加压循环流化床气固流动特性实验研究_气固滑移特性

Abstract： According to the development requirement of pressurized coal combustion，gasification and chemical looping combustion，a coldmodel experimental facility of a pressurized circulating fluidized bed w ith the riser diameter of 0． 068 m and the height of 5． 2 m is built． The slip behaviors of Geldart group B particles w ith the mean diameter of 137 μm and the density of 2 490 kg / m 3 are investigated under different operating pressure （ 0． 1 to 0． 5 M Pa ） ． The experimental results show that both the average slip velocity and the slip factor decrease w ith the increase of the operating pressure under the same pressurized state apparent gas velocity and solid mass flux． The elevating operating pressure does not essentially influence the gassolid slip behaviors in the riser． At the elevated pressure，the significant correlation exists among the average slip velocity ，the pressurized state superficial gas velocity and the apparent solid holdup，w hich is similar to the relativity at the atmospheric condition． The dimensionless slip velocity increases w ith the increase of the apparent solid holdup follow ing the pow er function． In addition， the average slip factor increases exponentially w ith the increase of the dimensionless slip velocity． Key words： gassolid flow ； circulating fluidized bed； pressurized； flow characteristics； gassolid slip 循 环 流 化 床 （ CFB ） 具 有 高 效 的 气 固 接 触 效 率、 优良的传热 / 传质性能、 灵活的颗粒停留时间和 高处理能力等优点， 因而被广泛应用于气固接触反 ［1 ］ ［2 ］ 应的各个领域中， 如煤的燃烧 和气化 、 催化裂
（ 1 Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University ，Nanjing 210096 ，China） （ 2 Energy Technologies Research Institute，University of Nottingham ，Nottingham NG7 2RD ，UK ）
在实验过程中， 来自空气压缩机的压缩空气经 由布风板进入上升管， 将上升管中的颗粒流化后携 带至上升管顶部， 通过 C 形平滑弯头进入惯性分 离器； 大部分颗粒在惯性分离器中被分离进入一级 下降管， 并经由返料装置返回至上升管底部， 其余 未被分离的细颗粒由气体携带至旋风分离器进行 二次分离， 分离出的颗粒由二级 J 形返料器送回上 升管底部， 气体则经过背压阀截流和布袋除尘器净 化后排入大气中． 布袋除尘器中的细颗粒也定期加 入上升管中进行循环．
第3 期
殷上轶， 等： 加压循环流化床气固流动特性实验研究 Ⅱ： 气固滑移特性
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实验系统内部的操作压力 P abs 可通过调节旋 风分离器出口的背压阀开度来控制 ， 操作压力大小 由安装在背压阀上游的压力表读取并换算为绝对 压力． 表观气速由进入上升管的总风量除以床层截 面积获得， 其中总风量为上升管流化风量 （ Q 1 ） 、 返 料器松动 / 流化风量 （ Q 2 ～ Q 5 ） 和加料罐加料风量 （ Q 6 ） 的总和． 气体流量由转子流量计读取， 并进行 压力校核． 操作压力状态下的表观气速被称为状态 表观气速（ U g ， pre ） ； 将不同操作压力下的总风量转 对应的表观气速被 化为一个标准大气压的总风量， 称为标态表观气速 （ U g ， sta ） ． 固体通量由安装在下 降管观察口上方的蝶阀测量， 蝶阀的蝶片上钻有小 孔并覆盖了筛网， 由此可以降低阀门关闭时对系统 压力分布造成的影响， 并保证没有颗粒穿过蝶片． 系统运行稳定后， 迅速关闭阀门， 记录物料在观察 口中下降 20 cm 所用的时间， 换算为上升管中的固 体通量（ G s ） ． 为保证测量准确， 采用多次测量取平 均值的方法． 上升管壁面上每相隔 0． 5 m 留有一个 测压孔， 用于测量上升管截面间的静压差， 差压信 输出信号经 A / D 转换后由 号由差压变送器获取， 计算机采集． 表观颗粒体积分数由上升管相邻截面 间的压差通过下式获得， 即 ΔP g ≈［ ρp εs + ρg， pre （ 1 － ε s） ］ Δz （ 1）
［612 ］ ［7 ］
1
实验系统
加压循环流化床冷态实验系统如图 1 所示． 实
其内部可以承受 0． 5 M Pa 验系统主体由碳钢制成， 以上的绝对压力， 主要包括上升管、 两级下降管、 两 惯性分离器、 旋风分离器以及布袋 级 J 形返料器、 ． ， 除尘器 其中 上升管内径为 68 mm ， 高 5． 2 m ； 一 级下降管内径为 150 mm ， 高 4． 0 m ； 二级下降管内 高 4． 7 m． 为便于观察气固流动现象 径为 50 mm ， 并满足固体通量测量的要求， 在上升管和两级下降 3 200 ～ 300 mm 的有机玻 管上分别开有 个高度为 璃制成的可视窗口．
http： / / journal． seu． edu． cn
442 化
［3 ］
东南大学学报（ 自然科学版） 和合成
［4 ］
第 42 卷
等． 与常压循环流化床相比， 加压循 环流化床具有气固混合均匀、 流化质量好、 化学反 应速率快、 污染物排放低等优点， 有利于工业过程 ， 的大型化发展 已被广泛应用于气固接触反应的实 最为成功的工业实例是加压 际工业生产中． 其中， 循环流化床气固反应器在气相法制备聚烯烃中的 应用． 在煤燃烧利用方面， 瑞典 ABB 公司推出的发 电功率为 360 M W 的 燃 煤 增 压 流 化 床 联 合 循 环 （ PFBCCC ） 发电机组已经投入商业运行． 在煤气 化利用方面， 针对整体煤气化联合循环 （ IGCC ） 电 站对气化技术的要求， 美国南方公司基于 KBR 公 司的催化裂化技术， 建立了发电功率为 285 M W 的加压密相输运床煤气化炉， 其典型运行操作压力 PFBCCC 和 IGCC 已成为国 为 1． 378 M Pa． 目前， 际公认的燃煤联合循环发电的两大主流技术 ． 此 外， 在化学链燃烧方面， 东南大学采用加压高密度 循环流化床作为煤与载氧体燃烧的燃料反应器 ， 以 解决煤燃烧反应与载氧体载氧反应之间速率的匹 配问题． 对气固流动特性的全面认识是成功设计 、 运行 和放大循环流化床系统的前提条件 ． 上升管内的颗 粒分布决定了上升管的压降分布 、 颗粒在上升管中 的停留时间以及气固悬浮体与壁面间的传热特性 ； 上升管内的气固滑移特性则对气固间动量及热量 5］ 对加压循环流 的传递效率产生重要影响． 文献［ 化床上升管内颗粒体积分数分布进行了较为详细 的研究． 目前， 国内外研究者已对加压流化床的气 固流动进行了较为深入的研究
： 气固滑移特性 加压循环流化床气固流动特性实验研究 Ⅱ
殷上轶
1
Βιβλιοθήκη Baidu
金保昇
1
钟文琪
1
陆
勇
1
邵应娟
2
刘
浩
2
（ 1 东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096 ） （ 2 诺丁汉大学能源技术研究所，英国诺丁汉 NG7 2RD ）
摘要： 针对加压煤燃烧、 气化和化学链燃烧的发展需求， 建立了一种上升管内径为 0． 068 m 、 高 5． 2 m 的加压循环流化床冷态实验装置， 研究了不同操作压力 （ 0． 1 ～ 0． 5 M Pa ） 下， 平均粒径为
流化床上升管内气固滑移特性的实验研究则鲜有 报道， 其复杂的气固滑移特性未被揭示， 亟待开展 系统的研究工作． 针对加压循环流化床煤气化和煤化学链燃烧 的发展需求， 本文建立了一种加压循环流化床的冷 态实验装置． 在加压条件下， 研究了 Geldart B 类颗 考察了不同操作压 粒在上升管中的气固流动特性， 力对表观滑移速度和表观滑移因子的影响及气固 滑移特性随表观颗粒体积分数的变化规律 ， 得到滑 为加压循环流 移特性与操作参数间的内在关系式 ， 化床煤气化和煤化学链燃烧热态系统的结构设计 、 运行和优化提供参考． http： / / journal． seu． edu． cn
． 这些研究主要
针对的是压力对流动结构转变 和流化床内传热 ［8 ］ 特性的影响 ． 对于加压流化床内气固流动特性
［6 ］ 直接的实验研 的研究普遍采用量纲分析方法 ， ． 究较少 有限的针对循环流化床上升管内气固滑移
特性的研究大多在常压下进行
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； 针对加压循环
图1 加压循环流化床实验系统图
0922． 作者简介： 殷上轶（ 1985 —） ， bsjin@ seu． edu． cn． 收稿日期： 2011女， 博士生； 金保昇（ 联系人） ， 男， 博士， 教授， 博士生导师， 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51076029 ） 、 国际科技合作资助项目 （ 2010DFA61960 ） ． ． 东南大学学报： 自然科学版， 2012 ， 42 引文格式： 殷上轶， 金保昇， 钟文琪， 等． 加压循环流化床气固流动特性实验研究 Ⅱ： 气固滑移特性［J］ （ 3 ） ： 441446． ［doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2012． 03． 009］
Experimental research of gassolid flow behaviors in pressurized circulating fluidized bed— Ⅱ ： gassolid slip behaviors
Yin Shangyi1 Jin Baosheng 1 Zhong Wenqi1 Lu Yong 1 Shao Yingjuan2 Liu Hao 2
第 42 卷第 3 期 2012 年 5 月
东南大学学报（
自然科学版）
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （ Natural Science Edition）
Vol． 42 No． 3 M ay 2012
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 0505． 2012． 03． 009
3 137 μm 、 密度为 2 490 kg / m 的 Geldart B 类颗粒的气固滑移特性． 实验结果表明， 在固体通量和 状态表观气速一定的情况下， 随操作压力的增加， 上升管内颗粒的表观滑移速度和表观滑移因子
逐渐减小， 但并未对上升管内的气固滑移特性造成本质影响 ． 与常压情况类似， 加压下表观滑移 速度、 状态表观气速和表观颗粒体积分数之间存在显著的相关性 ． 无量纲滑移速度随表观颗粒体 积分数的增加呈幂函数型增加， 表观滑移因子随无量纲滑移速度的增加呈指数型增加 ． 关键词： 气固两相流； 循环流化床； 加压； 流动特性； 气固滑移 中图分类号： TK222 文献标志码： A 044106 文章编号： 1001 － 0505 （ 2012 ） 03-