魏晨光， 王德武， 吳廣恒， 丁春立， 謝金朋， 張少峰

(河北工業(yè)大學 化工學院， 天津 300130)

變徑組合提升管濃相區(qū)顆粒流動特性

魏晨光， 王德武， 吳廣恒， 丁春立， 謝金朋， 張少峰

(河北工業(yè)大學 化工學院， 天津 300130)

在顆粒循環(huán)強度(Gs)為32.65～84.59 kg/(m2·s)、固/氣比(Gs/(ρg·Ug))為9.22～47.95的操作條件下，對變徑組合提升管濃相區(qū)顆粒流動特性進行了實驗研究，并與以往高密度循環(huán)流化床和循環(huán)湍動流化床對比。結果表明，變徑組合提升管濃相區(qū)各局部位置均存在上行與下行顆粒；隨著無因次半徑增加，局部時均固含率和顆粒返混比增加，局部顆粒速度及顆粒質(zhì)量凈流率則降低。當Gs/(ρg·Ug)在27～47.95范圍，各截面平均固含率基本不再隨其變化而變化，變徑組合提升管濃相區(qū)進入高密度操作狀態(tài)，對應局部時均顆粒速度和顆粒質(zhì)量凈流率均向上。在高密度操作下，變徑組合提升管在局部流動特性上與循環(huán)湍動流化床相近，在截面平均及濃相區(qū)整體流動特性上與高密度循環(huán)流化床相近。

高密度循環(huán)流化床； 循環(huán)湍動流化床； 變徑提升管； 流動特性； 固/氣比

高密度循環(huán)流化床(High-density circulating fluidized bed， HDCFB)因具有固、氣通量大，顆粒濃度高且軸向分布相對均勻，局部顆粒質(zhì)量凈流率均向上，傳質(zhì)、傳熱效率高等優(yōu)點，得到了廣泛的重視[1-2]。Zhu等[3]指出，在HDCFB系統(tǒng)構成及設計上，需給系統(tǒng)提供足夠的動力，及盡可能地減小各部位壓力損失，比如風機需要提供較大的壓頭、伴床側(cè)需要較高的顆粒儲量及較低的回路阻力。Grace等[4]指出，要實現(xiàn)HDCFB，在操作上應滿足兩個量化條件，即截面顆粒質(zhì)量流率Gs>200 kg/(m2·s)和固含率εs>0.1。而實驗室規(guī)模的循環(huán)流化床裝置常受裝置總高或風機壓頭的限制，難以為高密度操作下顆粒循環(huán)提供足夠的動力，故在提升管內(nèi)常出現(xiàn)下部滿足高密度條件，而上部仍為快速流態(tài)化的情形[5-6]。同一提升管內(nèi)2種流型并存，一方面使得提升管內(nèi)軸向流動的均勻性變差，另一方面也使得整個提升管內(nèi)的調(diào)控缺乏靈活性，進而造成提升管出口目的產(chǎn)物收率及選擇性降低。對此，Zhu[7]在伴床側(cè)采用相對較大直徑和較高裝料高度(6 m)的基礎上，重點對提升管結構和操作進行了改進。提升管采用變徑組合結構，即整個提升管下部采用小直徑段，上部采用大直徑段，兩段串聯(lián)，連接處采取二次補氣。通過該結構設計，在小直徑段單獨構建了一個濃相操作區(qū)域，在大直徑段通過靈活調(diào)節(jié)二次氣速，構建了一個稀相輸送操作區(qū)域。提升管采用變徑組合結構設計，在小直徑段的濃相區(qū)呈現(xiàn)出一種新型循環(huán)湍動流化床(Circulating turbulent fluidized bed，CTFB)的流型特征，能在Gs<200 kg/(m2·s)的條件下實現(xiàn)較寬的固/氣比調(diào)節(jié)范圍(Gs/(ρg·Ug)范圍為20.83～125.00)[8-10]；除具備局部顆粒質(zhì)量凈流率均向上的特征外，還較HDCFB具有更高的顆粒濃度、更加均勻的軸徑向顆粒分布等優(yōu)點。Geng等[11]采取等徑提升管與上、下兩端等徑中間擴徑的變徑組合提升管，在相同Gs/(ρg·Ug) (Gs/(ρg·Ug)=27.78，Gs=400 kg/(m2·s)，Ug=12 m/s)的條件下，分別實現(xiàn)了高密度操作。但通過分析瞬態(tài)濃度信號，并與Qi等[12-13]的結果對比表明，等徑提升管內(nèi)為HDCFB流型，變徑組合提升管內(nèi)為CTFB流型。Geng等[14]、Zhu等[15]進一步通過實驗對比了等徑提升管與變徑組合提升管在2種流型下的氣-固接觸效率與反應性能，證實了CTFB流型在兩方面均優(yōu)于HDCFB流型。

以上分析表明，在較大的Gs/(ρg·Ug)下，變徑組合提升管在高密度操作流型特征上與等徑提升管不同，前者在Gs/(ρg·Ug)更低的操作下的流動特性、是否存在CTFB流型操作域下限、是否存在HDCFB流型或HDCFB與CTFB流型間的轉(zhuǎn)換等，還未見有關報道。筆者采用一套變徑組合提升管冷模實驗裝置，在Gs/(ρg·Ug)為9.22～47.95范圍內(nèi)，著重針對提升管下部小直徑段濃相區(qū)，考察了濃相區(qū)流動參數(shù)的局部與整體分布特性，并與已有HDCFB和CTFB研究結果對比。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

變徑組合提升管實驗裝置及流程如圖1所示。提升管總高7500 mm，由下部小直徑段和上部大直徑段串聯(lián)而成；小直徑段尺寸φ60 mm×1900 mm，大直徑段尺寸φ120 mm×5000 mm，中間采用變徑段過渡，變徑段內(nèi)設二次補氣設備。伴床尺寸φ200 mm×2200 mm/φ300 mm×1300 mm，伴床顆粒出口至提升管顆粒入口間循環(huán)管內(nèi)徑60 mm，豎直方向高度3000 mm，顆粒入口距底部分布板高度300 mm。來自風機的空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后分3路分別進入提升管底部、變徑段及伴床底部；顆粒沿提升管小直徑段、大直徑段向上，經(jīng)轉(zhuǎn)向型出口進入伴床，伴床內(nèi)顆粒經(jīng)循環(huán)管返回到提升管小直徑段底部，伴床內(nèi)氣體夾帶的少部分顆粒經(jīng)旋風分離器及布袋除塵器分離后放空。

圖1 變徑組合提升管實驗裝置及流程示意圖Fig.1 Experimental setup and process of adjustable riser1—Fan; 2—Buffer tank; 3—Rotameter; 4—Lower riser;5—Upper riser; 6—Bin; 7—Bag filter; 8—Cyclone;9—Dipleg; 10—Circulating tube

1.2 實驗介質(zhì)及操作條件

以常溫空氣為流化介質(zhì)，CRP-1催化裂解催化劑顆粒為固體介質(zhì)，顆粒密度ρp=1455 kg/m3，平均粒徑dp=75 μm。

提升管大直徑段表觀氣速3.44 m/s，小直徑段表觀氣速Ug范圍1.47～2.95 m/s，顆粒循環(huán)強度(Gs)范圍32.65～84.59 kg/(m2·s)，固/氣比(Gs/(ρg·Ug))范圍9.22～47.95，伴床內(nèi)料位界面至提升管小直徑段顆粒入口垂直距離為4.0 m。操作中，提升管下部小直徑段整體為固/氣比較大的濃相區(qū)，上部大直徑段整體為固/氣比較小的稀相區(qū)。

1.3 測量與分析方法

在提升管小直徑段對應濃相區(qū)H=1.90 m的高度布置6個測量截面，如表1所示。沿每個截面徑向布置5個局部測點，無因次半徑r/R分別為0、0.3、0.5、0.7和0.9。

表1 提升管濃相區(qū)軸向測點布置Table 1 Measuring points arrangement in dense phase of the riser

1) Axial position; 2) Dimensionless height

采用中國科學院過程工程研究PV-6D型光纖測量儀測量局部固含率和顆粒速度，采用容積法測量系統(tǒng)顆粒循環(huán)強度。

實驗中測得局部上行固含率與局部下行固含率在各條件下數(shù)值總是相近，筆者按相同處理。通過標定，儀器輸出的電壓信號U(V)和局部時均固含率εs,r之間的關系式為εs,r=0.031U2+0.0029U。由εs,r按面積加權平均計算得到截面平均固含率εs,m，由εs,m按體積加權平均計算得到濃相區(qū)整體平均固含率εs,am。

采用鄂承林等[16]提出的算法分別計算局部上行顆粒速度Vp,r,u、下行顆粒速度Vp,r,d與局部時均顆粒速度Vp,r；由Vp,r按面積加權平均計算得到截面平均顆粒速度Vp,m，由Vp,m按體積加權平均計算得到濃相區(qū)整體平均顆粒速度Vp,am。各顆粒速度單位均為m/s。

按Gs=ρp·εs·Vp分別計算得到局部上行顆粒質(zhì)量流率、下行顆粒質(zhì)量流率與局部顆粒質(zhì)量凈流率，再按局部下行顆粒質(zhì)量流率/(局部上行顆粒質(zhì)量流率+局部下行顆粒質(zhì)量流率)計算得到局部顆粒返混比Wp,r。

2 結果與討論

2.1 變徑組合提升管濃相區(qū)固含率的分布

圖2、圖3分別給出了變徑組合提升管濃相區(qū)固含率分布及與前人研究結果的對比。由圖2可見，變徑組合提升管濃相區(qū)局部時均固含率εs,r的徑向分布與以往研究結果類似，即隨著r/R增加，εs,r增大；但在Gs/(ρg·Ug)相近的情況下，εs,r較HDCFB的大、較CTFB的小。截面平均固含率εs,m沿軸向整體呈上部小、下部大的分布趨勢，在Gs/(ρg·Ug)<27時，εs,m最大值出現(xiàn)在提升管h為0.95～1.45 m之間，同一高度處的εs,m隨著Gs/(ρg·Ug)增加而增加；而當Gs/(ρg·Ug)≥27時，εs,m最大值均出現(xiàn)在h=0.95 m處，同一高度處的εs,m隨著Gs/(ρg·Ug)增加而基本不再變化。在h/H和Gs/(ρg·Ug)均相近的情況下，提升管εs,m沿軸向的分布與HDCFB的相似，在h/H≤0.40時，其數(shù)值小于HDCFB和CTFB的，在h/H>0.40時，其數(shù)值大于HDCFB、小于CTFB的，分布的均勻程度亦介于HDCFB和CTFB之間。

由圖3(a)可知，在Gs/(ρg·Ug)<27時，變徑組合提升管濃相區(qū)整體平均固含率εs,am隨著Gs/(ρg·Ug)的增加而增加；當Gs/(ρg·Ug)≥27時，εs,am達0.18左右而不再隨Gs/(ρg·Ug)變化。而圖3(b)顯示，提升管內(nèi)單位壓降(可依ΔP=εs·ρp·g·Δh換算出提升管內(nèi)固含率)隨Gs/(ρg·Ug)增加先增加，當Gs/(ρg·Ug)≥40后基本不再變化。筆者認為，Gs/(ρg·Ug)≥40后實現(xiàn)了由傳統(tǒng)循環(huán)流化床(CFB)向高密度循環(huán)流化床(HDCFB)操作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。基于此現(xiàn)象，本變徑組合提升管在Gs/(ρg·Ug)≥27后亦進入了高密度操作狀態(tài)。

2.2 變徑組合提升管濃相區(qū)顆粒速度的分布

圖4為變徑組合提升管濃相區(qū)局部顆粒速度的分布。由圖4可知，變徑組合提升管在整個截面上均存在上行與下行顆粒，局部上行、下行與時均顆粒速度(Vp,r,u,Vp,r,d,Vp,r)整體上均呈臨近中心區(qū)域高、臨近邊壁區(qū)域低的分布趨勢，Vp,r,u在數(shù)值上大于Vp,r,d，因此Vp,r均向上。在h/H與Gs/(ρg·Ug)均相近的情況下，Vp,r數(shù)值上與CTFB的相近，但小于HDCFB的；沿整個徑向的均勻程度低于CTFB的、高于HDCFB的。

圖2 變徑組合提升管濃相區(qū)時均固含率(εs,r) 徑向分布和截面平均固含率(εs,m)軸向分布及其隨Gs/(ρg·Ug)的變化Fig.2 The εs,r radial distribution and εs,m axial distribution and εs,m vs Gs/(ρg·Ug ) in dense phase of adjustable combined riser (a) εs,r radial distribution; (b) Comparison of εs,r distribution with that of HDCFB and CTFB[10];(c) εs,m vs Gs/(ρg·Ug); (d) Comparison of εs,m distribution with that of HDCFB and CTFBGs/(ρg·Ug): (1) 28.65; (2) 47.95; (3) 41.67; (4) 20.83; (5) 41.67; (6) 62.50; (7) 125.00

圖3 提升管濃相區(qū)整體平均固含率(εs,am)和提升管單位壓降(P/h)隨固/氣比(Gs/(ρg·Ug))的變化Fig.3 Overall average solids holdup(εs,am) and riser unit pressure drop(ΔP/Δh) vs Gs/(ρg·Ug) of dense phase in riser(a) εs,am vs Gs/(ρg·Ug); (b) (ΔP/Δh) vs Gs/(ρg·Ug) in references[2,17]

圖5給出了變徑組合提升管濃相區(qū)整體平均顆粒速度Vp,am隨Gs/(ρg·Ug)的變化及其與HDCFB[2]、CTFB[8]的對比。Vp,am是在不同操作條件下對截面平均顆粒速度Vp,m沿提升管軸向進行加權平均得到的。由圖5可知，變徑組合提升管濃相區(qū)Vp,am隨Gs/(ρg·Ug)的變化趨勢與HDCFB相似，隨著Gs/(ρg·Ug)的增加，整體上均呈“Ⅰ降低-Ⅱ增加-Ⅲ降低”的趨勢，在“Ⅰ降低-Ⅱ增加”階段轉(zhuǎn)變點所對應的Gs/(ρg·Ug)相近，但在“Ⅲ降低”階段轉(zhuǎn)變點所對應的Gs/(ρg·Ug)不同；HDCFB在Gs/(ρg·Ug)=40左右進入高密度操作狀態(tài)(見圖3)，采用變徑組合提升管，高密度操作域下限將提前至Gs/(ρg·Ug)=27.00左右。與CTFB的Gs/(ρg·Ug)交叉的區(qū)域[8](Gs/(ρg·Ug)為20.00～50.00)相比，濃相區(qū)Vp,am均表現(xiàn)出隨Gs/(ρg·Ug)增加而降低，而CTFB在Gs/(ρg·Ug)進一步增加的過程中，濃相區(qū)Vp,am呈先增加然后再趨于近似不變的趨勢，因此，從CTFB流型角度看，Gs/(ρg·Ug)在20.00～50.00范圍可能是CTFB流型與其它高密度操作流型的轉(zhuǎn)變區(qū)域。

圖4 變徑組合提升管濃相區(qū)局部顆粒速度(Vp,r)的徑向分布Fig.4 The Vp,r radial distribution in dense phase of adjustable combined riser(a) Vp,r,u Vp,r,d and Vp,r distributions; (b) Comparison of Vp,r distribution to that of HDCFB and CTFBAdjustable combined riser: h/H=0.50； Gs/(ρg·Ug)=47.95HDCFB: h=0.42； Gs/(ρg·Ug)=41.67CTFB: h/H=0.42； Gs/(ρg·Ug)=41.67

圖5 變徑組合提升管濃相區(qū)整體平均顆粒速度Vp,am隨Gs/(ρg·Ug)變化及其與HDCFB、CTFB的對比Fig.5 Vp,am vs Gs/(ρg·Ug) of dense phase in adjustable combined riser compared to HDCFB and CTFB(a) Compared to HDCFB; (b) Compared to CTFB

綜合前文及圖5可知，當Gs/(ρg·Ug)在27.00～47.95之間時，采用變徑組合提升管構型，在濃相區(qū)整體實現(xiàn)了高密度操作，但其一方面具備與HDCFB流型相似的特征，另一方面又具備與CTFB流型相似的特征，故與常規(guī)等徑提升管的HDCFB相比，采用變徑組合提升管可以構建一個獨立的流動區(qū)域，通過調(diào)節(jié)該區(qū)域操作固/氣比，氣-固流型可從低密度循環(huán)流態(tài)化操作過渡到高密度循環(huán)流態(tài)化操作，且2種操作狀態(tài)對應的固/氣比轉(zhuǎn)變點提前。

2.3 變徑組合提升管濃相區(qū)顆粒的返混

圖6為濃相區(qū)局部顆粒返混比(Wp,r)與顆粒質(zhì)量凈流率(Gs,r)的徑向分布。由圖6(a)可見，變徑組合提升管濃相區(qū)各局部位置均存在上行與下行顆粒，下行顆粒的Wp,r隨著r/R增加而增大，但各局部位置Wp,r均小于0.50。由此表明，各局部位置的Gs,r均向上。由圖6(b)可見，Gs,r整體上呈中心區(qū)大、邊壁區(qū)小的趨勢，在r/R<0.9的區(qū)域，與CTFB的相近，在r/R≥0.9的區(qū)域，小于CTFB的；而HDCFB的Gs,r隨著r/R增加先增加再降低，最大值出現(xiàn)在r/R=0.6附近，在r/R<0.9的區(qū)域，Gs,r較變徑組合提升管的高，在r/R≥0.9的邊壁區(qū)域，HDCFB的Gs,r與變徑組合提升管的Gs,r相近。

圖6 濃相區(qū)局部顆粒返混比(Wp,r)與顆粒質(zhì)量凈流率(Gs,r)的徑向分布Fig.6 Radial distributions of local particle back-mixing ratio (Wp,r) and net solids mass flux (Gs,r) in dense phase(a) Wp,r; (b) Gs,rAdjustable combined riser: h/H=0.50; Gs/(ρg·Ug)=47.95HDCFB: h/=0.42; Gs/(ρg·Ug)=41.67CTFB: h/H=0.42; Gs/(ρg·Ug)=125

2.4 底部進料區(qū)與上部變徑段對高密度操作下提升管濃相區(qū)流動特性的影響

圖7為變徑組合提升管濃相區(qū)截面平均顆粒速度Vp,m與截面平均固含率εs,m沿軸向的分布。由圖7可見，高密度操作下，在h為0.65～1.45 m之間，除去h=0.95 m之外，即圖中Ⅰ區(qū)，Vp,m和εs,m沿軸向的變化均較小，這與CTFB[8-10]的軸向分布趨勢相似。而在濃相區(qū)中部h=0.95 m處，即圖中Ⅱ區(qū)，分別出現(xiàn)Vp,m降低和εs,m增加的現(xiàn)象，而CTFB[8-10]的軸向參數(shù)分布在提升管中部也有增加的趨勢，但其增加幅度較小。這種特征與變徑組合提升管構型和操作有關，首先在濃相區(qū)出口的變徑段內(nèi)補氣，會對下部氣-固流動形成一定的約束作用；同時，濃相區(qū)下部氣體對顆粒初始流動存在一定的加速作用，兩種作用的疊加致使提升管中部出現(xiàn)此類現(xiàn)象，而本變徑組合提升管的濃相區(qū)高度相對較低，使這種現(xiàn)象較為明顯。在濃相區(qū)上部的h=1.70 m處，即圖中Ⅲ區(qū)，分別出現(xiàn)Vp,m增高和εs,m降低的現(xiàn)象，這與以往流化床中分布規(guī)律相似，主要是靠近床層上部壓力較低，氣體膨脹程度更大所致；同時，該區(qū)域Vp,m隨Gs/(ρg·Ug)增加而降低的趨勢較為明顯，這也是造成濃相區(qū)Vp,am隨Gs/(ρg·Ug)增加而降低的主要原因。在濃相區(qū)下部h=0.40 m處，即圖中Ⅳ區(qū)，Vp,m較上部h=0.65 m的Vp,m低，而εs,m與上部的εs,m相比變化不大，這主要與氣體對進料顆粒的加速作用有關。

圖7 變徑組合提升管濃相區(qū)截面平均顆粒速度Vp,m與截面平均固含率εs,m沿軸向的分布Fig.7 Axial distributions of cross-sectional averaged particle velocity Vp,m and cross-sectional averaged solids holdup εs,m of dense phase in adjustable combined rise(a) Vp,m; (b) εs,mⅠⅡ: Fully developed region; Ⅲ: Outlet of dense phase; Ⅳ: Feed port at the bottom

3 結 論

(1)在固/氣比(Gs/(ρg·Ug))在9.22～47.95范圍，變徑組合提升管濃相區(qū)各局部位置均存在上行與下行顆粒，局部時均固含率和顆粒返混比隨著無因次半徑增加而增加，局部顆粒速度及顆粒質(zhì)量凈流率隨著無因次半徑增加而降低。

(2)在顆粒循環(huán)強度Gs<200 kg/(m2·s)的情況下，當Gs/(ρg·Ug)≥27時，變徑組合提升管濃相區(qū)進入高密度操作狀態(tài)，對應局部時均顆粒速度和顆粒質(zhì)量凈流率均向上。

(3)高密度操作下，當Gs/(ρg·Ug)在27.00～47.95范圍內(nèi)，變徑組合提升管在局部流動特性上與循環(huán)湍動流化床相近，在截面平均及濃相區(qū)整體流動特性上與高密度循環(huán)流化床相近。

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The Flow Characteristics of Dense Phase in Adjustable Combined Riser

WEI Chenguang, WANG Dewu, WU Guangheng, DING Chunli, XIE Jinpeng, ZHANG Shaofeng

(SchoolofChemicalEngineering,HeibeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

The flow characteristics of dense phase in adjustable combined riser with the solids flux (Gs) ranging between 32.65 and 84.59 kg/(m2·s) and solid-gas ratio (Gs/(ρg·Ug)) ranging between 9.22 and 47.95 were investigated and compared with that in high density circulating fluidized bed and circulating turbulent fluidized bed in previous studies. The results showed that there all existed upward and downward particles at local position in dense phase. The local time-mean solids holdup and the particle back-mixing ratio increased, while the local particle velocity and the net solids mass flux decreased with the increase ofr/R. The cross-sectional averaged solids holdup remained the same whenGs/(ρg·Ug) varied from 27 to 47.95, and the corresponding local time-mean particle velocity and the net particle solids mass flux were upward. Meanwhile, the dense phase became into a high-density status, at which the local flow characteristics of dense phase were similar to that in circulating turbulent fluidized bed and the cross-sectional average flow characteristics as well as the overall flow characteristics were similar to that in high-density circulating fluidized bed.

high-density circulating fluidized bed; circulating turbulent fluidized bed; adjustable riser; flow characteristics; solid-gas ratio

2016-04-14

國家自然科學基金項目(21106028)、河北省自然科學基金項目(B2013202125)資助

魏晨光，女，碩士研究生，從事流態(tài)化技術與多相流反應工程研究；E-mail：18222172319@163.com

王德武，男，副教授，博士，從事流態(tài)化技術與多相流反應工程研究；Tel：022-60204482；E-mail：wangdewu211@163.com

1001-8719(2017)02-0303-07

TQ051.1； TQ052

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.02.015