循環流化床氣體分布器研究進展

呂萌+徐豐+李杰+黃祺

摘 要 本文論述了循環流化床中不同氣體分布器的結構特點，并就不同分布器的研究內容和研究方向進行了歸納。在此基礎上，對循環流化床中氣體分布器的未來發展方向進行了展望。

關鍵詞 氣體分布器；多孔板；流化床；研究進展

中圖分類號 TQ05 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）07-0023-02

循環流化床反應器因其獨特的優點廣泛的應用于石油化工、生物、冶金、能源、環保等工業領域[ 1 ]。國內外學者對其內部流動特性以及傳熱性能進行研究時，普遍所認定的前提是進入床層內的氣流分布是均勻的，然而實際上氣體分布的均勻性是受到氣體分布器阻力降的影響的。

1 多孔板型分布器

結構如圖1所示。圖1（a）為單層多孔板分布器，結構形式最簡單，易于加工制作，成本低，但是其最大的問題在于，由于某種原因使得床層停止操作時，顆粒失去浮力和曳力作用，轉而向著底部分布器運動，并經過小孔落入預分布器或者風箱中。圖1（b）為組合型式多孔板分布器，上下多孔板的孔眼不重合，可采用不同開孔率的孔板。此形式的分布器，增大了氣體阻力降，增強了氣流湍動性，使氣體分布更加均勻、穩定，同時也解決了漏料問題；缺點是板間會停留部分顆粒，不適合粘度大的顆粒流化。

多孔板氣體分布器研究的主要內容包含板壓降、死區形成、分布板上粒子運動軌跡等。何經旺[3]通過增大組合型分布板的前兩層開孔率，在滿足生產要求的條件下，減小了板的阻力降從而提高了生產的經濟效益；王樟茂[4]等發現開孔率減小、板厚增加，床層流化均勻穩定性變好，更有利于相間傳質；姚禮炳[5]、Horio[6]等發現死區高度隨氣速增加和銳孔間距減小而降低，多孔板上安裝網狀氣流再分布器可消除死區；Chyang[7]提出了最小均勻流化氣速Urmuf，床層流化速度大于此值時，不同位置測點的分布板壓降和空床時壓降協調一致。

2 多管式分布器

多管式分布器結構如圖2，分布器由主管、支管和噴射管組成，工作時，氣體通過開孔的支管流進床層中，對顆粒進行流化。多管式分布器的優點：1）和板式分布器相比，漏料少、壓降低；2）支管開孔角度不同，流體可以從不同的方向進入床層中；3）高溫床層中，沒有熱膨脹問題，機械強度高。

缺點有：1）分布器下部易出現死區；2）結構較復雜，制作難；3）高溫床中冷卻困難，導致機械強度大大降低；4）物料易通過孔口漏入管中，對孔壁造成磨損，一般在孔外加一直徑Ds短管。

金涌[ 8 ]等將分布器控制區劃分為間歇混合區、初始氣泡聚并區、粒子滑動區和粒子沉積區，并發現管間距、管口至床底蓋高度、管嘴直徑和氣流流量對死區高度有著明顯的影響。Yan[ 9 ]等發現不同結構分布器對反應器底部結構的固含率和流動特性影響較大，多孔管式分布器較多孔板分布器能夠獲得更均勻的固相濃度和氣固相速度分布。

3 風帽型分布器

風帽型分布器，由進氣管和風帽組成，其結構形式如圖3。在分布板上安裝有垂直通氣管，管的上方設有風帽，風帽主要有兩種作用，防止顆粒落入通氣管和風帽開孔控制噴出氣體的方向。優點有漏料少、阻力降低、流體可以從不同方向噴入床層、機械強度好、可使用耐火材料。它的主要缺點是加工費用過高，管內顆粒難以清理，需要額外密封件等問題[ 2 ]，造成使用受到限制。

風帽型分布板的設計主要考慮阻力降、風帽立管直徑、風帽個數和帽間距等[10]。風帽型分布板流化床中，隨著床層高度增加，床層截面上氣流速度曲線趨于平緩；分布板控制區，在徑向位置上，呈現倒“W”型分布[11-12]。

4 其他類型的分布器

4.1 環形氣體分布器

環形氣體分布器分單切向環流和雙切向環流氣體分布器。氣體進入分布器后，經導流筒向兩邊運動，同時氣體不斷隨導流葉片折流而上。該分布器具有阻力降低、結構簡單、耗材少等優點，最大的缺點是器壁區域氣量少，分布器中心區域氣量較多，造成氣流分布不均。

4.2 密孔板氣體分布器

密孔板氣體分布器通常采用粉末冶金壓制和微孔陶瓷燒紙而成，該分布器產生的氣體分布均勻、流化質量高、氣泡粒徑小，一般用于實驗研究和小型流化床裝置中。缺點是只需少量固體顆粒就能堵塞分布器微孔，導致分布器阻力降大大增加，增加能耗。在工業中很少應用。

4.3 柵條形氣體分布器

柵條形氣體分布器由條板組成，流體從板間的縫隙流出，條板可以是直形也可以是環形[ 2 ]。改分布器的優點是結構簡單，制造方面，采用厚柵條時機械強度高，可用于氣固混合同時進入床層的情況。其缺點在于制作過程中很難保證柵條間縫隙均勻一種，從而影響氣流的均勻性，特別是用在高溫操作條件下時，熱變形的柵條會影響氣流的分布。

5 結論

循環流化床應用范圍廣，其內部氣相初始分布狀態受到氣體分布器的極大影響作用，然而國內外對分布器的研究仍然較淺。不同操作條件、操作環境和流化材料不同時，需要選擇合適的氣體分布器，來滿足腐蝕、強度、流化氣流特性等要求。本文綜述了不同類型氣體分布器的特點和相關研究內容和方向，希望對科研工作者后續研究工作提供幫助。

參考文獻

[1]劉尚，房德仁，任萬忠，等.循環流化床研究進展[J].山東化工，2015，44（23）：38-45.

[2]郭慕孫.流態化手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3]何經旺.流化床反應器氣體分布板的技術改造[J].維綸通訊，1991（3）：20-28.

[4]王樟茂，張年英，呂德偉，等.流化床組合型多孔氣體分布板的研究[J].石油化工，1986（7）：9-15.

[5]姚禮炳.流化床中氣體分布器上死區的實驗研究[J].化工與醫藥工程，1983（1）：15-17.

[6]Horio M，Kiyota H，Muchi I.Particle movement on a perforated plate distributor of fluidized bed[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1980，13（2）：137-142.

[7]Chyang C S，Huang C C.Pressure drop across a perforated-plate distributor in a gas-fluidized bed[J].Journal of Chemical Engineering of Japan，1991，24（2）：249-252.

[8]金涌，夏光.流化床管式分布器的研究[J].過程工程學報，1982（3）：67-72.

[9]Yan A，Huang W，Zhu J.The influence of distributor structure on the solids distribution and flow development in circulating fluidized beds[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering，2008，86（6）：1023-1031.

[10]李家林，陳雯，劉小銀，等.基于CFD軟件Fluent的沸騰爐分布板的設計[J].礦冶工程，2013，33（s1）.

[11]馬恩祥，錢占民，蔡志鵬，等.流態化床分布板的湍流流場測量[J].過程工程學報，1980（4）：97-104.

[12]巫春連，魏耀東，蔡連波，等.氣液鼓泡床泡罩式氣體分布器流場的CFD模擬[J].化工機械，2013，40（3）：340-346.