuán)聚物。小波分解方法是采用小波分解將原始信號劃分為“近似分量A”和“細(xì)節(jié)分量D”。其中近似分量A與介尺度的顆粒團(tuán)聚物密切相關(guān)。近似分量A逐級濾波分解，當(dāng)相鄰近似信號基本保持不變時，即可作判定團(tuán)聚物的閾值。

本文采用Matlab小波分析工具箱對顆粒濃度信號進(jìn)行處理。由圖3可知，隨著分解層數(shù)增加，團(tuán)聚物特性參數(shù)的變化趨于平緩，且分解至12和13級時的團(tuán)聚物特性參數(shù)趨于平穩(wěn)，表明在11和12級的近似信號已將介尺度部分排除；同時結(jié)合Yang和Leu[17]的研究，將近似信號A11作為識別團(tuán)聚物的閾值。

2.2.2 團(tuán)聚物特征參數(shù)

團(tuán)聚物濃度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間是表征團(tuán)聚物的重要參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 團(tuán)聚物濃度的徑向分布規(guī)律

3.1.1 團(tuán)聚物濃度的徑向分布

圖4為不同提升管高度處團(tuán)聚物顆粒濃度的徑向分布。由圖可知，團(tuán)聚物顆粒濃度的徑向分布存在明顯的不均勻性，從提升管中心到邊壁處，團(tuán)聚物濃度持續(xù)增大。團(tuán)聚物顆粒濃度的徑向分布與提升管內(nèi)固含率的徑向分布密切相關(guān)。研究表明[1]，提升管內(nèi)固含率呈現(xiàn)中心稀、邊壁濃的分布。中心區(qū)域顆粒濃度較低，顆粒間接觸碰撞較少，團(tuán)聚物濃度低；邊壁處顆粒濃度較高，顆粒接觸碰撞頻繁；且壁面處風(fēng)速較低，剪切力較小，固體顆粒更容易發(fā)生團(tuán)聚，故而團(tuán)聚物濃度較大。

圖4 不同軸向高度下團(tuán)聚物濃度的徑向分布

3.1.2 循環(huán)量的影響

固體顆粒循環(huán)量是影響團(tuán)聚物濃度的重要因素之一，循環(huán)量對團(tuán)聚物濃度徑向分布的影響如圖5所示。由圖可知，隨著循環(huán)量的增加，團(tuán)聚物濃度相應(yīng)增加，且邊壁處循環(huán)量對團(tuán)聚物濃度的影響要大于中心處。如在提升管高度1.1 m位置處，循環(huán)量從200到1000 kg×m-2s-1時，中心區(qū)域團(tuán)聚物濃度從0.05增加到0.09，而在邊壁處則從0.17增加到0.38。這是因?yàn)楸碛^氣速一定時，氣體的夾帶能力基本不變；而循環(huán)量增加，使得提升管各徑向位置的固含率增加，顆粒間的碰撞頻率增加、提高了團(tuán)聚的發(fā)生，故而團(tuán)聚物濃度相應(yīng)增加。

圖5 不同循環(huán)量下團(tuán)聚物濃度的徑向分布

3.1.3 表觀氣速的影響

表觀氣速對團(tuán)聚物濃度徑向分布的影響如圖6所示。

圖6 不同氣速下團(tuán)聚物濃度的徑向分布

由圖可知，表觀氣速增加時，團(tuán)聚物濃度降低。這是由于循環(huán)量不變而表觀氣速增加，氣體的有效攜帶能力增加，更多顆粒被夾帶上升，使得局部顆粒濃度降低，從而形成團(tuán)聚物的機(jī)會降低；同時，氣速增加，剪切力增加，會破碎團(tuán)聚物，進(jìn)而降低團(tuán)聚物濃度；這與Manyele等[14]的結(jié)論相符。

圖7 不同軸向高度處頻率的徑向分布

3.2 頻率的徑向分布規(guī)律

3.2.1 頻率的徑向分布

圖7為不同軸向高度處團(tuán)聚物頻率的徑向分布。團(tuán)聚物頻率在中心區(qū)域大而在邊壁區(qū)域小，如高度2.7 m處，在中心區(qū)域(/=0.3)，團(tuán)聚物頻率為26 Hz，而邊壁區(qū)域處為10 Hz。這是因?yàn)橹行膮^(qū)域氣速較高，剪切力較大，使大尺寸的團(tuán)聚物破碎成較小的團(tuán)聚物，從而加大團(tuán)聚物的出現(xiàn)頻率；而邊壁區(qū)域，由于壁面效應(yīng)的影響，使得局部顆粒濃度增加，易發(fā)生顆粒團(tuán)聚，并且小尺寸團(tuán)聚物不斷聚合形成大尺寸團(tuán)聚物，故團(tuán)聚物頻率反而降低。本研究與曾鑫等[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，但又有不同。曾鑫等[11]發(fā)現(xiàn)在徑向位置/= 0.8處，頻率顯著下降，而本文并未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，這可能與實(shí)驗(yàn)中提升管內(nèi)徑有關(guān)，曾鑫等實(shí)驗(yàn)中提升管內(nèi)徑為102 mm，本實(shí)驗(yàn)提升管內(nèi)徑為60 mm，相比較本實(shí)驗(yàn)提升管邊壁的影響更大。

3.2.2 循環(huán)量的影響

循環(huán)量對團(tuán)聚物頻率的影響略為復(fù)雜。由圖8可知，氣速5 m×s-1、循環(huán)量從200到800 kg×m-2s-1時，局部顆粒濃度增加，相同位置處團(tuán)聚物頻率持續(xù)增加。值得注意的是，當(dāng)循環(huán)量增加到1000 kg×m-2s-1時，提升管高度1.1 m位置處團(tuán)聚物頻率又有所下降，而其他位置處并未出現(xiàn)這種現(xiàn)象。當(dāng)循環(huán)量達(dá)到1000 kg×m-2s-1時，提升管底部局部顆粒濃度過大，使團(tuán)聚物的尺寸增加形成大尺寸團(tuán)聚物，降低了頻率，而在其他高度處，顆粒濃度較低且分布較均勻，故未發(fā)生此種現(xiàn)象。

圖8 不同循環(huán)量下團(tuán)聚物頻率的徑向分布

3.2.3 表觀氣速的影響

圖9為不同氣速下，團(tuán)聚物頻率的徑向分布曲線。從圖可以看出，表觀氣速從5 m×s-1增加到8 m×s-1時，團(tuán)聚物頻率均有所增加，與文獻(xiàn)[17]結(jié)論一致。氣速增大，攜帶的團(tuán)聚物速度增加，同時大尺寸團(tuán)聚物破碎成小尺寸團(tuán)聚物，故而在一定時間內(nèi)通過探針端部的團(tuán)聚物增加。

圖9 不同氣速下因聚物頻率的徑向分布

3.3 持續(xù)時間的徑向分布規(guī)律

3.3.1 持續(xù)時間的徑向分布

持續(xù)時間是指提升管內(nèi)顆粒團(tuán)聚物存在的平均時間，在一定程度上表征了團(tuán)聚物的尺寸。持續(xù)時間的長短與團(tuán)聚物尺寸和速度密切相關(guān)，團(tuán)聚物的垂直尺寸大，速度慢，則持續(xù)時間越長。圖10為不同軸向高度處，持續(xù)時間的徑向分布曲線。

圖10 不同軸向高度處持續(xù)時間的徑向分布

由圖可知，團(tuán)聚物持續(xù)時間隨著徑向位置的增加而持續(xù)增加，且在近壁區(qū)壁面附近增長幅度遠(yuǎn)大于中心區(qū)域。如在1.1 m處，團(tuán)聚物持續(xù)時間在中心區(qū)域?yàn)?.018 s，而在邊壁區(qū)域增加到了0.05 s。在中心區(qū)域，局部顆粒濃度低，所形成的團(tuán)聚物尺寸較小，且該區(qū)域氣速高，團(tuán)聚物速度快，通過檢測區(qū)域的時間短，故持續(xù)時間短；而在邊壁處，壁面效應(yīng)的影響易使壁面附近形成大尺寸團(tuán)聚物，且團(tuán)聚物上升速度較慢，故持續(xù)時間長。Manyele等[14]、曾鑫等[11]所得持續(xù)時間的范圍為2~40 ms，Wei等[18]所得范圍為5 ~70 ms，本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果為10~50 ms，與前人結(jié)果基本一致。

3.3.2 循環(huán)量的影響

較之于團(tuán)聚物顆粒濃度和頻率，循環(huán)量對團(tuán)聚物持續(xù)時間的影響相對要小一些。由圖11可知，在提升管軸向高度1.1 m位置處，循環(huán)量從200變化到1000 kg×m-2s-1，提升管中心區(qū)域(/=0.3)處持續(xù)時間在0.15 s左右，而在邊壁區(qū)域(/=1)處為0.035~0.1 s。即持續(xù)時間隨循環(huán)量的增加而增大且在邊壁附近尤為顯著，這與文獻(xiàn)[11]結(jié)論相符。循環(huán)量增加，使得各截面各徑向位置的顆粒濃度增加，更易于形成較大尺寸的顆粒團(tuán)聚物，故持續(xù)時間整體上有所增大；在邊壁區(qū)域，循環(huán)量增加會使顆粒濃度明顯增加；同時，壁面效應(yīng)使顆粒團(tuán)聚更為劇烈，會產(chǎn)生更大尺寸的團(tuán)聚物，致使團(tuán)聚物持續(xù)時間增加。

圖11 不同循環(huán)量下持續(xù)時間的徑向分布

3.3.3 表觀氣速的影響

表觀氣速對持續(xù)時間的作用與循環(huán)量的影響相反，氣速增加，提升管內(nèi)顆粒濃度降低，形成團(tuán)聚物尺寸較??；且團(tuán)聚物速度增加，從而持續(xù)時間縮短，如圖12所示。還可發(fā)現(xiàn)在提升管高度4.1 m、循環(huán)量600 kg×m-2×s-1條件下，當(dāng)風(fēng)速從5 m×s-1升高到8 m×s-1時，提升管中心區(qū)域團(tuán)聚物持續(xù)時間在0.0175 s左右，而在邊壁區(qū)團(tuán)聚物持續(xù)時間從0.037 s降至0.03 s。這可能是由于在中心區(qū)域，團(tuán)聚物本身的尺寸就小，風(fēng)速對尺寸影響不大，增加風(fēng)速，會使團(tuán)聚物向上移動速度增加，持續(xù)時間略微減小；而在邊壁處卻不同，風(fēng)速低時團(tuán)聚物尺寸大，運(yùn)動速度慢，風(fēng)速增大使團(tuán)聚物尺寸減小，從而團(tuán)聚物持續(xù)時間減小。

圖12 不同氣速下持續(xù)時間的徑向分布

4 結(jié) 論

(1)團(tuán)聚物濃度在提升管徑向上分布不均，從中心區(qū)域到邊壁處，團(tuán)聚物濃度持續(xù)增加；團(tuán)聚物顆粒濃度與局部顆粒濃度關(guān)系密切，循環(huán)量增加、表觀氣速降低均使得團(tuán)聚物顆粒濃度增加。

(2) 團(tuán)聚物頻率中心區(qū)域高、邊壁區(qū)域低；提升管中上部，團(tuán)聚物頻率隨循環(huán)量的增加而增加；而在提升管底部，團(tuán)聚物頻率隨循環(huán)量的增加先增加后減??；表觀氣速增加，團(tuán)聚物頻率增加；

(3) 團(tuán)聚物持續(xù)時間隨著徑向位置的增加而持續(xù)增加，且壁面附近增幅遠(yuǎn)大于中心區(qū)域；循環(huán)量增加，團(tuán)聚物持續(xù)時間增加；表觀氣速增大，持續(xù)時間減小，在邊壁處的現(xiàn)象更為明顯。

符號說明：

?團(tuán)聚物頻率，Hz?第i個團(tuán)聚物持續(xù)時間，s ?團(tuán)聚物總個數(shù)，個下標(biāo) ?第i個團(tuán)聚物的濃度SC?團(tuán)聚物 ?團(tuán)聚物顆粒濃度i?團(tuán)聚物出現(xiàn)的個數(shù) ?團(tuán)聚物持續(xù)時間，s

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Cluster Properties of Geldart B Particles in a High-Flux Circulating Fluidized Bed Riser

SHAO Zhu-hai, CHANG Jian, CHEN Hong-gang, ZHANG Kai

(National Thermal Power Engineering & Technology Research Center，North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Cluster properties including cluster concentration, duration time and frequency of Geldart B groups (silica sand) were experimentally investigated in a high-flux CFB (circulating fluidized bed) riser (60 mm ID and 5.5 m height) using wavelet decomposition of solid concentration signal measured by a fiber optic probe. The results indicate that the distribution of particle clusters is non-uniform inside the riser, which depends on operating conditions and riser position. The riser center region shows lower cluster concentration, shorter duration time and higher frequency. However, the near-wall zone exhibits the opposite feature. The cluster concentration and duration time increase with the increase of the solid circulation rate but decrease with the increase of the superficial gas velocity. The cluster frequency shows the opposite tendency, which increases first and then decreases with the increase of the solid circulation rate at low gas velocities.

high-flux; riser; Geldart B; particle cluster; wavelet decomposition

1003-9015(2016)05-1127-07

TQ021

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.020

2015-10-30；

2016-02-22。

國家自然科學(xué)基金(51476085，91434120)。

邵珠海(1989-)，男，山東定陶人，華北電力大學(xué)碩士生。通訊聯(lián)系人：陳宏剛，E-mail：hgchen@ncepu.edu.cn