隔板式內循環流化床顆粒循環速率實驗與模型

江國棟，魏利平，吳長松，彭瀏暢，何楠，陳志文

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隔板式內循環流化床顆粒循環速率實驗與模型

江國棟，魏利平，吳長松，彭瀏暢，何楠，陳志文

（西北大學化工學院，陜北能源先進化工利用技術教育部工程研究中心，陜西西安 710069）

在不同操作參數及結構參數下對隔板式內循環流化床的顆粒內循環速率進行了實驗研究，研究了高速區和低速區的流化速度、靜床層高度、隔板間隙等參數對顆粒內循環流動的影響。結果表明這4個參數對顆粒內循環速率都有顯著的影響，當其他3個參數確定時，隨著其中一個參數的增加，顆粒內循環速率均呈現先增加后減小的趨勢，這一結果表明，顆粒內循環過程是多種操作和結構參數的非線性復雜系統。為預測顆粒內循環速率，修正了La Nauze 模型，該模型無須提供壓降參數即可計算顆粒內循環速率，對于多種顆粒，其計算結果和實驗相差在23%之內。

內循環；流化床；兩相流；顆粒循環率；空隙率

引 言

內循環流化床作為一種氣固接觸時間長，反應效率高的反應器被相繼應用于石油、化工、冶金、環保等工業領域[1-3]。它具有顆粒在反應器中停留時間長、結構緊湊、造價低廉等優點[4-5]。近年來，各種內循環流化床反應器被相繼開發出來[6-7]。顆粒循環速率是內循環流化床設計運行的重要參數之一，對內循環流化床反應器內的流動及傳遞過程具有重要影響。方夢祥等[8]研究了一種并列雙流化床結構煤氣化爐的顆粒循環規律，提出了合理結構尺寸及操作工況。Jin等[9]研究了內循環流化床中氣體旁通及其對顆粒內循環速率的影響。Cheng等[10]在中心提升管內循環流化床中，獲得了利用壓差預測顆粒循環速率的關聯式。不同的床體結構和操作條件對顆粒內循環速率具有較大影響[11-12]，因此研究確定內循環流化床的顆粒循環特性對獲得最佳的設計運行參數具有重要意義[13-14]。

本文研究了隔板式內循環流化床固體顆粒內循環流動特性，通過追蹤著色顆粒運動軌跡的方法獲得了固體顆粒循環速率，研究了高氣速和低氣速區的表觀流化速度、隔板間隙高度和初始床層高度對顆粒循環速率的影響規律。

1 實驗及測量方法

1.1 實驗裝置

隔板式內循環流化床實驗裝置如圖1所示，主要由流化床主體、布風系統和數據采集系統組成?？諝庥闪_茨風機輸出，經由浮子流量計和渦街流量計分別進入高低氣速分布器，經氣體分布器進入內循環流化床，使顆粒流化并循環流動。

1—fan；2—valve；3—flowmeter；4—slow zone windy room；5—fast zone windy room；6—clap-board clearance；7—tracer entrance；8—clap-board；9—pressure orifice；10—pressure sensor；11—data acquisition card； 12—computer；13—camera

床體用厚8 mm的有機玻璃板制成，總高71 cm、內徑10 cm，內部設有高為14.5 cm的隔板，它將流化床分成左右兩部分，隔板與布風板的間隙高，使流化床底部連通，通過改變隔板位置調節隔板間隙高度。工作時，通過高低兩個布風室鼓風，在高速布風區形成鼓泡床，低速布風處形成移動床。隔板上方,物料由高速區回流至低速區；下方，物料經由隔板底部間隙從低速區流向高速區，從而形成物料在床內的內循環流動。在低速床間隙處與距間隙豎直距離7 cm處分別設置測壓孔口。實驗采用玻璃微珠（2600 kg·m-3，0.1～0.2 mm，mf=0.02 m·s-1，mf=0.48）、石英砂（2650 kg·m-3，0.2～0.4 mm，mf=0.078 m·s-1，mf=0.51）以及鹽顆粒（2165 kg·m-3，0.2～0.4 mm，mf=0.064 m·s-1，mf=0.5）作為實驗材料。

1.2 測量方法

利用壓差法測量低速床平均固含率，具體方法是用壓力傳感器測量兩軸向位置間的低速床層壓差，利用壓差與低速床兩測點間氣固混合情況之間的關系，可求得不同工況下低速區的平均固含率[15]，如式（1）所示

D=[ss+f(1-s)]′ (1)

式中，D為低速區兩測點間平均壓差，s為顆粒密度，f為空氣密度，此處忽略不計，′為低速區兩測點間的距離，s為低速床平均固含率。該方法忽略了壁面摩擦力對壓降的影響，使得到的s低于實際值。

實驗中采用染色顆粒示蹤方法來測量顆粒在循環段中的平均運動速度。使用紅色玻璃微珠顆粒作為示蹤顆粒，待顆粒開始穩定循環后通過導管加入定量示蹤顆粒，同時用攝像機記錄顆粒運動情況。在移動床體一定距離s間計時，通過人工慢放錄像讀取示蹤顆粒通過該段所用時間，故顆粒在移動床中下降平均速率s可由式（2）求得

使用染色顆粒示蹤法測量顆粒速度比較直觀，但當移動床內鼓泡時，內部顆粒與壁面處顆粒運動情況不同，可能會造成一定誤差。顆粒循環速率可由式（3）進行計算

se=sss(3)

2 實驗結果與討論

流化床結構參數、操作氣速以及物性參數對顆粒循環速率有直接影響[16]。本文考慮了操作氣速、靜床層高度以及間隙高度對玻璃微珠顆粒循環速率的影響，并在合適的床體結構下比較不同物料的循環特性。

2.1 氣速對顆粒循環速率的影響

在隔板內循環流化床中，當高速區與低速區氣速不同時，會導致兩區域的固含率不同，同時在間隙兩側相同高度處會形成一定的壓力差，在此壓差的推動下固體顆粒會由低速區向高速區流動，形成床體內的顆粒內循環流動[17-18]。

圖2為移動床氣速m不變時，高速床氣速f變化對顆粒循環速率和低速區平均固含率的影響?？梢钥闯?，隨著高速區氣速的增加，低速區平均固含率和顆粒循環速率先增加，當增加到某一數值后又減小。低速區平均固含率主要由顆粒在間隙處的阻力、低速區鼓泡頻率以及隔板上方進入低速區的顆粒量決定。當高速區氣速增加時，顆粒經由上方隔板落入低速區的量增多，所以s增加；當高速區氣速f/mf>11時，間隙兩側壓差大，顆粒運動推動力增加，低速區顆粒通過間隙處流向高速區的量比高速區經由隔板頂部流向低速區的量多，使s減小。

顆粒循環速率主要取決于孔口兩側的壓差和間隙處顆粒流動的阻力[19]。當f較小時，間隙兩側壓差較小，此時低速區氣體大部分沿床體向上運行，使低速區產生少量鼓泡，阻礙低速區顆粒下行，顆粒循環速率較小。隨著f的增加，高速區顆粒落入低速區量增加，使低速區平均固含率增加，此時低速區氣體由于向上運行阻力增加而使通過間隙竄流到高速區的量增大，從而使低速區鼓泡減少，顆粒向下流動的阻力減少，故顆粒循環速率s增加。當f/mf>13時，高速區鼓泡劇烈，氣泡的存在使高速區床層阻力降低，大部分高速區氣體短路通過床層，此時由高速區向低速區的氣體串通率趨于穩定[6]。而高速區鼓泡頻率的增加會使間隙處顆粒流動阻力增大，從而顆粒循環率有所降低。由圖中可以看出當f/mf=11～13.2時，顆粒循環速率較大。

當高速床氣速f不變時，低速床氣速m變化對內循環流化床內顆粒循環速率和低速床平均固含率s也會產生影響，如圖3所示。由圖3可知，隨著低速床氣速的增加，s先增加后減小。低速區氣速的增加使間隙兩側壓差減小，顆粒循環推動力減小，s增加；當m/mf=5時s達到最大值，隨后m的增大使低速區鼓泡頻率有所增加，則s減小。

由圖3可以看出，隨著低速床氣速的增加，顆粒循環速率s先增加后減小。低速床氣速較小時，低速床顆粒流動性差，而高速區床層密度較低，間隙處阻力較小，一部分低速區氣體通過間隙竄流至高速區；隨著m增加，低速床顆粒流動性增加，有助于提高床體內的顆粒循環速率；但隨著m的增加，低速區鼓泡頻率也會增加，氣體短路通過床層，使床間氣體旁路減少，此時顆粒流動性雖好，但兩床間隙處壓差有所降低，推動力減小，故顆粒循環速率減小。由圖中可以看出m/mf=4.5～6.2時，顆粒循環速率較大。

2.2 靜床高度對顆粒循環率的影響

圖4為靜床層高度對顆粒循環率和低速區平均固含率s的影響?？梢钥吹诫S著初始床層高度的增加，s先減小后增加，而顆粒循環率先增加而后逐漸降低，且在隔板高度附近出現最大值，黃立成等[20]的實驗中也得到類似的結論。當靜床高度較小時，床層表面離隔板的距離較遠，而在相同氣速下顆粒膨脹有限，高速區顆粒不易越過隔板進入低速區，使間隙處推動力較小，所以s較大，顆粒循環率較低；當靜床層高度進一步增大時，低速區平均固含率增加，此時低速區床層表面高于隔板的部分流化容易逆向流入高速區，使高速區流入低速區的顆粒減小，從而降低了間隙兩側的壓差，使顆粒循環速率減小。可見要得到最佳的顆粒循環率，隔板高度要求在初始床料高度附近，即/=1～1.12時顆粒循環效果最好。

2.3 間隙高度對顆粒循環率的影響

圖5為隨間隙高度變化的顆粒循環速率和低速區平均固含率s的變化曲線。由圖5可知，s隨間隙高度的增加先減小后增大。隨著間隙高度增加，顆粒流通截面增加，且此時隔板上方由高速區流入低速區的顆粒量基本不變，導致s減小。當/>0.22時，由于高速區氣體旁路對內循環的影響較大，使顆粒通過間隙處的阻力增加，進而使s增加。

由圖5可知，隨著間隙高度的增加顆粒循環率先逐漸增加后減小。顆粒通過孔口的流動截面高度和間隙高度是不同的，間隙高度較小時，顆?？晒┝鲃拥慕孛娣e較小，并在間隙處會出現顆粒聚集現象，這樣會阻礙顆粒從低速區向高速區的流動；間隙較高時，顆粒流動高度僅占間隙高度一部分，而且此時高速區氣體向低速區竄流的可能性增加反而增加了顆粒流動的阻力，使顆粒循環速率減小。方夢祥等[8]通過對一種并列雙流化床的實驗研究，發現當間隙高度較小時，對于整個間隙高度都有顆粒流動，而間隙較大時，顆粒通過間隙高度的瞬時速度分布呈現出拋物線形，且由于氣體旁路的影響，顆粒流通截面僅占間隙高度的一部分，因此對于隔板式流化床也存最優的間隙高度使顆粒循環率保持較高水平。對于玻璃微珠，間隙高度控制在/= 0.2～0.35之間顆粒循環速率較大。

2.4 顆粒特性對顆粒循環率的影響

床料的密度、顆粒直徑、流化特性等也會對顆粒在床內的循環率產生影響[21-22]。圖6為相同的間隙高度和靜床高度下玻璃微珠、石英砂以及鹽的顆粒循環速率隨高氣速的變化曲線?？梢钥闯鰧τ诹较嗤氖⑸芭c鹽，密度較大的顆粒循環率較大。這是由于較高密度會增加相同床高下的壓力差，故顆粒循環率增大。而玻璃微珠由于其粒徑較小，在低速區產生的鼓泡較多，阻礙了顆粒下降，故顆粒循環率較低。

3 顆粒循環率的計算

內循環流化床顆粒循環率模型目前主要針對顆粒在提升管或下降管流動的研究，對顆粒通過水平孔口的研究較少[23-24]。目前文獻中主要的預測模型主要分為3類：①壓降測量為基礎的預測模型[8,11,25]；② 以表觀氣速比及物性特性為變量的經驗關聯式[26]；③ 以系統建模為基礎的理論預測[27-28]。在內循環流化床的設計過程中，通過壓降計算內循環率的方法并不方便，而壓降往往難以估計。模型②根據給定氣速及床層參數計算內循環率，具有明顯的快速計算優勢，然而由于實驗范圍有限，經驗關聯式的適用性受到了限制。模型③針對整個系統進行建模，通過建立物料守恒方程和受力平衡方程實現顆粒循環率的預測，這種模型具有較強的通用性。La Nazue[18]針對顆粒流建立勢能與動能守恒方程

式中，為顆粒流經的壁面面積，為流動截面積，針對本文床體結構，在高速區和低速區的流動壁和截面積相等，鼓泡區氣泡體積分數b為

(5)

本文采用Davies等[29]的模型計算氣泡上升速度b=0.71(b)0.5，采用Horio等[30]的模型計算氣泡尺寸b。由式（4）計算得到間隙處顆粒流動速率s，進而根據sc=svs(1-mf)獲得顆粒循環率。

式（4）中為顆粒流動過程的能量損失系數。La Nazue在提升管內循環流化床中通過實驗測得了顆粒與壁面摩擦力的大小，以此來表征動能損失，并將它與關聯擬合得到。其中為單位時間單位面積內與壁面碰撞的顆粒質量，而的大小表征了對于不同的床體，在不同操作條件下，顆粒運動過程能量損失大小。本文中使用的隔板式內循環流化床在高速區顆粒數量較提升管內循環流化床多，在此使用不同的系數修正。

圖7比較了修正的La Nazue 模型預測的玻璃微珠結果和實驗測量值，可見系數的取值對預測結果影響較大。對于玻璃微珠當時誤差小于15%，而石英砂和鹽，在=1時誤差分別小于8%和23%，預測結果較好。玻璃微珠粒徑較石英砂與鹽小，單位時間落在單位壁面上的顆粒量較多，故較大?？梢姼鶕嶒灉y量結果修正，可獲得較好的預測結果預測。

La Nauze 模型通過系統建模避免了文獻中常用到的根據壓降計算循環率的問題，但是La Nauze 模型中沒有考慮間隙高度大小所造成的間隙處動能損失，以及移動床氣速和氣體旁通等參數對顆粒循環流動過程中動能影響，故該模型適用于低速床流動性較好、靜床高度在隔板附近的情況。該模型有待進行進一步研究完善，以預測復雜的顆粒循環流動過程。

4 結 論

（1）玻璃微珠在隔板式內循環流化床內的冷態實驗研究表明：高速區和低速區的流化速度、靜床層高度、隔板間隙等參數對顆粒內循環流動有較大影響，當其他3個參數確定時，隨著其中一個參數的增加，顆粒內循環率均呈現先增加后減小的趨勢。當操作氣速f/mf=11～13.2，m/mf=4.5～6.2，間隙高度與隔板高度之比為/=0.2～0.35，靜床高度在隔板附近時，會取得較高的顆粒循環速率。

（2）采用修正的La Nauze模型，由實驗操作參數及物性參數，計算得到的玻璃微珠、石英砂以及鹽顆粒循環速率與實驗值誤差分別小于15%、8.5%和23%，能較好地預測顆粒在流化床反應器內的循環流動情況。

符 號 說 明

A——顆粒流動截面積，m2 db——氣泡尺寸 fb——氣泡體積分數 Gsc——計算顆粒循環率，kg·m-2·s-1 Gse——實驗顆粒循環率，kg·m-2·s-1 H——靜床層高度，cm H′——臨界流化速度下，間隙中部距離床層表面高度，cm h——間隙高度，cm h′——低速床兩測壓孔口間距離，cm L——隔板高度（不包括間隙高度），cm Ls——示蹤劑運動距離，m S——壁面面積，m2 t——示蹤劑運動時間，s u——操作氣速，m·s-1 ub——氣泡上升速度，m·s-1 vs——間隙中顆粒流動速度，m·s-1 emf——臨界流化空隙率 es——低速區平均固含率 x——能量損失系數 rf——空氣密度，kg·m-3 rmf——臨界流化速度下床層密度，kg·m-3 rs——顆粒密度，kg·m-3 下角標 f——鼓泡床 m——移動床

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Experimental and model studies on particle circulation rate in internal circulating clapboard-type fluidized bed

JIANG Guodong, WEI Liping,WU Changsong,PENG Liuchang,HE Nan,CHEN Zhiwen

(Chemical Engineering Research Center of the Ministry of Education for Advanced Use Technology of Shanbei Energy,College of Chemical Engineering,Xibei University,Xi’an710069, Shaanxi, China)

The influence of fluidization velocity in high and low velocity regions, height of static bed, and clapboard gap on internal flow of particles in internal circulating clapboard-type fluidized bed were experimentally studied by changing operating conditions and structural parameters. The results showed that the particle circulation rate was significantly affected by these four parameters. The particle circulation rate first increased and then decreased with the increase of one parameter while the other three parameters were kept unchanged. Hence, particle circulation is a nonlinear complex system of multiple operational and structural parameters. The La Nazue model was modified to predict the particle circulation rate without providing pressure drop between clapboard gap. The error between the calculated and experimental results for various particles was within 23%.

internal circulation; fluidized-bed; two-phase flow; particle circulation rate;voidage

10.11949/j.issn.0438-1157.20170561

TQ 530.2

A

0438—1157（2017）09—3427—07

2017-05-05收到初稿，2017-06-27收到修改稿。

魏利平。

江國棟（1994—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（51606153）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2016JQ5101）；中國博士后科學基金項目（2017M613189）。

2017-05-05.

WEI Liping, weiliping@nwu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51606153), the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province (2016JQ5101) and the Science Foundation for Postdoctoral Research of China (2017M613189).