焦炭顆粒在循環流化床提升管中的濃度分布

程文嘉，燕蘭玲，劉夢溪，盧春喜

（1. 中國石油 遼河石化公司，遼寧 盤錦 1 2 4 0 0 0；2. 中國石油大學（北京） 化學工程學院，北京 1 0 2 2 0 0）

焦炭顆粒在循環流化床提升管中的濃度分布

程文嘉1，燕蘭玲1，劉夢溪2，盧春喜2

（1. 中國石油 遼河石化公司，遼寧 盤錦 1 2 4 0 0 0；2. 中國石油大學（北京） 化學工程學院，北京 1 0 2 2 0 0）

在冷態提升管裝置和熱態工業循環流化床裝置上，考察了表觀氣速和焦炭顆粒循環速率對提升管中部穩定區顆粒含率的影響。研究結果表明，冷態條件下焦炭顆粒循環速率較低（20～250 kg/（m2·s）），提升管穩定區的顆粒含率小于0.12，且相同循環速率下，顆粒含率隨表觀氣速的增大而減小；熱態條件下焦炭顆粒循環速率較高（200～450 kg/（m2·s）），在表觀氣速為10.50～13.20 m/s時，提升管穩定區顆粒含率小于0.35，并回歸出冷熱態條件下顆粒含率和極限顆粒含率的關聯式。對冷熱態相同表觀氣速和顆粒循環速率條件下的顆粒含率進行比較，工業裝置的顆粒含率大于冷態實驗的顆粒含率。

循環流化床；顆粒含率；焦炭顆粒

提升管反應器作為近似平推流反應器應用于FCC中［1］，國內對顆粒在提升管中濃度分布的普遍性規律的研究較全面。Bai等［2］系統研究了表觀氣速和顆粒循環速率對空隙率軸向分布的影響，得出同一種顆粒，在一定表觀氣速下，隨著顆粒循環速率的提高，提升管各截面上平均空隙率均逐漸減小；當在固定循環速率下提高操作氣速時，軸向空隙率分布趨于均勻，并得到了顆粒含率的普遍關聯式［3］。Bai等［2］在3 m高的冷態提升管中得到預測FCC顆粒含率的普遍關聯式；Li等［4］在8 m高的冷態提升管中分別得到預測特礦石、氧化鋁、黃鐵礦和FCC顆粒含率的普遍關聯式。雖然通過提升管軸向分布的普遍規律和顆粒含率的普遍關聯式能夠對顆粒的各種軸向分布進行較完整的描述和說明，但對于以焦炭顆粒作為流化顆粒的工業裝置卻沒有一套詳細準確的數據，只能采用現有文獻中的數據和關聯式，對工程設計和生產有誤導作用。

本工作研究了表觀氣速和顆粒循環速率對焦炭顆粒在提升管中部穩定區顆粒含率的影響，并將冷態實驗數據和工業裝置數據進行對比分析，建立了冷熱態顆粒含率的關聯式，為工程設計和生產指導提供較準確的依據，同時為焦炭顆粒的冷態實驗與熱態實驗的關聯提供經驗數據。

1 實驗部分

1.1 冷態實驗裝置

冷態實驗裝置流程見圖1。裝置的提升管內徑100 mm、高12 000 mm，伴床下部內徑286 mm、高2 000 mm，上部內徑476 mm、高7 000 mm。空氣經由風機（1）壓縮后經緩沖罐（2）、轉子流量計（3）計量后，分兩路進入裝置：一路通入伴床（8）底部，對床內物料進行流化；另一路從提升管底部進入提升管（5），對物料進行提升，使氣固混合物向上運動，提升管頂部設有旋風分離器（6）進行氣固分離，分離后的固體顆粒沿下料立管進入伴床（8），然后沿循環管（10）返回提升管底部預提升段（4），構成固體顆粒的循環，氣體則經過濾袋（11）除塵凈化后放空。伴床頂部設有兩級旋風分離器（7），分離后的固體經旋風料腿返回伴床（8），氣體經布袋除塵后排入大氣，伴床中的固體物料作為提升管的供料倉。

圖1 冷態實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cold experimental equipment.

冷態實驗使用的焦炭顆粒的體積平均粒徑為468 mm，休止角為46°，真密度為1 130.9 kg/m3，堆積密度為1 021.3 kg/m3。焦炭顆粒的粒徑采用馬爾文公司的馬爾文-2000型激光粒度分析儀分析；焦炭顆粒的真密度、堆積密度及休止角采用寧波江北瑞柯偉業儀器有限公司的MT-1001型多功能粉體物性測量儀測定。

提升管內的表觀氣速為4.34，5.79，7.24，8.68，10.13，11.58 m/s。

1.2 工業裝置

工業循環流化床裝置示意圖見圖2。

圖2 工業循環流化床裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the industrial circulating fluidized bed.

該工業裝置由燃燒器和反應器兩部分組成，為高低并列式結構。焦炭顆粒通過氣力輸送由焦炭破碎單元加入燃燒器（5），在燃燒器內燃燒流化，為反應提供原料和熱量來源；焦炭顆粒經過熱焦循環管線（15）進入預提升段（14）整流，使焦炭顆粒以活塞流的形式進入提升管（12）內流動，進入提升管的焦炭與由噴嘴（13）噴出的原料反應；在提升管的出口處有一個大孔分布板（10），焦炭顆粒均勻分布于反應床層（9），進一步與未反應完全的原料反應；生成的氣體產物夾帶著少量焦炭顆粒進入稀相，通過一個旋風分離器（7）將焦炭顆粒分離下來，焦炭顆粒經過料腿返回反應床層，氣體產物進入后續的精制系統；反應完的焦炭顆粒在重力作用下進入氣提段（11），將焦炭顆粒夾帶的工藝產品氣提出來，氣提后的焦炭顆粒經過冷焦循環管線（6）返回燃燒器。

主風經由輔助燃燒室（1）和主風分布管（2）進入燃燒器中，燃燒產生的煙氣經由煙道（4）進入外部旋風分離器（3），回收煙氣中的焦炭顆粒后排出。

工業裝置使用的焦炭顆粒的體積平均粒徑為477.345 mm、休止角為32°、真密度為1 291.1 kg/ m3、堆積密度為1 017.5 kg/m3。測定方法與冷態實驗方法相同。

將由DCS系統采集回來的數據進行處理，整理出工業熱態實驗的操作條件，提升管操作溫度為760 ℃；提升管內的表觀氣速分別為4.54，5.73，7.40，9.40，10.50，11.40，12.60，13.20 m/s。

工業裝置中的床層密度通過設置在裝置上的壓力傳感器測量并換算得到；根據煙氣組成，對燃燒器進行熱量衡算得到流化床的循環速率。

2 結果與討論

該關聯式的相關系數為0.94，實驗值與計算值的相對誤差在30%以內。

2.1 冷態實驗結果

冷態實驗在高12 m的提升管內進行，顆粒含率的數據則取自提升管8 m處的穩定區，提升管穩定區顆粒含率隨顆粒循環速率的變化見圖3。

圖3 冷態實驗時提升管穩定區顆粒含率隨顆粒循環速率的變化Fig.3 Variation of particles contain rate(εs) with the circulation rate(Gs) in the stable region of riser in cold experiment. ug：gas rate.

由圖3可看出，冷態實驗在較低顆粒循環速率（20 kg/（m2·s）＜Gs＜250 kg/（m2·s））下進行時，提升管穩定區的顆粒含率εs＜0.12，顆粒含率隨顆粒循環速率的增大而增大。當表觀氣速ug= 10.13 m/s、Gs＞100 kg/（m2·s）和ug= 11.58 m /s、Gs＞75 kg/（m2·s）時，顆粒含率隨顆粒循環速率的增大基本不變，兩者的顆粒含率分別為0.055和0.043。由此可見，低循環速率、高表觀氣速條件下提升管中的顆粒含率太低，不能為工藝介質提供足夠的反應場所。

提升管穩定區的顆粒含率隨表觀氣速的變化見圖4。由圖4可看出，兩種循環速率下，提升管穩定區顆粒含率隨表觀氣速的增加而減小，并趨于穩定；雖然兩種循環速率下顆粒含率相差較大（分別為0.006～0.020、0.040～0.120），但顆粒含率隨表觀氣速增加而減少的幅度相近。因此，在較低循環速率下，顆粒含率隨表觀氣速的變化具有相同的規律。

圖4 冷態實驗時提升管穩定區顆粒含率隨表觀氣速的變化Fig.4 Variation of es with ug in the stable region of riser in cold experiment.

根據文獻［2］可知，當Gs＜Gs*時，提升管中部的顆粒含率只與極限顆粒含率（εs′）有關，兩者的關系曲線如圖5所示。

圖5 冷態實驗的顆粒含率與極限顆粒含率的關系曲線Fig.5 The relation curve of εsand εs′ in cold experiment.εs′：the maximum solid content.

當Gs＜200 kg/（m2·s），Gs＜時，有式（2）。

2.2 熱態實驗結果

熱態實驗結果即為工業試驗結果。工業裝置中顆粒含率數據取自提升管中部穩定區的顆粒含率。不同表觀氣速下，顆粒含率隨循環速率的變化見圖6。從圖6可看出，整個工業裝置基本是在高循環速率（200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s））下運行的，提升管穩定區顆粒含率基本小于0.35，且顆粒含率隨顆粒循環速率的增大而增加。

當ug= 4.54 m/s，Gs＜100 kg/（m2·s）時，顆粒含率與循環速率呈線性增長，Gs＞100 kg/（m2·s）后，顆粒含率大幅度增加。當ug= 5.73 m/s時，顆粒含率隨循環速率的增加而逐漸增大，最后穩定在0.206左右，= 207 kg/（m2·s）。當ug= 7.40～9.40 m/s時，顆粒含率與循環速率呈線性增長，εs= 0.03～0.38。

當ug= 10.50～13.20 m/s時，該階段由于原料的噴入，表觀氣速增大，循環速率增大；在200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s）時，εs= 0.10～0.35。由此可見，在高循環速率下，提升管中的顆粒含率能達到0.35，有足夠的焦炭顆粒與工藝介質反應。

圖6 工業裝置中提升管穩定區顆粒含率隨顆粒循環速率的變化Fig.6 Variation of εswith Gsin the stable region of riser in industrial plant.

由圖7可知，當200 kg/（m2·s）＜Gs＜Gs*時有式（3）。

當Gs＞Gs*時有式（4）。

圖7 工業試驗中εs與εs′的關系曲線Fig.7 The relation curve of εsand εs′ in industrial experiment.

2.3 冷熱態實驗結果的比較

由于工業裝置的循環速率遠遠大于冷態實驗，工業裝置和冷態實驗數據只有在低表觀氣速和循環速率下有相同的操作條件，因此取表觀氣速ug= 5.7 m/s和ug= 7.4 m/s的數據，得到顆粒含率隨循環速率變化的曲線，結果見圖8。從圖8可看出，冷熱態時顆粒含率均隨顆粒循環速率的增加而增大，隨表觀氣速的增加而減小，同時，工業裝置的顆粒含率遠大于冷態實驗的顆粒含率。工業裝置和冷態實驗裝置的取壓點都設置在提升管的邊壁，實際測得的顆粒含率是提升管邊壁處的顆粒含率，提升管內的流動是典型的環核結構，顆粒在提升管內分為中心加速區和邊壁區，氣體在邊壁處受到的阻力遠大于提升管中心處所受的阻力，使中心區氣速要遠大于邊壁環形區氣速。同時，在大直徑提升管中，氣體徑向分布的不均勻性遠大于小直徑提升管中氣速分布的不均勻性，并且大直徑提升管邊壁處氣速也遠遠小于小直徑提升管邊壁處氣速。在直徑小提升管中，邊壁滑落的顆粒被氣體加速繼續向上流動；而在大直徑提升管中，邊壁滑落的顆粒與下方顆粒混合，使更多的顆粒由于滑落出現在大直徑提升管近壁面處。相同表觀氣速和循環速率下，工業裝置提升管壁面處會更容易形成顆粒的聚集，使工業裝置的顆粒含率遠大于冷態實驗的顆粒含率。

圖8 相同表觀氣速下冷熱態顆粒含率隨循環速率的變化Fig.8 Variation of εswith Gsunder the same gas rate.

3 結論

1）冷態實驗循環速率的操作范圍小于250 kg/（m2·s），提升管穩定區的顆粒含率小于0.12，回歸出Gs＜Gs*范圍內的顆粒含率關聯式。

2）工業裝置在循環速率200～450 kg/（m2·s）、表觀氣速10.50～13.20 m/s的操作條件下，顆粒含率為0.10～0.35；回歸出了兩個循環速率范圍內（Gs＜）的顆粒含率關聯式。

3）由于提升管內氣速的不均勻分布，使得顆粒含率在大直徑提升管中的分布出現了放大效應，導致相同表觀氣速和循環速率下工業裝置的顆粒含率大于冷態實驗的顆粒含率。

符 號 說 明

［1］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流態化工程原理［M］.北京：清華大學出版社，2001：121.

［2］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. The two channel model for fast fl uidization［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 88：Science and technology. Beijing：Science Press，1988：155.

［3］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. Cluster observation in a two-dimensional fast fluidized bed［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 90：Science and technology. Beijing：Science Press，1990：110-115.

［4］ Li Youchou，Kwauk M. The dynamics of fast fl uidization［M］. New York：Plenum Press，1980：554-557.

［5］ 白丁榮，金涌，俞芷青. 循環流態化——（Ⅵ）反應器行為及其模型［J］.化學反應過程和工藝，1992，8（3）：302-313.

［6］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流態化工程原理［M］.北京：清華大學出版社，2001：113-114，126-138.

［7］ 白丁榮，金涌，俞芷青，等. 循環流化床操作特性的研究［J］.化學反應工程與工藝，1987，3（1）：24-31.

［8］ 白丁榮，金涌，俞芷青. 循環流態化（Ⅰ）［J］.化學反應工程與工藝，1991，7（2）：202-213.

（編輯 王 萍）

Coke particles in circulating fluidized bed riser of concentration distribution

Cheng Wenjia1，Yan Lanling1，Liu Mengxi2，Lu Chunxi2
（1.CNPC LiaoHe Petrochemical Company，Panjin Liaoning 124000，China；2. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102200，China)

The inf l uence of gas rate and circulation rate to particles contain rate in the cold riser and the thermal industrial circulating fl uidized bed were investigated. The experimental results show under cold experimental condition，circulation rate is lower(20-250 kg/(m2·s))，particles contain rate is lower than 0.12，particles contain rate decreases with the gas rate at the same circulation rate；under hot experimental condition，circulation rate is higher(200-450 kg/(m2·s))，when gas rate is in the range of 10.50-13.20 m/s，particles contain rate is lower than 0.35，also get a associated formula about particle contain rate and the maximum particle contain rate under cold and hot experimental condition. Particles contain rate of hot experiment is greater than that of cold experiment under the condition of the same gas rate and circulation rate.

circulating fl uidized bed；particles contain rate；coke particles

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.08.018

1000-8144（2017）08-1065-07

TQ 032.41

A

2017-01-05；［修改稿日期］2017-05-13。

程文嘉（1987—），男，遼寧省盤錦市人，碩士，工程師，電話 18742364588，電郵 chengwenjia03@163.com。