流化床提升管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)壓降的預(yù)測(cè)及試驗(yàn)驗(yàn)證

陳鴻偉, 史 洋, 李德育, 劉煥志, 危日光, 尹 萍

(1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定 071003；2.天津陳塘熱電有限公司,天津 300223)

循環(huán)流化床具有高效、低污染的優(yōu)點(diǎn),因而在煤燃燒和氣化、生物質(zhì)資源化利用以及固體廢棄物處理等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-2].氣固提升管是循環(huán)流化床的關(guān)鍵部件,提升管內(nèi)顆粒濃度的分布直接關(guān)系到氣固兩相的停留時(shí)間、氣固兩相之間的反應(yīng)和傳遞速率以及氣固兩相與提升管壁和內(nèi)構(gòu)件表面之間的傳熱速率和磨損行為[3-4].因此,掌握提升管內(nèi)顆粒濃度的軸向分布特性對(duì)于循環(huán)流化床的應(yīng)用與設(shè)計(jì)極為重要.提升管截面的平均顆粒濃度通?？梢圆捎脡翰罘y(cè)試,該方法通過直接在提升管上測(cè)量壓差換算得到濃度,由于應(yīng)用方便、不干涉流場(chǎng)且適用于設(shè)備的在線監(jiān)測(cè),因而得到廣泛應(yīng)用.但是,在由壓差換算為顆粒濃度的過程中,因難以估計(jì)顆粒加速效應(yīng)及顆粒與管壁摩擦效應(yīng)的影響,通常將其忽略,所以得到的顆粒濃度并非真實(shí)顆粒濃度,稱為表觀濃度.Van Swaaij等采用γ射線測(cè)試提升管內(nèi)的真實(shí)顆粒濃度,并將其與表觀濃度進(jìn)行了比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在提升管上部稀相段,摩擦產(chǎn)生的壓降占總壓降的20%～40%,但在顆粒濃度較高時(shí),其所占的比例下降為25%[5]；Arena采用快關(guān)閥門的研究表明:在提升管下部加速段,表觀濃度與真實(shí)濃度差異很大[6].盡管表觀濃度與真實(shí)濃度的差異是客觀存在的,但由于壓差法的方便性,不少研究者仍直接采用壓差法測(cè)試結(jié)果(表觀濃度)來描述提升管內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)力學(xué)行為.

筆者設(shè)計(jì)并搭建了雙循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái),利用差壓變送器對(duì)上行氣固提升管內(nèi)軸向壓降進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試,研究了顆粒循環(huán)流率對(duì)壓降的影響.同時(shí),還提出了預(yù)測(cè)提升管內(nèi)壓降的計(jì)算式,式中考慮了氣固兩相加速效應(yīng)及其與管壁摩擦效應(yīng)的影響,并通過冷態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了該式的正確性,從而提高了利用壓差法測(cè)試提升管截面顆粒平均濃度的準(zhǔn)確性.這不僅對(duì)氣固提升管內(nèi)相關(guān)過程的模擬和裝置的設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值,同時(shí)也為建立完善的提升管氣固兩相流動(dòng)壓降預(yù)測(cè)模型提供了參考.

1 提升管壓降預(yù)測(cè)模型的建立

對(duì)于氣固兩相在提升管內(nèi)產(chǎn)生的壓降Δppt,應(yīng)考慮與其相關(guān)的6個(gè)因素[7]:顆粒相重位壓差、氣體相重位壓差、顆粒相加速效應(yīng)、氣體相加速效應(yīng)、氣體相與提升管壁的摩擦效應(yīng)以及顆粒相與提升管壁的摩擦效應(yīng).

利用式(1)進(jìn)行提升管壓降計(jì)算:

式中:Lpt為提升管的長(zhǎng)度；ε為提升管內(nèi)顆粒相的空隙率；ρs為顆粒相的真實(shí)密度；ρf為空氣密度；Up為提升管內(nèi)顆粒相的速度；Uf為提升管內(nèi)風(fēng)速；Ffw為單位體積氣體與提升管壁面之間的摩擦力；Fpw為單位體積顆粒與提升管壁面之間的摩擦力.

由于提升管壁面光滑,氣體相與提升管壁摩擦產(chǎn)生的壓降占總壓降比例較少,Ffw可忽略不計(jì).Fpw可由下式計(jì)算得出[7]:

式中:Gpt為顆粒通過提升管的循環(huán)流率；Dpt為提升管內(nèi)徑.

提升管內(nèi)顆粒相的空隙率可由下式計(jì)算:

將式(2)和式(3)代入式(1)可得:

對(duì)于提升管中顆粒相的速度Up,本文考慮兩個(gè)計(jì)算模型.

(1)提升管中顆粒相速度Up可根據(jù)滑移因子ψ計(jì)算[8]:

對(duì)式(3)和式(5)進(jìn)行整理得:

滑移因子ψ可由下式計(jì)算[8]:

式中:Ut為顆粒相的終端速度.

(2)假定提升管中氣固兩相的滑移速度Uslip等于顆粒相的終端速度Ut,則顆粒相的速度Up可由下式計(jì)算:

對(duì)式(8)進(jìn)行求解可得:

顆粒相終端速度Ut可由下式計(jì)算[9]:

式中:dp為顆粒相的平均直徑；φs為顆粒的球形度.

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為雙循環(huán)流化床冷態(tài)試驗(yàn)裝置示意圖.試驗(yàn)裝置包括提升管、鼓泡床、旋風(fēng)分離器和下料管等.提升管內(nèi)徑為75 mm,高度為6 m,鼓泡床高度為2 m,截面為370 mm×80 mm,返料管和兩級(jí)旋風(fēng)分離器將提升管和鼓泡床連接成一個(gè)完整的循環(huán)系統(tǒng).試驗(yàn)臺(tái)主體部分由有機(jī)玻璃制成,便于觀察物料的運(yùn)動(dòng)情況和測(cè)量顆粒的循環(huán)量.提升管和鼓泡床的流化氣體為常溫空氣,由鼓風(fēng)機(jī)提供,風(fēng)量由蝶閥控制并由空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量.

在提升管不同高度處設(shè)置5個(gè)內(nèi)徑為5 mm的壓差測(cè)試孔,測(cè)試孔距提升管布風(fēng)板的高度分別為1.4 m 、2.58 m 、2.98 m、4.56 m 和 4.96 m,利用壓差變送器測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)之間的壓差值,記為Δpij(i和j為測(cè)試孔序號(hào)).試驗(yàn)用壓差變送器型號(hào)為JYB-G.

圖1 雙循環(huán)流化床試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the double circulating fluidized bed test rig

2.2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

試驗(yàn)主要研究顆粒循環(huán)流率對(duì)提升管內(nèi)氣固兩相壓降的影響.顆粒循環(huán)流率的測(cè)量方法為:瞬時(shí)關(guān)閉蝶閥4,同時(shí)開始計(jì)時(shí),觀察一定時(shí)間內(nèi)物料積累的高度,根據(jù)物料的堆積密度計(jì)算出物料的顆粒循環(huán)流率.

采用的床料為普通河沙,其粒徑范圍為0.18～0.39 mm,球形度為0.58,采用的顆粒平均粒徑dp分別為0.196 mm和0.256 mm；鼓泡床靜止料層高度H為0.2 m.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 提升管底部加速段的壓降

根據(jù)提升管內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度分布,可將提升管分為底部的顆粒加速段和上部的充分發(fā)展段.在提升管底部加速段,顆粒垂直方向的平均速度由接近零加速到某一較穩(wěn)定的速度,因此不僅要考慮氣固兩相與提升管壁摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的壓降,還必須考慮顆粒相和氣體相加速效應(yīng)產(chǎn)生的壓降.在提升管內(nèi)風(fēng)速Uf=5.66 m/s時(shí),利用壓差變送器測(cè)量測(cè)試孔1、2和測(cè)試孔1、3之間的壓差.圖2給出了顆粒循環(huán)流率對(duì)提升管底部加速段壓降的影響.

從圖2可以看出,在提升管底部加速段,假定提升管氣固兩相的滑移速度Uslip等于顆粒相的終端速度Ut,計(jì)算得到顆粒相速度Up,將Up代入式(4),最終得到的提升管壓降預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值比較吻合.由此可見,本文提出的氣固兩相摩擦效應(yīng)產(chǎn)生壓降和氣固兩相加速效應(yīng)產(chǎn)生壓降的假設(shè)是合理的,從而證明式(1)對(duì)于預(yù)測(cè)提升管底部加速段的壓降具有現(xiàn)實(shí)意義.

圖2 顆粒循環(huán)流率Gpt對(duì)壓降Δp12和Δp13的影響Fig.2 Particle circulation rate Gptvs.pressure drop Δp12and Δp13

2.3.2 提升管充分發(fā)展段的壓降

當(dāng)顆粒進(jìn)入提升管底部時(shí),其所受到的氣體曳力大于重力,因而向上作加速流動(dòng).隨著顆粒的加速,氣固兩相間的滑移速度減小,氣體曳力也隨之減小,當(dāng)氣體曳力減小到等于顆粒重力時(shí),顆粒加速過程結(jié)束,進(jìn)入等速流動(dòng)階段.考慮到本試驗(yàn)中顆粒循環(huán)流率不大,顆粒向上運(yùn)動(dòng)到距提升管布風(fēng)板3.84 m時(shí),就已過渡到提升管的充分發(fā)展段.在計(jì)算提升管充分發(fā)展段的壓降時(shí),氣固兩相的加速效應(yīng)已經(jīng)不存在,僅需考慮顆粒相與管壁的摩擦效應(yīng),因此式(4)可以簡(jiǎn)化為:

將各操作條件下的顆粒循環(huán)流率值代入式(11),計(jì)算得到相應(yīng)的壓降,并與試驗(yàn)測(cè)得的壓降進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果示于圖3.

圖3 顆粒循環(huán)流率Gpt對(duì)壓降Δp45的影響Fig.3 Particle circulation rate Gptvs.pressure drop Δp45

由圖3可以看出,在提升管充分發(fā)展段,利用滑移因子ψ計(jì)算顆粒相速度Up的值,代入式(11)中得到的壓降與試驗(yàn)值比較吻合,可見在提升管充分發(fā)展段僅需考慮顆粒相與管壁的摩擦效應(yīng),式(11)對(duì)于預(yù)測(cè)提升管充分發(fā)展段的壓降具有實(shí)際意義.

3 結(jié) 論

(1)在計(jì)算提升管底部加速段的壓降時(shí),必須考慮氣固兩相的加速效應(yīng)以及顆粒相與提升管壁的摩擦效應(yīng).通過比較預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值發(fā)現(xiàn),假定提升管氣固兩相的滑移速度Uslip等于顆粒相的終端速度Ut,計(jì)算得到顆粒相速度Up,代入式(4)中得到的提升管壓降預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值比較吻合.

(2)在提升管充分發(fā)展段,顆粒相加速過程已經(jīng)結(jié)束并進(jìn)入等速流動(dòng)階段,計(jì)算壓降時(shí),不再考慮氣固兩相的加速效應(yīng),僅考慮顆粒相與提升管壁的摩擦效應(yīng).通過比較預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值發(fā)現(xiàn),利用滑移因子ψ計(jì)算得到顆粒相速度Up,將Up代入式(11)中得到的提升管壓降預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值比較吻合.

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