氣-固循環(huán)流化床底部密相區(qū)研究進展

劉寶勇，魏緒玲，張 斌，王良成，楊 西

（1.蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國石油石油化工研究院蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州 730060）

化學工程

氣-固循環(huán)流化床底部密相區(qū)研究進展

劉寶勇1，魏緒玲2，張 斌1，王良成1，楊 西1

（1.蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國石油石油化工研究院蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州 730060）

循環(huán)流態(tài)化技術(shù)在過程工業(yè)中廣泛應用。循環(huán)流化床底部密相區(qū)對整個流化床的流體動力學特性、傳熱、化學反應及污染物脫除意義重大。本文總結(jié)了底部密相區(qū)固含率軸向分布和徑向分布，概述了底部密相區(qū)顆粒速度的徑向分布，并詳細介紹了底部密相區(qū)的流動形態(tài)，包括鼓泡流態(tài)化、湍動流態(tài)化及最新研究結(jié)果，同時也描述了循環(huán)流化床底部密相區(qū)的固體混合及傳熱。最后，展望了今后的研究方向。

循環(huán)流化床；流體動力學；流域；底部密相區(qū)；傳熱

流態(tài)化技術(shù)是化學工程的一個重要分支，迄今已有60多年的發(fā)展歷史[1]。循環(huán)流態(tài)化是指表觀氣速較高，并伴有固體顆粒內(nèi)外循環(huán)的流態(tài)化系統(tǒng)。作為一種新型高效無氣泡氣固反應器，循環(huán)流化床在煤燃燒與氣化、石油催化裂化（FCC）、礦物加工、化學品生產(chǎn)、材料制備、生物質(zhì)利用和環(huán)境保護等許多泛化學工業(yè)中得到廣泛應用[2]。

循環(huán)流化床提升管內(nèi)典型的軸向平均固含率分布呈現(xiàn)上稀下濃的特點，即提升管主要由上部稀相區(qū)和底部密相區(qū)構(gòu)成。與上部稀相區(qū)相比，對于底部密相區(qū)的研究少很多，而且不同學者的研究結(jié)果甚至存在很大差別。

循環(huán)流化床底部密相區(qū)是氣固兩相接觸的初始區(qū)域，固體顆粒受到氣體曳力作用而加速，氣固兩相的流動既受到裝置構(gòu)型結(jié)構(gòu)及入口結(jié)構(gòu)的影響[3]，也受到物料返混和顆粒內(nèi)循環(huán)的影響[4]，綜合表現(xiàn)為流動情況復雜多變，固含率和壓力瞬時脈動劇烈，研究工作存在很大困難需要克服；而且，底部密相區(qū)固含率大，很多測試手段的使用受到限制。

雖然手段有限，但仍亟需加強對底部密相區(qū)的流體動力學特性的研究。原因有三，首先，這是確定整個循環(huán)流化床流體動力學特性的需要，因為上部稀相區(qū)乃至整個床層的流動都會受到底部密相區(qū)的影響；其次，流體流動狀況會對熱量傳遞產(chǎn)生重大影響[5]；再次，化學反應過程（包括污染物的脫除）和催化劑催化效果都會受到底部密相區(qū)的影響[6-7]。因此，循環(huán)流化床底部密相區(qū)的研究在理論上和工程上均有迫切需要。

1 流體動力學特性

針對循環(huán)流化床底部密相區(qū)的研究主要包括試驗研究和數(shù)值模擬兩個方面。循環(huán)流化床中瞬時顆粒濃度和瞬時壓力均處于劇烈波動狀態(tài)。時均固含率在軸向和徑向均存在不均勻的分布規(guī)律。

1.1 固含率軸向分布

循環(huán)流態(tài)化狀態(tài)的特點是表觀氣速高（通常2～12 m·s-1）和顆粒通量大[通常10～1000 kg·(m2·s)-1]，裝置中可能存在快速流態(tài)化、密相氣力輸送和稀相氣力輸送等流動形態(tài)?？焖倭鲬B(tài)化的特征是存在底部密相區(qū)，當表觀氣速小于輸送速度utr時，上部稀相區(qū)和底部密相區(qū)之間界面明顯，超過該氣速，界面變得彌散。utr通過下式確定[8]：

式中k和n為常數(shù)，典型數(shù)值見文獻[8]。

就整個提升管而言，平均固含率呈上稀下濃的宏觀分布，而與顆粒類型及是否為混合顆粒無關(guān)。底部密相區(qū)平均固含率的軸向分布受分布板以上軸向位置和操作條件的影響很大。當顆粒循環(huán)速率小于氣體飽和夾帶量時，密相區(qū)底部固含率隨軸向高度增加而減??；當顆粒循環(huán)速率超過氣體飽和夾帶量后，空隙率呈S型分布，底部密相區(qū)固含率達到其飽和值，形成濃度恒定的底部密相段，若繼續(xù)增大顆粒循環(huán)速率，底部密相區(qū)高度會增加，但固含率保持不變。

Bai等[9]通過歸納整理公開發(fā)表的文獻數(shù)據(jù)得到了底部密相區(qū)固含率的關(guān)聯(lián)式：

當GS＜GS*時：

當GS≥時：

此外，進氣口幾何形狀和方向在底部區(qū)域的相當高度內(nèi)會直接影響固含率的軸向分布。底部密相區(qū)的高度隨提升管壓降增大、顆粒循環(huán)速率增大而增高，而隨表觀氣速的增大而減小。二次風的注入位置也會影響底部密相區(qū)的高度。

Teplitskii等[10]依據(jù)相似理論，在計算床層阻力的基礎上提出的底部密相區(qū)高度的關(guān)聯(lián)式為：

1.2 固含率的徑向分布

底部密相區(qū)的氣-固流動結(jié)構(gòu)是不均勻的[11]。對于固含率的徑向分布，普遍的研究結(jié)論是存在與上部稀相區(qū)類似的環(huán)-核結(jié)構(gòu)。環(huán)-核結(jié)構(gòu)的基本概念是將氣-固流動沿床層截面徑向劃分為兩個區(qū)域，即中部核心區(qū)（簡稱中心區(qū)）和邊壁環(huán)隙區(qū)（簡稱邊壁區(qū)）。上部稀相區(qū)徑向存在環(huán)-核結(jié)構(gòu)，底部密相區(qū)也有類似結(jié)構(gòu)，改變操作條件對邊壁區(qū)影響大。

環(huán)-核結(jié)構(gòu)的存在不受循環(huán)流化床提升管截面形狀的影響。Schlichthaerle等[12]、Malcus等[13]、劉寶勇等[14]均在圓形截面循環(huán)流化床提升管中發(fā)現(xiàn)底部區(qū)域存在邊壁區(qū)濃、中心區(qū)稀的環(huán)-核徑向分布。

Zhou等[15]在0.146 m×0.146 m×9.14 m的正方形截面循環(huán)流化床中利用光纖探頭測量了砂子的空隙率分布，底部密相區(qū)存在明顯的徑向固含率分布。Guo等[16]在矩形截面的循環(huán)流化床中發(fā)現(xiàn)水平方向和側(cè)向均存在環(huán)-核結(jié)構(gòu)。

Wei等[17]發(fā)現(xiàn)空隙率（即1-固含率）沿床層徑向分布符合Boltzman函數(shù)分布：

<< 。

該式適用范圍：0.68ε0.95

Hartge等[18]利用兩流體模型進行CFD模擬的結(jié)果也表明循環(huán)流化床底部密相區(qū)存在環(huán)-核結(jié)構(gòu)。

1.3 顆粒速度

迄今為止，關(guān)于循環(huán)流化床底部密相區(qū)顆粒速度的研究還很少。在循環(huán)流化床中既存在向上運動的顆粒，也存在向下運動的顆粒，在循環(huán)流化床內(nèi)存在顆粒的內(nèi)循環(huán)。就整個循環(huán)流化床而言，邊壁區(qū)顆粒以向下運動為主，中心區(qū)顆粒以向上運動為主。上部稀相區(qū)和底部密相區(qū)顆粒速度的徑向分布規(guī)律不同。

Zhu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在同一位置，相同顆粒循環(huán)速率和操作氣速條件下，時均顆粒向上運動速度和顆粒向下運動速度是離提升管軸向中心距離的函數(shù)。在整個底部區(qū)域，均有向上運動和向下運動顆粒，但兩者的徑向分布不同。顆粒向上運動速度由中心向邊壁減小，最大值出現(xiàn)在中心位置，中心區(qū)域減少緩慢，邊壁區(qū)減少劇烈。在所有試驗操作條件下，邊壁處顆粒向上運動速度均大致為0.8m·s-1。在底部區(qū)域，顆粒向下運動速度隨徑向位置變化不明顯。操作氣速恒定，增加顆粒循環(huán)速率，對顆粒下降速度影響不大。這表明在底部區(qū)域，顆粒向下運動受到顆粒-顆粒相互作用的支配，同時也會受到邊壁區(qū)高密度的進一步阻礙。

1.4 流化形態(tài)(流域)

由于研究對象的復雜性，試驗過程中采用的固體顆粒性質(zhì)不同，循環(huán)流化床設備幾何構(gòu)型和分布板型式不同和數(shù)據(jù)采集測量位置的不同，不同研究者的研究結(jié)論不盡一致，甚至差別很大。

1.4.1 鼓泡流化狀態(tài)

鼓泡流化狀態(tài)特征是存在粒子聚集的濃相區(qū)和氣泡為主的稀相區(qū)。流化過程中存在氣泡的相互作用、聚并及破碎。

Svensson等[20]發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐中存在“單氣泡”和“爆炸性氣泡（exploding bubbles）”。 “爆炸性氣泡”對應于高流速和大分布板壓降，氣流不連續(xù)，氣泡在床層表面噴出。劉石等[21]利用迭代法ECT對循環(huán)流化床底部密相區(qū)固含率進行了測量，發(fā)現(xiàn)存在大面積的氣泡。這些特征表明流態(tài)為鼓泡流態(tài)化。

在Chalmers 大學的CFB鍋爐中，當采用低壓降分布板時，可能發(fā)生喘振，氣室的壓力波動會直接影響底部區(qū)域，成為湍動的一個來源，并引起“爆炸性氣泡”[22]。在進行循環(huán)流化床模擬時，也有學者認為底部區(qū)域處于鼓泡狀態(tài)。

1.4.2 湍動流化狀態(tài)

提高流化氣速，氣泡破碎趨勢將超過聚并趨勢，床層內(nèi)大氣泡破碎為小氣泡占主導地位，進入湍動流態(tài)化狀態(tài)。湍動流化狀態(tài)特征是壓力脈動在宏觀上小于鼓泡流態(tài)化，脈動幅度受存在條件影響小，呈基本恒定狀態(tài)。

Bai等[23]利用固體動量探頭研究Ф97 mm×3 m循環(huán)流化床，根據(jù)波動情況認為底部密相區(qū)處于湍動流態(tài)化狀態(tài)。同時發(fā)現(xiàn)當循環(huán)流化床提升管軸向濃度呈S型分布時，表現(xiàn)出強烈湍動流化狀態(tài)。

通過提高分布板壓降或在底部區(qū)域安裝水平管，可以實現(xiàn)底部區(qū)域向湍動流態(tài)化的轉(zhuǎn)變。一些研究者在建立循環(huán)流化床流體動力學模型時，也采用了底部密相區(qū)處于湍動流態(tài)化的結(jié)論。

1.4.3 最新研究結(jié)果

近年來，循環(huán)流化床的研究手段、方法和思路不斷進步，有關(guān)底部密相區(qū)流體動力學特性的研究也趨于精細化，對邊壁區(qū)和中心區(qū)分開描述。

Schlichthaerle等研究不同徑向位置固含率隨時間的變化趨勢，并與其他研究者得到的湍動和鼓泡流態(tài)化特征相比較，發(fā)現(xiàn)邊壁環(huán)隙區(qū)處于湍動流化狀態(tài)，中間區(qū)域處于鼓泡流化狀態(tài)。

Zhu等通過比較循環(huán)流化床底部區(qū)域與湍動流化床和鼓泡流化床的流動結(jié)構(gòu)，包括顆粒濃度的徑向分布及相應標準偏差、顆粒速度和概率密度分布的徑向分布，結(jié)果表明邊壁環(huán)隙區(qū)處于湍動流化狀態(tài)，中間區(qū)域處于均勻稀相流動狀態(tài)。

1.5 固體混合

循環(huán)流化床中多相流動規(guī)律復雜，就顆粒而言存在顆粒的加速、夾帶、揚析、返混及返料等不同情況，停留時間分布不均。循環(huán)流化過程中，較大顆粒傾向于運動至底部密相區(qū)[24]。顆粒直徑是底部密相區(qū)固體混合的關(guān)鍵影響因素之一。

固體顆粒的混合包括豎直和水平兩個方向。Schlichthaerle等[25]以干冰為示蹤顆粒研究發(fā)現(xiàn)，在底部區(qū)域豎直方向混合程度高，可視為理想混合。水平方向顆?；旌嫌邢?，只有將示蹤顆粒直接加入底部區(qū)域，才存在明顯的局部氣體濃度和局部溫度的梯度。外循環(huán)顆粒的返回引起顆粒對流輸送，顯著改善側(cè)向的顆?；旌?。Wilde等[26]通過試驗和模擬研究發(fā)現(xiàn)，入口構(gòu)型顯著影響顆粒的徑向混合。

2 傳熱

循環(huán)流化床應用中的優(yōu)勢之一就是其具有很高的傳熱系數(shù)，系統(tǒng)的熱容量大，熱穩(wěn)定性高。循環(huán)流化床底部密相區(qū)的流體動力學狀況會對底部的傳熱產(chǎn)生重要影響。傳熱的情況也反映了氣固流動情況。

傳熱系數(shù)由底部密相區(qū)向上部稀相區(qū)增加，受到很多因素的影響，包括氣體流量、固體循環(huán)速率、固體貯量和顆粒粒徑分布[27]。軸向傳熱系數(shù)在底部最大，隨軸向高度的增加而減小[28]。氣體對流組分對于底部區(qū)域的影響比上部區(qū)域小。

底部局部瞬時溫度與底部的流體動力學特性息息相關(guān)。Li等[29]研究循環(huán)流化床底部區(qū)域發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)在靠近邊壁處較大，靠近中心處變小，這與底部環(huán)-核結(jié)構(gòu)是一致的。傳熱系數(shù)隨操作氣速增大而降低，原因是底部顆粒儲存量的減少。局部瞬時溫度信號的功率譜密度函數(shù)是似1/f分布。

3 結(jié)論與展望

循環(huán)流化床體系是復雜的混沌體系，研究對象的復雜性增加了研究的難度。但隨著研究手段的發(fā)展和研究思路的擴展及新的數(shù)據(jù)分析手段的開發(fā)，對循環(huán)流化床的研究也將越來越深入。循環(huán)流化床研究需要多學科協(xié)同進行，數(shù)學和物理上提出的新思維會對循環(huán)流化床研究起到積極的推動作用，一系列非線性的數(shù)據(jù)分析手段也已經(jīng)得到重視和應用，但分析結(jié)果的物理意義及與顆粒-氣體相互作用本質(zhì)的對應關(guān)系還需要進一步明確。

循環(huán)流態(tài)化應用廣泛，流體動力學特性影響具體應用效果。由于返混、流型復雜等原因，針對底部密相區(qū)的研究尚不透徹，因此，針對循環(huán)流化床底部密相區(qū)的流體動力學特性有必要進行系統(tǒng)研究，研究顆粒性質(zhì)、操作條件和設備構(gòu)型細節(jié)等條件對底部密相區(qū)流體動力學特性的影響。底部密相區(qū)和上部稀相區(qū)為一整體，底部流動不能脫離上部，必須從系統(tǒng)的角度研究整體才能解釋上下之間聯(lián)系和整體宏觀結(jié)果，并結(jié)合上部稀相區(qū)的已有研究成果，共同建立整個循環(huán)流化床系統(tǒng)的數(shù)學模型，為循環(huán)流化床工程設計的科學化、規(guī)范化和系統(tǒng)化奠定基礎。

循環(huán)流化床底部密相區(qū)的流動特性對傳熱和化學反應的影響也需進行深入的研究，在針對具體化學反應的基礎上得到共性規(guī)律。流動特性、傳熱、化學反應動力學及催化劑催化效果之間的關(guān)系的明確將對循環(huán)流化床的應用起到極大的推動作用。工業(yè)上應用循環(huán)流化床時多為高溫加壓情況，高溫加壓下的底部密相區(qū)研究也應得到應有的重視，這樣的研究結(jié)果將更具實際指導意義。

符號說明：

英文字母：

Ar——Archimedes數(shù)，量綱為1；

D——床層直徑，m；

-dp/dh——軸向壓力梯度，Pa·m-1；

Fr——Froude數(shù)，量綱為1；

g——重力加速度，9.8 m·s-2；

Gs——顆粒循環(huán)速率，kg·(m2·s)-1；

——為氣體飽和夾帶量，kg·(m2·s)-1；

h——分布板以上軸向高度，m；

H0——密相區(qū)高度，m；

——無因次凈顆粒流量，量綱為1；

r/R——無因次半徑，量綱為1；

R——床層半徑，m；

Retr——對應于utr的Reynolds數(shù)，量綱為1；

ug——操作氣速，m·s-1；

up——表觀顆粒速度，m·s-1；

utr——輸送速度，m·s-1；

希臘字母：

ε——空隙率，量綱為1；

εsd——底部密相區(qū)的固含率，量綱為1；

ρp——顆粒密度，kg·m-2；

ρg——氣體密度，kg·m-2。

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Research Development of Bottom Dense Phase Zone of Gas-solid Circulating Fluidized Bed

LIU Bao-yong1,WEI Xu-ling2, ZHANG Bin1, WANG Lang-cheng1, YANG Xi1
(1.School of Chemical and Biological Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Lanzhou 730070, China；2.Lanzhou Petrochemical Research Center, Petrochemical Research Institute, PetroChina, Lanzhou 730060, China)

Circulating fluidization technology was widely used in process industry. Bottom dense phase zone of a gas-solid circulating fluidized bed was particularly important for hydrodynamics of the whole fluidized bed, heat transfer, chemical reaction and pollutants removal. Axial and radial solid concentration profiles in the bottom dense phase zone were summarized. Radial particle velocity profile in the bottom dense zone was outlined. The flow regimes in the bottom dense phase zone were discussed in detail, included bubbling fluidization, turbulent fluidization and the latest research results. At the same time, solid mixing and heat transfer were also introduced. The future research was forecasted.

circulating fluidized bed；hydrodynamics；flow regimes；bottom dense phase zone；heat transfer

TQ 021

A

1671-9905(2014)03-0038-05

甘肅省自然科學基金項目（213225），蘭州交通大學青年科學基金項目（2013011）

劉寶勇（1981-），男，碩士，講師，主要從事化學工程的教學及研究工作，電話：13893138207，E-mail：liuby@mail. lzjtu.cn

2013-12-25