循环流化床颗粒输送斜管的压力脉动特性

曹晓阳，周发戚，陈　勇，张慧敏，魏志刚，3，魏耀东

(1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249； 2.浙江海洋学院 石化与能源工程学院，浙江 舟山 316000； 3.中国石油 抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113008)



循环流化床颗粒输送斜管的压力脉动特性

曹晓阳1，周发戚1，陈勇2，张慧敏1，魏志刚1，3，魏耀东1

(1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249； 2.浙江海洋学院 石化与能源工程学院，浙江 舟山 316000； 3.中国石油 抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113008)

以循环流化床输送斜管为研究对象，通过改变颗粒质量流率，测量斜管内蝶阀上、下两处的动态压力。结果表明，随着颗粒质量流率增加，蝶阀上、下方颗粒的流动形式均发生变化，斜管内的颗粒流态发生变化，动态压力的波动幅度逐渐增加。蝶阀下方的动态压力标准偏差与颗粒质量流率呈线性关系，能够用于表征循环流化床的颗粒质量流率。压力脉动的小波分析表明，斜管内蝶阀上、下方均存在一个主频，是由于斜管自身的流动结构所致，但蝶阀下方还存在一个次频，是由于气体脉动以及气、固两相的相互作用所致，且次频所占能量随颗粒质量流率增加而降低。斜管下料产生的脉动压力是一种低频压力，是斜管振动的激振源。

循环流化床；斜管；两相流；动态压力；小波分析

斜管是循环流化床颗粒循环回路中的一个关键部件，主要用于输送颗粒返回流化床，同时维持系统的压力平衡。例如,催化裂化装置的再生斜管和待生斜管用于再生器和沉降器之间的待生催化剂和再生催化剂的输送，同时维持再生器的烧焦和提升管反应器的裂化反应过程。到目前为止，针对循环流化床的研究主要集中在流化床和提升管上，考察其气、固两相流的流态及转变条件，建立气、固流动参数的数学模型等，而针对斜管的研究报道非常有限。斜管内的颗粒流动是一种顺重力的下行流动，颗粒受到垂直重力的作用和斜管器壁的约束，会沉积在器壁上，导致斜管内的气、固两相流动的颗粒浓度和颗粒速度在横截面上分布的不均匀性和对称性，气体流动可能是下行也可能是上行，气、固流动比垂直立管的更复杂。卢春喜等[1]将斜管内气、固两相流态划分为黏附滑移流动、过渡流和充气流动。斜管通常连接提升管反应器，结合部位的流动是一个受到关注的区域。Bai等[2]对连接流化床至提升管底部的斜管不同入口结构进行了实验研究，认为斜管上蝶阀的开度变化对提升管施加了不同强弱程度的入口约束；蝶阀开度越小，对入口颗粒流动的阻力越大。Engelandt等[3]实验测量并分析了松动风对提升管Y型35°斜管入口区域的流动的影响。Arastoopour等[4]对水平0°和倾斜45°提升管入口结构的数值模拟结果表明，水平管底部易于产生颗粒的堆积，而45°斜管内颗粒堆积减少，同时颗粒分布更加均匀。斜管的倾角对斜管内的气、固两相流态有很大的影响。O’dea等[5]、Sarkar等[6-7]、Levy等[8]分别对不同倾角斜管内的气、固流动进行了实验研究，考察了斜管内的流态变化，建立了斜管压降的计算模型。斜管内的气、固两相流具有很强的动态特性，表现出压力脉动的变化和流动的不稳定性。这种不稳定性表现为下行颗粒流动形成阵发式股流，使通过斜管截面的颗粒浓度发生周期性的变化，并表现为压力的低频脉动[9-10]。Martin等[11]测量了45°斜管的压力脉动，并建立了颗粒循环流率与压力脉动的标准偏差的关系式，可实现颗粒循环流率的在线测量。

循环流化床的斜管上通常安装控制阀，用以调节颗粒循环量。阀门的开度对斜管内的流态有重要影响，使阀前和阀后的流态存在很大的变化，导致了斜管内流态的多样性和多变性。为此，笔者采用大型循环流化床装置，以45°斜管为研究对象，用流化催化裂化(FCC)平衡催化剂颗粒作为实验物料，通过改变颗粒循环流率，测量不同操作条件下斜管内的动态压力，并观察其内部流态，运用小波分析方法分析斜管内压力脉动特性，探讨压力脉动的特点和组成，提高对斜管内复杂气、固两相流的认识。

1　实验部分

1.1实验物料

FCC平衡催化剂为GeldartA类颗粒，颗粒物性及粒径分布见表1。

表1　实验用FCC平衡催化剂的物性及粒径分布

1.2实验装置与分析仪器

图1为循环流化床实验装置示意图。流化床尺寸为φ800 mm×12000 mm，提升管尺寸为φ200 mm×12500 mm，预提升段尺寸为φ600 mm×1500 mm，斜管尺寸为φ250 mm×1300 mm，斜管倾角45°。为便于观察斜管内的流动状态，采用有机玻璃制造。一级旋风分离器筒体直径为φ400 mm，料腿为φ150 mm×9000 mm，料腿出口为直口结构插入流化床的密相床层内。

图1　循环流化床实验装置

采用英国Gems Sensors Ltd.公司动态压力传感器测量斜管内动态压力，量程0～0.03 MPa，灵敏度20 Pa/mV。测得的压力由压力变送器转换为1～5 V的标准电压信号，用多功能数据采集板采样，采样频率500 Hz，采样时间120 s。斜管上压力测量点示于图2。图2中的C、D两测量点分别距离蝶阀400 mm。

图2　斜管测压点位置

1.3实验方法

如图1所示，催化剂颗粒循环从流化床6经45°颗粒输送斜管16进入提升管下部的预提升器17，预提升器17内提升风携带催化剂颗粒垂直向上通过提升管15，在旋风分离器10内进行气、固分离后，催化剂颗粒通过其下方的料腿7下行返回流化床，从而完成一个循环。通过旋风分离器料腿上的测量床9测量颗粒质量流率，即在稳定操作条件下关闭插板阀，测量一定时间内颗粒堆积量，计算颗粒质量流率。由斜管16上的蝶阀调节颗粒质量流率。颗粒循环流率(Gs)范围为0～140 kg/(m2·s)，提升管入口表观气速(ug)为8.2 m/s。

2　结果与讨论

2.1循环流化床颗粒输送斜管实验现象

实验中随蝶阀开度变化，可观察到斜管内颗粒的流态发生不同的变化，结果示于图3。当蝶阀开度非常小(即催化剂颗粒质量流率较小)时，蝶阀前部的催化剂颗粒会堆满整个斜管，形成移动床流态，颗粒密度接近堆积密度，在斜管的顶部存在向上运动的小气泡，其直径较小但个数较多，蝶阀后部颗粒因重力作用沿斜管底部形成颗粒股流动，如图3(a)所示。随蝶阀开度增大，颗粒质量流率增加，蝶阀前部的颗粒流态与图3(a)相同，但气泡直径变大，气泡频率增加，蝶阀后部沉积在斜管底部的颗粒流所占体积增加，如图3(b)所示。当蝶阀开度继续增大，整个斜管内出现颗粒的分层流动，颗粒沿斜管底部下行流动，斜管顶部是气体通道，气体沿斜管向上运动，如图3(c)所示。当蝶阀开度达到某个值时，颗粒质量流率增到一定值，斜管内颗粒流动表现为满管流化流动，斜管内颗粒浓度均匀，颗粒和气体整体沿斜管向下流动，如图3(d)所示。

2.2循环流化床颗粒输送斜管动态压力

图4为ug=8.2 m/s时，在斜管内蝶阀下方D点处测量的不同颗粒质量流率下的动态压力。从图4 可见，当Gs=0时，斜管内为纯气相，其压力波动的幅值很小，频率较高，此压力脉动属于提升风的脉动，约为0.5 kPa，平均值是提升风的压力7.1 kPa；当加入颗粒后，随Gs增大，动态压力的平均值逐渐增加，压力脉动的波动幅度也逐渐增大。加入颗粒使压力脉动由两种不同成分的脉动叠加而成，一种为脉动频率较高(周期可能为毫秒级)、幅值相对较小的脉动，即高频低幅脉动；另一种是脉动频率较低(周期可达十几秒)、幅值相对较大的脉动，即低频高幅脉动。高频低幅脉动主要是由于气体本身的脉动和颗粒簇的时聚时散产生，而低频高幅脉动由颗粒流动过程不稳定引起，来自蝶阀阀口的排料不稳定。

图3　颗粒和气体在斜管中的流动状态

图4　蝶阀下方D点处测量的不同颗粒质量流率(Gs)下的动态压力

图5为ug=8.2 m/s时，在斜管内蝶阀上方C点处测量的不同颗粒质量流率下的动态压力。从图5 可见，当Gs=0时，由于蝶阀上方堆满催化剂颗粒，压力平均值是9.0 kPa，大于蝶阀下方的压力平均值；随蝶阀开度不断增大，即颗粒质量流率变大，有一定量的气体窜入上行，从而使堆积的颗粒充气形成流化流动，此处的气体主要是从预提升器中窜入斜管的流化气体。压力脉动也是由高频低幅部分和低频高幅部分构成，压力脉动的幅度随着颗粒质量流率增加而增大。

图6为ug=8.2 m/s时，斜管内蝶阀上、下两个测点在不同颗粒质量流率下的压力平均值。从图6 能够看出，随着Gs的增加，阀下压力从小于阀上压力到逐渐转变为大于阀上压力；随着开度的增大，压力逐渐由正压差演变为负压差；转变为负压差后，即Gs超过70 kg/(m2·s)时，动态压力的波动幅度也显著增大，阀下的压力波动相比于阀上增加更为明显(见图4和图5)。

图5　蝶阀上方C点处测量的不同颗粒质量流率(Gs)下的动态压力

图6　斜管内蝶阀上、下两个测点在不同颗粒质量流率下的压力平均值

2.3循环流化床压力脉动的标准偏差分析

(1)

Sd可用于表征压力脉动强度。图7为图4、5所示数据的Sd随Gs的变化。从图7可见，在纯气流条件下，碟阀上、下两个测点的压力脉动的幅值非常小；随Gs增大，两个测点的标准偏差值增加，但增加的幅度不同。当Gs增大到一定程度后，蝶阀下面的压力脉动强度大于上面的压力脉动强度。在实验范围内，蝶阀下方的动态压力标准偏差与颗粒质量流率近似呈线性关系，可以用于表征循环流化床的颗粒质量流率并进行在线监测，与Martin等[11]的实验结果一致。但Martin实验测量的是阀前脉动压力，动态压力标准偏差与颗粒质量流率呈非性线关系，并不利于建立合理的公式来预测颗粒质量流率。由于受到蝶阀的约束作用，阀上颗粒流动的压力脉动强度不能很好地反映管内颗粒质量流率，因此颗粒质量流率与标准偏差并不具有线性关系，而阀下的颗粒由于摆脱了蝶阀的约束，其压力脉动强度能很好地反映斜管内颗粒质量流率，颗粒质量流率与动态压力标准偏差呈线性关系说明，随着Gs的增大，压力脉动强度随着增强。此外，斜管上蝶阀前后的压力随着开度的增大逐渐由正压差演变为负压差。正是由于蝶阀孔口变截面的约束作用，造成了斜管上负压差操作的条件，从而使斜管内排料具有一定的不稳定特性[13]，表现为下料的颗粒流量的阵发性变化。因此，蝶阀下面的压力脉动增加主要是由于蝶阀阀口约束形成负压差的操作条件所致。

图7　斜管内蝶阀上、下两个测点压力的标准偏差(Sd)随颗粒循环流率(Gs)的变化

2.4循环流化床压力脉动的小波分析

小波分析是信号处理的一种方法。小波分析方法中的Daubechies小波由于具有支集紧、正交性的优点[14]，已被应用于流化床压力脉动信号的分析[15-16]。通过对压力信号的Daubechies小波分解误差比较，选用误差相对较小的db5小波基对图4和图5中的动态压力信号进行14层多尺度分解。原始信号被分解成细节信号D1和近似信号A1。近似信号A1再被分解成A2和D2，如此往复进行分解。重构小波的传递是从细节尺度D1到近似尺度D14和A14。细节尺度对应的是原始信号的高频部分，而近似尺度对应的是原始信号的低频部分[17]。本研究中，笔者采用细节能量分率[18-19]表征催化剂颗粒在斜管内的压力脉动特性。

图8为ug=8.2 m/s时，不同颗粒循环流率下蝶阀下方D点处动态压力信号的小波能量百分比。从图8可看出，当Gs=0时，即在纯气体工况下，动态压力信号的小波能量只有一个峰值，即只有一个主频，来自于气体的脉动；当有催化剂颗粒加入时，动态压力信号的小波能量存在两个峰值。较低峰值能量对应的频率为次频，较高峰值能量对应的频率为主频，主、次两个频段均属于低频脉动。次频是D8～D10(0.4883～1.9531 Hz)，由斜管内气、固两相间的相互作用产生，基本不随颗粒质量流率的变化而变化，其小波能量峰值随着颗粒质量流率增加而降低；主频是D12～D13(0.0610～0.2441 Hz)，基本不随颗粒质量流率的变化而变化，其小波能量峰值随颗粒质量流率增加而增大。主频由斜管阀控机制引起的颗粒不稳定下料所产生，随蝶阀开度增大，颗粒质量流率增加，压力脉动强度会逐渐增强，因此其小波能量分率有所加强。

图8　不同颗粒质量流率下蝶阀下方动态压力信号的小波能量百分比

图9为ug=8.2 m/s时，不同颗粒循环质量流率下蝶阀上方C点处动态压力信号的小波能量百分比。图9表明，动态压力信号的小波能量只有一个峰值，即只有一个主频，没有次频，而主频段是D11～D14(0.0305～0.4883 Hz)，随着颗粒质量流率的增大，主频从0.0305 Hz逐渐增大到0.4883 Hz，但是小波能量分率降低。主频主要是斜管阀控机制引起的颗粒不稳定下料所致，随蝶阀开度增大，孔口约束作用减小，因此其小波能量分率有所降低，说明蝶阀形成的孔口排料作用在降低，此主频脉动属低频脉动。

图9　不同颗粒质量流率下蝶阀上方动态压力信号的小波能量百分比

2.5循环流化床颗粒输送斜管压力脉动

输送斜管的动态压力测量和分析结果表明，随着Gs的增加，斜管上两个测点的动态压力波动幅度增大，尤其是阀下的压力脉动幅度增长较显著，最大波动幅值可达1.5 kPa，会造成斜管较大程度的振动，且其振动强度会随着压力的波动幅度的增大而加强。

斜管内颗粒下行流动的不稳定导致了压力脉动，这种压力脉动对工业装置有两方面的影响。一方面是，压力脉动的幅度与颗粒循环流率密切相关，脉动压力的标准偏差Sd与Gs基本呈线性关系，因此，在结构与入口速度一定的条件下，标准偏差Sd是颗粒质量流率Gs的单值函数。通过对脉动压力信号的标准偏差分析可以获得循环流化床内颗粒循环流率数据，用于工业装置运行参数的测量和监视。

另一方面，脉动压力的小波分析表明，阀前、后的主、次两个频段均属于低频脉动。在工业装置中，颗粒输送斜管一般采用柔性设计结构，斜管比较细长，目的是吸收温差产生的应力，结果斜管本身的固有频率比较低。由于斜管下料产生的脉动压力是一种低频压力变化，形成了斜管振动的激振源，易于造成斜管的振动断裂[20-24]。因此，为了防止斜管发生共振响应，应将斜管的固有频率尽量远离斜管下料时脉动压力的主频和次频。可以通过在斜管上增加支撑结构，改变其固有频率或改变操作参数的范围，规避斜管发生共振。

3　结　论

(1)随斜管内颗粒质量流率Gs的增大，蝶阀上方催化剂颗粒流态依次呈现移动床流动，气、固分层流动，满管流化流动；而蝶阀下方的催化剂颗粒态依次为颗粒股流，气、固分层流动，满管流化流动。

(2)随颗粒质量流率Gs的增加，斜管内压力脉动的波动幅度增大，蝶阀下方的动态压力的标准偏差与Gs呈较好的线性关系，可以用压力信号的标准偏差来在线检测循环流化床内的颗粒质量流率。

(3)小波分析表明，斜管内蝶阀上方和下方均存在一个主频，由蝶阀及斜管自身结构引起的压力脉动所致；蝶阀下方还有一个次频，由斜管内气体脉动以及气、固两相的相互作用所致，其小波能量分率随颗粒质量流率的增加而降低。

(4)斜管下料时产生的脉动压力均属于低频压力，是造成斜管振动的激振源。工业中斜管的固有频率比较低，应将斜管的固有频率尽量远离斜管下料时脉动压力的主频和次频。

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Characteristics of Pressure Fluctuations in the Particle-TransportInclined Standpipe of a Circulating Fluidized Bed

CAO Xiaoyang1，ZHOU Faqi1，CHEN Yong2，ZHANG Huimin1，WEI Zhigang1,3，WEI Yaodong1

(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing 102249,China; 2.School of Petrochemical and Energy Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,China; 3.Fushun Petrochemical Company,CNPC,Fushun 113008,China)

In large circulating fluidized bed device,the characteristics of pressure fluctuation in a particle-transport inclined standpipe under different solid circulating flux were investigated based on measuring the dynamic pressure of a gas-solid two-phase flow by using FCC equilibrium catalyst as the particles.The experimental results showed that with increase of particle mass flux,the flow patterns of FCC particles above and below the butterfly valve in the inclined standpipe both successively changed,and the fluctuation amplitude of dynamic pressures increased.The standard deviation of the dynamic pressures below the butterfly valve possessed a linear relation with the particle mass flux,which could be used to characterize the particle mass flux in the inclined standpipe.By wavelet analysis,it is indicated that there existed a main frequency caused by inclined standpipe flow structures in the pressure fluctuations above and below the butterfly valve,besides,there was a secondary frequency in the pressure fluctuation below the butterfly valve caused by gas turbulence and gas-solid interactions.With the increase of particle mass flux,the wavelet energy ratio of the secondary frequency gradually decreased.The fluctuation pressures caused by discharge in the inclined standpipe is a low frequency pressure and the excitation source of inclined standpipe vibration.

circulating fluidized bed；inclined standpipe；two-phase flow; pressure fluctuations；wavelet analysis

2015-09-16

国家自然科学基金项目(21176250)资助

曹晓阳，男，硕士研究生，从事石油化工过程装备方面的研究

魏耀东，男，教授，博士，从事气固分离、流态化及化工过程装备优化等方面的研究；Tel：010-89733939；E-mail:weiyd@cup.edu.cn

1001-8719(2016)05-0913-08

TQ022.3

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.007