循環(huán)流化床提升管壓力瞬時波動研究

劉寶勇，魏緒玲，張 斌

（1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)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(xué)工程

循環(huán)流化床提升管壓力瞬時波動研究

劉寶勇1，魏緒玲2，張 斌1

（1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)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）

在φ0.4m×9.1m 循環(huán)流化床提升管中采集了分布板以上不同軸向高度的氣體壓力瞬時波動信號，并利用統(tǒng)計方法和功率譜進行分析。結(jié)果表明，在相同操作氣速條件下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在同一軸向位置，壓力平均值越大；在相同操作條件下，壓力標(biāo)準偏差隨軸向高度的增加而減??；功率譜譜圖中存在一個明顯主頻。

循環(huán)流化床；壓力；瞬時波動；統(tǒng)計分析

循環(huán)流化床（Circulating Fluidized bed，簡稱CFB）在煉油、化工、能源、冶金、材料和環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，例如煉油工業(yè)中的FCC、化學(xué)工業(yè)中的丙烯氨氧化合成丙烯腈、能源工業(yè)中的CFBB和煤化工中的Fischer-Tropsch合成[1]等。

提升管壓力瞬時波動信號及其規(guī)律是研究固體顆粒-流化氣體兩相流動特性的一種有效手段[2]。壓力瞬時波動中包含著提升管內(nèi)氣-固兩相流動特性的大量信息，綜合反映了其整體流化特性，是流化顆粒特性、流化床結(jié)構(gòu)特性及所產(chǎn)生氣泡特性的耦合反映[3-4]，且具有混沌特性[5-6]。研究壓力瞬時波動規(guī)律有助于深入掌握提升管內(nèi)流動狀況、流型轉(zhuǎn)變[7]、故障檢測和動力學(xué)性質(zhì)[8]等。

1 實驗裝置與方法

1.1 物料特性

流化固體顆粒采用石英砂（無內(nèi)孔，屬Geldart B類），采用液體置換法測定的顆粒真實密度為2690kg·m-3。由Rise 2002型激光粒度分析儀測得平均粒徑為108 μm，粒徑分布如圖1所示。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。該裝置主要由提升管和2個鼓泡流化床構(gòu)成。提升管內(nèi)徑0.4m，高度9.1m。鼓泡流化床2種固體顆粒處于鼓泡流化狀態(tài)，其主要作用是為提升管3穩(wěn)定供料。固體顆粒在提升管3內(nèi)實現(xiàn)快速流化，氣體夾帶固體顆粒進入旋風(fēng)分離器4，在此分離得到的固體顆粒經(jīng)鼓泡流化床5返回鼓泡流化床2，實現(xiàn)循環(huán)流化。羅茨風(fēng)機提供常溫空氣作為過程流化氣體，提升管內(nèi)氣體流量由角接取壓標(biāo)準孔板流量計（LCBH-01型）測量，2個鼓泡流化床內(nèi)氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計（LHB型）測量。提升管固體顆粒進料量由連接提升管3和鼓泡流化床2的管線上的蝶閥開度調(diào)節(jié)。固體顆粒循環(huán)速率通過切換法得到，具體做法為:在單位時間內(nèi)取循環(huán)物料，稱重，并經(jīng)換算得到，取料位置位于旋風(fēng)分離器4底部。

圖1 流化顆粒的粒徑分布

1.3 實驗方法[9]

提升管壓力瞬時信號由差壓變送器（型號FD80CCIIERC3Lm）測量。實驗過程中由數(shù)據(jù)采集板（型號SF-630，采集頻率為100Hz）將差壓變送器獲得的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再利用微型計算機轉(zhuǎn)化為壓力瞬時波動信號，顯示并記錄保存。

圖2 實驗裝置示意圖

在不同操作條件下，采集提升管分布板以上各軸向高度的一定時間段內(nèi)的壓力瞬時波動數(shù)據(jù)，本實驗過程中采樣時間設(shè)定為60 s。所測壓力瞬時波動數(shù)據(jù)經(jīng)校正后得到最終實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 壓力瞬時波動

不同操作條件下，提升管分布板以上軸向高度H=0.11 m處，具體壓力瞬時波動信號如圖3所示。

圖3 不同操作條件下壓力瞬時波動（H=0.11 m）

在同一軸向位置，不同操作條件下的壓力瞬時波動的表觀特征不同，在不同時間點，壓力可能偏離平均值，或上或下，幅度和趨勢亦不同。H=0.11m處，Ug=1m·s-1，Gs=8.53kg·(m2·s)-1時，壓力上下波動相對均勻，但偏離程度較大；平均值Pav=4236 Pa，伴隨標(biāo)準偏差σ=552.8 Pa。Ug=1.3 m·s-1，Gs=13.52 kg·(m2·s)-1時，若壓力高于平均值，波動較小，最大值Pmax= 4086 Pa；若壓力低于平均值，波動較大，最小值Pmin=3096 Pa；總體上Pav=3854 Pa，伴隨σ=148.9 Pa。Ug=1.5 m·s-1，Gs=16.27 kg·(m2·s)-1條件下，若壓力高于平均值，波動較小，Pmax= 3911 Pa；若壓力低于平均值，波動較大，Pmin=2891 Pa；總體上Pav=3541 Pa，伴隨σ=219 Pa。Ug=1.8 m·s-1，Gs=23.52 kg·(m2·s)-1條件下，若壓力高于平均值，波動較大，Pmax= 6325Pa；若壓力低于平均值，波動較小，Pmin=5267 Pa；總體上Pav=5509 Pa，伴隨σ=165 Pa。不同操作條件下，壓力瞬時波動規(guī)律不同，這也說明提升管底部區(qū)域具有不同的氣-固兩相流動狀態(tài)。

造成壓力瞬時波動的原因主要包括3個方面:一是流化過程會產(chǎn)生氣泡，氣泡行為導(dǎo)致波動，二是提升管床體振動，三是床層表面、底部分布板及布氣室等位置壓力波動的傳播[2]。其中氣泡行為(包括氣泡形成、發(fā)展、聚并及破碎)是影響提升管內(nèi)壓力瞬時波動的主要因素[9]。提升管內(nèi)是復(fù)雜多相體系，包括氣-固相互作用、氣泡行為、固體顆粒聚集體行為、裝置床體振動和外來波動傳播等多個方面，它們發(fā)生相互作用和耦合作用，導(dǎo)致壓力瞬時波動情況非常復(fù)雜。為了從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中得到盡可能多的有用信息，需要利用各種已有數(shù)學(xué)工具進行深入分析。常用方法包括統(tǒng)計分析和功率譜分析等。

2.2 壓力瞬時波動的統(tǒng)計分析

通過統(tǒng)計分析方法可以獲得壓力瞬時波動的一些性質(zhì)，如壓力平均值、標(biāo)準偏差及概率密度函數(shù)等，且簡單快速。其中平均值為:

標(biāo)準偏差為:

通過標(biāo)準偏差可以衡量壓力瞬時數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，標(biāo)準偏差數(shù)值越大，說明偏離程度越大。

不同操作條件下的壓力瞬時波動平均值和標(biāo)準偏差均隨分布板以上軸向高度增加而變化，如圖4所示。

圖4 壓力平均值與標(biāo)準偏差在軸向的分布

在相同操作氣速下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在同一軸向位置，壓力平均值越大。原因是固體顆粒循環(huán)速率越大，提升管內(nèi)固體顆粒數(shù)量越多，動力系統(tǒng)需要為顆粒加速及輸送提供更多能量。壓力平均值的軸向分布與固體顆粒平均濃度分布[11-12]是一致的。底部密相區(qū)固體顆粒濃度大，顆粒加速及輸送需要消耗更多能量[13]，因此單位高度壓力差值大。上部稀相區(qū)的固體顆粒濃度小，顆粒輸送比底部密相區(qū)能耗少，單位高度壓力差值小。Ug=1m·s-1，Gs=8.53 kg·(m2·s)-1時，H=0.11 m處，壓力瞬時波動的標(biāo)準偏差最大，σ=553 Pa；H=0.50 m處σ=180 Pa，減小很多，繼續(xù)增加軸向高度，標(biāo)準偏差繼續(xù)減小，且隨高度變化不大，在110 Pa左右，標(biāo)準偏差減小說明了壓力瞬時波動對平均值偏離程度減小。提升管中壓力瞬時波動主要是氣泡行為引起的，氣泡在分布板風(fēng)帽處產(chǎn)生，上升并發(fā)生聚并，由小變大，在密相區(qū)上表面破裂，會產(chǎn)生較大壓力瞬時波動；壓力瞬時波動在向提升管上部傳播過程中會逐漸衰減，因此波動程度變小。Ug=1.5 m·s-1，Gs=16.27 kg·(m2·s)-1條件下，標(biāo)準偏差分布趨勢亦是如此。而Ug=1.8 m·s-1，Gs=23.52 kg·(m2·s)-1條件下，標(biāo)準偏差數(shù)值普遍較小，總體上隨軸向高度增加而減小，說明此時氣-固兩相流化狀態(tài)為密相氣力輸送。

由圖4(b)可知，上部稀相區(qū)在不同操作條件下的標(biāo)準偏差差別不大，約為110 Pa，這說明分布板影響僅局限于底部密相區(qū)，在上部稀相區(qū)，固體顆粒濃度小，氣-固兩相接觸充分，流動形態(tài)受操作條件影響不大，因此，壓力瞬時波動情況變化不大，主要受稀相區(qū)氣-固兩相流動特性控制。

2.3 壓力瞬時波動的功率譜分析

功率譜分析是化學(xué)工程試驗數(shù)據(jù)的常用分析手段之一。通常，通過自相關(guān)函數(shù)來描述某一時刻數(shù)據(jù)與另一時刻數(shù)據(jù)之間的相互依賴關(guān)系，計算式為:

將自相關(guān)函數(shù)進行傅立葉變換就得到功率譜密度函數(shù)，即:

功率譜密度函數(shù)是一種頻域函數(shù)，蘊含著數(shù)據(jù)頻率域方面的信息。通過功率譜分析可以獲得能量在頻率域的分布，在譜圖中振幅大小隨頻率先增后減，存在著一個明顯的振幅最大點，這一點的能量最大，習(xí)慣上稱該點對應(yīng)頻率為主頻[10]?？梢酝ㄟ^多種方法來估計功率譜，具體可分為參數(shù)化方法和非參數(shù)方法兩種。通過比較，本文采用的方法是Multitaper方法，屬于非參數(shù)方法。相互獨立的譜估計主要運用正交窗口來獲取，之后再組合成最終譜估計[11]。

壓力瞬時波動信號功率譜分析表明，譜圖中存在著一個明顯的主峰，即振幅最大點，對應(yīng)頻率即為主頻fp。隨頻率增高，超過主頻fp后，振幅A數(shù)值逐漸衰減。壓力瞬時波動的功率譜如圖5所示。在H=0.11 m處， Ug= 1m·s-1，Gs=8.53 kg·(m2·s)-1條件下，壓力瞬時波動信號的功率譜為圖5(a)，振幅峰值54.3 dB，對應(yīng)fp=2.45 Hz。Ug=1.5 m·s-1，Gs=4.75kg·(m2·s)-1條件下壓力瞬時波動信號的功率譜為圖5(b)，振幅峰值30.95 dB，對應(yīng)fp=3.7 Hz。從圖5各圖中均能發(fā)現(xiàn)，壓力瞬時波動的低頻部分振幅大，意味著能量高；高頻部分振幅小，意味著能量低，可見低頻部分是引起壓力瞬時波動的主要原因。

3 結(jié)論

由于壓力瞬時波動信號的復(fù)雜性，本文采用了多種分析手段對其進行了分析:

圖5 壓力瞬時波動的功率譜（H=0.11 m）

1) 平均值和標(biāo)準偏差分析表明，在相同操作氣速下，固體顆粒循環(huán)速率越大，在分布板以上同一軸向位置，壓力平均值越大；相同操作條件下，標(biāo)準偏差隨軸向高度的增加而減小。

2) 通過分析壓力瞬時信號的功率譜發(fā)現(xiàn)，不同譜圖中均存在一個明顯的主頻。

[1] 劉寶勇，魏緒玲，郭慶杰，等.大型循環(huán)流化床底部區(qū)域顆粒濃度波動研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報， 2009，28(3):174-179.

[2] Bi H T. A critical review of the complex pressure fluctuation phenomenon in gas-solids fluidized beds[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(13): 3473-3493.

[3] 馬麗萍，石炎福，黃衛(wèi)星，等.循環(huán)流化床顆粒濃度波動信號多重分形測度分析[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2002，5(12):496-502.

[4] 黃海，黃軼倫，張衛(wèi)東.氣-固流化床壓力脈動信號的相關(guān)結(jié)構(gòu)模型與分析[J]. 化工學(xué)報，1999，50(6):812-817.

[5] 趙貴兵，陳紀忠，陽永榮.流化床壓力波動混沌性質(zhì)探討[J].化工學(xué)報，2002，53(6):654-658.

[6] Marzocchella A, Zijerveld R C, Schouten J C, et al. Chaotic Behavior of Gas-Solid Flow in the Riser of a Laboratoryscale Circulating Fluidized Bed [J]. AIChE Journal, 1997, 43(6): 1458-1468.

[7] 周章玉，石炎福，余華瑞.由壓力波動判斷氣-固流化床中的流化類型[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，1999，15(3):262-267.

[8] 王其成，張鍇，任金天，等. Geldart B類顆粒氣-固流化床內(nèi)的壓力波動特性[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報，2009，37 (6): 763-768.

[9] 劉寶勇.大型循環(huán)流化床底部區(qū)域氣固兩相流動特性研究[D].東營:中國石油大學(xué)（華東），2008.

[10] 黃海，黃軼倫，張衛(wèi)東.氣-固流化床壓力脈動信號的Hilbert-Huang譜分析[J].化工學(xué)報，2004，55(9): 1441-1447.

[11] 金涌，祝京旭，汪展文，等.流態(tài)化工程原理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001:126-145.

[12] Yang W C. Handbook of fluidization and fluid-particle systems[M].New York: Marcel Dekker, 2003: 485-491.

[13] 黃衛(wèi)星，石炎福，祝京旭.上行氣-固兩相流充分發(fā)展段的顆粒濃度[J].化工學(xué)報，2001，52(1):963-968.

[14] 郭慶杰，王啟民，徐猛，等.高溫鼓泡流化床的壓力波動[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，8(6):487-492.

[15] 陳亞勇. MATLAB信號處理詳解[M].北京:人民郵電出版社，2001.

Research on Pressure Instantaneous Fluctuations in Riser of Circulating Fluidized Bed

LIU Bao-yong1, WEI Xu-ling2, ZHANG Bin1
(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)

The experiments were carried out in a circulating fluidized bed of 0.4m in diameter and 9.1m in height to determine pressure instantaneous fluctuations at riser wall of different axial levels up the distribution plate. And the data measured were systematically analyzed using statistical methods and power spectrum. It was found that at the same operating gas velocity and axial location, average pressure increased with increasing solid circulation rate. And at the same operation condition, standard deviations in the axial direction decreased with increasing height in the axial direction. Furthermore, it was found that there was an obvious principal frequency in power spectrum.

circulating f uidized bed; pressure; instantaneous f uctuation; statistics analysis

TQ 021.1

A

1670-9905(2015)05-0058-04

甘肅省自然科學(xué)基金項目（1310RJZA066）；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金項目（2013011）

劉寶勇（1981-），男，博士在讀，講師，主要從事化學(xué)工程和材料學(xué)的教學(xué)與研究工作，電話13893138207，E-mail: liuby@mail.lzjtu.cn

2015-03-04