出口結構對循環(huán)流化床提升管內氣固流動的約束影響

李 睿，張少峰,2，王德武

（1. 河北工業(yè)大學 化工學院，天津 300130； 2. 河北工業(yè)大學 海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心，天津 300130）

出口結構對循環(huán)流化床提升管內氣固流動的約束影響

李 睿1，張少峰1,2，王德武1

（1. 河北工業(yè)大學 化工學院，天津 300130； 2. 河北工業(yè)大學 海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心，天津 300130）

循環(huán)流化床提升管出口結構不同，對提升管內氣固流動的約束影響不同，因此所適用的過程及工藝不同。按出口氣固轉向形式，總體上可分為氣固轉向型出口和非轉向型出口兩類，針對研究及應用較多的氣固轉向型出口，概述了出口結構對提升管內軸、徑向流動特性以及顆粒內、外循環(huán)強度等參數(shù)的影響，總結評述了現(xiàn)有量化分析比較出口結構約束強度的方法，并對未來研究方向進行了展望。

循環(huán)流化床；提升管；出口結構；約束影響；氣固流動；綜述

循環(huán)流化床作為一種高效的反應器，具有相間接觸面積大、傳質傳熱效率高等優(yōu)點[1]，在能源、化工、冶金等以氣相或顆粒相加工為主的領域得到了廣泛的應用[2-4]。提升管是循環(huán)流化床內氣固接觸及反應的主要場所，其中的氣固流動性能不僅影響系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，也影響整個裝置效率的高低[5]。為此，以往研究者在顆粒物性、操作條件、裝置結構等對提升管內氣固流動的影響方面進行了大量的研究，其中有關裝置結構影響的研究表明[6-10]，不同的出口結構形式對提升管內氣固流動及系統(tǒng)操作的約束影響不同。因此，在實際應用中，針對不同工藝過程特點和要求，往往采用的出口結構不同，如：對于循環(huán)流化床鍋爐，為了提高煤粉的燃燒時間和燃燒效率，一般采用約束性較強的出口結構以增加顆粒的回流率[11]；而對于石油催化裂化過程，為了降低油氣的二次裂化反應，一般采用約束性較弱的出口結構以降低油氣返混[12]；也有從出口設備防磨損的角度考慮而采用約束性較強的氣墊彎頭的形式[13]。

出口結構對提升管內氣固流動的影響，研究者將其稱為“出口效應”或“端頭效應”[14]，其實質是出口結構對出口區(qū)氣固流動的約束作用及這種約束作用沿提升管軸徑向發(fā)展的一種體現(xiàn)。出口結構的約束強度不同，提升管內軸徑向固含率、顆粒速度、質量流率、氣固返混等參數(shù)的分布不同，對此，程易等[15]對常見的幾種出口結構從定性上對其進行了分類，將其劃分為強約束出口、中等約束出口、弱約束出口及最弱約束出口。這種定性上的劃分，對于同一種出口結構，在不同操作條件下所表現(xiàn)出來的約束特性，就無法直接進行比較，因此，一些研究者針對出口結構的約束影響，結合這種影響所引起的提升管內氣固流動參數(shù)的變化規(guī)律，建立了一些定量分析的方法。本文從實驗研究及工業(yè)應用中常見的幾種出口結構出發(fā)，概述了出口結構對提升管內軸、徑向氣固流動的影響，以及出口結構對提升管內、外顆粒循環(huán)強度的影響，同時，也對前人用于定量分析出口結構約束強度所建立的一些方法進行了概括和評述，以期為工業(yè)應用或實驗研究中提升管出口結構的選擇與裝置調控提供參考。

1 提升管出口結構形式

提升管出口結構按氣固流動形式可歸結為兩類：一是氣固轉向型出口結構，如T型出口（包括其相關改進形式）[6-8,16-18]、L型出口（包括其相關改進形式）[6,7,13,19]、C型出口（包括其相關改進形式）[20-22]，這類出口結構在以往研究及應用中報道較多；二是氣固非轉向型的出口結構，如“氣固分布器+流化床層”形式的出口[23]，這類出口結構主要用在提升管與其它床型串聯(lián)組合的裝置上[24-27]。對于以上出口結構的幾何形式如表1所示。

本文主要基于第一類出口結構的約束影響進行相關對比及論述。

表1 提升管出口結構示意圖Table 1 Schematic diagram of riser outlet structure

2 出口結構對提升管內氣固流動特性的影響

出口結構對提升管內氣固流動特性的影響，主要體現(xiàn)在流動參數(shù)曲線的軸、徑向分布形態(tài)及量值大小兩方面。在提升管內各種流動參數(shù)中，固含率是具有代表性且相對容易獲得的流動特性參數(shù)之一，故本節(jié)以不同出口結構下的固含率軸、徑向分布特性為例進行分析說明。

2.1 出口結構對提升管內軸向流動特性的影響

對于C型出口結構，當提升管較高，氣固流動能夠達到充分發(fā)展的情況下，Bai和Kato[28,29]在綜合了大量文獻數(shù)據(jù)和自己實驗數(shù)據(jù)的基礎上認為，隨著顆粒循環(huán)強度由小到大逐漸增加，固含率沿軸向依次會呈現(xiàn)直線型、指數(shù)型和S型的分布特征，此后再繼續(xù)增大顆粒循環(huán)強度，將只造成底部密相高度增加，并不影響床層底部與頂部的固含率。對于L型、T型出口結構，Jin[7]的研究表明，在表觀氣速小于3 m/s的情況下，出口結構對提升管軸向流動影響較??；而 Suneel[30]進一步研究認為，隨著表觀氣速和顆粒循環(huán)強度增加，出口約束影響將逐漸明顯，出口影響區(qū)內固含率增大，影響區(qū)以外固含率基本不變，此時固含率軸向分布呈頂部大、底部小的特征，若此時繼續(xù)增大顆粒循環(huán)強度，出口影響區(qū)范圍逐漸向下拓展，同時伴隨提升管底部固含率增大，中間固含率基本不變，固含率軸向分布發(fā)展為兩端大、中間小的C型分布特征，若再進一步增大循環(huán)強度，則在保持C型分布特征的情況下，整個軸向固含率都將增加。在操作條件相同的情況下，金燕等[13]比較了C型、L型、T型出口結構的約束強度認為，C型出口無明顯約束作用，T型出口較L型出口約束影響更明顯，表現(xiàn)為出口影響區(qū)長度及影響區(qū)內同一位置固含率增加幅度更大。以上關于不同出口結構下的軸向流動特性對比可參見圖1。

圖1 不同出口結構下固含率軸向分布特征的比較Fig.1 Comparison of axial distributions of solids holdup under different outlet structures

以上研究結論主要基于循環(huán)強度相對較低的操作條件，而P?rssinen等[31]在顆粒循環(huán)強度較高時（G≥400 kg/（m2·s））研究發(fā)現(xiàn)，對于C型出口結構，提升管出口區(qū)域也存在明顯的約束效應，提升管內固含率沿軸向在接近出口的區(qū)域仍然會出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象。

2.2 出口結構對提升管內徑向流動特性的影響

出口結構對于徑向流動特性的影響主要體現(xiàn)在靠近出口的區(qū)域，其中氣固出口轉向形式主要影響固含率徑向分布曲線的形態(tài)，而出口約束強度主要影響固含率量值的大小。對于各類出口結構，整體上，固含率徑向分布仍然表現(xiàn)為中心區(qū)小、邊壁區(qū)大的環(huán)-核型分布特征[32]。對比C型、L型、T型出口結構，在操作條件相同的情況下，在出口影響區(qū)內同一高度截面上，固含率徑向分布僅在量值上依C型、L型、T型出口的次序而有所增大，且在核心區(qū)，固含率增大的幅度要小于環(huán)形區(qū)，具體可參見圖2。

圖2 不同出口結構下固含率徑向分布特征的比較Fig.2 Comparison of radial distributions of solids holdup under different outlet structures

與C型、L型、T型等氣固轉向型出口相比，王德武等[33]采用“氣固分布器+流化床層”形式的非轉向型出口結構研究結果表明，在出口約束阻力較大的情況下，受倒錐形氣固分布器結構影響，提升管擴徑位置下方會存在一段固含率最大值出現(xiàn)在無因次半徑0.7附近的區(qū)域，而整體上的環(huán)-核分布特性基本不變。對于出口影響區(qū)內同一截面的周向不同徑向位置，Wu Xuezhi等[34]采用數(shù)值模擬的方法對C型和T型出口結構進行了對比研究，結果表明，C型出口的約束性相對較弱，周向不同徑向位置上固含率基本呈對稱分布，而T型出口受其強約束性的影響，同一截面周向不同徑向位置上的固含率分布并不對稱。而Yan Aijie等[35]采用C型出口在顆粒循環(huán)強度較高的條件下得到的結果與低循環(huán)強度時不同，其研究結果顯示，在接近出口的截面上，在垂直于氣固轉向出口方向的徑向位置，固含率徑向上大小呈對稱分布，而在平行于氣固轉向出口方向的徑向位置，固含率徑向分布并不對稱，其主要體現(xiàn)在邊壁環(huán)形區(qū)內，在遠離氣固轉向的一端，邊壁環(huán)形區(qū)內固含率相對較大。

3 出口結構對提升管內、外顆粒循環(huán)強度的影響

出口結構及其約束作用會對提升管內特別是出口區(qū)顆粒內循環(huán)強度（內循環(huán)強度也稱下行顆粒循環(huán)強度）產生影響，金燕等[14]研究比較了C型和T型出口對提升管內局部顆粒循環(huán)強度的影響，結果表明，在相同的操作條件下，C型出口結構由于其約束作用較弱，對顆粒內循環(huán)強度無明顯影響，而T型出口結構會顯著增大出口邊壁區(qū)域的顆粒內循環(huán)強度，從而在遠離飽和夾帶的條件下就能夠得到只有在接近飽和夾帶時才能得到的下降顆粒流。安恩科等[17,36,37]通過實驗進一步考察了 T型出口的凸起高度和床頂結構型式對內循環(huán)顆粒回流長度的影響，結果表明，在一定的表觀氣速和顆粒外循環(huán)強度下，采用平床頂時，凸起高度越高，顆?；亓鏖L度越長，當高度超過一定值以后，回流長度基本不再變化；采用斜床頂時，由于受床頂導流作用，內循環(huán)顆?；亓鏖L度較平床頂結構增加。Van等[38]通過研究T型和L型出口對出口區(qū)截面局部顆粒循環(huán)強度的影響發(fā)現(xiàn)，在垂直于氣固轉向出口的方向上，顆粒內循環(huán)強度基本呈對稱分布，而在平行于氣固轉向出口的方向上，顆粒內循環(huán)強度并不對稱(圖3)。

圖3 不同出口結構下提升管所能達到的最大顆粒外循環(huán)強度的比較Fig.3 Comparison of the largest particles outer circulation strength under different outlet structures

為了在提升管內實現(xiàn)高密度、高循環(huán)強度操作，一些研究者還考察了提升管出口結構對顆粒外循環(huán)強度的影響。

Wang Xueyao等[39]和Kim等[40]分別研究了低密度和高密度操作下，不同出口結構的提升管所能達到的最大顆粒外循環(huán)強度，盡管在低密度與高密度操作時所能達到的最大顆粒外循環(huán)強度差別較大，但是其研究結果均表明，在其它條件相同的情況下，隨著表觀氣速增加，提升管內所能實現(xiàn)的最大顆粒外循環(huán)強度均增加，但對于不同出口結構，在相同表觀氣速下所能達到的最大顆粒外循環(huán)強度卻明顯不同，其值依C型、L型、T型出口的次序而降低（如圖3所示），這也表明出口約束作用越弱，對建立高密度、高循環(huán)強度操作越有利。

4 出口結構對提升管內、外顆粒循環(huán)

對于常見的C型、L型、T型出口結構，在操作條件及裝置主體結構相同的情況下，其約束強度可從定性上歸結為依C型、L型、T型出口的次序增大，而在實際操作中，各類出口的約束強弱就不能僅從幾何結構上加以分析比較，還應考慮提升管內操作條件等的影響。對此，一些研究者分別從不同角度定義了反映約束影響的參數(shù)，如表2所示。歸結起來，各參數(shù)定義主要基于以下四個方面：

（Ⅰ）出口約束強度不同，出口影響區(qū)的范圍（主要指出口以下軸向上的距離）不同；

（Ⅱ）出口約束強度不同，出口影響區(qū)內下行顆粒循環(huán)強度不同；

（Ⅲ）出口約束強度不同，出口影響區(qū)內顆粒速度滑落系數(shù)不同；

（Ⅳ）出口約束強度不同，出口影響區(qū)內固含率或顆粒速度值較無約束時的差別不同。

表2 出口結構約束強度的量化分析比較方法Table 2 A quantitative analysis on constraint strength of outlet structure

表2列出的幾種方法均是從出口約束所導致的流動現(xiàn)象出發(fā)，參數(shù)定義式中基本或部分包含了裝置結構、顆粒物性、操作條件或受其影響的流動參數(shù)，在一定范圍內能夠定量反應出口結構約束影響的強弱；但也應注意到，各式在導出上還是以經驗關聯(lián)為主，同時，因公式中部分參數(shù)測量困難，在取值上還存在一定的假定或簡化，因此使用范圍有一定的限制。第（Ⅰ）類方法中，Jin的參數(shù)主要考慮了表觀氣速的影響，在提升管高度和顆粒循環(huán)強度差別較大時，從參數(shù)量值上直接比較約束強度會存在較大誤差；Harris的參數(shù)綜合考慮了提升管高度及操作條件的影響，但當提升管高度差別較大時，從參數(shù)量值上直接比較約束強度會存在較大誤差；第（Ⅱ）類方法中，Van的方法在操作條件相同的情況下，不同出口結構的約束強度可依此進行比較，但同一結構在表觀氣速差異較大時會存在誤差；Senior的方法綜合考慮了上下行顆粒的運動情況，但是由于下行顆粒速度測量困難，在計算時將其定為一個定值，因此在不同的操作條件下，同一出口的約束強度會存在較大誤差；第（Ⅲ）類方法中，Patience和Harris的經驗關聯(lián)式都是基于其他研究者的數(shù)據(jù)進行分析回歸得出的，不適宜大循環(huán)量（G≥400 kg/（m2·s））的預測比較；Gupta的經驗關聯(lián)式雖然對不同類型顆粒進行了細分，但是此經驗關聯(lián)式涉及到有作用的參數(shù)比較多，在計算的過程中容易導致結果的數(shù)量級出現(xiàn)問題；第（Ⅳ）類方法中，Wang的參數(shù)需要對無約束時的截面平均固含率進行理論計算，無法通過實驗進行測量。綜合分析可見，對于循環(huán)流化床提升管結構約束強度的量化分析，還需要進一步挖掘出口結構的約束影響機制，結合多相流理論，建立適用性更廣的理論模型。

5 結 論

循環(huán)流化床提升管出口結構不同，對提升管內氣固流動的約束影響不同，因此所適用的過程及工藝不同。在相同條件下，不同出口結構的提升管內軸、徑向流動特性參數(shù)曲線分布形態(tài)和量值不同，在出口結構約束強度較大的情況下，會造成出口區(qū)域固含率增大、顆粒速度降低、顆粒內循環(huán)強度增加，也會使系統(tǒng)所能達到的最大外循環(huán)強度降低。同時，出口結構的約束強度也受操作條件影響，研究者們分別基于存在出口影響區(qū)、顆粒內循環(huán)強度增強、顆粒速度滑落系數(shù)降低、固含率增加等現(xiàn)象，耦合操作條件建立了量化分析出口約束強度的方法。但綜合循環(huán)流化床的已有研究結果可見，其很多理論及認識都是基于弱約束出口或忽略了出口結構約束影響下得到的，因此，關于出口結構及其約束的影響，未來還應在以下幾方面進行深入研究：（1）探索氣體提升與出口約束間的協(xié)同作用關系，深入挖掘出口結構約束的理論機制，開發(fā)強化或降低出口約束影響的結構或方法；（2）結合多相流理論，建立更為合理且廣泛適用的量化分析比較約束強度的方法；（3）針對建立高密度、高循環(huán)強度操作體系，設計更為合理的出口結構，并探索其影響機制；（4）探索出口結構對反應、傳質、傳熱等方面的影響。

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Constraint Effect of Outlet Structure on Gas-solid Flow Behavior in the Circulating Fluidized-bed Riser

LI Rui1, ZHANG Shao-feng1,2, WANG De-wu1
（1. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China；2. Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education, Hebei University of Technology, Tianjin 300130，China）

Changing the outlet geometric structure will exert different constraint effects on gas-solid flow behavior in the circulating fluidized-bed riser. So the riser outlet structures are usually different according to the different technical requirements. According to the turning form of gas-solid, the outlets in general can be divided into the gas-solid turning and non-turning type. The gas-solid turning outlets are usually used in prior research and application. In this paper, effect of the outlet structure on gas-solid flow behavior both along with axial and radial direction in a riser, inner and external particle circulation flux and other parameters was summarized. The existing quantitative analysis methods of comparing the outlet structure constraint strength were introduced. And its research direction was prospected.

Circulating fluidized-bed; Riser; Outlet structure; Constraint effect; Gas-solid flow; Review

TQ050.1；TQ 051.1；TQ052

A

1671-0460（2015）08-1888-06

國家自然科學基金項目，項目號：21106028；河北省自然科學基金，項目號：B2013202125。

2015-01-23

李睿（1989-），男，甘肅張掖人，碩士研究生，2015年畢業(yè)于河北工業(yè)大學化工過程機械專業(yè)，研究方向：化工過程多相流。E-mail：liruihebut@163.com。

王德武（1980-），男，副教授，博士，2009年畢業(yè)于中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，研究方向為流態(tài)化技術及多相流反應工程。E-mail：wangdewu211@163.com。