加壓循環(huán)流化床氣固流動特性實驗研究Ⅰ:顆粒體積分數(shù)分布特性

殷上軼 金保昇 鐘文琪 陸 勇 邵應娟 劉 浩

(1東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096)

(2諾丁漢大學能源技術研究所，英國諾丁漢NG7 2RD)

加壓循環(huán)流化床氣固流動特性實驗研究Ⅰ:顆粒體積分數(shù)分布特性

殷上軼1金保昇1鐘文琪1陸 勇1邵應娟2劉 浩2

(1東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096)

(2諾丁漢大學能源技術研究所，英國諾丁漢NG7 2RD)

針對加壓煤氣化和化學鏈燃燒的發(fā)展需求，建立了一種加壓循環(huán)流化床的冷態(tài)實驗裝置，研究了不同操作壓力(0.1～0.5 MPa)下，平均粒徑為137 μm、密度為2 490 kg/m3的Geldart B類顆粒在提升管內的壓降和表觀顆粒體積分數(shù)分布特性.實驗結果表明，上升管壓降隨固氣質量比的增大而線性增加，增加的速率隨操作壓力的增加而增加，且基本不受操作氣速和固體通量的影響.加壓條件下，表觀顆粒體積分數(shù)呈上小下大的分布，且隨固體通量的增加而增加，隨標態(tài)表觀氣速的增加而減小.在固體通量和操作氣速一定的情況下，增加操作壓力可以顯著提高上升管內表觀顆粒體積分數(shù)，并使其軸向分布更加均勻.

氣固兩相流;循環(huán)流化床;加壓;流動特性;顆粒體積分數(shù)

循環(huán)流化床(CFB)是一種典型的氣固接觸反應系統(tǒng)，因其優(yōu)良的傳熱/傳質性能、高效的氣固接觸效率以及高處理量而被廣泛應用于煤的燃燒［1］與氣化［2］、催化裂化與合成［3］等氣固反應過程中.在加壓條件下，循環(huán)流化床具有氣相密度大、氣固混合均勻、流化質量好、化學反應速率快等優(yōu)點，因而被廣泛應用于實際工業(yè)生產中.以煤氣化為例，針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術的要求，美國南方公司建立了裝機容量為285 MW的加壓密相輸運床煤氣化爐，其典型運行操作壓力約為1.378 MPa.我國“十一五”發(fā)展計劃中提出了加壓密相輸運床煤氣化技術路線，建立了裝機容量為200 MW的基于加壓密相輸運床煤氣化的IGCC系統(tǒng).東南大學針對傳統(tǒng)氣化技術碳轉化率不高的問題，提出了密相輸運床煤加壓氣化和高密度增壓流化床煤氣化等煤氣化技術，設計操作壓力范圍為2～3 MPa.運行在高固體通量下的加壓煤氣化設備的反應器內氣固混合接觸良好，反應速率和熱量傳遞效率高，污染物排放低，因而具有廣泛的應用前景.

目前，國內外研究者已對加壓循環(huán)流化床的氣固流動進行了較為深入的研究［4－5］.然而，這些研究大多在固體通量較小的情況下進行，針對高通量循環(huán)流化床氣固流動特性的研究大都在常壓下進行［6－13］.迄今為止，針對固體通量較高情況下加壓循環(huán)流化床氣固流動特性的研究報道極少，其復雜的氣固流動特性尚未被揭示，亟需開展系統(tǒng)性的研究工作.

針對加壓循環(huán)流化床煤氣化和化學鏈燃燒的發(fā)展需求，本文建立了一種加壓循環(huán)流化床的冷態(tài)實驗裝置.在加壓條件下，研究了Geldart B類顆粒在上升管中的氣固流動特性，考察了不同操作壓力下上升管壓降和表觀顆粒體積分數(shù)隨操作壓力、固體通量和操作氣速的變化規(guī)律，為加壓循環(huán)流化床煤氣化和化學鏈燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的結構設計、運行和優(yōu)化提供參考.

1 實驗系統(tǒng)

加壓循環(huán)流化床冷態(tài)實驗系統(tǒng)如圖1所示.實驗系統(tǒng)主要包括上升管、兩級下降管、兩級J形返料器、慣性分離器、旋風分離器以及布袋除塵器.其中，上升管內徑為68 mm，高5.2 m;一級下降管內徑為150 mm，高4 m;二級下降管內徑為50 mm，高4.7 m.在實驗過程中，來自空氣壓縮機的壓縮空氣由風室進入上升管，將上升管中的顆粒流化后，攜帶顆粒進入慣性分離器;大部分顆粒在慣性分離器中被分離進入一級下降管，并由一級J形返料器送回上升管底部，其余未被分離的細顆粒隨氣體進入旋風分離器進行二次分離，分離出的顆粒由二級J形返料器送回上升管底部，氣體則經過背壓閥截流和布袋除塵器凈化后排入大氣中.布袋除塵器中積累的細顆粒也被定期地加入上升管中參與循環(huán).

圖1 加壓循環(huán)流化床實驗系統(tǒng)圖

通過調節(jié)旋風分離器出口處的背壓閥開關，可控制實驗系統(tǒng)的操作壓力Pabs，其大小由安裝在背壓閥上游的壓力表讀取.表觀氣速由進入上升管的總風量除以床層截面積獲得，其中總風量為上升管流化風量(Q1)、返料器松動/流化風量(Q2～Q5)和加料罐加料風量(Q6)的總和.氣體流量由轉子流量計讀取，并進行壓力校核.操作壓力狀態(tài)下的表觀氣速被稱為狀態(tài)表觀氣速(Ug，pre);將不同操作壓力下的總風量轉化為一個標準大氣壓的總風量，對應的表觀氣速被稱為標態(tài)表觀氣速(Ug，sta).固體通量由安裝在下降管可視窗口上方的蝶閥測量，蝶閥的蝶片上鉆有小孔并覆蓋了篩網(wǎng)，由此可降低閥門關閉時對系統(tǒng)壓力分布造成的影響，并保證沒有顆粒穿過蝶片.系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，迅速關閉閥門，記錄物料在觀察口中下降20 cm所用的時間，換算為上升管中的固體通量.上升管壁面上每隔0.5 m留有一個測壓孔，用于測量上升管相應截面間的靜壓差，差壓信號由差壓變送器獲取，輸出信號經A/D轉換后由計算機采集.表觀顆粒體積分數(shù)由上升管相鄰截面間的壓差獲得，即

式中，ΔP為兩測壓點間的壓差;Δz為兩測壓點間的垂直距離;ρp和εs分別為表觀顆粒的密度和體積分數(shù);ρg，pre為壓力狀態(tài)下的氣體密度;g為重力加速度.

實驗物料為石英砂，其平均粒徑為137 μm，顆粒密度為2 490 kg/m3.實驗采用的操作壓力為0.1～0.5 MPa，固體通量為122～952 kg/(m2·s)，標態(tài)表觀氣速為6～25 m/s.

2 實驗結果與討論

2.1 上升管壓降

圖2為不同操作壓力下上升管的壓降分布曲線，相應的實驗條件為Ug，sta=21 m/s，Gs=(400±5)kg/(m2·s).如圖所示，隨著操作壓力的增加，上部總壓降明顯增加，但增加幅度逐漸變小，壓降曲線的曲率也隨之增大.由此可以推斷，在標態(tài)表觀氣速和固體循環(huán)通量保持不變的情況下，增加操作壓力可以增加上升管內顆?？偭?，同時使聚集在上升管底部的顆粒被氣體攜帶至更高的位置，從而使上升管內氣固分布更加均勻.

圖2 不同操作壓力下上升管壓降分布曲線

圖3顯示了不同操作狀態(tài)下上升管總壓降ΔPt與固氣質量比Gs/(ρgug)的關系.從圖中可以看出，當操作壓力一定時，ΔPt隨Gs/(ρgug)的變化趨勢基本一致，即隨著Gs/(ρgug)的增大，ΔPt呈線性增加的趨勢，且線性增加的斜率基本不受操作氣速和固體通量的影響，這與文獻［9，12］得到的結論類似.需要指出的是，文獻［12］針對的是Geldart A類顆粒，當固氣質量比大于40時，上升管總壓降不再隨其增加而增加，而是趨于常數(shù)，此時整個上升管處于高密度流態(tài);文獻［9］針對的是Geldart B類顆粒，采用的固氣質量比較小，因而沒有出現(xiàn)類似的轉折點.本實驗針對的也是Geldart B類顆粒，由圖3可知，當固氣質量比大于40時，上升管總壓降仍然隨其增加而線性增加，并未出現(xiàn)轉折點.因此，文獻［12］的結論對Geldart B類顆粒并不成立.由此推測，與Geldart A類顆粒相比，在相同標態(tài)表觀氣速下，Geldart B類顆粒實現(xiàn)高密度流態(tài)需要更大的固體通量.由圖3還可以看出，在不同的操作壓力下，ΔPt隨Gs/(ρgug)線性增加的斜率隨著操作壓力的增加而增大，即對于相同的固氣質量比而言，隨著操作壓力的增加，更多的顆粒被氣體攜帶進入上升管.這也從另一方面證明了圖2的結論.

圖3 不同操作壓力下上升管總壓降隨固氣質量比的變化

2.2 表觀顆粒體積分數(shù)的軸向分布

圖4 不同操作壓力下表觀顆粒體積分數(shù)的軸向分布

表觀顆粒體積分數(shù)是循環(huán)流化床上升管氣固流動特性的關鍵特征參數(shù)之一.圖4為不同操作壓力下上升管內表觀顆粒體積分數(shù)的分布情況，相應的實驗條件為Ug，sta=21 m/s，Gs=(400 ±5)kg/(m2·s).由圖可知，加壓下表觀顆粒體積分數(shù)沿上升管軸向呈上小下大的分布，這與常壓下的情況類似［10－12］.在上升管底部，由于受到顆粒入口結構以及顆粒初始加速的影響，表觀顆粒體積分數(shù)較上部大得多.隨著上升管高度的增加，表觀顆粒體積分數(shù)逐漸減小且趨近于一個定值.因此，圖2中上升管底部壓降隨高度增加的速度較頂部快得多.

2.3 操作壓力對表觀顆粒體積分數(shù)的影響

操作壓力對表觀顆粒體積分數(shù)的影響如圖4所示.圖中，上升管內0.75 m以下區(qū)域的表觀顆粒體積分數(shù)隨操作壓力的增加先增大而后略有減小，其他區(qū)域的表觀顆粒體積分數(shù)均隨操作壓力的增大而增大.這是因為增加操作壓力既能提高上升管內的顆?？偭?，又能使固體顆粒在上升管內的軸向分布更加均勻.高密度區(qū)域(εs＞0.1，Gs＞200 kg/(m2·s))首先在上升管底部形成，并且隨著操作壓力的增加逐漸向上延伸.常壓時，上升管內0.95 m以下區(qū)域的表觀顆粒體積分數(shù)大于0.1.當操作壓力增加至0.5 MPa時，高密度區(qū)域延伸至2.95 m.

常壓下，表觀顆粒體積分數(shù)的軸向分布類似于指數(shù)分布.在上升管底部(z＜2 m)區(qū)域，表觀顆粒體積分數(shù)較大，且隨上升管高度的增加迅速減小;在上升管頂部(z＞2 m)區(qū)域，表觀顆粒體積分數(shù)隨高度的增加略有減小，而后趨近于一個恒定值.在標態(tài)表觀氣速和固體通量保持不變的情況下，隨著操作壓力的增加，上升管底部密相區(qū)和頂部稀相區(qū)的分界變得模糊.當操作壓力增加到0.5 MPa時，上升管表觀顆粒體積分數(shù)的軸向分布趨近于一條直線.

2.4 固體通量對表觀顆粒體積分數(shù)的影響

加壓下固體通量對表觀顆粒體積分數(shù)的影響如圖5所示.與文獻［10，12］在常壓下得到的實驗結果類似，加壓下保持操作氣速不變，上升管各截面上的表觀顆粒體積分數(shù)隨固體通量的增加而增加.顆粒體積分數(shù)較大(εs＞0.1)的區(qū)域首先在上升管底部形成，并且隨著固體通量的增加向更高的位置延伸.以圖5(b)為例，當固體通量為320 kg/(m2·s)時，顆粒體積分數(shù)較大的區(qū)域僅在z≤1.25 m的上升管底部形成;當固體通量增加到950 kg/(m2·s)時，顆粒體積分數(shù)較大的區(qū)域延伸至上升管頂部，此時整個上升管的表觀顆粒體積分數(shù)均大于0.1.由Grace等［13］提出的高密度循環(huán)流化床的定義(即固體通量大于200 kg/(m2·s)并且整個上升管的表觀顆粒體積分數(shù)均大于0.1)可知，此時即形成高密度循環(huán)流化床.

加壓下保持操作氣速不變，上升管內表觀顆粒體積分數(shù)軸向分布的不均勻性隨著固體通量的增加而增強.如圖5(a)所示，當固體通量Gs從320 kg/(m2·s)增加到960 kg/(m2·s)時，上升管內表觀顆粒體積分數(shù)的范圍從［0.03，0.16］變?yōu)椋?.08，0.33］.與文獻［10］中的常壓情況相比，上升管各截面的表觀顆粒體積分數(shù)與固體通量的關系更趨于線性關系(見圖5(b)).

圖5 不同高度處表觀顆粒體積分數(shù)隨固體通量的變化

2.5 操作氣速對表觀顆粒體積分數(shù)的影響

圖6為上升管不同軸向高度的表觀顆粒體積分數(shù)隨標態(tài)表觀氣速的變化曲線，相應的實驗條件為Pabs=0.3 MPa，Gs=(500 ±5)kg/(m2·s).與文獻［10，12］在常壓下得到的結果類似，當操作壓力和固體通量一定時，各截面上的表觀顆粒體積分數(shù)隨標態(tài)表觀氣速的增加逐漸減小.此外，加壓下上升管軸向顆粒體積分數(shù)上部較小下部較大的不均勻性隨標態(tài)表觀氣速的增加逐漸減弱.如圖6所示，標態(tài)表觀氣速為16 m/s時，整個上升管的表觀顆粒體積分數(shù)均大于0.1，且該數(shù)值由上升管頂部的0.11變化到底部的0.275;當標態(tài)表觀氣速增加到21.5 m/s時，上升管中z=2.25 m以上各截面的表觀顆粒體積分數(shù)均小于0.1，且該數(shù)值由上升管頂部的0.03逐漸變化到底部的0.16，顆粒體積分數(shù)軸向分布范圍減小，且其分布不均勻性減弱.由此可知，高操作氣速不利于在上升管內形成顆粒體積分數(shù)較大的區(qū)域.

與文獻［12］的結果相比，加壓下上升管各截面的表觀顆粒體積分數(shù)隨操作氣速的變化趨于一致，且接近于線性變化.如圖6所示，操作壓力為0.3 MPa時，除上升管內0.75 m以下區(qū)域外，其他各個截面顆粒體積分數(shù)隨標態(tài)表觀氣速變化的趨勢相對一致.此外，Wang等［10］通過實驗發(fā)現(xiàn)，在上升管頂部，表觀顆粒體積分數(shù)不再受高度變化影響，此時氣固兩相流動進入充分發(fā)展段.而在本實驗中，上升管內的表觀顆粒體積分數(shù)始終隨高度的增加而減小，這是由于受到上升管高度的限制，顆粒在上升管頂部仍處于加速狀態(tài).

圖6 不同高度的表觀顆粒體積分數(shù)隨標態(tài)表觀氣速的變化

3 結論

1)上升管總壓降隨操作壓力的增加而增加，上升管壓降分布曲線的曲率也隨之增大.

2)在相同的操作壓力下，上升管總壓降隨固氣質量比的增大而線性增加，且線性增加的速率基本不受操作氣速和固體通量的影響;在不同的操作壓力下，這種線性增加的速率隨操作壓力的增加逐漸增大.

3)與常壓情況類似，加壓下表觀顆粒體積分數(shù)呈上部較小下部較大的分布，且隨固體通量的增加而增加，隨標態(tài)表觀氣速的增加而減小.當標態(tài)表觀氣速和固體通量保持不變時，上升管各截面的表觀顆粒體積分數(shù)隨操作壓力的增加而增加.

4)與常壓情況相比，加壓下上升管各截面的表觀顆粒體積分數(shù)隨固體通量和操作氣速的變化趨勢更加一致，均表現(xiàn)為近似線性的變化;上升管軸向顆粒體積分數(shù)分布的不均勻性隨固體通量的增加而增強，隨標態(tài)表觀氣速的增加而減弱.當標態(tài)氣速和固體通量保持不變時，增加操作壓力可使上升管內表觀顆粒體積分數(shù)的軸向分布更加均勻.

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Experimental research of gas-solid flow behaviors in pressurized circulating fluidized bed—Ⅰ:solid holdup distribution

Yin Shangyi1Jin Baosheng1Zhong Wenqi1Lu Yong1Shao Yingjuan2Liu Hao2

(1School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Energy Technologies Research Institute，University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD，UK)

According to the development requirement of pressurized coal gasification and chemical looping combustion，a cold－model experimental facility of a pressurized circulating fluidized bed is built.The pressure drop and the solid holdup distribution of Geldart group B particles with the mean diameter of 137 μm and the density of 2 490 kg/m3are investigated under different operating pressure(0.1 to 0.5 MPa).The experimental results show that the total pressure drop across the riser increases linearly with the increase of the solid－to－air mass flow ratio.The increasing slope increases gradually with the increase of the operating pressure and is hardly affected by the superficial gas velocity and the solid mass flux.At the elevated pressure，the apparent solid holdup is lower at the upper part and higher at the bottom part of the riser.It increases with the increase of the solid mass flux and decreases with the increase of the standard state superficial gas velocity.When the solid mass flux and the standard state superficial gas velocity are certain，with the increase of the operating pressure，the apparent solid holdup in the riser increases and the corresponding axial distribution becomes more uniform.

gas－solid two－phase flow;circulating fluidized bed;pressurized;flow characteristics;solid holdup

TK222

A

1001－0505(2012)02－0308－05

10.3969/j.issn.1001－0505.2012.02.022

2011－08－03.

殷上軼(1985—)，女，博士生;金保昇(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導師，bsjin@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51076029)、國際科技合作資助項目(2010DFA61960).

殷上軼，金保昇，鐘文琪，等.加壓循環(huán)流化床氣固流動特性實驗研究Ⅰ:顆粒體積分數(shù)分布特性［J］.東南大學學報:自然科學版，2012，42(2):308－312.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.022］