焦炭颗粒在循环流化床提升管中的浓度分布

程文嘉，燕兰玲，刘梦溪，卢春喜

（1. 中国石油 辽河石化公司，辽宁 盘锦 1 2 4 0 0 0；2. 中国石油大学（北京） 化学工程学院，北京 1 0 2 2 0 0）

焦炭颗粒在循环流化床提升管中的浓度分布

程文嘉1，燕兰玲1，刘梦溪2，卢春喜2

（1. 中国石油 辽河石化公司，辽宁 盘锦 1 2 4 0 0 0；2. 中国石油大学（北京） 化学工程学院，北京 1 0 2 2 0 0）

在冷态提升管装置和热态工业循环流化床装置上，考察了表观气速和焦炭颗粒循环速率对提升管中部稳定区颗粒含率的影响。研究结果表明，冷态条件下焦炭颗粒循环速率较低（20～250 kg/（m2·s）），提升管稳定区的颗粒含率小于0.12，且相同循环速率下，颗粒含率随表观气速的增大而减小；热态条件下焦炭颗粒循环速率较高（200～450 kg/（m2·s）），在表观气速为10.50～13.20 m/s时，提升管稳定区颗粒含率小于0.35，并回归出冷热态条件下颗粒含率和极限颗粒含率的关联式。对冷热态相同表观气速和颗粒循环速率条件下的颗粒含率进行比较，工业装置的颗粒含率大于冷态实验的颗粒含率。

循环流化床；颗粒含率；焦炭颗粒

提升管反应器作为近似平推流反应器应用于FCC中［1］，国内对颗粒在提升管中浓度分布的普遍性规律的研究较全面。Bai等［2］系统研究了表观气速和颗粒循环速率对空隙率轴向分布的影响，得出同一种颗粒，在一定表观气速下，随着颗粒循环速率的提高，提升管各截面上平均空隙率均逐渐减小；当在固定循环速率下提高操作气速时，轴向空隙率分布趋于均匀，并得到了颗粒含率的普遍关联式［3］。Bai等［2］在3 m高的冷态提升管中得到预测FCC颗粒含率的普遍关联式；Li等［4］在8 m高的冷态提升管中分别得到预测特矿石、氧化铝、黄铁矿和FCC颗粒含率的普遍关联式。虽然通过提升管轴向分布的普遍规律和颗粒含率的普遍关联式能够对颗粒的各种轴向分布进行较完整的描述和说明，但对于以焦炭颗粒作为流化颗粒的工业装置却没有一套详细准确的数据，只能采用现有文献中的数据和关联式，对工程设计和生产有误导作用。

本工作研究了表观气速和颗粒循环速率对焦炭颗粒在提升管中部稳定区颗粒含率的影响，并将冷态实验数据和工业装置数据进行对比分析，建立了冷热态颗粒含率的关联式，为工程设计和生产指导提供较准确的依据，同时为焦炭颗粒的冷态实验与热态实验的关联提供经验数据。

1 实验部分

1.1 冷态实验装置

冷态实验装置流程见图1。装置的提升管内径100 mm、高12 000 mm，伴床下部内径286 mm、高2 000 mm，上部内径476 mm、高7 000 mm。空气经由风机（1）压缩后经缓冲罐（2）、转子流量计（3）计量后，分两路进入装置：一路通入伴床（8）底部，对床内物料进行流化；另一路从提升管底部进入提升管（5），对物料进行提升，使气固混合物向上运动，提升管顶部设有旋风分离器（6）进行气固分离，分离后的固体颗粒沿下料立管进入伴床（8），然后沿循环管（10）返回提升管底部预提升段（4），构成固体颗粒的循环，气体则经过滤袋（11）除尘净化后放空。伴床顶部设有两级旋风分离器（7），分离后的固体经旋风料腿返回伴床（8），气体经布袋除尘后排入大气，伴床中的固体物料作为提升管的供料仓。

图1 冷态实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the cold experimental equipment.

冷态实验使用的焦炭颗粒的体积平均粒径为468 mm，休止角为46°，真密度为1 130.9 kg/m3，堆积密度为1 021.3 kg/m3。焦炭颗粒的粒径采用马尔文公司的马尔文-2000型激光粒度分析仪分析；焦炭颗粒的真密度、堆积密度及休止角采用宁波江北瑞柯伟业仪器有限公司的MT-1001型多功能粉体物性测量仪测定。

提升管内的表观气速为4.34，5.79，7.24，8.68，10.13，11.58 m/s。

1.2 工业装置

工业循环流化床装置示意图见图2。

图2 工业循环流化床装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the industrial circulating fluidized bed.

该工业装置由燃烧器和反应器两部分组成，为高低并列式结构。焦炭颗粒通过气力输送由焦炭破碎单元加入燃烧器（5），在燃烧器内燃烧流化，为反应提供原料和热量来源；焦炭颗粒经过热焦循环管线（15）进入预提升段（14）整流，使焦炭颗粒以活塞流的形式进入提升管（12）内流动，进入提升管的焦炭与由喷嘴（13）喷出的原料反应；在提升管的出口处有一个大孔分布板（10），焦炭颗粒均匀分布于反应床层（9），进一步与未反应完全的原料反应；生成的气体产物夹带着少量焦炭颗粒进入稀相，通过一个旋风分离器（7）将焦炭颗粒分离下来，焦炭颗粒经过料腿返回反应床层，气体产物进入后续的精制系统；反应完的焦炭颗粒在重力作用下进入气提段（11），将焦炭颗粒夹带的工艺产品气提出来，气提后的焦炭颗粒经过冷焦循环管线（6）返回燃烧器。

主风经由辅助燃烧室（1）和主风分布管（2）进入燃烧器中，燃烧产生的烟气经由烟道（4）进入外部旋风分离器（3），回收烟气中的焦炭颗粒后排出。

工业装置使用的焦炭颗粒的体积平均粒径为477.345 mm、休止角为32°、真密度为1 291.1 kg/ m3、堆积密度为1 017.5 kg/m3。测定方法与冷态实验方法相同。

将由DCS系统采集回来的数据进行处理，整理出工业热态实验的操作条件，提升管操作温度为760 ℃；提升管内的表观气速分别为4.54，5.73，7.40，9.40，10.50，11.40，12.60，13.20 m/s。

工业装置中的床层密度通过设置在装置上的压力传感器测量并换算得到；根据烟气组成，对燃烧器进行热量衡算得到流化床的循环速率。

2 结果与讨论

该关联式的相关系数为0.94，实验值与计算值的相对误差在30%以内。

2.1 冷态实验结果

冷态实验在高12 m的提升管内进行，颗粒含率的数据则取自提升管8 m处的稳定区，提升管稳定区颗粒含率随颗粒循环速率的变化见图3。

图3 冷态实验时提升管稳定区颗粒含率随颗粒循环速率的变化Fig.3 Variation of particles contain rate(εs) with the circulation rate(Gs) in the stable region of riser in cold experiment. ug：gas rate.

由图3可看出，冷态实验在较低颗粒循环速率（20 kg/（m2·s）＜Gs＜250 kg/（m2·s））下进行时，提升管稳定区的颗粒含率εs＜0.12，颗粒含率随颗粒循环速率的增大而增大。当表观气速ug= 10.13 m/s、Gs＞100 kg/（m2·s）和ug= 11.58 m /s、Gs＞75 kg/（m2·s）时，颗粒含率随颗粒循环速率的增大基本不变，两者的颗粒含率分别为0.055和0.043。由此可见，低循环速率、高表观气速条件下提升管中的颗粒含率太低，不能为工艺介质提供足够的反应场所。

提升管稳定区的颗粒含率随表观气速的变化见图4。由图4可看出，两种循环速率下，提升管稳定区颗粒含率随表观气速的增加而减小，并趋于稳定；虽然两种循环速率下颗粒含率相差较大（分别为0.006～0.020、0.040～0.120），但颗粒含率随表观气速增加而减少的幅度相近。因此，在较低循环速率下，颗粒含率随表观气速的变化具有相同的规律。

图4 冷态实验时提升管稳定区颗粒含率随表观气速的变化Fig.4 Variation of es with ug in the stable region of riser in cold experiment.

根据文献［2］可知，当Gs＜Gs*时，提升管中部的颗粒含率只与极限颗粒含率（εs′）有关，两者的关系曲线如图5所示。

图5 冷态实验的颗粒含率与极限颗粒含率的关系曲线Fig.5 The relation curve of εsand εs′ in cold experiment.εs′：the maximum solid content.

当Gs＜200 kg/（m2·s），Gs＜时，有式（2）。

2.2 热态实验结果

热态实验结果即为工业试验结果。工业装置中颗粒含率数据取自提升管中部稳定区的颗粒含率。不同表观气速下，颗粒含率随循环速率的变化见图6。从图6可看出，整个工业装置基本是在高循环速率（200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s））下运行的，提升管稳定区颗粒含率基本小于0.35，且颗粒含率随颗粒循环速率的增大而增加。

当ug= 4.54 m/s，Gs＜100 kg/（m2·s）时，颗粒含率与循环速率呈线性增长，Gs＞100 kg/（m2·s）后，颗粒含率大幅度增加。当ug= 5.73 m/s时，颗粒含率随循环速率的增加而逐渐增大，最后稳定在0.206左右，= 207 kg/（m2·s）。当ug= 7.40～9.40 m/s时，颗粒含率与循环速率呈线性增长，εs= 0.03～0.38。

当ug= 10.50～13.20 m/s时，该阶段由于原料的喷入，表观气速增大，循环速率增大；在200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s）时，εs= 0.10～0.35。由此可见，在高循环速率下，提升管中的颗粒含率能达到0.35，有足够的焦炭颗粒与工艺介质反应。

图6 工业装置中提升管稳定区颗粒含率随颗粒循环速率的变化Fig.6 Variation of εswith Gsin the stable region of riser in industrial plant.

由图7可知，当200 kg/（m2·s）＜Gs＜Gs*时有式（3）。

当Gs＞Gs*时有式（4）。

图7 工业试验中εs与εs′的关系曲线Fig.7 The relation curve of εsand εs′ in industrial experiment.

2.3 冷热态实验结果的比较

由于工业装置的循环速率远远大于冷态实验，工业装置和冷态实验数据只有在低表观气速和循环速率下有相同的操作条件，因此取表观气速ug= 5.7 m/s和ug= 7.4 m/s的数据，得到颗粒含率随循环速率变化的曲线，结果见图8。从图8可看出，冷热态时颗粒含率均随颗粒循环速率的增加而增大，随表观气速的增加而减小，同时，工业装置的颗粒含率远大于冷态实验的颗粒含率。工业装置和冷态实验装置的取压点都设置在提升管的边壁，实际测得的颗粒含率是提升管边壁处的颗粒含率，提升管内的流动是典型的环核结构，颗粒在提升管内分为中心加速区和边壁区，气体在边壁处受到的阻力远大于提升管中心处所受的阻力，使中心区气速要远大于边壁环形区气速。同时，在大直径提升管中，气体径向分布的不均匀性远大于小直径提升管中气速分布的不均匀性，并且大直径提升管边壁处气速也远远小于小直径提升管边壁处气速。在直径小提升管中，边壁滑落的颗粒被气体加速继续向上流动；而在大直径提升管中，边壁滑落的颗粒与下方颗粒混合，使更多的颗粒由于滑落出现在大直径提升管近壁面处。相同表观气速和循环速率下，工业装置提升管壁面处会更容易形成颗粒的聚集，使工业装置的颗粒含率远大于冷态实验的颗粒含率。

图8 相同表观气速下冷热态颗粒含率随循环速率的变化Fig.8 Variation of εswith Gsunder the same gas rate.

3 结论

1）冷态实验循环速率的操作范围小于250 kg/（m2·s），提升管稳定区的颗粒含率小于0.12，回归出Gs＜Gs*范围内的颗粒含率关联式。

2）工业装置在循环速率200～450 kg/（m2·s）、表观气速10.50～13.20 m/s的操作条件下，颗粒含率为0.10～0.35；回归出了两个循环速率范围内（Gs＜）的颗粒含率关联式。

3）由于提升管内气速的不均匀分布，使得颗粒含率在大直径提升管中的分布出现了放大效应，导致相同表观气速和循环速率下工业装置的颗粒含率大于冷态实验的颗粒含率。

符 号 说 明

［1］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流态化工程原理［M］.北京：清华大学出版社，2001：121.

［2］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. The two channel model for fast fl uidization［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 88：Science and technology. Beijing：Science Press，1988：155.

［3］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. Cluster observation in a two-dimensional fast fluidized bed［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 90：Science and technology. Beijing：Science Press，1990：110-115.

［4］ Li Youchou，Kwauk M. The dynamics of fast fl uidization［M］. New York：Plenum Press，1980：554-557.

［5］ 白丁荣，金涌，俞芷青. 循环流态化——（Ⅵ）反应器行为及其模型［J］.化学反应过程和工艺，1992，8（3）：302-313.

［6］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流态化工程原理［M］.北京：清华大学出版社，2001：113-114，126-138.

［7］ 白丁荣，金涌，俞芷青，等. 循环流化床操作特性的研究［J］.化学反应工程与工艺，1987，3（1）：24-31.

［8］ 白丁荣，金涌，俞芷青. 循环流态化（Ⅰ）［J］.化学反应工程与工艺，1991，7（2）：202-213.

（编辑 王 萍）

Coke particles in circulating fluidized bed riser of concentration distribution

Cheng Wenjia1，Yan Lanling1，Liu Mengxi2，Lu Chunxi2
（1.CNPC LiaoHe Petrochemical Company，Panjin Liaoning 124000，China；2. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102200，China)

The inf l uence of gas rate and circulation rate to particles contain rate in the cold riser and the thermal industrial circulating fl uidized bed were investigated. The experimental results show under cold experimental condition，circulation rate is lower(20-250 kg/(m2·s))，particles contain rate is lower than 0.12，particles contain rate decreases with the gas rate at the same circulation rate；under hot experimental condition，circulation rate is higher(200-450 kg/(m2·s))，when gas rate is in the range of 10.50-13.20 m/s，particles contain rate is lower than 0.35，also get a associated formula about particle contain rate and the maximum particle contain rate under cold and hot experimental condition. Particles contain rate of hot experiment is greater than that of cold experiment under the condition of the same gas rate and circulation rate.

circulating fl uidized bed；particles contain rate；coke particles

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.08.018

1000-8144（2017）08-1065-07

TQ 032.41

A

2017-01-05；［修改稿日期］2017-05-13。

程文嘉（1987—），男，辽宁省盘锦市人，硕士，工程师，电话 18742364588，电邮 chengwenjia03@163.com。