出口结构对循环流化床提升管内气固流动的约束影响

李 睿，张少峰,2，王德武

（1. 河北工业大学 化工学院，天津 300130； 2. 河北工业大学 海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津 300130）

出口结构对循环流化床提升管内气固流动的约束影响

李 睿1，张少峰1,2，王德武1

（1. 河北工业大学 化工学院，天津 300130； 2. 河北工业大学 海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津 300130）

循环流化床提升管出口结构不同，对提升管内气固流动的约束影响不同，因此所适用的过程及工艺不同。按出口气固转向形式，总体上可分为气固转向型出口和非转向型出口两类，针对研究及应用较多的气固转向型出口，概述了出口结构对提升管内轴、径向流动特性以及颗粒内、外循环强度等参数的影响，总结评述了现有量化分析比较出口结构约束强度的方法，并对未来研究方向进行了展望。

循环流化床；提升管；出口结构；约束影响；气固流动；综述

循环流化床作为一种高效的反应器，具有相间接触面积大、传质传热效率高等优点[1]，在能源、化工、冶金等以气相或颗粒相加工为主的领域得到了广泛的应用[2-4]。提升管是循环流化床内气固接触及反应的主要场所，其中的气固流动性能不仅影响系统操作的稳定性，也影响整个装置效率的高低[5]。为此，以往研究者在颗粒物性、操作条件、装置结构等对提升管内气固流动的影响方面进行了大量的研究，其中有关装置结构影响的研究表明[6-10]，不同的出口结构形式对提升管内气固流动及系统操作的约束影响不同。因此，在实际应用中，针对不同工艺过程特点和要求，往往采用的出口结构不同，如：对于循环流化床锅炉，为了提高煤粉的燃烧时间和燃烧效率，一般采用约束性较强的出口结构以增加颗粒的回流率[11]；而对于石油催化裂化过程，为了降低油气的二次裂化反应，一般采用约束性较弱的出口结构以降低油气返混[12]；也有从出口设备防磨损的角度考虑而采用约束性较强的气垫弯头的形式[13]。

出口结构对提升管内气固流动的影响，研究者将其称为“出口效应”或“端头效应”[14]，其实质是出口结构对出口区气固流动的约束作用及这种约束作用沿提升管轴径向发展的一种体现。出口结构的约束强度不同，提升管内轴径向固含率、颗粒速度、质量流率、气固返混等参数的分布不同，对此，程易等[15]对常见的几种出口结构从定性上对其进行了分类，将其划分为强约束出口、中等约束出口、弱约束出口及最弱约束出口。这种定性上的划分，对于同一种出口结构，在不同操作条件下所表现出来的约束特性，就无法直接进行比较，因此，一些研究者针对出口结构的约束影响，结合这种影响所引起的提升管内气固流动参数的变化规律，建立了一些定量分析的方法。本文从实验研究及工业应用中常见的几种出口结构出发，概述了出口结构对提升管内轴、径向气固流动的影响，以及出口结构对提升管内、外颗粒循环强度的影响，同时，也对前人用于定量分析出口结构约束强度所建立的一些方法进行了概括和评述，以期为工业应用或实验研究中提升管出口结构的选择与装置调控提供参考。

1 提升管出口结构形式

提升管出口结构按气固流动形式可归结为两类：一是气固转向型出口结构，如T型出口（包括其相关改进形式）[6-8,16-18]、L型出口（包括其相关改进形式）[6,7,13,19]、C型出口（包括其相关改进形式）[20-22]，这类出口结构在以往研究及应用中报道较多；二是气固非转向型的出口结构，如“气固分布器+流化床层”形式的出口[23]，这类出口结构主要用在提升管与其它床型串联组合的装置上[24-27]。对于以上出口结构的几何形式如表1所示。

本文主要基于第一类出口结构的约束影响进行相关对比及论述。

表1 提升管出口结构示意图Table 1 Schematic diagram of riser outlet structure

2 出口结构对提升管内气固流动特性的影响

出口结构对提升管内气固流动特性的影响，主要体现在流动参数曲线的轴、径向分布形态及量值大小两方面。在提升管内各种流动参数中，固含率是具有代表性且相对容易获得的流动特性参数之一，故本节以不同出口结构下的固含率轴、径向分布特性为例进行分析说明。

2.1 出口结构对提升管内轴向流动特性的影响

对于C型出口结构，当提升管较高，气固流动能够达到充分发展的情况下，Bai和Kato[28,29]在综合了大量文献数据和自己实验数据的基础上认为，随着颗粒循环强度由小到大逐渐增加，固含率沿轴向依次会呈现直线型、指数型和S型的分布特征，此后再继续增大颗粒循环强度，将只造成底部密相高度增加，并不影响床层底部与顶部的固含率。对于L型、T型出口结构，Jin[7]的研究表明，在表观气速小于3 m/s的情况下，出口结构对提升管轴向流动影响较小；而 Suneel[30]进一步研究认为，随着表观气速和颗粒循环强度增加，出口约束影响将逐渐明显，出口影响区内固含率增大，影响区以外固含率基本不变，此时固含率轴向分布呈顶部大、底部小的特征，若此时继续增大颗粒循环强度，出口影响区范围逐渐向下拓展，同时伴随提升管底部固含率增大，中间固含率基本不变，固含率轴向分布发展为两端大、中间小的C型分布特征，若再进一步增大循环强度，则在保持C型分布特征的情况下，整个轴向固含率都将增加。在操作条件相同的情况下，金燕等[13]比较了C型、L型、T型出口结构的约束强度认为，C型出口无明显约束作用，T型出口较L型出口约束影响更明显，表现为出口影响区长度及影响区内同一位置固含率增加幅度更大。以上关于不同出口结构下的轴向流动特性对比可参见图1。

图1 不同出口结构下固含率轴向分布特征的比较Fig.1 Comparison of axial distributions of solids holdup under different outlet structures

以上研究结论主要基于循环强度相对较低的操作条件，而Pärssinen等[31]在颗粒循环强度较高时（G≥400 kg/（m2·s））研究发现，对于C型出口结构，提升管出口区域也存在明显的约束效应，提升管内固含率沿轴向在接近出口的区域仍然会出现明显的增大现象。

2.2 出口结构对提升管内径向流动特性的影响

出口结构对于径向流动特性的影响主要体现在靠近出口的区域，其中气固出口转向形式主要影响固含率径向分布曲线的形态，而出口约束强度主要影响固含率量值的大小。对于各类出口结构，整体上，固含率径向分布仍然表现为中心区小、边壁区大的环-核型分布特征[32]。对比C型、L型、T型出口结构，在操作条件相同的情况下，在出口影响区内同一高度截面上，固含率径向分布仅在量值上依C型、L型、T型出口的次序而有所增大，且在核心区，固含率增大的幅度要小于环形区，具体可参见图2。

图2 不同出口结构下固含率径向分布特征的比较Fig.2 Comparison of radial distributions of solids holdup under different outlet structures

与C型、L型、T型等气固转向型出口相比，王德武等[33]采用“气固分布器+流化床层”形式的非转向型出口结构研究结果表明，在出口约束阻力较大的情况下，受倒锥形气固分布器结构影响，提升管扩径位置下方会存在一段固含率最大值出现在无因次半径0.7附近的区域，而整体上的环-核分布特性基本不变。对于出口影响区内同一截面的周向不同径向位置，Wu Xuezhi等[34]采用数值模拟的方法对C型和T型出口结构进行了对比研究，结果表明，C型出口的约束性相对较弱，周向不同径向位置上固含率基本呈对称分布，而T型出口受其强约束性的影响，同一截面周向不同径向位置上的固含率分布并不对称。而Yan Aijie等[35]采用C型出口在颗粒循环强度较高的条件下得到的结果与低循环强度时不同，其研究结果显示，在接近出口的截面上，在垂直于气固转向出口方向的径向位置，固含率径向上大小呈对称分布，而在平行于气固转向出口方向的径向位置，固含率径向分布并不对称，其主要体现在边壁环形区内，在远离气固转向的一端，边壁环形区内固含率相对较大。

3 出口结构对提升管内、外颗粒循环强度的影响

出口结构及其约束作用会对提升管内特别是出口区颗粒内循环强度（内循环强度也称下行颗粒循环强度）产生影响，金燕等[14]研究比较了C型和T型出口对提升管内局部颗粒循环强度的影响，结果表明，在相同的操作条件下，C型出口结构由于其约束作用较弱，对颗粒内循环强度无明显影响，而T型出口结构会显著增大出口边壁区域的颗粒内循环强度，从而在远离饱和夹带的条件下就能够得到只有在接近饱和夹带时才能得到的下降颗粒流。安恩科等[17,36,37]通过实验进一步考察了 T型出口的凸起高度和床顶结构型式对内循环颗粒回流长度的影响，结果表明，在一定的表观气速和颗粒外循环强度下，采用平床顶时，凸起高度越高，颗粒回流长度越长，当高度超过一定值以后，回流长度基本不再变化；采用斜床顶时，由于受床顶导流作用，内循环颗粒回流长度较平床顶结构增加。Van等[38]通过研究T型和L型出口对出口区截面局部颗粒循环强度的影响发现，在垂直于气固转向出口的方向上，颗粒内循环强度基本呈对称分布，而在平行于气固转向出口的方向上，颗粒内循环强度并不对称(图3)。

图3 不同出口结构下提升管所能达到的最大颗粒外循环强度的比较Fig.3 Comparison of the largest particles outer circulation strength under different outlet structures

为了在提升管内实现高密度、高循环强度操作，一些研究者还考察了提升管出口结构对颗粒外循环强度的影响。

Wang Xueyao等[39]和Kim等[40]分别研究了低密度和高密度操作下，不同出口结构的提升管所能达到的最大颗粒外循环强度，尽管在低密度与高密度操作时所能达到的最大颗粒外循环强度差别较大，但是其研究结果均表明，在其它条件相同的情况下，随着表观气速增加，提升管内所能实现的最大颗粒外循环强度均增加，但对于不同出口结构，在相同表观气速下所能达到的最大颗粒外循环强度却明显不同，其值依C型、L型、T型出口的次序而降低（如图3所示），这也表明出口约束作用越弱，对建立高密度、高循环强度操作越有利。

4 出口结构对提升管内、外颗粒循环

对于常见的C型、L型、T型出口结构，在操作条件及装置主体结构相同的情况下，其约束强度可从定性上归结为依C型、L型、T型出口的次序增大，而在实际操作中，各类出口的约束强弱就不能仅从几何结构上加以分析比较，还应考虑提升管内操作条件等的影响。对此，一些研究者分别从不同角度定义了反映约束影响的参数，如表2所示。归结起来，各参数定义主要基于以下四个方面：

（Ⅰ）出口约束强度不同，出口影响区的范围（主要指出口以下轴向上的距离）不同；

（Ⅱ）出口约束强度不同，出口影响区内下行颗粒循环强度不同；

（Ⅲ）出口约束强度不同，出口影响区内颗粒速度滑落系数不同；

（Ⅳ）出口约束强度不同，出口影响区内固含率或颗粒速度值较无约束时的差别不同。

表2 出口结构约束强度的量化分析比较方法Table 2 A quantitative analysis on constraint strength of outlet structure

表2列出的几种方法均是从出口约束所导致的流动现象出发，参数定义式中基本或部分包含了装置结构、颗粒物性、操作条件或受其影响的流动参数，在一定范围内能够定量反应出口结构约束影响的强弱；但也应注意到，各式在导出上还是以经验关联为主，同时，因公式中部分参数测量困难，在取值上还存在一定的假定或简化，因此使用范围有一定的限制。第（Ⅰ）类方法中，Jin的参数主要考虑了表观气速的影响，在提升管高度和颗粒循环强度差别较大时，从参数量值上直接比较约束强度会存在较大误差；Harris的参数综合考虑了提升管高度及操作条件的影响，但当提升管高度差别较大时，从参数量值上直接比较约束强度会存在较大误差；第（Ⅱ）类方法中，Van的方法在操作条件相同的情况下，不同出口结构的约束强度可依此进行比较，但同一结构在表观气速差异较大时会存在误差；Senior的方法综合考虑了上下行颗粒的运动情况，但是由于下行颗粒速度测量困难，在计算时将其定为一个定值，因此在不同的操作条件下，同一出口的约束强度会存在较大误差；第（Ⅲ）类方法中，Patience和Harris的经验关联式都是基于其他研究者的数据进行分析回归得出的，不适宜大循环量（G≥400 kg/（m2·s））的预测比较；Gupta的经验关联式虽然对不同类型颗粒进行了细分，但是此经验关联式涉及到有作用的参数比较多，在计算的过程中容易导致结果的数量级出现问题；第（Ⅳ）类方法中，Wang的参数需要对无约束时的截面平均固含率进行理论计算，无法通过实验进行测量。综合分析可见，对于循环流化床提升管结构约束强度的量化分析，还需要进一步挖掘出口结构的约束影响机制，结合多相流理论，建立适用性更广的理论模型。

5 结 论

循环流化床提升管出口结构不同，对提升管内气固流动的约束影响不同，因此所适用的过程及工艺不同。在相同条件下，不同出口结构的提升管内轴、径向流动特性参数曲线分布形态和量值不同，在出口结构约束强度较大的情况下，会造成出口区域固含率增大、颗粒速度降低、颗粒内循环强度增加，也会使系统所能达到的最大外循环强度降低。同时，出口结构的约束强度也受操作条件影响，研究者们分别基于存在出口影响区、颗粒内循环强度增强、颗粒速度滑落系数降低、固含率增加等现象，耦合操作条件建立了量化分析出口约束强度的方法。但综合循环流化床的已有研究结果可见，其很多理论及认识都是基于弱约束出口或忽略了出口结构约束影响下得到的，因此，关于出口结构及其约束的影响，未来还应在以下几方面进行深入研究：（1）探索气体提升与出口约束间的协同作用关系，深入挖掘出口结构约束的理论机制，开发强化或降低出口约束影响的结构或方法；（2）结合多相流理论，建立更为合理且广泛适用的量化分析比较约束强度的方法；（3）针对建立高密度、高循环强度操作体系，设计更为合理的出口结构，并探索其影响机制；（4）探索出口结构对反应、传质、传热等方面的影响。

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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

国家自然科学基金项目，项目号：21106028；河北省自然科学基金，项目号：B2013202125。

2015-01-23

李睿（1989-），男，甘肃张掖人，硕士研究生，2015年毕业于河北工业大学化工过程机械专业，研究方向：化工过程多相流。E-mail：liruihebut@163.com。

王德武（1980-），男，副教授，博士，2009年毕业于中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，研究方向为流态化技术及多相流反应工程。E-mail：wangdewu211@163.com。