半干法循環流化床脫硫反應器內構件研究進展

黃學靜，徐文青，魏耀東，汪軍盛，朱廷鈺

（1中國科學院過程工程研究所北京市過程污染控制工程技術研究中心，北京 100190；2中國石油大學（北京）化學工程學院過程裝備實驗室，北京 102249）

半干法循環流化床脫硫反應器內構件研究進展

黃學靜1，2，徐文青1，魏耀東2，汪軍盛1，朱廷鈺1

（1中國科學院過程工程研究所北京市過程污染控制工程技術研究中心，北京 100190；2中國石油大學（北京）化學工程學院過程裝備實驗室，北京 102249）

常規脫硫反應器存在著床內氣固流動不均勻、脫硫劑利用效率低等問題。安裝內構件可以破碎氣泡和顆粒團聚，改善流化質量，強化脫硫反應器內的氣固傳質和反應過程，提高脫硫效率。本文介紹了近年來半干法循環流化床脫硫反應器內構件的研究現狀，主要介紹了慣性式內構件、鈍體式內構件、孔板式內構件、復合型內構件；闡述了各種內構件的形式及特點，其中慣性式內構件能夠強化氣固分離，但不能優化流場；鈍體式內構件能夠增強反應器內氣固湍動程度，但對軸向混合影響不大；孔板式內構件能夠均布流場，但易堵塞；復合內構件能夠改善流化性能，強化氣固接觸，但床層壓降較高。通過對裝有不同內構件的循環流化床脫硫反應器中氣固兩相流動特點的分析，指明了各類內構件對流化床內氣固流動的作用原理及優缺點，綜合床層壓降及顆粒濃度分布，并根據現有流化床脫硫反應器內構件特點提出了促進氣固高效接觸、降低床層壓降等新型內構件的開發方向。

循環；流化床；反應器；脫硫；內構件；傳質

循環流化床半干法脫硫反應器一般為空塔設計，存在著氣固兩相之間的傳質和反應不均勻、進而導致脫硫劑利用率和脫硫效率低問題。為了強化脫硫反應器內部脫硫效率，研究者針對設備和工藝技術等方面，一直在不斷進行改進，主要措施是在脫硫反應器內設置內構件。設置內構件改變了脫硫反應器的流場，增強流化床的顆粒內循環，從而改善流化床的傳質性能和反應性能。但各類型內構件的結構不同，作用方式有很大的不同，有的內構件可抑制并破碎氣泡；有的內構件可以改善顆粒在床內停留時間分布；還有的內構件可以造成強烈的湍流狀態，提供了連續的顆粒接觸和顆粒碰撞，使得吸收劑表面的反應產物不斷地磨損脫落，避免了吸收劑活性的下降[1-6]。同時這些內構件還存在很多的不足，限制了其應用的推廣，也還有很大的改進空間。因此，對于內構件的研究和改進，是目前提高流化床半干法脫硫反應器性能的主要措施之一。為此，本文對目前煙氣脫硫反應器常用的4種內構件，即慣性式內構件、鈍體式內構件、孔板式內構件、復合型內構件進行了分析，提出今后改進的方向和措施。

1 慣性式內構件

圖1 慣性式內構件

慣性式內構件大多安裝在流化床上部或頂部，如圖1所示，有漏斗形、擋板形、槽形等結構。操作中脫硫劑上行經過慣性內構件，因慣性作用而分離回落，與上行的煙氣產生氣固湍流接觸，并顯著改善脫硫劑在床內的停留時間分布[7-8]。德國WULEF公司[9]開發了RCFB雙循環脫硫工藝，在流化床頂部安裝了擋板。此擋板具有一定傾角，有預除塵作用，能夠實現顆粒大量返混，提高了氣固兩相之間的接觸效率，同時出口煙氣的溫度和露點的平衡均能夠得到有效的控制，維持了脫硫劑持續的反應活性，脫硫效率得到大幅度提高。Mabrouk等[10]針對內循環流化床，在反應器出口加入V形、∧形板，可以明顯影響顆粒停留時間分布和顆粒軸徑向分布，強烈地改變了氣固兩相的流動結構，但是加入內構件之后，流化床床層壓降明顯增大。V形板是優化流場的較好選擇，然而在某些表觀氣速下，其壓降和空塔結構差別不大。對于∧形板，只有其高度離內部提升管出口距離較小時才能發生較好分離效果。

馬鴻良[11]通過在流化床頂部安裝百葉窗分離器，發現部分脫硫劑沿壁面發生回流，強化了內部循環，提高了固體顆粒濃度，有效地減輕了外部除塵設備負擔，同時可以增大顆粒之間的摩擦，使顆粒表面不斷更新，提高了脫硫劑的利用率。高建民等[12]通過在脫硫器頂部出口附近布置槽形分離器，使出口質量流率波動幅度呈逐漸平緩趨勢，維持了流化床內的質量守恒，并穩定了流場。Sung Won Kim[13]在提升管頂部出口安裝了一個文丘里收縮段，收縮段伸入沖擊箱。在沖擊箱內放置擋板分離器，可以攔下上升氣流中的多數顆粒。對于此種結構，存在著一個從密相懸浮上升流到快速流態化的過渡區。

由于出口效應的影響，流場在流化床頂部會發生一定的偏轉，張錫梅[14]在流化床反應器頂部后墻安裝了一種偏置結構內構件，此內構件呈臺階狀，如圖2所示，這種偏置內構件能夠明顯地改變流化床頂部區域流場的分布，安置此內構件，流化床頂部流動依然呈環-核流動結構，然而其核心區明顯向前墻側偏轉。靠近偏置內構件的流動區域，顆粒流動發生明顯偏轉，而且徑向流動明顯加劇，這在一定程度上削弱了出口效應的影響。

圖2 偏置結構

為了增加氣固流動的湍動程度，使氣固高效接觸，研究者做了大量工作。楊柳春[15]發現在流化床反應器頂部擴大段架設擋板時，如圖3所示，流化床密相區向上轉移至擴大段底部，氣流攜帶顆粒進入流化床擴大段后，因為截面擴大而導致氣速降低，氣流攜帶顆粒能力減弱，在重力作用和擋板的攔截下，上行顆粒發生轉向，顆粒沿流化床壁面回流，流化床整體呈現出強烈的環-核流動結構。Hesrick等[16]在流化床內安裝擋板，并且在擋板上開設氣體分布孔，擋板的開孔率隨流化床的高度不同而不同，從而實現了氣流在不同高度上的均勻分布，最終達到了氣固兩相高效接觸的目的。在流化床脫硫反應器內也可以安裝多層內構件，如此可以將流化床反應器沿軸向有效地分為若干個區，而且內構件之間出現了稀相區，降低了擴散阻力，能夠有效地改善流化床反應器內氣固間的傳質傳熱效果[17-19]。郝志剛[20]通過在流化床頂部安裝多個水平多孔擋板，發現當增大擋板間距時，反應器床層壓降增大，雖然顆粒停留時間稍有增長，但擋板之間節涌增強，大小顆粒在床內停留時間差別不明顯，此對大顆粒反應十分不利。而且當擋板間距增大時，床層壓降波動明顯增大，流化床內氣固流化質量變差。當擋板間距較小時，床層壓降波動比較較小；當擋板間距等于流化床直徑時，可以形成穩定均勻的流化狀態。

圖3 流化床頂部漸擴段架設擋板

慣性分離裝置安裝在流化床頂部，節約占地空間。架設擋板雖然能夠改善流化床反應器中氣固傳質效果，但是擋板之間顆粒濃度分布具有中間密、兩頭稀的特點，對進一步提高傳質效果有所限制。而且架設多層擋板使主床壓降增大，能耗增高。經研究發現整個脫硫塔的壓力損失主要集中在分離裝置上，因此研究壓降較小的慣性式內構件具有重要意義。

2 鈍體式內構件

鈍體內構件的加入可以使流通截面積發生改變，如圖4所示，當氣固混合物流過鈍體時，可以產生很強的渦流，從而使邊壁區與中心區的相互作用得到加強，大大提高了流化床反應器內顆粒的湍動程度，使顆粒脈動強度增加4～5倍，提高了氣固傳質效果[21-23]。甘寧俊等[21]發現加入鈍體構件之后，可以對氣流產生明顯的截流作用，使氣固兩相流經鈍體構件時加速，在鈍體構件尾部，顆粒濃度明顯減小，但是床層安置鈍體構件處局部阻力有所增大。固體顆粒流經鈍體構件后，其運動慣性開始減小并產生回流，從而消除了傳統流化床內近壁面處的顆粒濃環，使氣固傳質效率顯著提高。引入鈍體構件后，氣體徑向擴散系數可以提高1個數量級，達到1000cm2/s，使氣固混合更加均勻。雖然顆粒徑向分布能夠得到改善，但流化床截面顆粒平均濃度卻有所降低，在一定程度上限制了脫硫反應速率。

圖4 鈍體內構件[23]

圖5 對稱內構件[22]

為了使氣固重新分布，并維持較高的截面顆粒濃度分布，研究者開始研究多個鈍體式內構件組合對流化床反應器內氣固流動特性的影響。Wang等[22]為了強化氣固反應，在流化床中部安裝了對稱鈍體內構件，如圖5所示。此鈍體內構件可以使邊壁回流的濃顆粒層與流化床壁面發生脫離，床層截面上沿徑向顆粒濃度趨于均勻，利于反應的進行。在內構件上方，截面顆粒濃度明顯增高，顆粒徑向均勻性得到改善；在內構件下方，內構件對流場的作用要比在上方弱。當內構件尺寸較大時，對氣固兩相流動影響較大，不僅能夠增強軸向、徑向氣固混合程度，而且增強了顆粒內循環，局部提高了截面顆粒濃度，改變了濃度場。內構件尺寸較小時，雖然對徑向混合有一定作用，但不能明顯提高床層顆粒濃度。沿流化床反應器軸向位置，交叉安裝多個內構件，對流場可以產生波浪性擾動，使氣固接觸更加充分。

雖然鈍體內構件的加入會改善顆粒濃度和顆粒速度的徑向分布，但劉會娥[23]發現加入鈍體內構件后，如果流化床流通面積過小，會造成床層阻力過大；如果流通面積過大，則對氣固流動、混合效果不明顯。為了強化氣固混合效果并使床層阻力盡可能小，特設計底部為拋物面形鈍體式內構件，如圖4所示。此鈍體內構件上段為圓柱體，下段表面為拋物面，能夠減少鈍體底部的磨損，又能使流過鈍體內構件的流體產生很強的渦流，增加了氣固兩相徑向的混合能力。此鈍體內構件的加入，可以顯著增強顆粒徑向混合能力，大大提高了顆粒間傳質傳熱效果，并且能使顆粒在流化床內停留時間分布曲線有所改變，但不能提高固體顆粒的軸向混合能力。

盡管鈍體式內構件可以使流化床反應器邊壁區的脈動速度增強，破壞反應器邊壁區原有的顆粒濃環，增強顆粒的徑向混合能力，但并不能從根本上改變流化床床層內的空穴-顆粒團兩相結構，因而不能提高顆粒軸向的混合能力。加入鈍體式內構件之后，如何改善流化床反應器中顆粒的軸向混合能力，將會是一個很有潛力的課題。

3 孔板式內構件

孔板是常用的布風裝置之一，如圖6所示。良好的布風裝置，能夠使流體進入流化床時達到均勻分布，并且能夠加快氣相對固體顆粒的加速效應，縮短流化床反應器的入口長度，從而提高了床層的利用效率。而且良好的布風裝置可以消除流化床反應器下部的流場偏轉，有利于提高脫硫劑的均勻分布。

李鵬飛等[24]在流化床反應器內安裝不同的文丘里布風裝置，如圖7所示，發現在相同的喉口面積下，七孔文丘里布風裝置要比一孔、四孔文丘里布風裝置床層壓降損耗少。安置七孔文丘里布風裝置，流化床內顆粒濃度較大，而且流態穩定，流化效果較好。布風口處顆粒湍動程度加強，顆粒分布更加均勻，流化床內顆粒平均濃度穩定。流化床床層壓降穩定，波動較小[25]。彭聚濤等[26]也發現在流化床反應器底部安裝多管文丘里進氣裝置，可以明顯降低壓降，而且脫硫器內流場達到均勻分布。王濤等[27]在流化床底部安裝了傾斜布風板板，采用非均勻分段布風，通過數值模擬計算，發現可以造成顆粒內部的循環，能夠改善顆粒在流化床內的徑向分布，而且在布風板傾斜20°時可以達到最優效果。

圖6 孔板式內構件

圖7 3種形式文丘里結構

循環流化床脫硫反應器存在著軸、徑向顆粒分布不均勻等問題，在流化床反應器內架設孔板式內構件，可以有效地改善循環流化床反應器內顆粒濃度的軸、徑向分布。鄭傳根等[28]采用孔板式內構件，改變了氣固兩相流的湍流流型，固體顆粒從流化床邊壁處的大尺度回流變為床層全截面上的小尺度回流。孔板式內構件能夠改變氣體流型，增大流化床邊壁處的顆粒濃度。選用孔板式內構件，能夠造成顆粒在床層內的局部回流。多孔板構件若為截面均勻開孔，則流化床中心區顆粒濃度有所提高，但邊壁處顆粒濃度也很高，而且不均勻度較大，顆粒濃度徑向分布波動較大。研究人員進一步發現，縮小孔板直徑，使孔板與流化床壁面留出一縫隙，則不均勻度能夠改善。孔板式內構件對氣固流動特性的影響與操作條件有很大的關系：給定氣速和顆粒流率，總會發現一個與之對應的最佳環寬，最佳環寬度隨氣速增加而減小，隨顆粒流率增加而增大[29-31]。

孔板式內構件的影響范圍基本上在相當于循環流化床床層直徑的范圍內，受表觀氣速、顆粒循環量的影響較小。雖然在流化床反應器內加入孔板內構件可以提高床層顆粒平均濃度，但是對于提高氣固兩相在的徑向傳質效果影響不大。而且流化床反應器內安裝孔板內構件，由于氣流方向正對床層，床層易形成溝流，如果孔板開孔較小，則孔板處易發生堵塞。

4 復合型內構件

傳統內構件僅考慮顆粒群分布和氣固傳質問題，未考慮內構件對流場的有效引導。安裝傳統內構件，流化床床層壓降波動幅度比較大，使流化床的利用效率降低。Hao[32]在文丘里布風裝置上增加了旋流片，如圖8所示，使氣流旋-直復合流動。加入旋流片，使流化床反應器內氣流切向動量大為增強，流化床內氣流擾動強烈，氣固湍動程度得到增強，湍流輸運能力增強，流化床床層截面流場的對稱性增強。旋-直復合流化，使流動更加均勻，而且流化床底部能量耗散加快，氣流流動達到均勻狀態所需的時間大為減少。采用旋流葉片，可以消除流化床反應器水平入口造成的回流，消除了流場在流化床內的偏斜。而且脫硫劑在流化床反應器內高濃度高速度循環運轉，沖刷作用得到增強，傳質傳熱能力得到增強，促進了液滴干燥，能夠有效地緩解床層內黏壁現象。張立強[33]也發現流化床底部增加旋流結構后，流化床壁面濃度急劇增加，為空塔結構時的30～50倍。流化床反應器的主反應區位于流化床的中下部，積極地促進了氣固傳質效果，提高了脫硫反應效率。

圖8 旋-直復合結構[32]

為了對顆粒群進行有效擾動和對流場有效引導，朱廷鈺等[34]在流化床反應器內加設了一種含導流板和擾流板的復合型內構件，如圖9所示。此內構件可以防止流化床在高速操作條件下產生氣墊和氣節，能夠有效促進顆粒群在流化床內的更新，并能顯著提高氣固兩相的接觸效率，而且減少了固體顆粒對內構件的磨損，提升了循環流化床的操作彈性。

Kim[36]在提升管內邊壁安裝螺旋形的圓管內構件，如圖10所示，發現相同的實驗操作條件下，安裝此內構件的提升管要比光滑提升管氣體上升速度高，在高表觀氣速下，安裝內構件的提升管顆粒濃度要比光滑提升管低，而且所測顆粒固含率與滑移通量模型計算的數據十分吻合。張麗等[37]采用脈沖示蹤法，考察了反應器內流體的停留時間分布，發現安裝螺旋形內構件能夠強化氣固混合效果，使濃度徑向分布更加均勻。

圖9 復合內構件[34]

圖10 螺旋內構件

Harris[38]為了準確測量顆粒停留時間分布，在流化床出口橫向安裝了一個噴射裝置，從而獲得適當的邊界特征。此噴射裝置可以獲得定義良好的測量邊界，使測量樣品混合完全，而且測量粒子不會沉積在噴射裝置內。

復合型內構件往往結構復雜，制作成本高，并且由于其復雜的結構容易導致形成死角，使顆粒堆積阻塞，限制了氣固接觸效率。復合型內構件壓降也比較大，為下游除塵帶來負擔。

5 結 語

從最初的慣性式內構件，到鈍體式內構件，再到孔板式內構件、復合內構件，人們都在以破碎氣泡、增加顆粒回流、改善顆粒停留時間分布、提高氣固接觸效率為研究目的。對于慣性式內構件，雖然可以增加返混并改善脫硫劑在流化床內停留時間分布，但對氣流不具備引導作用。鈍體型內構件與慣性式內構件相比，可以明顯改變顆粒徑向混合能力，使徑向混合能力顯著增強，但對軸向混合影響不大。孔板式內構件雖然可以使氣流分布更加均勻，但是容易形成溝流，而且開孔較小時易發生堵塞，其增加湍動的效果不如其他3種內構件明顯。復合型內構件雖然可以改善流場分布，但由于流通路徑比較曲折，容易發生堵塞，形成顆粒流動的死區，減少氣固接觸的機會，而且床層壓降也較大。因此，強化氣固兩相間接觸仍是今后內構件研究的重點方向。另外，加入內構件使床內流動更加復雜，有待于充分開展包括綜合床層壓降、徑向、軸向顆粒濃度分布等各種因素影響的實驗及理論研究。

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Studies on internal componnets in semi-dry circulating fluidized bed desulfurization reactor

HUANG Xuejing1，2，XU Wenqing1，WEI Yaodong2，WANG Junsheng1，ZHU Tingyu1
（1Beijing Engineering Research Center of Process Pollution Control，Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2Process Equipment Laboratory，College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing，Beijing 102249，China）

Traditional desulfurization reactors have disadvantages such as nonuniform flow structure and low desulfurizer utilization efficiency. The internals in CFB（circulating fluidized-bed） have advantages of breaking bubbles and particle aggregation，improving the quality of the fluidization，enhancing the mass transferring and the desulphurization process，resulting in higher desulfurization efficiencies. This paper summarized studies on internal components in semi-dry circulating fluidized bed desulfurization reactors，including inertial separator，bluff-body internals，orifice internals and compound internals，and the forms and the characteristics. The inertial internals can intensify the gas-solid separation but have no influences on optimizing the flow field；the bluff-body internals can enhance the turbulence in the reactor but cannot affect the axial mixing；the orifice internals can make the flow field uniform but have disadvantages of blocking；and the compound internals can improve thefluid properties and strengthen the contact of gas-solid phase but make the pressure drop high. The flow characteristics of both gas and solid in fluidized bed with various internals were illustrated，and the advantages and disadvantages of various types of internals were discussed. Considering the variety features of pressure drop and the particles concentration with different internals，the direction such as promoting the gas-solid contact with high efficiency and reducing the pressure drop of the CFB for future development was discussed.

circulating；fluidized-bed；reactor；desulfurization；internals；mass transfer

TQ 050.3

A

1000-6613（2014）10-2540-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.004

2014-03-11；修改稿日期：2014-04-08。

國家863計劃（2011AA060802，2012AA062501）、國家科技支撐課題（2012BAB18B03）及環保部行業科研專項（201209005）項目。

黃學靜（1989—），男，碩士研究生，從事工業煙氣處理研究。聯系人：朱廷鈺，研究員，博士生導師。E-mail tyzhu@home. ipe.ac.cn。