基于循環(huán)流化床的移動(dòng)床驅(qū)動(dòng)氣濕兩相流動(dòng)特性研究

基于循環(huán)流化床的移動(dòng)床驅(qū)動(dòng)氣濕兩相流動(dòng)特性研究

微結(jié)構(gòu)及基層顆粒的輸送及控制河床和雙向流的氣、循環(huán)和氣的注入是基于循環(huán)侵蝕反應(yīng)的兩種新材料和天然氣的氣的氣的綜合技術(shù)所必需的。這兩種工藝需要大量的總循環(huán)。輸送床氣化通過氣化反應(yīng)器中的高顆粒通量和底部密相強(qiáng)化對供入該反應(yīng)器的燃料顆粒的傳熱和對氣化生成氣中焦油類物質(zhì)的吸附與分解,致使在900℃左右的反應(yīng)溫度下實(shí)現(xiàn)高氣化效率和低焦油生成。而雙流化床氣化依賴顆粒的循環(huán)從燃燒反應(yīng)器向氣化反應(yīng)器傳遞反應(yīng)熱,顆粒循環(huán)量越大,兩反應(yīng)器間的溫差越小,系統(tǒng)的操作控制越容易。在石化行業(yè)的FCC工藝也同樣對催化介質(zhì)有大循環(huán)量的要求。因此研究實(shí)現(xiàn)高顆粒通量輸送床的方法及控制手段對于輸送床與雙流化床氣化技術(shù)的研發(fā)十分關(guān)鍵,并可供應(yīng)用于石化等其他領(lǐng)域的高循環(huán)量輸送裝置及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和控制基礎(chǔ)參考。關(guān)于高通量高密度輸送床的研究已有文獻(xiàn)報(bào)道。Bi等認(rèn)為在設(shè)備方面有3個(gè)重要因素影響高密度操作:立管結(jié)構(gòu)、固體顆粒的排料及控制裝置和整個(gè)系統(tǒng)的固體顆粒容量?；谠撍枷胨麄冊O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置,并由Issangya等對此實(shí)驗(yàn)裝置做了較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究?；谔嵘軆?nèi)構(gòu)件對高密度的影響,李志強(qiáng)等提出并建立了“下行床-提升管”耦合循環(huán)流化床系統(tǒng),開展了高循環(huán)量輸送床的實(shí)驗(yàn)研究。本文提出了通過在輸送床(提升管)的底部耦合一段移動(dòng)床,以增加輸送床的整體壓降而致使其底部形成密相流動(dòng)、增加顆粒循環(huán)量的方法,并在基于該思想而建立的直徑90mm、高12m的冷態(tài)顆粒循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置上通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的思想,考察了移動(dòng)床對于整個(gè)系統(tǒng)的操作影響,研究了控制顆粒循環(huán)量和輸送床內(nèi)顆粒濃度的方法。1設(shè)備和方法的實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,整個(gè)裝置為有機(jī)玻璃制成,由輸送床AB段(內(nèi)徑0.09m)、旋風(fēng)分離器C段、下行床CD段(內(nèi)徑0.08m)、返料閥DE段(長0.35m、寬0.2m、高0.6m)、移動(dòng)床EF段(內(nèi)徑0.13m)、移動(dòng)床溢流閥FA段組成。輸送床在其分散板以上的高度為12.4m,下行床高度8m,移動(dòng)床高4m。返料閥DE分為左右兩個(gè)室,在其布風(fēng)板上相互連通。左室的上部側(cè)面與移動(dòng)床相連,提供顆粒流通通道,頂部通過管道與輸送床分散板以上1.25m處相通,提供返料閥流化氣體的出口。在返料閥以上5m處的立管上設(shè)置顆粒循環(huán)量測量裝置,具體是在下行床上設(shè)置安裝有蝶閥的旁路,旁路同時(shí)連接到返料閥左室,方便回料。實(shí)驗(yàn)氣體為壓縮空氣,由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制流量。系統(tǒng)的主要空氣流為:對輸送床的一次和二次輸送風(fēng),移動(dòng)床的松動(dòng)風(fēng)和返料閥DE左右兩室的流化風(fēng)。實(shí)驗(yàn)流程:實(shí)驗(yàn)物料在旁路上的加料漏斗處加入,裝滿移動(dòng)床EF,實(shí)驗(yàn)物料在移動(dòng)床下部F端的松動(dòng)風(fēng)作用下流至輸送床。輸送床中被輸送物料經(jīng)過旋風(fēng)分離器C進(jìn)入下行床CD,進(jìn)而經(jīng)過返料閥E被送入移動(dòng)床形成循環(huán)。1.2驗(yàn)的壓力測點(diǎn)排布實(shí)驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)為壓力和顆粒循環(huán)量。壓力由硅差壓變送傳感器測量,并通過信號(hào)采集器與計(jì)算機(jī)終端相連,通過計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以同時(shí)采集30個(gè)壓力測點(diǎn)的表壓強(qiáng)Pn。實(shí)驗(yàn)的壓力測點(diǎn)排布如圖1所示?；谒鶞y得的壓力利用式(1)確定對應(yīng)測點(diǎn)間的表觀顆粒濃度,即εs=Pn?Pn?1ρpg(Hn?Hn?1)(1)εs=Ρn-Ρn-1ρpg(Ηn-Ηn-1)(1)顆粒循環(huán)量的測量在床體運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行,翻動(dòng)圖1中翻板5使物料進(jìn)入旁路,結(jié)束時(shí)將翻板翻回,記錄測量時(shí)間t與所堆積物料高度Hspur,通過式(2)即可換算出顆粒循環(huán)量GsGs=ρbAspurHspurAft(2)Gs=ρbAspurΗspurAft(2)測量結(jié)束后,通過打開旁路與返料閥左室的閥門可方便地將物料送回系統(tǒng)內(nèi)。1.3砂粒密度和堆積密度的確定實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行,所用顆粒為石英砂,對應(yīng)比表面平均直徑dp為378μm,顆粒密度ρp為2600kg·m-3,堆積密度ρb為1470kg·m-3。2表觀氣速與流量的影響實(shí)驗(yàn)分別對輸送床表觀氣速、移動(dòng)床風(fēng)量、返料閥左右室通孔面積及顆粒貯量等因素進(jìn)行了研究,主要考察了其對床整體操作狀況的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):輸送床表觀氣速與移動(dòng)床風(fēng)速是主要的影響因素;移動(dòng)床的存在削弱了顆粒貯量的變化對系統(tǒng)的作用。2.1由于床上的氣速，房間的循環(huán)速度對濃度的影響2.1.1移動(dòng)床滑動(dòng)風(fēng)控制在移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速保持恒定(Ugm為0.04、0.05m·s-1)和輸送床二次風(fēng)速為零的情況下考察了一次風(fēng)對循環(huán)量的影響。圖2表示在兩個(gè)返料閥左右室通道面積As為0.02、0.04m2下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一次風(fēng)的增加明顯增大了顆粒循環(huán)量。但是,循環(huán)量對于一次風(fēng)速的依存關(guān)系更接近線性,不同于一般循環(huán)流化床中顆粒循環(huán)量通常隨氣速的增大而指數(shù)性增加的變化趨勢。這可能是由于本文循環(huán)量的變化還必須同時(shí)受移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)控制的原因。圖3為輸送床二次風(fēng)速對循環(huán)量的影響。二次風(fēng)供給分別選定在分散板上2m和3.5m兩個(gè)位置。由圖可知兩個(gè)位置的二次風(fēng)影響趨勢相同。保持輸送床中的總風(fēng)速(Ugt=9.61m·s-1)不變而增加二次風(fēng)的比例明顯降低了顆粒循環(huán)量。在二次風(fēng)比增長到0.4時(shí)可減小顆粒循環(huán)量約40%。保持一次風(fēng)速(Ugp=7.86m·s-1)不變時(shí),增加二次風(fēng)量雖然能夠增大顆粒循環(huán)量,但當(dāng)二次風(fēng)比超過0.3時(shí)顆粒循環(huán)量變化較小。在保持總風(fēng)速不變時(shí)引入二次風(fēng)實(shí)際上要求降低一次風(fēng)速,通過降低了在二次風(fēng)以下床段的顆粒輸送能力而使整體系統(tǒng)顆粒循環(huán)量減小。但是,在保持一次風(fēng)速不變的情況下,二次風(fēng)的增加實(shí)際上增加了二次風(fēng)位置以上的床內(nèi)氣體速度而導(dǎo)致顆粒循環(huán)量的增大,但顆粒循環(huán)量受限于一次風(fēng)的輸送能力,二次風(fēng)增加到一定程度后不再使顆粒循環(huán)量增加。圖3同時(shí)表明二次風(fēng)位置越高,二次風(fēng)比例的變化對循環(huán)量的作用越小。這源于較高床體內(nèi)的顆粒流動(dòng)處于更稀的狀態(tài),使得可隨二次風(fēng)速變化的顆粒通量變動(dòng)范圍更小。綜上所述,在保證輸送床總氣速不變時(shí),增加循環(huán)量應(yīng)該主要增加一次風(fēng)的風(fēng)量,降低二次風(fēng)的比例。改變二次風(fēng)的比例可在一定幅度內(nèi)調(diào)節(jié)顆粒循環(huán)量,但其調(diào)節(jié)能力與選定的二次風(fēng)位置有關(guān),在較低的位置可獲得較大的調(diào)節(jié)幅度。2.1.2床內(nèi)顆粒循環(huán)量分布基于實(shí)驗(yàn)測得的壓力數(shù)據(jù)并根據(jù)式(1)計(jì)算的床內(nèi)表觀顆粒濃度εs的典型軸向分布曲線如圖4所示?？梢娫谳斔蜌馑俳咏?0m·s-1條件下床內(nèi)顆粒流動(dòng)的底部區(qū)域依然存在明顯的高濃段,對應(yīng)的顆粒循環(huán)量趨近400kg·m-2·s-1。圖4的數(shù)據(jù)還表明床下部密相區(qū)主要存在于3m以下,而5m以上的床內(nèi)表觀顆粒濃度隨高度變化很小。2.2最大移動(dòng)床氣速ugm移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)的大小決定了將移動(dòng)床內(nèi)的顆粒床高轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)顆粒從移動(dòng)床進(jìn)入輸送床的動(dòng)力。圖5反映了兩個(gè)返料閥左右室通道面積為0.02、0.04m2條件下,變動(dòng)風(fēng)速Ugm對顆粒循環(huán)量的影響。由圖可見,顆粒循環(huán)量隨移動(dòng)床氣速的增大而增大,說明增大Ugm是提高Gs和增加床內(nèi)顆粒濃度(圖4)的有效方法。但是,為保持移動(dòng)床的料封作用,其風(fēng)速應(yīng)該小于顆粒的最小流化速度。因此,本文的最大移動(dòng)床氣速控制在小于0.11m·s-1(實(shí)驗(yàn)顆粒最小流化風(fēng)速)范圍內(nèi)。圖5同時(shí)比較了實(shí)驗(yàn)測試的顆粒循環(huán)量與利用文獻(xiàn)報(bào)道的飽和夾帶量公式的計(jì)算值?？梢?實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)大于計(jì)算值,說明所實(shí)驗(yàn)的輸送床操作在Gs>G*s的狀態(tài)。此時(shí),輸送床頂部的氣固流動(dòng)一定隨Ugm的增大而增濃,即保持輸送床內(nèi)的氣速Ugp不變,而床上部的顆粒濃度卻明顯增大(圖6表示了6m以上4個(gè)床高位置的表觀顆粒濃度,對應(yīng)圖5中As=0.04m2的Gs數(shù)據(jù))。實(shí)質(zhì)上表明:Ugp不變時(shí),Gs隨Ugm的增加是由于輸送床內(nèi)底部密相流動(dòng)區(qū)域的整體向上移動(dòng),致使更多的床內(nèi)回流顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)镚s的一部分。2.3返料閥的作用關(guān)于返料閥的研究已經(jīng)有文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道,本文只研究了在左室通氣的情況下,通道面積大小與循環(huán)量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,在左室0.15m·s-1的氣速下,通道面積分別為0.02、0.04、0.06m2(As/Af=1.07,2.13,3.20)下的循環(huán)量并沒有明顯的變化。該結(jié)果說明顆粒的循環(huán)不受返料閥控制(只要保證足夠的通道),但通道面積As為0.02m2時(shí)整個(gè)床體的操作更好控制。同時(shí),實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)As太大易導(dǎo)致返料閥向立管的串風(fēng),致使立管的料封功能喪失。因此,返料閥的存在至關(guān)重要。圖8通過關(guān)聯(lián)立管、移動(dòng)床中的顆粒床高隨移動(dòng)床氣速Ugm的變化說明了返料閥的功能(As=0.02m2)。由于返料閥的存在,增大Ugm形成的高Gs致使立管中料高Hsr相應(yīng)增高。而且,立管料高Hsr和移動(dòng)床中料高Hm互補(bǔ)變化,使其總和Ht幾乎保持一個(gè)較為恒定的值,從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)立管對返料閥流化風(fēng)的料封作用。2.4移動(dòng)床及輸送床之間的固結(jié)差異對于普通循環(huán)流化床,系統(tǒng)貯料量Im是影響輸送床流動(dòng)及顆粒循環(huán)量的重要因素。針對本文提出的床型,在保持移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)氣速Ugm=0.05m·s-1的條件下研究了Im對顆粒循環(huán)量的影響,結(jié)果如圖9所示。相比于普通循環(huán)流化床本文所研究的高顆粒通量床受Im的影響小得多。移動(dòng)床的存在使得系統(tǒng)顆粒貯量本身較大,變化單位質(zhì)量的Im對系統(tǒng)的作用強(qiáng)度因此變小。同時(shí),所增加的Im主要表現(xiàn)在增加移動(dòng)床中的顆粒層高度。移動(dòng)床對輸送床產(chǎn)生的流動(dòng)壓降(imposingpressure)又決定于移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速。因此,增加Im而不改變Ugm必然掩蓋Im的影響。上述結(jié)果表明,所研究床型中移動(dòng)床的存在為顆粒的循環(huán)提供了很好的緩沖,使整體系統(tǒng)可穩(wěn)定操作在Im較大的范圍內(nèi),這種特性對實(shí)際操作和控制有著重要意義。3次風(fēng)對輸送床的影響本文通過在提升管下部耦合移動(dòng)床而實(shí)現(xiàn)高顆粒通量的循環(huán)型輸送床系統(tǒng),并研究了該系統(tǒng)的顆粒循環(huán)量隨輸送床氣速、移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速、顆粒貯料量等主要參數(shù)的變化情況,證明了形成底部密相高通量輸送床的可行性,并揭示了操作控制方法。所得到的主要結(jié)論如下。(1)輸送床氣速是影響顆粒循環(huán)量及床內(nèi)顆粒濃度的主要因素,在氣速10m·s-1以下均能在床底部形成明顯的密相流動(dòng)。在氣速9m·s-1時(shí)顆粒循環(huán)量達(dá)到了400kg·m-2·s-1。(2)對輸送床使用二次風(fēng)是在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)顆粒循環(huán)量的有效方法,但二次風(fēng)口應(yīng)盡量設(shè)置在底部密相流動(dòng)區(qū)。保持總氣速不變時(shí),增大二次風(fēng)可降低顆粒循環(huán)量,從而增大底部顆粒濃度。(3)移動(dòng)床的松動(dòng)風(fēng)速是影響輸送床內(nèi)顆粒濃度及顆粒循環(huán)量的另一個(gè)重要因素。通過松動(dòng)風(fēng)而將移動(dòng)床內(nèi)顆粒床產(chǎn)生的壓力傳遞到輸送床,提供增大輸送床內(nèi)顆粒密度和系統(tǒng)循環(huán)量的動(dòng)力。因此,顆粒循環(huán)量和床內(nèi)顆粒濃度隨松動(dòng)風(fēng)速的增大而明顯增加,但松動(dòng)風(fēng)速度應(yīng)該以小于被輸送顆粒的最小流化速度為限,以維持移動(dòng)床的料封功能。(4)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),返料閥左右通道面積對于循環(huán)量的影響不大,當(dāng)As/Af=1.07時(shí)能夠維持料封的穩(wěn)定性,大于1.07則會(huì)造成左室氣體偏流進(jìn)入立管的機(jī)會(huì)變大,破壞料封作用。(5)變化顆粒料貯量對系統(tǒng)循環(huán)量和輸送床內(nèi)顆粒濃度的作用不明顯,因?yàn)橐苿?dòng)床的存在使得輸送床的驅(qū)動(dòng)壓力不僅是顆粒貯料量的函數(shù),更主要受移動(dòng)床松動(dòng)風(fēng)速的控制。符號(hào)說明Af——移動(dòng)床截面積,m2As——返料閥左右室通道面積,m2Aspur——支路立管截面積,m2Gs——顆粒循環(huán)量,kg·m-2·s-1G*s——飽和夾帶量,kg·m-2·s-1Hgs——二次風(fēng)