塔式鼓泡流化床內(nèi)的涌滲流動(dòng)特性

朱曉，沈來(lái)宏

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

塔式鼓泡流化床內(nèi)的涌滲流動(dòng)特性

朱曉，沈來(lái)宏

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

為強(qiáng)化氣固接觸，提出了一種新型塔式鼓泡循環(huán)床反應(yīng)器，采用多個(gè)帶有風(fēng)帽的中間分布板、沿床層高度方向?qū)⒎磻?yīng)器分隔成若干腔室，流化過(guò)程中形成一種特殊的涌滲（gushing）現(xiàn)象；依據(jù)連續(xù)拍照所得圖像，基于快速傅里葉變換和小波包變換的方法，對(duì)床內(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，研究涌滲產(chǎn)生和消亡條件，頻率和能量大小，以期掌握涌滲的形成規(guī)律。結(jié)果表明，此反應(yīng)器內(nèi)流化數(shù)為3.47時(shí)涌滲產(chǎn)生明顯，周期性壽命為1～2 s，頻率分布于0.1～0.5 Hz區(qū)域；保持流化風(fēng)速不變，改變反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，加入一層中間分布板構(gòu)成雙腔室、調(diào)整下腔室高徑比為3:1以及適當(dāng)增大風(fēng)帽開(kāi)孔率時(shí)，涌滲主頻明顯，能量適中，涌滲效果得到優(yōu)化。因此，塔式鼓泡流化床內(nèi)的涌滲流動(dòng)特性取決于流化風(fēng)速以及塔式鼓泡床的幾何結(jié)構(gòu)。

鼓泡流化床；塔式反應(yīng)器；涌滲；頻譜分析；小波分析

引 言

流化床技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高效率低污染的清潔技術(shù)，充分應(yīng)用于煤燃燒、氣化，烯烴聚合反應(yīng)以及化學(xué)鏈技術(shù)等領(lǐng)域中[1-3]。流化床反應(yīng)器冷態(tài)模型內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)是評(píng)價(jià)流化床性能的關(guān)鍵[4-6]，而流動(dòng)過(guò)程中復(fù)雜的非線性狀態(tài)可以用系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)信號(hào)表征[7-8]，氣泡乃至節(jié)涌的產(chǎn)生是引起壓力波動(dòng)的主要原因，對(duì)流化床的流動(dòng)特性、氣固混合、熱質(zhì)傳遞和化學(xué)反應(yīng)均有一定的影響[9-11]。在小直徑高床層的流化床內(nèi)，顆粒直徑較大時(shí)容易形成節(jié)涌（slugging）[12]，氣固接觸受阻，返混嚴(yán)重，化學(xué)反應(yīng)難以進(jìn)行，還會(huì)加劇壁面的磨損。騫偉中等[13]在流化床內(nèi)部設(shè)置帶孔隔板，形成多段流化床，抑制返混，提高用于氣相轉(zhuǎn)化的推動(dòng)力；Diana等[14-15]則采用了一種內(nèi)置楔形環(huán)狀結(jié)構(gòu)來(lái)改善固體燃料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，減弱壁面侵蝕。源自強(qiáng)化氣固接觸的理念[16]，本文設(shè)計(jì)了一種基于塔式鼓泡反應(yīng)器的循環(huán)流化床裝置，該反應(yīng)器內(nèi)部采用多個(gè)帶有風(fēng)帽的中間分布板，沿高度方向?qū)⒎磻?yīng)器分隔成若干腔室。在流化過(guò)程中，下部腔室產(chǎn)生節(jié)涌，推動(dòng)顆粒層滲過(guò)中間分布板的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)[17-21]，進(jìn)入上層腔室，形成一種先涌后滲的特殊流態(tài)，稱之為涌滲(gushing)，此流化床也被稱為涌滲流化床(gushing fluidized bed)。特殊的風(fēng)帽布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，將單床中產(chǎn)生的大而劇烈的節(jié)涌分解為小而有規(guī)律的涌滲，強(qiáng)化了氣固接觸，重構(gòu)了上部腔室的流化狀態(tài)，減弱返混，改善了反應(yīng)器內(nèi)氣固混合特性?；谶B續(xù)拍照技術(shù)[22-23]記錄涌滲產(chǎn)生與消亡過(guò)程，利用快速傅里葉變換和小波包變換的分析方法，提取反應(yīng)器內(nèi)部涌滲產(chǎn)生的特征值，探究流化風(fēng)速和流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)變化對(duì)床內(nèi)涌滲流態(tài)化行為的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以獲得反應(yīng)器內(nèi)良好的流化狀態(tài)[24]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為基于塔式鼓泡反應(yīng)器的循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)由燃料反應(yīng)器(fuel reactor)、旋風(fēng)分離器(cyclone)和返料器(loop-seal)組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置高度為1400 mm，矩形塔式反應(yīng)器的長(zhǎng)×寬×高分別為100 mm×50 mm×500 mm，與之相連的上升管內(nèi)徑和返料器內(nèi)徑分別為30和40 mm。在燃料反應(yīng)器下部腔室設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)P1，壓力通過(guò)變送器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)采集，再利用DASYLab軟件信號(hào)處理。實(shí)驗(yàn)采用風(fēng)機(jī)裝置不斷輸送氣體，反應(yīng)器與返料器氣體進(jìn)口均配有流量計(jì)，用于控制風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體采用透明有機(jī)玻璃材料制作，便于觀察床內(nèi)的氣固流動(dòng)狀態(tài)，流化過(guò)程使用 CCD連續(xù)拍照進(jìn)行記錄。

圖1 塔式鼓泡循環(huán)流化床裝置Fig.1 Tower bubbling fluidized bed

實(shí)驗(yàn)裝置的燃料反應(yīng)器內(nèi)部由中間分布板(internal distributor)依次隔開(kāi)，其在反應(yīng)器中縱向位置可依實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中所采用的中間分布板有3種形式，即孔隙率較小的三風(fēng)帽布風(fēng)板[圖2(a)]、孔隙率較大的兩風(fēng)帽布風(fēng)板[圖2(b)]和不加風(fēng)帽的對(duì)照中間分布板俯視[圖2(c)]。與普通帶孔中間分布板相比，此隔板在進(jìn)風(fēng)管處安裝了風(fēng)帽。三孔進(jìn)風(fēng)管的內(nèi)徑為8 mm，風(fēng)帽上還帶有4個(gè)內(nèi)徑為4 mm的小孔。而兩風(fēng)帽結(jié)構(gòu)中，不僅將進(jìn)風(fēng)管的內(nèi)徑擴(kuò)大為13 mm，還將風(fēng)帽上的小孔內(nèi)徑增大到6 mm，增大了通流面積。風(fēng)帽孔隙率大小對(duì)流化狀態(tài)的影響與對(duì)比情況會(huì)在 2.2.3節(jié)做詳細(xì)闡述。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)床料采用粒徑為0.18～0.4 mm的石英砂，床料量 Mt保持 2.0 L不變，堆積密度 ρt為 2000 kg·m-3，屬 Geldart分類(lèi)中的 B類(lèi)顆粒[25]。流化過(guò)程中的臨界流化風(fēng)速 umf[26]為 0.1 m·s-1,由 Stewart等[27]經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式得出的最小節(jié)涌風(fēng)速 us為 0.280 m·s-1，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。燃料反應(yīng)器流速 u0在0.173～0.520 m·s-1內(nèi)變化，流化數(shù) N 為 1.73～5.20(N=u0/umf[28])，返料器風(fēng)速u(mài)ls為0.04 m·s-1。中間分布板的開(kāi)孔率η為通流面積與分布板截面積之比，三風(fēng)帽的開(kāi)孔率η為5.37%，兩風(fēng)帽的開(kāi)孔率η為8.05%[20]。實(shí)驗(yàn)在室溫條件(20℃)下進(jìn)行，每種工況的運(yùn)行時(shí)間為10 min，采樣頻率為100 Hz。

圖2 內(nèi)置中間分布板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of internal distributor

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 塔式鼓泡流化床反應(yīng)器內(nèi)涌滲流動(dòng)狀態(tài)

2.1.1 不同流化風(fēng)速下的氣固流動(dòng)狀態(tài) 在塔式鼓泡反應(yīng)器中加入一層中間分布板構(gòu)成雙腔室涌滲反應(yīng)器，保持風(fēng)帽開(kāi)孔率為 5.37%，下部腔室高徑比為 3:1，利用連續(xù)拍照技術(shù)記錄不同流化風(fēng)速下的氣固流動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。流化數(shù)為1.73時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部上下兩腔已經(jīng)開(kāi)始有小氣泡的出現(xiàn)，進(jìn)入鼓泡流態(tài)化；流化數(shù)增大到2.60，開(kāi)始有大的氣泡出現(xiàn)，床層波動(dòng)變得劇烈；當(dāng)流化數(shù)達(dá)到3.47時(shí)，大的氣泡合并，反應(yīng)器下部腔室有明顯的空氣柱產(chǎn)生，推動(dòng)物料向上，形成涌滲，返料器內(nèi)回料量明顯增大；當(dāng)流化數(shù)繼續(xù)增大到4.34～5.20時(shí)，上下腔室均進(jìn)入湍流流態(tài)化，此時(shí)，反應(yīng)器與返料器內(nèi)顆粒流動(dòng)狀態(tài)極不穩(wěn)定，顆粒揚(yáng)析明顯。

圖3 不同流化風(fēng)速下雙腔室塔式反應(yīng)器氣固流動(dòng)狀態(tài)Fig.3 Gas-solid flow pattern in tower reactor with two chambers under different inlet gas velocity

與視頻圖像對(duì)應(yīng)的不同流化數(shù)下雙腔室反應(yīng)器壓力波動(dòng)的時(shí)域圖如圖4所示。當(dāng)流化數(shù)較小時(shí)，壓力僅有微小的波動(dòng)；隨著流化風(fēng)速的增大，壓力波動(dòng)的不規(guī)律性增大，床內(nèi)出現(xiàn)不規(guī)則的大氣泡；當(dāng)流化數(shù)增大到3.47時(shí)，幅值突增的壓力脈動(dòng)信號(hào)增多，且出現(xiàn)有規(guī)律的產(chǎn)生與消亡，推測(cè)此時(shí)的床內(nèi)流化狀態(tài)為涌滲流態(tài)化；隨著流化速度的進(jìn)一步增大，突增的壓力信號(hào)變得更加陡峭且無(wú)規(guī)律，反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)入湍流狀態(tài)。

圖4 不同流化風(fēng)速下雙腔室塔式反應(yīng)器壓力波動(dòng)時(shí)域圖Fig.4 Time-domain plot of pressure fluctuation in tower reactor with two chambers under different inlet gas velocity

將反應(yīng)器下腔室內(nèi)的壓降信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同流化數(shù)下的壓降信號(hào)值，評(píng)價(jià)床內(nèi)的流動(dòng)特性與流型轉(zhuǎn)變[35]。從圖5中可以看出，當(dāng)氣速?gòu)淖钚×骰L(fēng)速逐漸變大時(shí)，依次呈現(xiàn)出4個(gè)典型區(qū)域的壓降曲線段。當(dāng)流化數(shù)<1.73時(shí)，床層壓降隨氣速的增大而增大，處于散式流態(tài)化；當(dāng)流化數(shù)位于1.73～3.37之間時(shí)，床層內(nèi)壓降基本保持不變，不隨流化風(fēng)速波動(dòng)，處于鼓泡流態(tài)化；當(dāng)流化數(shù)>3.37時(shí)，床內(nèi)壓降隨氣速的升高不斷增加，氣體和顆粒與床層壁面強(qiáng)烈摩擦，進(jìn)入節(jié)涌流態(tài)化；當(dāng)流化數(shù)再繼續(xù)增大到4.10以后，壓差曲線波動(dòng)劇烈，進(jìn)入湍流流態(tài)化狀態(tài)。

圖5 不同流化數(shù)下下部腔室壓降變化Fig.5 Pressure drop profile under different N number

在保持腔室結(jié)構(gòu)不變的條件下，將反應(yīng)器內(nèi)的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到不同流化風(fēng)速下的壓力信號(hào)的頻譜，如圖6所示。當(dāng)流速較低時(shí)，并無(wú)涌滲現(xiàn)象的產(chǎn)生，壓力頻率曲線波動(dòng)較為平緩；隨著流化數(shù)的增大，頻率曲線波動(dòng)幅度變大，但主頻的范圍逐漸減小，涌滲不明顯；當(dāng)流化數(shù)達(dá)到3.47時(shí)，壓力波動(dòng)主頻峰值特性明顯，頻率集中于0.15 Hz，因此推測(cè)此時(shí)節(jié)涌的產(chǎn)生具有規(guī)律性，達(dá)到涌滲現(xiàn)象；當(dāng)流化數(shù)進(jìn)一步增大，進(jìn)入湍流狀態(tài)時(shí)，節(jié)涌的產(chǎn)生、持續(xù)與消亡都處于極端的湍動(dòng)狀態(tài)，壓力波動(dòng)有很大的不確定性，引起波動(dòng)的頻率和能量大小各不相同，所以在主頻周?chē)泻芏喾逯?，以致有些密不可分?/p>

圖6 不同流化數(shù)下雙腔室反應(yīng)器內(nèi)壓力信號(hào)FFT頻譜Fig.6 FFT spectrogram of pressure fluctuation signals in tower reactor with two chambers under different N number

因此，流化數(shù)為3.47時(shí)主頻明顯，具有規(guī)律性，涌滲現(xiàn)象得以優(yōu)化?？刂屏骰瘮?shù)為3.47，觀察涌滲產(chǎn)生、消亡及持續(xù)的現(xiàn)象，探究涌滲的周期壽命與周期頻率。

2.1.2 “涌滲”現(xiàn)象產(chǎn)生規(guī)律 控制反應(yīng)器內(nèi)流化數(shù)為3.47，中間分布板風(fēng)帽開(kāi)孔率為5.37%，下部腔室高徑比為3:1等條件保持不變，利用連續(xù)拍照技術(shù)得到雙腔室反應(yīng)器中涌滲從產(chǎn)生到消亡的過(guò)程，如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)處于405.50 s時(shí)刻時(shí)，涌滲開(kāi)始產(chǎn)生。在流化風(fēng)速的作用下物料堆積在中間分布板處，隨著時(shí)間的推遲，下腔室的物料量逐漸減少，通過(guò)中間分布板吹入上腔室，所產(chǎn)生節(jié)涌的高度變大。當(dāng)時(shí)間達(dá)到406.90 s時(shí)，斷層基本消失，這也就是涌滲現(xiàn)象結(jié)束的時(shí)刻。此現(xiàn)象在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)往復(fù)，成為塔式鼓泡流化床內(nèi)的獨(dú)有現(xiàn)象。由此可以推斷，涌滲現(xiàn)象的周期性壽命約為1～2 s，下文計(jì)算機(jī)壓力采集的時(shí)域信號(hào)圖也印證了這一結(jié)論。

圖7 雙腔室塔式反應(yīng)器內(nèi)涌滲形成過(guò)程Fig.7 Process plot of gushing in two chamber reactor

圖8截取了此時(shí)間段內(nèi)的壓力波動(dòng)時(shí)域圖。結(jié)合連續(xù)拍照得到的涌滲形成過(guò)程可以看出，達(dá)到壓力峰值時(shí)，涌滲產(chǎn)生向上堆積的物料最多，達(dá)到谷值時(shí)，涌滲消亡。兩個(gè)明顯低谷值間的時(shí)間間隔即為涌滲的周期壽命值，一般會(huì)維持1～2 s。涌滲產(chǎn)生的頻率需要通過(guò)快速傅里葉變換所得頻域圖來(lái)進(jìn)行頻譜分析。

圖9為同條件下塔式鼓泡反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)壓力信號(hào)的頻譜圖。因主頻位置的集中性，只截取了頻率范圍為0～2 Hz的一段。從圖中可以看出，涌滲產(chǎn)生的頻率峰值為0.15 Hz。

圖8 雙腔室反應(yīng)器內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)域圖Fig.8 Time-domain plot of pressure fluctuation signals in tower reactor with two chambers (N=3.47, η=5.37%)

圖9 雙腔室反應(yīng)器內(nèi)壓力信號(hào)FFT變換頻譜圖Fig.9 FFT spectrogram of pressure fluctuation signals in tower reactor with two chambers(N=3.47, η=5.37%)

2.2 流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)涌滲特性的影響

2.2.1 腔室個(gè)數(shù)對(duì)涌滲主頻和能量的影響 將單腔室鼓泡反應(yīng)器作為對(duì)照組，通過(guò)添加中間分布板改變腔室個(gè)數(shù)，控制流化數(shù)為3.47，布風(fēng)板風(fēng)帽開(kāi)孔率為 5.37%不變，得到不同腔室個(gè)數(shù)下，反應(yīng)器內(nèi)涌滲產(chǎn)生特征值的快速傅里葉變換結(jié)果，如圖10所示。單腔室的工況下，在0.1～0.5 Hz頻率內(nèi)有兩個(gè)主頻，說(shuō)明此時(shí)的壓力波動(dòng)極不穩(wěn)定，氣泡與節(jié)涌產(chǎn)生劇烈且無(wú)規(guī)律，氣體射流對(duì)床層影響較大；雙腔室時(shí)，涌滲產(chǎn)生主頻較明顯，處于0.15 Hz左右，改善了峰值雜亂無(wú)章的狀況；而當(dāng)腔室數(shù)量增大為3個(gè)時(shí)，主頻在頻率和幅值大小上均明顯減小，在0.1 Hz處有一幅值較小主頻。這是因?yàn)橛捎诳偟奈锪狭勘３植蛔儯S著反應(yīng)器腔室的增加，每個(gè)腔室內(nèi)流化的物料量變少，涌滲產(chǎn)生的次數(shù)減少，涌滲作用推出的物料量也變少。接下來(lái)根據(jù)涌滲產(chǎn)生頻率大小，通過(guò)小波包分解的原理將涌滲產(chǎn)生的能量特征值提取出來(lái)，進(jìn)一步探究涌滲能量特征與反應(yīng)器腔室個(gè)數(shù)的關(guān)系。

圖10 不同腔室個(gè)數(shù)反應(yīng)器壓力信號(hào)FFT變換頻譜圖Fig.10 FFT spectrogram of pressure fluctuation signals in tower reactor with different chambers(N=3.47, η=5.37%)

從圖11中可以看出能量總體的變化趨勢(shì)。當(dāng)流化數(shù)增大時(shí)，三腔室反應(yīng)器中涌滲產(chǎn)生能量最小，且始終呈上升趨勢(shì)。當(dāng)流化數(shù)不超過(guò)3.47時(shí)，雙腔室與單腔室中產(chǎn)生的涌滲能量相差不大，但是三腔室的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)下涌滲產(chǎn)生能量就明顯小很多。這是因?yàn)楫?dāng)腔室個(gè)數(shù)達(dá)到3個(gè)時(shí)，每個(gè)腔室內(nèi)分配到的流化物料量很少，不足以形成涌滲；當(dāng)流化數(shù)達(dá)到4.34后，單腔室與雙腔室中涌滲能量特征值均有下降，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了幾近湍流流態(tài)化的狀態(tài)，基本沒(méi)有涌滲的產(chǎn)生。

圖11 不同反應(yīng)器腔室個(gè)數(shù)下涌滲能量對(duì)比Fig.11 Energy mode plot of gushing in tower reactor with different chambers at different gas velocity(η=5.37%)

2.2.2 下部腔室高徑比對(duì)涌滲主頻和能量的影響保持雙腔室反應(yīng)器的腔室個(gè)數(shù)不變，改變中間分布板在反應(yīng)器中的位置，從而改變下腔室的高徑比，分別為 2:1、3:1和4:1?？刂屏骰瘮?shù)為3.47，中間分布板風(fēng)帽開(kāi)孔率為 5.37%不變，得到下部腔室不同高徑比時(shí)反應(yīng)器內(nèi)涌滲特征值的頻譜分析結(jié)果，如圖12所示。當(dāng)高徑比為2:1時(shí)，涌滲產(chǎn)生主頻不明顯，且幅值較小，不易形成涌滲；當(dāng)高度比為3:1時(shí)，涌滲主頻明顯，位于0.15 Hz處；而當(dāng)腔室比為4:1時(shí)，涌滲產(chǎn)生主頻向左移動(dòng)，在0.1 Hz左右，且幅值極大，這是因?yàn)殡S著下腔室高徑比的增加，涌滲產(chǎn)生與破碎過(guò)程十分劇烈，增加了床層的波動(dòng)。

圖12 雙腔室反應(yīng)器下部腔室不同高徑比壓力信號(hào)頻譜圖Fig.12 FFT spectrogram of pressure fluctuation of signals in lower tower reactor with different aspect ratio(N=3.47,η=5.37%, chamber number=2)

圖13為保持中間分布板風(fēng)帽開(kāi)孔率不變，在不同的流化風(fēng)速下，改變下部腔室高徑比時(shí)的涌滲能量特征值對(duì)比。從圖中可以看出，隨著流化風(fēng)速的增大，當(dāng)腔室比為2:1時(shí)，能量始終較小，與三腔室反應(yīng)器結(jié)構(gòu)涌滲能量特征值變化情況類(lèi)似；當(dāng)下部腔室高徑比為3:1時(shí)，涌滲產(chǎn)生能量適中；而當(dāng)高徑比為4:1時(shí)，涌滲產(chǎn)生能量始終較大，這是因?yàn)橄虑皇易銐虻那皇铱臻g為固體顆粒產(chǎn)生涌滲創(chuàng)造了條件，下腔室內(nèi)可以推起更多的物料至上腔室進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)，與此同時(shí)，也加劇了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，阻礙了氣固接觸，與單腔室情況下的氣固流動(dòng)狀態(tài)相似。3種結(jié)構(gòu)工況下涌滲能量特征值均隨著流化風(fēng)速的增大而增大，卻在流化數(shù)達(dá)到4.34時(shí)具有下降趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)3種工況下的反應(yīng)器內(nèi)均進(jìn)入湍流流態(tài)化狀態(tài)。

圖13 雙腔室反應(yīng)器下部腔室不同高徑比涌滲能量對(duì)比Fig.13 Energy mode plot of gushing in lower tower reactor with different aspect ratio(η=5.37%, chamber number=2)

圖14 雙腔室反應(yīng)器不同布風(fēng)板風(fēng)帽結(jié)構(gòu)壓力信號(hào)頻譜圖Fig.14 FFT spectrogram of pressure fluctuation of signals in bubbling reactor with different cap aperture ratio(N=3.47,chamber number=2, aspect ratio=3:1)

2.2.3 中間分布板結(jié)構(gòu)對(duì)涌滲主頻和能量的影響保持流化數(shù)為3.47，反應(yīng)器為雙腔室時(shí)，不同結(jié)構(gòu)風(fēng)帽的壓力波動(dòng)信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果如圖14所示。當(dāng)中間分布板內(nèi)不加風(fēng)帽時(shí)，涌滲產(chǎn)生的主頻不明顯，且分布區(qū)域大，峰值主要在 0.1～0.5 Hz內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)并沒(méi)有規(guī)律的涌滲產(chǎn)生；當(dāng)使用開(kāi)孔率為5.37%的小風(fēng)帽時(shí)，主頻明顯，有涌滲產(chǎn)生，峰值位于頻率為0.15 Hz處。將風(fēng)帽直徑從φ4增大為φ5，進(jìn)風(fēng)管直徑從φ8增大為φ13，使用開(kāi)孔率為 8.05%的大風(fēng)帽中間分布板。大風(fēng)帽保證了小孔的通流面積，便于B類(lèi)顆粒順利通過(guò)中間分布板，進(jìn)入床層上部，同時(shí)減少床層壓力劇烈脈動(dòng)，防止顆粒流動(dòng)受阻。此時(shí)主頻峰值明顯，對(duì)應(yīng)的頻率稍大于開(kāi)孔率為 5.37%的小風(fēng)帽，大約位于 0.16 Hz處，說(shuō)明涌滲產(chǎn)生規(guī)律，且與小風(fēng)帽相比頻率稍快。而兩者峰值振幅卻相差不大，具體能量對(duì)比要通過(guò)小波包變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)小波包變換得到的涌滲能量對(duì)比如圖15所示，當(dāng)流化數(shù)控制為3.47，中間分布板內(nèi)不加風(fēng)帽時(shí)，能量相較于有風(fēng)帽時(shí)極小，基本無(wú)涌滲現(xiàn)象產(chǎn)生；而增大中間分布板上的風(fēng)帽開(kāi)孔率可減弱流化過(guò)程中涌滲產(chǎn)生的能量，從而減少燃料反應(yīng)器內(nèi)壓力劇烈波動(dòng)。因此，從實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，可以通過(guò)增大風(fēng)帽上小孔直徑與增大中間分布板進(jìn)風(fēng)管直徑的方法來(lái)增大布風(fēng)板孔隙率，從而減弱涌滲產(chǎn)生能量，減少機(jī)械損失。

圖15 不同布風(fēng)板結(jié)構(gòu)反應(yīng)器涌滲能量對(duì)比Fig.15 Energy mode plot of gushing in bubbling reactor with different caps at different gas velocity(chamber number=2,aspect ratio=3:1)

3 結(jié) 論

（1）本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種塔式鼓泡循環(huán)流化床冷態(tài)模型，因其特殊的中間分布板風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，形成了床內(nèi)特有的涌滲（gushing）流態(tài)化現(xiàn)象。該現(xiàn)象將單床中產(chǎn)生的大而劇烈的節(jié)涌分解為小而有規(guī)律的涌滲，重構(gòu)了上部腔室的流化狀態(tài)，減弱返混，改善了反應(yīng)器內(nèi)氣固混合特性，化學(xué)反應(yīng)與熱質(zhì)傳遞過(guò)程得以強(qiáng)化，具有一定的研究前景。

（2）當(dāng)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不變時(shí)，當(dāng)流化風(fēng)速大于臨界流化風(fēng)速時(shí)，隨著流化風(fēng)速的增加，反應(yīng)器內(nèi)部依次呈現(xiàn)出散式流態(tài)化、鼓泡流態(tài)化、涌滲流態(tài)化和湍流流態(tài)化的流動(dòng)狀態(tài)。其中，當(dāng)流化數(shù)達(dá)到3.47時(shí)，床內(nèi)流化狀態(tài)出現(xiàn)較大波動(dòng)，涌滲產(chǎn)生頻率峰值明顯，具有規(guī)律性，集中在0.1～0.25 Hz，其生命周期維持在1～2 s。

（3）在保持流化風(fēng)速、布風(fēng)板風(fēng)帽結(jié)構(gòu)等恒定的條件下，改變反應(yīng)器內(nèi)腔室數(shù)量，結(jié)果表明：在燃料反應(yīng)器總高度不變的情況下，一層中間分布板的加入能夠改善單腔室反應(yīng)器內(nèi)氣泡與節(jié)涌產(chǎn)生劇烈且不規(guī)律的情況，涌滲產(chǎn)生明顯且能量較小。而加入兩層中間分布板構(gòu)成三腔室時(shí)，主頻不明顯且能量較小，涌滲現(xiàn)象幾近消失。因此，加入一層布風(fēng)板可以形成涌滲，主頻明顯，產(chǎn)生規(guī)律。

（4）在保持流化風(fēng)速、反應(yīng)器腔室個(gè)數(shù)、中間分布板風(fēng)帽結(jié)構(gòu)等恒定的條件下，通過(guò)改變中間布風(fēng)板位置而改變下部腔室高徑比，結(jié)果表明：當(dāng)下部腔室高徑比為2:1時(shí)，幾乎無(wú)涌滲產(chǎn)生，與三腔室情況類(lèi)似；當(dāng)下部腔室高徑比為3:1時(shí)，涌滲明顯，產(chǎn)生規(guī)律；當(dāng)下部腔室高徑比為4:1時(shí)，涌滲產(chǎn)生不規(guī)律且波動(dòng)劇烈，與單腔室情況類(lèi)似。因此，維持腔室高徑比為 3:1，可以達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)涌滲流化狀態(tài)的效果。

（5）在保持流化風(fēng)速、反應(yīng)器腔室個(gè)數(shù)、反應(yīng)器下部腔室高徑比等恒定的條件下，反應(yīng)器內(nèi)中間分布板的結(jié)構(gòu)對(duì)涌滲特性也有一定的影響。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)中間分布板內(nèi)加入風(fēng)帽時(shí)，出現(xiàn)規(guī)律而明顯的涌滲現(xiàn)象；而增大風(fēng)帽的孔隙率可以保證物料流通面積，防止顆粒受阻，增大涌滲產(chǎn)生頻率，減弱涌滲產(chǎn)生能量。因此，可以通過(guò)適當(dāng)增加風(fēng)帽孔隙率來(lái)減少反應(yīng)器內(nèi)的壓力波動(dòng)與機(jī)械損失。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Mt——物料量，L

N——流化數(shù)

uls,umf,uo,us——分別為返料器流化風(fēng)速、臨界流化風(fēng)速、燃料反應(yīng)器流化風(fēng)速、最小節(jié)涌風(fēng)速，m·s-1

η——布風(fēng)板風(fēng)帽孔隙率

ρt——物料堆積密度，kg·m-3

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date:2017-04-10.

SHEN Laihong, lhshen@seu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China(51561125001).

Characteristics on gushing in tower bubbling fluidized bed

ZHU Xiao, SHEN Laihong
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing210096,Jiangsu,China)

In order to enhance the solid-gas contact, a new bubbling fluidized bed with tower reactor is designed.The fuel reactor is divided into several chambers along the bed height direction by internal air distributor with caps. In the period of fluidization, a special phenomenon is caused by slugging, which could be named “gushing”.The forming and disappearing of gushing can be recorded on the basis of image with a digital video camera. By using fast Fourier transform (FFT) and wavelet packet transform methods, the pressure fluctuation signal is analyzed to investigate the characteristics on gushing, including fluidization conditions, dominant frequency and energy mode of gushing. The results showed that gushing fluidization appears under the fluidization number of 3.47 in this reactor. Its cycle period is lasting 1—2 s and dominant frequency is around 0.1—0.5 Hz. Changing of reactor structure, like adding one distributor to reach two chambers, adjusting the aspect ratio of lower chamber to be 3:1 and enlarging the valve opening on caps of distributors, is the better structures for gushing fluidization.Therefore, in order to obtain a satisfactory gushing property in the reactor, the inlet gas velocity and reactor structure must be kept in a suitable condition.

bubbling fluidized bed; tower reactor; gushing; spectral analysis; wavelet analysis

TQ 053.5

A

0438—1157（2017）11—4112—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170364

2017-04-10收到初稿，2017-06-30收到修改稿。

聯(lián)系人：沈來(lái)宏。

朱曉（1992—），女，博士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51561125001）。