加壓循環(huán)流化床氣固流動特性實驗研究Ⅱ:氣固滑移特性

殷上軼 金保昇 鐘文琪 陸 勇 邵應(yīng)娟 劉 浩

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096)

(2諾丁漢大學(xué)能源技術(shù)研究所，英國諾丁漢NG7 2RD)

循環(huán)流化床(CFB)具有高效的氣固接觸效率、優(yōu)良的傳熱/傳質(zhì)性能、靈活的顆粒停留時間和高處理能力等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于氣固接觸反應(yīng)的各個領(lǐng)域中，如煤的燃燒［1］和氣化［2］、催化裂化［3］和合成［4］等.與常壓循環(huán)流化床相比，加壓循環(huán)流化床具有氣固混合均勻、流化質(zhì)量好、化學(xué)反應(yīng)速率快、污染物排放低等優(yōu)點，有利于工業(yè)過程的大型化發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于氣固接觸反應(yīng)的實際工業(yè)生產(chǎn)中.其中，最為成功的工業(yè)實例是加壓循環(huán)流化床氣固反應(yīng)器在氣相法制備聚烯烴中的應(yīng)用.在煤燃燒利用方面，瑞典ABB公司推出的發(fā)電功率為360 MW的燃煤增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)發(fā)電機組已經(jīng)投入商業(yè)運行.在煤氣化利用方面，針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電站對氣化技術(shù)的要求，美國南方公司基于KBR公司的催化裂化技術(shù)，建立了發(fā)電功率為285 MW的加壓密相輸運床煤氣化爐，其典型運行操作壓力為1.378 MPa.目前，PFBC-CC 和 IGCC 已成為國際公認(rèn)的燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的兩大主流技術(shù).此外，在化學(xué)鏈燃燒方面，東南大學(xué)采用加壓高密度循環(huán)流化床作為煤與載氧體燃燒的燃料反應(yīng)器，以解決煤燃燒反應(yīng)與載氧體載氧反應(yīng)之間速率的匹配問題.

對氣固流動特性的全面認(rèn)識是成功設(shè)計、運行和放大循環(huán)流化床系統(tǒng)的前提條件.上升管內(nèi)的顆粒分布決定了上升管的壓降分布、顆粒在上升管中的停留時間以及氣固懸浮體與壁面間的傳熱特性;上升管內(nèi)的氣固滑移特性則對氣固間動量及熱量的傳遞效率產(chǎn)生重要影響.文獻(xiàn)［5］對加壓循環(huán)流化床上升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布進行了較為詳細(xì)的研究.目前，國內(nèi)外研究者已對加壓流化床的氣固流動進行了較為深入的研究［6-12］.這些研究主要針對的是壓力對流動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［7］和流化床內(nèi)傳熱特性的影響［8］.對于加壓流化床內(nèi)氣固流動特性的研究普遍采用量綱分析方法［6］，直接的實驗研究較少.有限的針對循環(huán)流化床上升管內(nèi)氣固滑移特性的研究大多在常壓下進行［9-12］;針對加壓循環(huán)流化床上升管內(nèi)氣固滑移特性的實驗研究則鮮有報道，其復(fù)雜的氣固滑移特性未被揭示，亟待開展系統(tǒng)的研究工作.

針對加壓循環(huán)流化床煤氣化和煤化學(xué)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對表觀滑移速度和表觀滑移因子的影響及氣固滑移特性隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，得到滑移特性與操作參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系式，為加壓循環(huán)流化床煤氣化和煤化學(xué)鏈燃燒熱態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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)主體由碳鋼制成，其內(nèi)部可以承受0.5 MPa以上的絕對壓力，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(fēng)分離器以及布袋除塵器.其中，上升管內(nèi)徑為68 mm，高5.2 m;一級下降管內(nèi)徑為150 mm，高4.0 m;二級下降管內(nèi)徑為50 mm，高4.7 m.為便于觀察氣固流動現(xiàn)象并滿足固體通量測量的要求，在上升管和兩級下降管上分別開有3個高度為200～300 mm的有機玻璃制成的可視窗口.

圖1 加壓循環(huán)流化床實驗系統(tǒng)圖

在實驗過程中，來自空氣壓縮機的壓縮空氣經(jīng)由布風(fēng)板進入上升管，將上升管中的顆粒流化后攜帶至上升管頂部，通過C形平滑彎頭進入慣性分離器;大部分顆粒在慣性分離器中被分離進入一級下降管，并經(jīng)由返料裝置返回至上升管底部，其余未被分離的細(xì)顆粒由氣體攜帶至旋風(fēng)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(jīng)過背壓閥截流和布袋除塵器凈化后排入大氣中.布袋除塵器中的細(xì)顆粒也定期加入上升管中進行循環(huán).

實驗系統(tǒng)內(nèi)部的操作壓力Pabs可通過調(diào)節(jié)旋風(fēng)分離器出口的背壓閥開度來控制，操作壓力大小由安裝在背壓閥上游的壓力表讀取并換算為絕對壓力.表觀氣速由進入上升管的總風(fēng)量除以床層截面積獲得，其中總風(fēng)量為上升管流化風(fēng)量(Q1)、返料器松動/流化風(fēng)量(Q2～Q5)和加料罐加料風(fēng)量(Q6)的總和.氣體流量由轉(zhuǎn)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(fēng)量轉(zhuǎn)化為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的總風(fēng)量，對應(yīng)的表觀氣速被稱為標(biāo)態(tài)表觀氣速(Ug，sta).固體通量由安裝在下降管觀察口上方的蝶閥測量，蝶閥的蝶片上鉆有小孔并覆蓋了篩網(wǎng)，由此可以降低閥門關(guān)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(guān)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(Gs).為保證測量準(zhǔn)確，采用多次測量取平均值的方法.上升管壁面上每相隔0.5 m留有一個測壓孔，用于測量上升管截面間的靜壓差，差壓信號由差壓變送器獲取，輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計算機采集.表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)由上升管相鄰截面間的壓差通過下式獲得，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為表觀顆粒密度;ρg，pre為操作壓力狀態(tài)下的氣體密度;εs為表觀顆粒體積分?jǐn)?shù);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(biāo)態(tài)表觀氣速為6～25 m/s.

2 實驗結(jié)果與討論

表觀滑移速度和表觀滑移因子是表征氣固流動系統(tǒng)滑移特性的重要參數(shù).它們分別為表觀平均氣速與表觀平均顆粒速度的差值和比值，即

式中，Vslip為表觀滑移速度;Φ為表觀滑移因子;Vg和Vp分別為表觀平均氣速與表觀平均顆粒速度.

2.1 操作壓力對氣固滑移特性的影響

圖2為操作壓力對上升管不同截面處表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)及氣固滑移特性的影響，相應(yīng)的實驗條件為 Ug，pre=8 m/s，Gs=(600 ± 5)kg/(m2·s).由于滑移速度和滑移因子分別為氣速和顆粒速度的差值和比值，因此從表觀平均氣速和表觀平均顆粒速度隨操作壓力變化的角度來討論操作壓力對表觀滑移速度/因子的影響.由圖2(a)和(b)可知，保持狀態(tài)表觀氣速和固體通量不變，表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)和表觀平均氣速隨操作壓力的變化趨勢相似，即隨操作壓力的增加而減小，且兩者在上升管底部的變化速率均明顯大于頂部.這是由于在上升管頂部顆粒體積分?jǐn)?shù)較小，且隨操作壓力的變化也較小，因此在這個區(qū)域內(nèi)的表觀平均氣速受截面高度和表觀氣速的影響不如上升管底部顯著.此外，由于顆粒在上升管底部不斷被加速，表觀平均顆粒速度隨上升管高度的增加而增大.如圖2(c)所示，表觀平均顆粒速度隨操作壓力的增加而增加，且在上升管頂部隨操作壓力的變化較底部更加明顯.上升管各截面的表觀平均氣速與表觀平均顆粒速度的差值隨操作壓力的增加而逐漸減小，這種趨勢在上升管頂部尤為明顯.這是由于操作壓力的增加導(dǎo)致氣體密度增加，氣固之間的相互作用加強，此時盡管表觀平均氣速略有減小，但表觀平均顆粒速度仍顯著增加.由此可見，表觀滑移速度和表觀滑移因子均隨操作壓力的增大而減小(見圖2(d)和(e)).

Patience等［10］提出常壓下充分發(fā)展段的氣固表觀滑移因子約等于2.如圖2(d)所示，常壓下上升管頂部的表觀滑移因子為3.2，大于 Patience等［10］報道的估計值.其原因在于，受到上升管高度的限制，流體在上升管出口附近沒有完全進入充分發(fā)展段.隨著操作壓力的增加，氣體對顆粒的曳力作用加強，使上升管底部顆粒加速段的長度縮小，上升管頂部流體進入充分發(fā)展段.隨著操作壓力的增加，上升管頂部滑移因子減小到2左右.P?rssinen等［9］通過常壓氣固流動實驗，得到不同上升管高度處FCC顆粒的表觀滑移速度.將相同操作條件下文獻(xiàn)［9］中的表觀滑移速度和本文圖2(d)中常壓下的表觀滑移速度進行比較可知，相同高度處兩者大小接近，但后者略低.其原因在于，本實驗中采用較為粗重的Geldart B類顆粒，顆粒間的黏附力不如FCC強，不易聚集.綜上所述，當(dāng)操作參數(shù)一定時，表觀滑移速度主要隨床層截面高度的變化而變化，上升管總高度和顆粒的物性參數(shù)對表觀滑移速度的影響相對較小.

圖2 操作壓力對上升管不同截面處氣固滑移特性的影響

2.2 表觀滑移速度的影響因素

圖3為表觀滑移速度與表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，相應(yīng)的實驗條件為Gs=291～773 kg/(m2·s)，Pabs=0.1 ～0.4 MPa，Ug，pre=5.5，9.0，12.0，16.5 m/s.如圖所示，表觀滑移速度遠(yuǎn)大于單顆粒的終端沉降速度Vt(本實驗中，由于受到操作壓力變化的影響，Vt的范圍為 0.917 ～1.570 m/s)，其原因可能是由于顆粒間的相互作用導(dǎo)致團聚的形成以及上升管流動結(jié)構(gòu)徑向分布的不均勻性.保持狀態(tài)表觀氣速不變，表觀滑移速度隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，這是由于上升管內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加促使顆粒發(fā)生團聚，氣體對顆粒的曳力作用減弱，從而形成較大的滑移速度.

圖3 表觀滑移速度與表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖3可知，在狀態(tài)表觀氣速一定的情況下，表觀滑移速度隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，且這種變化幾乎不受操作壓力和固體通量變化的影響.Yerushalmi等［13］通過實驗指出，稀相的氣固懸浮流體動力學(xué)特性主要由氣體和顆粒團絮間的相互作用主導(dǎo)，即表觀滑移速度同時受到表觀氣速和固體通量的影響.然而，在本實驗中，表觀滑移速度只受狀態(tài)表觀氣速和表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的影響，與固體通量無關(guān).因此，在本實驗的操作參數(shù)下，顆粒團聚行為并非上升管內(nèi)氣固流動特性的唯一決定因素.當(dāng)表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)較小(εs＜0.06)時，表觀滑移速度隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而迅速增大，這與文獻(xiàn)［12］的結(jié)論不同，其原因可能是本實驗主要在高固體通量下進行，低表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)比較有限;當(dāng)表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)較大(εs＞0.06)時，表觀滑移速度仍隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，但增大的速率較為緩慢，這與文獻(xiàn)［11-12］的結(jié)論基本一致.此外，隨狀態(tài)表觀氣速的增加，表觀滑移速度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)變化的速率也相應(yīng)增大.當(dāng)表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)一定時，表觀滑移速度隨狀態(tài)表觀氣速的增加而增大.

表觀滑移速度、狀態(tài)表觀氣速及表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)之間存在顯著的相關(guān)性.Matsen［14］指出，無量綱滑移速度僅是表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的函數(shù).為了進一步研究加壓條件下表觀滑移速度、狀態(tài)表觀氣速和表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)三者之間的關(guān)系，圖4給出了無量綱滑移速度(Vslip/Ug，pre)與表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的變化關(guān)系，相應(yīng)的實驗條件為Pabs=0.1～0.5 MPa，Gs＞200 kg/(m2·s)，Ug，pre=4.1 ～16.5 m/s.通過對圖4中的數(shù)據(jù)進行擬合，可得無量綱滑移速度和表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，即

圖4 無量綱滑移速度與表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

此前，文獻(xiàn)［11-12］分別通過對常壓下Geldart A類顆粒和Geldart B類顆粒進行實驗研究，提出了類似的關(guān)系式，即

加壓下無量綱滑移速度與表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的0.42次方成正比，較常壓情況下大.由此可知，除表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)較低的區(qū)域外，加壓下無量綱滑移速度隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)變化的速率較常壓情況下大.但是，加壓和常壓下無量綱滑移速度均隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈冪函數(shù)型增加.因此，操作壓力的增加并未對無量綱滑移速度和表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的變化關(guān)系造成本質(zhì)的影響.

2.3 氣固滑移特性與操作參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系

圖5為表觀滑移因子和表觀滑移速度的關(guān)系，相應(yīng)的實驗條件為 Pabs=0.1 ～0.5 MPa，Gs＞200 kg/(m2·s)，Ug，pre=4.1 ～ 9.1 m/s.如圖所示，在不同的狀態(tài)表觀氣速下，表觀滑移因子隨表觀滑移速度的變化趨勢類似，且這種變化幾乎不受固體通量和操作壓力的影響.但在低氣速和高氣速2種不同操作條件下，表觀滑移因子隨表觀滑移速度變化的速率存在較大的差異.在低氣速(Ug，pre＜6.1 m/s)下，隨著表觀滑移速度的增加，表觀滑移因子增加的速率較快，表明此時表觀平均氣速和表觀平均顆粒速度均相對較小，且相差不大;在高氣速(Ug，pre＞7.7 m/s)下，隨表觀滑移速度的增加，表觀滑移因子增加的速率較為緩慢，表明此時表觀平均氣速和表觀平均顆粒速度均較大，且差別也較大.

圖5 表觀滑移因子與表觀滑移速度的變化關(guān)系

表觀滑移因子和表觀滑移速度之間的變化關(guān)系主要受狀態(tài)表觀氣速的影響.將圖5中的表觀滑移速度用狀態(tài)表觀氣速無因次化，得到表觀滑移因子和無量綱滑移速度之間的變化關(guān)系(見圖6).經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，得到如下的關(guān)系式:

文獻(xiàn)［11-12］分別通過對常壓下Geldart A類顆粒和Geldart B類顆粒進行實驗研究，提出了類似的關(guān)聯(lián)式:

文獻(xiàn)［12］利用公式定性地指出，表觀滑移因子、表觀滑移速度及狀態(tài)表觀氣速三者之間的關(guān)系受顆粒物性影響.如圖6所示，Gledart A類顆粒的表觀滑移因子隨無量綱滑移速度變化的速率較Geldart B類顆粒慢.但是，隨著操作壓力的增加，Geldart B類顆粒的表觀滑移因子隨無量綱滑移速度的變化規(guī)律越來越接近于Geldart A類顆粒.比較式(7)～(9)可知，在不同操作壓力下，Geldart A類顆粒和Geldart B類顆粒的表觀滑移因子均隨無量綱滑移速度的增加呈指數(shù)型增加.因此，操作壓力和顆粒物性的變化對 Φ，Vslip，Ug，pre之間的變化關(guān)系沒有造成本質(zhì)的影響.

圖6 表觀滑移因子與無量綱滑移速度的關(guān)系

3 結(jié)論

1)保持狀態(tài)表觀氣速和固體通量不變時，表觀滑移速度和表觀滑移因子隨操作壓力的增加而逐漸減小.

2)保持操作參數(shù)不變，表觀滑移速度主要受測量高度的影響，上升管總高度和顆粒物性對表觀滑移速度的影響相對較小.

3)與常壓情況類似，加壓下表觀滑移速度、狀態(tài)表觀氣速和表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)之間存在顯著的相關(guān)性.在狀態(tài)表觀氣速一定時，表觀滑移速度隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大;在表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)一定時，表觀滑移速度隨狀態(tài)表觀氣速的增大而增大.無量綱滑移速度不受狀態(tài)表觀氣速的影響，隨表觀顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈冪函數(shù)型增加.

4)加壓下，表觀滑移因子隨無量綱滑移速度的增加呈指數(shù)型增加.在低表觀氣速下，表觀滑移因子隨表觀滑移速度的增加而迅速增大;在高表觀氣速下，表觀滑移因子隨滑移速度的增加而緩慢增大.

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