內循環流化床顆粒循環速率實驗研究

趙文立，沙作良，王鐵峰，王金福

(1. 天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457；2. 清華大學化學工程系，北京 100084)

內循環流化床顆粒循環速率實驗研究

趙文立1，沙作良1，王鐵峰2，王金福2

(1. 天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457；2. 清華大學化學工程系，北京 100084)

采用熱顆粒示蹤和信號相關法對氣固內循環流化床的顆粒循環速率進行實驗研究．考察操作氣速、提升管下部孔徑和提升管高度對于顆粒循環速率的影響．結果表明：在所考察的實驗條件下，顆粒循環速率在 15～70,kg/(m2·s)之間變化．操作氣速增大時，顆粒流化程度增強，顆粒循環速率增加；提升管下部開孔數目不變而孔徑增加時，顆粒循環阻力減小，顆粒循環速率明顯增加；提升管高度由235,mm增加到295,mm時，顆粒循環速率呈現先升后降趨勢，在提升管高度為265,mm時存在極大值．

內循環流化床；顆粒循環速率；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

隨著我國經濟發展和城市化進程的加速，能源的需求量劇增．循環流化床作為一種氣固接觸面積大、反應效率高的工業反應器，被廣泛應用于煤的燃燒與氣化、固體廢物焚化以及石油加工領域[1–3]．但是，傳統的循環流化床需要較高的提升管以及旋風分離器．為了降低流化床的高度以及昂貴的設備費用，各種內循環流化床反應器[4–5]相繼被開發出來．這種反應器由低速的移動床(下降管)與高速的流動床(提升管)構成復合結構．流化床中的顆粒在氣體的帶動下向上運動，顆粒進入移動床后開始向下運動，形成了大尺度的顆粒循環．除了結構緊湊、造價低廉外，內循環流化床反應器還有許多優點．例如，反應過程中的熱損失較低；對于一些燃燒過程來說，顆粒在移動床中較長的停留時間可以大大提高反應的轉化率．另外，利用內循環流化床的結構特點還可以對反應器進行分區，通過對加熱區(移動床)和主反應區(流化床)的分別布氣風形成了固相顆粒內循環，實現了加熱區與反應區的分離．

在內循環流化床的眾多可控參數中，顆粒循環速率(Gs)對于顆粒停留時間、傳質傳熱等參數具有重要影響．Milne等[6]認為基于下降管橫截面積的固體循環速率與下降管的表觀氣速呈線性關系，而提升管的表觀氣速對其影響不大．Lanauze[7]基于流化床與移動床的固含率差別建立了預測提升管固含率的模型．Song等[8]測量了 3種氣體分布器下的顆粒循環速率，并對錐形分布器進行了進一步的討論．Ahn等[9]利用 De Jong 和 Hoelen[10]提出的公式擬合過孔循環量數據，并得到了相應的流量系數．Chu和Hwang[11]在與外界壓力平衡的基礎上，在一個多腔內循環流化床反應器內建立了數學模型，以預測顆粒質量流率．Shih等[12]研究了流化床與移動床的表觀氣速、顆粒平均粒徑與提升管形狀對 Gs的影響，并提出了穩態下預測 Gs的關聯式．Cheng等[13]在加壓下降管中使用壓力計來預測 Gs，獲得了一些在不同的區域利用壓差預測 Gs的關聯式．Patience等[14]通過測量提升管與上部旋風分離器中間的圓柱形管道內的壓降預測Gs．

本文采用改進的熱示蹤法對內循環流化床的顆粒循環速率進行了實驗研究，考察了流化數、提升管開孔直徑和提升管高度對Gs的影響．

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖 1所示，由有機玻璃制成，其外徑為 130,mm，內徑為 120,mm，高度為 800,mm；內部設有提升管，其外徑為 80,mm，內徑為 70,mm，高度為250,mm，在提升管下部均勻分布孔徑為10,mm的24個小孔．

圖1 實驗裝置示意圖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，在提升管與環隙部位均勻打孔，孔徑 1,mm．氣體分布板下部存在兩個氣室，為床層流化提供氣體．上面的擴大段外徑為 310,mm，內徑 250,mm，高 400,mm，可以防止氣速較高時的顆粒夾帶現象．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．空氣由空氣壓縮機出來，經過分子篩、減壓閥與氣體流量計進入反應裝置，經過氣體分布器進入顆粒床層使顆粒流化，經擴大段進行氣固分離后，從上面的出氣管排出．

1.2 測量方法

1.2.1 下降管平均固含率εs

利用壓差法測量環隙下降管的平均固含率．具體方法是用壓力傳感器測量兩軸向位置間的床層壓差，壓差由兩測點間氣固混合物與氣體密度的不同所致．記兩測點間距為 h1，則壓差 Δp與平均固含率 εs滿足

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

1.2.2 顆粒平均速度us與顆粒循環速率Gs

采用熱示蹤法測量顆粒平均速度．傳統的熱示蹤法采用熱電偶測量顆粒床層溫度，由于氣固流動結構復雜，熱顆粒與熱電偶的接觸不均勻，而且熱電偶的響應時間長，造成信號峰拖尾現象，增加了實驗誤差．為了提高實驗精度，本實驗采用了Raytek compact MI型紅外測溫探頭進行測量，該探頭響應時間為150,ms(95%)，測量精度為±1%或1,℃．測量時首先把加料裝置傾斜一定角度固定在外筒壁上，下降管內顆粒流化以后有一小部分進入加料管．在加料管上用加熱帶加熱并用溫度控制儀進行控溫，待溫度達到設定值后用高壓脈沖把高溫顆粒打入流化床中．進料口下端兩個紅外溫度探頭對溫度信號進行測量，通過信號相關處理即可求得顆粒平均速度

式中：h2為紅外探頭測量點間距離，cm；Δt為當 c(τ)取得極大電信號值時對應的時間，s．其中Δt由式(4)確定

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

圖2為對典型信號示意圖．

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

顆粒循環速率Gs可由式(5)進行計算

2 結果與討論

2.1 流化數對顆粒循環速率的影響

在氣固內循環流化床中，當提升管和下降管表觀氣速不同時，則兩區域的固含率也不同，在密度差的推動下形成顆粒的循環流動．在本實驗中，中心管的操作氣速比環隙的操作氣速大，因此，中心管作為提升管，環隙作為下降床．為使表觀氣速數據在工業放大過程中便于參考，本工作使用流化數代替表觀氣速．流化數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有關．圖 3為提升管流化數(UR/Umf)與下降管流化數(UD/Umf)對于顆粒循環速率 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一步提高時明顯降低．Song等[8]認為，在較高氣速下，提升管內部會形成中間上升、邊壁下降的內環流結構，且隨著氣速增大顆粒混合嚴重．此外，提升管入口氣速較大時，一部分氣體通過提升管底部的開孔進入環隙下降床，導致提升管與下降管的操作氣速差別和床層密度差降低，阻礙顆粒循環速率的進一步增大．另外，下降管表觀氣速也對顆粒循環速率有明顯影響．因此，進一步在相同UR/Umf下考察了 UD/Umf對 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速率．由以上結果可知，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量密切相關．當UD/Umf為 1.46時，下降管床層的流化質量較差．隨著 UR/Umf增加，Gs的增加速率下降較快，當 UD/Umf為2.92甚至更高時，下降管均勻流化，Gs會有明顯的增加，且增加速率隨著UR/Umf增加變化不大．

圖3 流化數對顆粒循環速率的影響Fig.3 Effect of fluidization number on Gs

2.2 提升管開孔直徑對顆粒循環速率的影響

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

2.3 提升管高度對顆粒循環速率的影響

圖5 為UD/Umf＝2.19時，提升管高度HR對于顆粒循環速率 Gs的影響．當 HR在 235～295,mm 之間變化時，Gs在 HR＝265,mm 附近存在一個極大提升管下部開孔數目一定時，開孔直徑 dor決定了顆粒循環流通面積，因此對顆粒循環量有顯著影響．UD/Umf＝2.19時，提升管開孔直徑對顆粒循環速率的影響如圖 4所示．從圖 4中可以看出，當 dor由8,mm 增加到 16,mm 時，顆粒循環速率明顯增大．其原因在于開孔率增加使顆粒循環流通面積增大，流動阻力減小，顆粒與氣體更容易通過開孔從下降管進入提升管．這個結果與Milne等[6]和Ahn等[9]報道的結果一致．他們認為，當 dor較小時，下降管小孔附近會出現顆粒聚集現象，阻礙氣流和顆粒從提升管進入下降管．在本研究中，提升管下部開孔率較大，但是當dor較小時，會出現顆粒聚集現象，Gs隨著 UR/Umf的增大變化不明顯；而當dor逐漸增大以后，氣流與顆粒的過孔阻力會逐漸降低，Gs會隨著 UR/Umf的增大而大幅度增加．值．Shih等[12]認為，隨著HR升高，顆粒和提升管之間的摩擦力不斷增大，而且提升管中的顆粒回落的可能性較大，當提升管超過床層時回落程度減小，所以 Gs會存在一個先下降后上升再下降的過程．由于 Shih等[12]采用的設備規模較大，摩擦力對 Gs的影響比本實驗裝置更明顯．本實驗的靜床層高度為 245,mm，當 HR為 235,mm時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動．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，顆粒從下降管運動落入提升管的運動趨勢逐漸減小，造成了提升管內外密度差增加，循環量增大．當 HR進一步增大時，由于UR導致的床層膨脹有限，提升管內顆粒落入下降床的量迅速減小，Gs明顯下降．

圖5 提升管高度對顆粒循環速率的影響Fig.5 Effect of height of draft tube on Gs

3 結 論

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

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

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

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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目(07ZCGHHZ01600)；北京市科技新星項目(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.