循環(huán)床提升管內軸向壓力梯度和物料濃度的分布特性①

周云龍 朱效宇 楊 寧

(東北電力大學能源與動力工程學院)

循環(huán)床提升管內軸向壓力梯度和物料濃度的分布特性①

周云龍 朱效宇 楊 寧

(東北電力大學能源與動力工程學院)

以3.6m高循環(huán)床提升管內軸向不同高度測點的壓力數據為基礎，分析了管內軸向壓力梯度的變化規(guī)律，并通過壓差法對提升管內軸向物料濃度的分布特性進行了研究，得出了表觀氣速和物料顆粒粒徑的變化對二者的影響。結果顯示，提升管內軸向壓力梯度沿管上升方向逐漸減小，物料濃度在軸向方向上呈上疏下密的不均勻分布趨勢。增加表觀氣速，可以減小管內上下壓力梯度的差異，改善顆粒濃度分布的不均勻程度，減小顆粒流動過程中消耗的總壓降。而相對于粗大粒徑顆粒，細小顆粒在提升管內流動時軸向壓力梯度和濃度分布都更加均勻，整個流動過程所造成氣體的總壓降也相對更小。

循環(huán)床 壓力梯度 顆粒濃度 分布特性

循環(huán)流化床作為一種高效的氣固兩相接觸技術，已廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、電力及制藥等各個行業(yè)領域中[1]。隨著現代工業(yè)要求的日益提高，對循環(huán)床提升管內顆粒濃度這一關乎氣固混合、傳熱傳質等諸多問題的重要參數的研究已日趨深入[2]。影響顆粒濃度分布的因素不僅包括提升管自身結構(高度、管徑及出口結構等)，還包括物料顆粒物性、表觀氣速、氣體溫度及循環(huán)流量等[3]。黃衛(wèi)星等通過自身16m高提升管所測數據與Issangya A S等發(fā)表的6m高提升管所測數據進行對比，表明提升管高度對內部顆粒濃度軸向分布具有顯著影響[4，5]。Bai D R等基于8、10m高的兩個提升管實驗臺，在快速床狀態(tài)下驗證了顆粒循環(huán)流量、床體直徑、物料入口和出口形狀的限制對顆粒濃度分布的影響[6]。漆小波等通過在10.5m高提升管實驗臺上較寬操作范圍內的實驗數據建立模型，對提升管充分發(fā)展段內的顆粒濃度進行了預測[7]。然而，就目前的研究過程而言，對于提升管內顆粒流動狀態(tài)和濃度分布的研究仍存在一定的局限[8～11]，一方面，實驗中表觀氣速與工業(yè)實際應用具有較大差距，且變化范圍較??；另一方面，物料顆粒以篩分粒徑為50～150μm的FCC催化劑為主，其他材料并不常見。鑒于此，本實驗采用透光率為92%的高硼硅玻璃提升管，以3種不同篩分粒徑的玻璃微珠作為固體顆粒材料進行實驗。研究在不同表觀氣速條件下提升管內軸向壓力梯度和濃度分布的變化規(guī)律，以及表觀氣速、顆粒粒徑對二者變化規(guī)律的影響。

1 實驗裝置及流程

實驗裝置如圖1所示。顆粒儲料罐中的玻璃顆粒通過螺旋給料機送至提升管內；與此同時，來自羅茨風機的空氣通過氣體分布器進入提升管內，使物料顆粒流化并帶動顆粒向上流動，流出提升管后進入旋風分離器進行氣固分離，被分離出來的顆粒沿下降管重新進入顆粒儲料罐，從而實現物料的循環(huán)。提升管內徑d=0.07m，高3.6m。在提升管一側由下至上設置7個壓力測點，通過羅斯蒙特差壓變送器測壓，測點位置以提升管的氣體分布器為基準水平面，自下而上標高分別為0.8、1.1、1.3、1.6、2.0、2.6、3.0m。由并行式壓力變送裝置采集的壓力信號和由渦街流量計記錄的風量信號通過模塊轉換器將其轉換為數字信號并傳遞給PC數據采集系統(tǒng)，便于對實驗數據進行分析。

圖1 實驗裝置

實驗以常溫空氣作為流化氣體，表觀氣速Vs的操作范圍7.94～15.16m/s，接近工業(yè)實際應用，具有一定的參考價值。循環(huán)顆粒采用3種不同粒徑同種材料的玻璃微珠，分別為C1(dp為0.60～0.85mm)、C2(dp為1.00～2.00mm)、C3(dp為2.00～3.00mm)，ρp=2000kg/m3。顆粒進料量由螺旋給料機控制，通過改變給料機的功率調節(jié)給料量。本實驗控制循環(huán)流量Gs=50kg/(m2·s)，采樣頻率fs=1000Hz，采樣時間T=5.06s。

2 實驗結果與討論

2.1 壓力梯度的軸向分布及其影響因素

2.1.1 壓力梯度的軸向分布

根據實驗中所測得的提升管7個高度位置的表壓力和各段高度差做出壓力梯度的軸向分布圖(圖2)。

圖2 壓力梯度沿提升管高度變化趨勢

在圖2中，當Vs=7.94m/s時，壓力梯度從底部入口到2.5m高處顯著減小。原因在于固體顆粒進入提升管底部時，空氣的曳力作用大于其自身重力，顆粒被推動向上加速運動。管內軸向動量方程可表示為：

(1)

Gs=ρpεsV

(2)

其中εs表示顆粒濃度，V表示顆粒速度。由式(2)可知，當顆粒停止加速后，εs趨于一定值，用于保持顆粒懸浮的壓力梯度也就趨于穩(wěn)定。提升管內壓力梯度從下到上呈不斷減小的近指數型分布趨勢。

當表觀氣速升高到15.16m/s時，可以發(fā)現，壓力梯度在提升管底部初始值較低氣速時顯著減小，在1.0～1.5m間稍有減小趨勢，1.5m后趨于不變。這是因為氣固兩相流動狀態(tài)由較低氣速時的快速床轉變?yōu)楦邭馑贂r的氣力輸送狀態(tài)，由于表觀氣速較高，自身攜帶能量較大，顆粒進入管內迅速完成加速過程，并保持高速運動直至離開提升管。此過程中氣體為維持顆粒懸浮狀態(tài)并克服與管壁的摩擦阻力，導致壓力降低。因而在整體上沒有壓力梯度的快速減小區(qū)，取而代之的是相對平緩、趨于直線型的壓力梯度分布曲線。

2.1.2 表觀氣速對壓力梯度分布的影響

圖3表示在循環(huán)流量Gs一定的前提下，3種不同粒徑的玻璃顆粒在不同Vs條件下壓力梯度的變化情況。從圖中可以發(fā)現，無論是哪種粒徑的物料顆粒，當表觀氣速較小時，提升管底部壓力梯度都較大，隨高度增加壓力梯度顯著減小，且壓力梯度顯著減小的區(qū)域占整根提升管的比例較大，到達提升管頂部時壓力梯度仍相對較大。而隨著表觀氣速的不斷增加，提升管底部壓力梯度值不斷減小，壓力梯度的減小趨勢有所放緩，壓力梯度減小區(qū)域所占整根提升管的比例逐步減小，到達頂部出口時的壓力梯度也變小，趨近于恒定。這是因為隨著表觀氣速的不斷增加，顆粒的加速過程也越來越短，達到充分發(fā)展階段越來越快，當表觀氣速增加到一定值時，管內流動由快速流態(tài)化轉變?yōu)闅饬斔蜖顟B(tài)。提升管底部壓力梯度的快速變化區(qū)將消失，取代指數型變化趨勢的將是

直線型較均勻分布趨勢。由此可見，當Gs一定時，無論哪種粒徑的顆粒，提高表觀氣速都有利于緩解壓力梯度沿提升管軸向分布的不均勻程度，壓力梯度沿提升管軸向的分布將由類指數型向近直線型靠攏，即隨著Vs的增加，管內壓力梯度的分布將趨于均勻。管內流動狀態(tài)將由快速流態(tài)化向氣力輸送狀態(tài)轉變。這與前人得出的S形壓力梯度分布曲線有一定的差異，分析原因在于本實驗的表觀氣速值選取較大，屬于工程應用范圍(7～28m/s)[12]，且本實驗選取的循環(huán)流量值Gs小于表觀氣速對應的飽和夾帶量Gs*[13，14]，而S形壓力梯度分布曲線通常出現于Gs≥Gs*且表觀氣速較低的情形。

圖3 3種顆粒在不同表觀氣速下壓力梯度軸向分布

2.1.3 顆粒粒徑對壓力梯度分布的影響

圖4分別表示了在循環(huán)流量Gs一定的條件下，3種不同粒徑dp的顆粒在管內壓力梯度的分布情況。

圖4 3種顆粒壓力梯度的軸向分布

由圖4可知當表觀氣速Vs一定時，C1顆粒在提升管底部壓力梯度最大，C2顆粒其次，C3顆粒最小，而3種顆粒在提升管頂部壓力梯度近似相同。因此粗顆粒在管內上下壓力梯度差異較大，而細小顆粒的軸向壓力梯度則分布相對較均勻。粗顆粒的加速過程總是更長，尤其是表觀氣速較小時，甚至在整個提升管內都是加速過程。當實驗中表觀氣速Vs不斷增大時，3種顆粒在提升管底部的壓力梯度明顯減小，且各種顆粒在底部同一截面壓力梯度的差異不斷變小，當Vs=15.16m/s時，3種顆粒壓力梯度分布曲線為直線型且接近重合，表明提高表觀氣速不僅有利于緩解提升管內軸向壓力梯度上下不均勻的分布特點，同時也能夠緩解由于物料顆粒自身屬性而造成的壓力梯度分布不均現象。

2.1.4 表觀氣速和顆粒物性對總壓降的影響

圖5為3種物料顆粒在提升管內流動時總壓降隨表觀氣速變化趨勢?？梢娏酱蟮奈锪项w?？倝航悼偸谴笥诹叫〉念w粒，這是因為大粒徑顆粒在上升加速過程和勻速懸浮過程中需要消耗更多的氣流所提供的能量。這與上一節(jié)得出的粗大顆粒在提升管內上下壓力梯度差異較大這一結論恰好吻合。同時，隨著表觀氣速的持續(xù)增大，3種顆粒的總壓降不斷下降，下降趨勢接近線性，這 也再次說明了表觀氣速的升高提供了更多的能 量，使得顆粒加速過程變短，提升管內上線壓力梯度差異減小，且影響明顯。

圖5 3種物料顆粒總壓降隨表觀氣速變化趨勢

2.2 顆粒濃度的軸向分布及其影響因素

筆者采用壓差法計算顆粒截面平均濃度：

(3)

其中，由摩擦效應和加速效應造成的壓力梯度難以計算，常將其忽略。式(3)可以簡化為：

(4)

圖6 3種顆粒在不同表觀氣速下沿提升管軸向濃度分布

分析可知，3種顆粒沿提升管軸向濃度分布同樣存在不均勻性，提升管下部顆粒濃度較高，到提升管上端截面時，濃度明顯下降。因而呈現上疏下密的非均勻分布結構。這同樣可以用截面的顆粒相連續(xù)性方程來解釋。當Gs一定時，隨著表觀氣速度的提升，顆粒濃度沿著軸向截面不斷變小。實驗中使用同種顆粒而增加表觀氣速時，提升管下部顆粒濃度顯著下降，濃度分布不均勻的現象有所改善。當表觀氣速進一步增加時，管內上下顆粒濃度差異越來越小，顆粒分布趨于均勻。

圖7表示相同表觀氣速條件下3種不同粒徑顆粒的濃度分布情況，可以發(fā)現，表觀氣速一定，粗顆粒在底部各段截面的表觀濃度總是高于細小顆粒的，尤其是在表觀氣速較低的條件下。這是因為，當表觀氣速一定時，氣流所提供的能量也是確定的，相對于細小顆粒，氣流對粗顆粒的帶動作用相對較弱，粗顆粒容易在管底部聚集而不能馬上離開底部。當表觀氣速逐步增加時，高流速的氣流攜帶能力也越來越大，粗細顆粒帶動效果的差異也隨之變得越來越小。最終當表觀氣速增大到一定值時，無論哪種粒徑的顆粒都能被氣流迅速加速，加速過程很短，管內以勻速運動為主直至離開提升管，此時管內顆粒濃度分布也達到均勻。

圖7 相同表觀氣速下不同粒徑顆粒濃度分布情況

在相同表觀氣速的條件下，粗顆粒在底部各段截面的表觀濃度總是高于細小顆粒的，尤其是在表觀氣速較低時。這是因為，當表觀氣速一定時，氣流所提供的能量也是確定的，相對于細小顆粒，氣流對粗顆粒的帶動作用相對較弱，粗顆粒容易在管底部聚集而不能馬上離開底部。當表觀氣速逐步增加時，高流速的氣流攜帶能力也越來越大，粗細顆粒帶動效果的差異也隨之變得越來越小。最終當表觀氣速增大到一定值時，無論哪種粒徑的顆粒都能被氣流迅速加速，加速過程很短，管內以勻速運動為主直至離開提升管，此時管內顆粒濃度分布也達到均勻。

3 結論

3.1 提升管內軸向壓力梯度沿管上升方向逐漸減小，呈現上小下大的非均勻分布趨勢。在循環(huán)流量Gs相對較小且保持恒定的前提下，提高表觀氣速，會使管內流動狀態(tài)由快速流化床向氣力輸送過渡，同時壓力梯度的下降趨勢也會由指數型快速下降趨勢逐步轉化為平緩的近似直線型下降趨勢。

3.2 表觀氣速對于提升管內軸向壓力梯度和物料濃度的分布具有重要影響，提高Vs可以減小管內軸向上下壓力梯度的差異以及顆粒濃度分布的不均勻程度，同時使顆粒流動過程中的總壓降降低。

3.3 相對于粒徑dp為2.00～3.00mm的粗大粒徑顆粒來說，dp為0.60～0.85mm和dp為1.00～2.00mm的細小顆粒在提升管內流動時軸向壓力梯度和濃度分布都更加均勻，整個流動過程所造成的總壓降更小。

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2015-09-28，

2016-11-08)

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注：①著者姓名應列全(3個以上的只列3個，并在第3個著者名后加“等”)；

②國外作者名應將“姓”排前，“名”排后。

DistributionCharactersofAxialPressureGradientandMaterialConcentrationinCFBRiser

ZHOU Yun-long, ZHU Xiao-yu, YANG Ning

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity)

Based on the pressure data at different heights in a 3.6m-high CFB riser, the variation of axial pressure gradient in the riser was analyzed; and through making use of the differential pressure method, the axial distribution characters of material concentration in the riser were discussed to show that both superficial gas velocity and material’s particle size can influence the pressure gradient and material concentration; the pressure gradient decreases gradually along the riser and the axial material concentration unevenly distributes; the increase of superficial gas velocity can reduce both variation of pressure gradient in the riser and uneven distribution of material concentration as well as the total pressure drop consumed by the material particles’ motion; regarding the fine particles, they have even pressure gradient and concentration in the riser and the overall pressure drop they consumed in the motion is relatively smaller.

circulating fluidized bed, pressure gradient, particle concentration, distribution character

國家自然科學基金項目(51276033)。

周云龍(1960-)，教授，從事多相流檢測與流型識別的教學與研究，neduzyl@163.com。

TQ022.4

A

0254-6094(2017)01-0006-06