高通量循环流化床提升管内Geldart B类颗粒团聚特性研究

邵珠海, 常 剑, 陈宏刚, 张 锴



高通量循环流化床提升管内Geldart B类颗粒团聚特性研究

邵珠海, 常 剑, 陈宏刚, 张 锴

(华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心, 北京102206)

在内径60 mm、高5.5 m的循环流化床提升管实验装置上，基于光纤探针所测颗粒浓度信号、采用小波分解方法，研究了高通量操作条件下Geldart B类颗粒(石英砂)的团聚特性(团聚物颗粒浓度、持续时间和频率等)。研究表明，团聚物在提升管轴径向分布不均匀，且与操作条件密切相关。在提升管中心区域，团聚物颗粒浓度小，持续时间短，出现频率较高；而在边壁区域则相反。团聚物颗粒浓度和持续时间随循环量的增加而增加，随气速的增加而减小；聚团频率的变化趋势相反，且在低气速下随着循环量的增加先增加后减小。

高通量；提升管；Geldart B 颗粒；团聚物；小波分解

1 引 言

循环流化床以其高效的气固混合、传热和传质等优点被广泛应用于化工、能源和医药等工业领域。近年来，高通量循环流化床日益得到研究者的关注。针对高通量操作条件下提升管内气固两相宏观流动特性，众多学者进行了研究，但对提升管内微观流动结构特别是颗粒团聚特性的认识有待进一步深入[1~5]。

针对循环流化床提升管内固体颗粒的团聚特性，国内外研究者采用多种现代测试技术，如多普勒速度仪、高速摄像和光纤探针等，进行了测试与分析。刘新华等[6]采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)考察了操作条件对颗粒团聚物性质的影响；Breault等[7]采用激光多普勒速度仪研究了Geldart D类颗粒的团聚行为，认为团聚物至少包含6个单颗粒；Xu和Zhu[8]采用高速摄像和光纤探针相结合的方法对Geldart A类颗粒的团聚特性进行了研究；漆小波等[9]、Chew等[10]和曾鑫等[11]采用光纤探针对提升管内团聚物变化规律进行了研究。此外，关于提升管内Geldart A类颗粒团聚特性的研究较多，而对高通量提升管内Geldart B类颗粒团聚特性的研究较少，有待进一步深入。

从测量技术所得信号中识别出团聚物，是进一步研究团聚物特性的前提。目前辨识颗粒团聚物的方法主要有三种，即阈值法、中位数方法和波分解方法。Soong等[12]指出团聚物颗粒浓度要明显高于当地的局部平均颗粒浓度，且团聚物颗粒浓度大于局部时均颗粒浓度3倍的标准差，即阈值为：(=3)。阈值法为不少研究者所采用，但如何确定的取值是该方法的关键，如Soong等[12]选取为3，刘新华等[6]和Sharma等[13]设定为2，Manyele等[14]根据不同情况将设定在1.0~1.4。由于光纤探针信号为非正态分布且不稳定，Guenther等[15]认为使用阈值识别团聚物的方法不妥，进而提出了小波分析结合中位数的方法。曾鑫等[11]采用该方法分析了团聚物出现频率和持续时间的变化规律，并考察了操作条件对团聚物特性的影响；但中位数方法随机性大，可信度有待提高。鉴于阈值方法和中位数方法的局限，Ren等[16]引用波分解方法识别、分析气固两相流体系颗粒团聚现象。Chew等[10]和Yang等[17]采用小波分解的方法对提升管内颗粒团聚特性进行了研究分析，得到了较好的结果。对比上述三种方法可知，阈值法需要人为设定识别团聚物的阈值，中位数法则以中位数作为阈值，而小波分解法基于固含率变化曲线分解得到阈值，能有效消除人为因素和随机性。

本文采用光纤探针测量高通量操作条件下提升管内Geldart B类颗粒(石英砂)的流动特性，并进一步采用小波分解方法将固含率信号进行分解与分析。在准确识别颗粒团聚物的基础上，对团聚物特性的轴径向分布以及操作条件的影响进行研究，以期为高通量循环流化床的设计与应用提供基础数据和指导。

2 实验装置与方法

2.1 实验装置

实验装置如图1所示，该循环流化床主要由提升管、旋风分离器、伴床以及测量桶等组成，其中提升管内径为60 mm，高度为5 m。

图1 循环流化床实验装置

实验物料为石英砂颗粒，颗粒密度为2659 kg×m-3，堆积密度为1500 kg×m-3，平均粒径为149 μm，属Geldart B类颗粒，颗粒尺寸分布详见图2；流化介质为室温空气，密度为1.2 kg×m-3，运动黏度为15.610-6m2×s-1。表观气速范围为3~8 m×s-1，固体循环流率为200~1000 kg×m-2×s-1。

图2 石英砂粒径分布

提升管内瞬时固含率采用中科院过程所研制的PV-5A型光纤探针进行测量。实验中自提升管底部到顶部出口共取6个测点，轴向高度分别为1.1、1.9、2.7、3.3、4.1和5 m，并且每个轴向高度上各取5个径向位置，即/为0.3、0.5、0.7、0.9和1(其中为测量点距离中心轴线的长度，为提升管半径)。光纤探针采样频率为5000 Hz，为减少实验误差，多次采样取均值作为研究数据。

图3 不同分解层数下团聚物特性

2.2 数据处理

2.2.1 团聚物的识别方法

前已述及，较之于阈值法和中位数法，小波分解方法能更有效地识别团聚物。小波分解方法是采用小波分解将原始信号划分为“近似分量A”和“细节分量D”。其中近似分量A与介尺度的颗粒团聚物密切相关。近似分量A逐级滤波分解，当相邻近似信号基本保持不变时，即可作判定团聚物的阈值。

本文采用Matlab小波分析工具箱对颗粒浓度信号进行处理。由图3可知，随着分解层数增加，团聚物特性参数的变化趋于平缓，且分解至12和13级时的团聚物特性参数趋于平稳，表明在11和12级的近似信号已将介尺度部分排除；同时结合Yang和Leu[17]的研究，将近似信号A11作为识别团聚物的阈值。

2.2.2 团聚物特征参数

团聚物浓度、出现频率和持续时间是表征团聚物的重要参数。

3 实验结果与讨论

3.1 团聚物浓度的径向分布规律

3.1.1 团聚物浓度的径向分布

图4为不同提升管高度处团聚物颗粒浓度的径向分布。由图可知，团聚物颗粒浓度的径向分布存在明显的不均匀性，从提升管中心到边壁处，团聚物浓度持续增大。团聚物颗粒浓度的径向分布与提升管内固含率的径向分布密切相关。研究表明[1]，提升管内固含率呈现中心稀、边壁浓的分布。中心区域颗粒浓度较低，颗粒间接触碰撞较少，团聚物浓度低；边壁处颗粒浓度较高，颗粒接触碰撞频繁；且壁面处风速较低，剪切力较小，固体颗粒更容易发生团聚，故而团聚物浓度较大。

图4 不同轴向高度下团聚物浓度的径向分布

3.1.2 循环量的影响

固体颗粒循环量是影响团聚物浓度的重要因素之一，循环量对团聚物浓度径向分布的影响如图5所示。由图可知，随着循环量的增加，团聚物浓度相应增加，且边壁处循环量对团聚物浓度的影响要大于中心处。如在提升管高度1.1 m位置处，循环量从200到1000 kg×m-2s-1时，中心区域团聚物浓度从0.05增加到0.09，而在边壁处则从0.17增加到0.38。这是因为表观气速一定时，气体的夹带能力基本不变；而循环量增加，使得提升管各径向位置的固含率增加，颗粒间的碰撞频率增加、提高了团聚的发生，故而团聚物浓度相应增加。

图5 不同循环量下团聚物浓度的径向分布

3.1.3 表观气速的影响

表观气速对团聚物浓度径向分布的影响如图6所示。

图6 不同气速下团聚物浓度的径向分布

由图可知，表观气速增加时，团聚物浓度降低。这是由于循环量不变而表观气速增加，气体的有效携带能力增加，更多颗粒被夹带上升，使得局部颗粒浓度降低，从而形成团聚物的机会降低；同时，气速增加，剪切力增加，会破碎团聚物，进而降低团聚物浓度；这与Manyele等[14]的结论相符。

图7 不同轴向高度处频率的径向分布

3.2 频率的径向分布规律

3.2.1 频率的径向分布

图7为不同轴向高度处团聚物频率的径向分布。团聚物频率在中心区域大而在边壁区域小，如高度2.7 m处，在中心区域(/=0.3)，团聚物频率为26 Hz，而边壁区域处为10 Hz。这是因为中心区域气速较高，剪切力较大，使大尺寸的团聚物破碎成较小的团聚物，从而加大团聚物的出现频率；而边壁区域，由于壁面效应的影响，使得局部颗粒浓度增加，易发生颗粒团聚，并且小尺寸团聚物不断聚合形成大尺寸团聚物，故团聚物频率反而降低。本研究与曾鑫等[11]的实验结果相似，但又有不同。曾鑫等[11]发现在径向位置/= 0.8处，频率显著下降，而本文并未发现这种现象，这可能与实验中提升管内径有关，曾鑫等实验中提升管内径为102 mm，本实验提升管内径为60 mm，相比较本实验提升管边壁的影响更大。

3.2.2 循环量的影响

循环量对团聚物频率的影响略为复杂。由图8可知，气速5 m×s-1、循环量从200到800 kg×m-2s-1时，局部颗粒浓度增加，相同位置处团聚物频率持续增加。值得注意的是，当循环量增加到1000 kg×m-2s-1时，提升管高度1.1 m位置处团聚物频率又有所下降，而其他位置处并未出现这种现象。当循环量达到1000 kg×m-2s-1时，提升管底部局部颗粒浓度过大，使团聚物的尺寸增加形成大尺寸团聚物，降低了频率，而在其他高度处，颗粒浓度较低且分布较均匀，故未发生此种现象。

图8 不同循环量下团聚物频率的径向分布

3.2.3 表观气速的影响

图9为不同气速下，团聚物频率的径向分布曲线。从图可以看出，表观气速从5 m×s-1增加到8 m×s-1时，团聚物频率均有所增加，与文献[17]结论一致。气速增大，携带的团聚物速度增加，同时大尺寸团聚物破碎成小尺寸团聚物，故而在一定时间内通过探针端部的团聚物增加。

图9 不同气速下因聚物频率的径向分布

3.3 持续时间的径向分布规律

3.3.1 持续时间的径向分布

持续时间是指提升管内颗粒团聚物存在的平均时间，在一定程度上表征了团聚物的尺寸。持续时间的长短与团聚物尺寸和速度密切相关，团聚物的垂直尺寸大，速度慢，则持续时间越长。图10为不同轴向高度处，持续时间的径向分布曲线。

图10 不同轴向高度处持续时间的径向分布

由图可知，团聚物持续时间随着径向位置的增加而持续增加，且在近壁区壁面附近增长幅度远大于中心区域。如在1.1 m处，团聚物持续时间在中心区域为0.018 s，而在边壁区域增加到了0.05 s。在中心区域，局部颗粒浓度低，所形成的团聚物尺寸较小，且该区域气速高，团聚物速度快，通过检测区域的时间短，故持续时间短；而在边壁处，壁面效应的影响易使壁面附近形成大尺寸团聚物，且团聚物上升速度较慢，故持续时间长。Manyele等[14]、曾鑫等[11]所得持续时间的范围为2~40 ms，Wei等[18]所得范围为5 ~70 ms，本实验所得结果为10~50 ms，与前人结果基本一致。

3.3.2 循环量的影响

较之于团聚物颗粒浓度和频率，循环量对团聚物持续时间的影响相对要小一些。由图11可知，在提升管轴向高度1.1 m位置处，循环量从200变化到1000 kg×m-2s-1，提升管中心区域(/=0.3)处持续时间在0.15 s左右，而在边壁区域(/=1)处为0.035~0.1 s。即持续时间随循环量的增加而增大且在边壁附近尤为显著，这与文献[11]结论相符。循环量增加，使得各截面各径向位置的颗粒浓度增加，更易于形成较大尺寸的颗粒团聚物，故持续时间整体上有所增大；在边壁区域，循环量增加会使颗粒浓度明显增加；同时，壁面效应使颗粒团聚更为剧烈，会产生更大尺寸的团聚物，致使团聚物持续时间增加。

图11 不同循环量下持续时间的径向分布

3.3.3 表观气速的影响

表观气速对持续时间的作用与循环量的影响相反，气速增加，提升管内颗粒浓度降低，形成团聚物尺寸较小；且团聚物速度增加，从而持续时间缩短，如图12所示。还可发现在提升管高度4.1 m、循环量600 kg×m-2×s-1条件下，当风速从5 m×s-1升高到8 m×s-1时，提升管中心区域团聚物持续时间在0.0175 s左右，而在边壁区团聚物持续时间从0.037 s降至0.03 s。这可能是由于在中心区域，团聚物本身的尺寸就小，风速对尺寸影响不大，增加风速，会使团聚物向上移动速度增加，持续时间略微减小；而在边壁处却不同，风速低时团聚物尺寸大，运动速度慢，风速增大使团聚物尺寸减小，从而团聚物持续时间减小。

图12 不同气速下持续时间的径向分布

4 结 论

(1)团聚物浓度在提升管径向上分布不均，从中心区域到边壁处，团聚物浓度持续增加；团聚物颗粒浓度与局部颗粒浓度关系密切，循环量增加、表观气速降低均使得团聚物颗粒浓度增加。

(2) 团聚物频率中心区域高、边壁区域低；提升管中上部，团聚物频率随循环量的增加而增加；而在提升管底部，团聚物频率随循环量的增加先增加后减小；表观气速增加，团聚物频率增加；

(3) 团聚物持续时间随着径向位置的增加而持续增加，且壁面附近增幅远大于中心区域；循环量增加，团聚物持续时间增加；表观气速增大，持续时间减小，在边壁处的现象更为明显。

符号说明：

¾团聚物频率，Hz¾第i个团聚物持续时间，s ¾团聚物总个数，个下标 ¾第i个团聚物的浓度SC¾团聚物 ¾团聚物颗粒浓度i¾团聚物出现的个数 ¾团聚物持续时间，s

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Cluster Properties of Geldart B Particles in a High-Flux Circulating Fluidized Bed Riser

SHAO Zhu-hai, CHANG Jian, CHEN Hong-gang, ZHANG Kai

(National Thermal Power Engineering & Technology Research Center，North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Cluster properties including cluster concentration, duration time and frequency of Geldart B groups (silica sand) were experimentally investigated in a high-flux CFB (circulating fluidized bed) riser (60 mm ID and 5.5 m height) using wavelet decomposition of solid concentration signal measured by a fiber optic probe. The results indicate that the distribution of particle clusters is non-uniform inside the riser, which depends on operating conditions and riser position. The riser center region shows lower cluster concentration, shorter duration time and higher frequency. However, the near-wall zone exhibits the opposite feature. The cluster concentration and duration time increase with the increase of the solid circulation rate but decrease with the increase of the superficial gas velocity. The cluster frequency shows the opposite tendency, which increases first and then decreases with the increase of the solid circulation rate at low gas velocities.

high-flux; riser; Geldart B; particle cluster; wavelet decomposition

1003-9015(2016)05-1127-07

TQ021

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.020

2015-10-30；

2016-02-22。

国家自然科学基金(51476085，91434120)。

邵珠海(1989-)，男，山东定陶人，华北电力大学硕士生。通讯联系人：陈宏刚，E-mail：hgchen@ncepu.edu.cn