变径组合提升管内团聚物持续时间的分析

吴广恒，王德武

(1.天津职业大学生物与环境工程学院，天津 300410；2.河北工业大学化工学院)

团聚物的生成与解体是循环流化床内气固局部流动的典型特征，对床体内气固作用机制及接触反应效率等有重要影响。团聚物持续时间是表征团聚物特性的重要参数之一，通过对其进行测量与分析，不仅可以反映团聚物的生成与解体特性，还可以对团聚物其它特性参数进行关联和预测。因此有许多研究者对等径提升管内团聚物持续时间进行了研究[1-5]，并得到团聚物平均持续时间的径向分布趋势、主要影响因素等，但在持续时间的数值上还存在一定的差异；同时，上述研究者所采用的提升管均为等直径结构。对于变径组合提升管，刘丙超等[6-7]对宏观流动参数进行了详细测量，Geng Qiang等[8]、Qi Maozhan等[9]对光纤探针测得的微观瞬态固含率信号进行了深入分析，但对于变径组合提升管内团聚物持续时间特性如何，还未见有相关的研究报道。

本研究在一套下部小直径段与上部大直径段串联组合的变径组合提升管冷模试验装置上，通过调节表观气速与颗粒循环强度构建不同的固气比，采用小波分解结合中位数阈值的方法详细测量变径组合提升管内团聚物持续时间特性，并将团聚物持续时间范围划分为7个尺度而对其进行详细分析。

1 实 验

1.1 试验装置

循环流化床试验装置如图1所示。提升管由下部小直径段和上部大直径段组成，小直径段尺寸为Φ60 mm×1 900 mm，上部大直径段尺寸为Φ120 mm×5 000 mm，中间采用变径段过渡，变径段内设二次补气设备，提升管总高度为7 500 mm。来自风机的空气，经转子流量计计量后分3路分别进入提升管底部、变径段及伴床底部；颗粒沿提升管小直径段、大直径段向上，经转向型出口进入伴床，伴床内颗粒经循环管返回到提升管小直径段底部，伴床内气体夹带少部分颗粒经旋风分离器及布袋除尘器分离后放空。操作中，提升管小直径段为固气比较大的浓相区，大直径段为固气比较小的稀相区，通过该结构设置，可实现在相对较宽的固气比范围内对变径组合提升管内团聚物特性进行考察。

图1 试验装置示意1—风机； 2—气体缓冲罐； 3—转子流量计； 4—提升管小直径段； 5—提升管大直径段； 6—伴床；7—布袋除尘器； 8—旋风分离器； 9—旋风分离器料腿； 10—回料管

1.2 试验介质及操作条件

试验以常温空气为流化介质，以CRP-1催化裂解催化剂颗粒为固体介质。CRP-1的颗粒密度(ρp)为1 455 kgm3，堆密度(ρb)为875 kgm3，平均粒径(dp)为75 μ m。

试验的固气比[Gs(ρg·Ug)]范围为2.13～47.95，操作条件如表1所示。

表1 操作条件

1.3 数据采集方法

沿变径组合提升管轴向从底部向顶部布置5个测量截面，各截面距提升管底部的距离(h)分别为0.4，0.9，1.7，2.6，4.1 m；沿每个截面径向布置5个局部测量点，各测量点的无因次半径(rR)分别为0，0.3，0.5，0.7，0.9。

通过中国科学院过程工程研究所研制的PV-6D型光纤探针采集团聚物信号，探针包含发射光和接收光两束光导纤维，每束光导纤维的面积为1 mm×1 mm，两束光导纤维中心线之间的距离(L)为1.86 mm。测量中，采样频率为100 kHz，单次采样时间(t0)为1.310 72 s。仪器输出的电压信号(U)和固含率信号(εs)之间的标定关系式为：

εs=0.031U2+0.002 9U

(1)

截面平均固含率(εs，a)由局部固含率(εs，r)按面积加权平均计算得到。

1.4 团聚物的分析与识别

针对探针法测得的团聚物，以往研究者[3]多采用局部时均浓度结合标准偏差的方法来识别团聚物，由于探针法所测得的团聚物信号呈现非正态分布与非稳态特征，并且其中包含了大量气相与单颗粒的信息，该方法不适用于对光纤探针信号的分析，而采用小波分解结合中位数阈值的方法是一种较为有效的方法[10]，故本研究采用小波分解结合中位数阈值的方法。

结合本研究中采样频率范围，选取小波分解后的近似信号Ca3进行分析，近似信号Ca3已去除了单颗粒行为的影响。经小波分解和重构后，图2给出了本研究中一典型的Ca3近似信号，每组连续高于中位数阈值线的曲线即对应一个团聚物，依此可以确定单次采样时间内团聚物出现的个数。每个团聚物内的采样点数乘以采样时间间隔即为单个团聚物的持续时间(tc，i)。图2中ni呈现两个连续的峰值，体现了团聚物持续过程中浓度的动态变化特性，但其浓度变化过程中未完全解体为单颗粒，即仍为一组连续高于中位数阈值线的曲线，故仍判定其为一个团聚物，nj为一个峰值，体现了单个团聚物瞬间的生成与解体过程。

图2 Ca3近似信号和中位数阈值

2 结果与讨论

2.1 提升管内团聚物持续时间的分布

图3 提升管内团聚物持续时间的分布rR：■—0； ●—0.3； ▲—0.5； ◆—0.9。 —tc，a

图3为不同固气比操作条件下提升管内不同径向位置处的团聚物持续时间(tc，i)分布。由图3可以看出：在同一截面的同一径向位置，单个团聚物的持续时间并不相同，而是存在一定的变化范围，并且这种持续时间分布范围随着无因次半径的增加而越来越宽；进一步分析可见，各径向位置单个团聚物的最小持续时间基本不变，主要体现在团聚物最大持续时间随着无因次半径增加而增加，这说明在提升管中心区主要以较短持续时间的团聚物为主，而在靠近边壁区既包含较短持续时间的团聚物，又包含较长持续时间的团聚物。随着无因次半径及固气比的增加，团聚物平均持续时间(tc，a)呈增加趋势，且靠近边壁区团聚物平均持续时间增加的幅度更大，这与提升管内气固局部流动特性相对应，靠近中心的区域气体速度较高，气体对团聚物的剪切破碎作用较强，对应团聚物平均持续时间较短，而靠近边壁的区域，气体速度较低，固含率较高，对应团聚物平均持续时间较长。

众多研究表明团聚物固含率与其所处位置的时均固含率有关，Yang等[11]通过试验对团聚物固含率与局部时均固含率进行了如下关联：

(2)

根据式(2)将本研究中的局部时均固含率(εs，r)与团聚物固含率(εs，c)进行关联作图，再对应给出各局部时均固含率下的团聚物平均持续时间(tc，a)，从而可得到本研究条件下团聚物固含率与团聚物平均持续时间的对应关系，如图4所示。

由图4可以看出，团聚物平均持续时间随着局部时均固含率的增加而增加，但本研究中tc，a在0.014 32～0.160 64 s之间，Yang等[11]的研究(Ug=0.91～1.86 ms)中tc，a在0.02～0.08 s之间，曾鑫等[10]的研究(Ug=5.5～11.2 ms)中tc，a在0.003～0.05 s之间，本研究中表观气速Ug为1.47～4.67 ms，故表观气速不同是造成本研究中tc，a较大的一个原因；另外，上述研究者采用的是等直径提升管，本研究采用的是变径组合提升管，变径组合结构对气固微观作用的影响[6-9，12]是造成tc，a较大的另一个原因。

由图4进一步分析团聚物固含率与团聚物平均持续时间在不同局部固含率下的分布，以团聚物固含率εs，c=0.3为界限，当εs，c<0.3时，依据对应的局部固含率数值可得团聚物平均持续时间tc，a基本在0.014 32～0.064 00 s范围内，这个范围与以往研究者的tc，a数值相近；而当εs，c≥0.3时，依据对应的局部固含率数值可得团聚物平均持续时间tc，a基本在0.064 00～0.160 64 s范围内，这个范围与以往研究存在较大差异，结合前文分析可见，由变径组合提升管构型和操作所导致团聚物特性的差异主要体现在浓度较高的团聚物上。

针对上述特征，本研究以“εs，c=0.3、tc，a=0.064 00 s”为界限，将“εs，c<0.3、tc，a<0.064 00 s”的团聚物称为低浓度团聚物，将“εs，c≥0.3、tc，a≥0.064 00 s”的团聚物称为高浓度团聚物。

图4 不同局部固含率下团聚物固含率与平均持续时间的分布■—εs，c； ●—tc，a

图5给出了本研究条件下所检测到的全部团聚物中不同持续时间所对应的团聚物数量，其中单个团聚物的持续时间为0.001 28～0.601 60 s。由图5可以看出，tc，i<0.064 00 s的低浓度团聚物在数量上占据87.7%，而tc，i>0.064 00 s的高浓度团聚物在数量上占据12.3%，由此说明，提升管内团聚物在数量上主要以持续时间小于0.064 00 s的低浓度团聚物为主。

图5 不同持续时间下团聚物的数量

2.2 高浓度团聚物对平均持续时间的影响

图6 不同固气比下高浓度团聚物与低浓度团聚物的持续时间比rR：■—0； ●—0.3； ▲—0.5； ◆—0.9

虽然提升管内持续时间小于0.064 00 s的低浓度团聚物数量占比较大，但单个团聚物持续时间较短，而本研究中存在的高浓度团聚物虽然数量占比较低，但单个团聚物持续时间较长，其对团聚物平均持续时间影响如何还需要详细考察。图6给出了在不同固气比下截面各径向位置高浓度团聚物与低浓度团聚物的持续时间比(T)。T为某特定空间位置单次采样时间内检测到的高浓度团聚物持续时间之和与低浓度团聚物持续时间之和的比值，T<1表明低浓度团聚物持续时间在平均持续时间中所占的比重较大，T>1表明高浓度团聚物持续时间在平均持续时间中所占的比重较大。由图6可见，随着无因次半径增加，T整体呈增加趋势，这与平均持续时间随着无因次半径变化的趋势一致。同时，在截面平均固含率或固气比较低[如Gs(ρg·Ug)<7]时，各径向位置T均小于1，表明该状态下低浓度团聚物主导各位置团聚物的平均持续时间；随着固气比的增加，在rR<0.7的中心区域，T基本仍以小于1为主，并且变化幅度较小，表明该区域仍为低浓度团聚物主导平均持续时间，而在靠近边壁rR≥0.7的区域，T逐渐大于1，并且随着固气比的增加而增加，表明该区域逐渐发展为高浓度团聚物主导平均持续时间。由此可见，高浓度团聚物数量比重虽小，但对团聚物平均持续时间仍存在较大的影响。

2.3 提升管内团聚物持续时间的多尺度划分与分析

在单个团聚物持续时间跨度上，最小持续时间(tc，min)为0.001 28 s，最大持续时间(tc，max)为0.601 60 s，二者相差470倍；而如前文初步划分的低浓度团聚物与高浓度团聚物，在数量上和对平均持续时间影响方面又是哪些持续时间范围的团聚物还不得而知。对此，本研究以单个团聚物最小持续时间为基准，对团聚物持续时间进行七尺度划分，划分方法如表2所示。其中，尺度T1～T5对应前文的低浓度团聚物，尺度T6～T7对应前文的高浓度团聚物。

表2 团聚物持续时间的七尺度划分

图7给出了各尺度团聚物的个数及各尺度团聚物总的持续时间。由图7可见：在数量上，T1～T5尺度团聚物占87.69%，T6～T7尺度团聚物占12.31%，各尺度的数量由大到小的顺序为T2>T1>T3>T6>T4>T5>T7；而在总持续时间上，T1～T5尺度团聚物占59.95%，T6～T7尺度团聚物占40.05%，各尺度团聚物总持续时间由大到小的顺序为T6>T7>T2>T3>T4>T5>T1。由此可以更加清楚地看出：在数量上，提升管内团聚物主要以T1，T2，T3尺度为主，三者之和占据73.02%，即提升管内单个团聚物的持续时间多集中在0.001 28～0.038 40 s；对于高浓度团聚物，单个团聚物持续时间主要集中在T6尺度(0.064 00～0.128 00 s)；在持续时间的构成中，整体上是以T2，T3，T6，T7为主，四者之和占据72.17%，其中，低浓度团聚物主要受T2和T3尺度团聚物持续时间的影响，高浓度团聚物主要受T6尺度团聚物持续时间的影响。

图7 不同持续时间尺度下的团聚物个数与团聚物持续时间分布

图8选取了固气比为5.12和35.78的条件，按七尺度划分方法，分别计算出每个无因次位置处各尺度团聚物的总持续时间(tc，T)，给出了提升管内局部团聚物持续时间的多尺度分布。由图8(a)可见，在固气比或局部时均固含率较低时，在各个径向位置均存在T1，T2，T3尺度的团聚物，而T4和T5尺度的团聚物并不是所有位置都存在，随着无因次半径增大，逐渐出现T6尺度的团聚物，此时基本无T7尺度的团聚物，各位置均是T1～T5尺度范围的低浓度团聚物主导团聚物平均持续时间。由图8(b)可见，当固气比或局部时均固含率较大时，在各径向位置均存在T6尺度的团聚物，随着无因次半径增大，逐渐出现T7尺度的团聚物，同时，在各径向位置均存在T1～T5尺度之间的团聚物，而T4和T5尺度团聚物同样并不是所有位置都存在，在无因次半径0

图8 提升管局部团聚物持续时间的多尺度分布时间尺度：—T1； —T2； —T3； —T4； —T5； —T6； —T7； ■—T1～T5； ■—T6～T7； □—T1～T7

综合以上对全部团聚物及局部位置团聚物的多尺度分析可见，低浓度团聚物主要以T1，T2，T3尺度存在，高浓度团聚物主要以T6尺度存在。无论是随着固气比的变化，还是随着局部位置的变化，整体上团聚物呈现出随着局部时均固含率增加而由低尺度向高尺度转变的趋势，但转换过程中，T4和T5尺度数量较少。

3 结 论

(1)随着无因次半径增加，单个团聚物持续时间分布范围变宽，团聚物平均持续时间增大；单个团聚物持续时间为0.001 28～0.601 60 s，局部位置团聚物平均持续时间为0.014 32～0.160 64 s，以团聚物固含率为0.3及持续时间为0.064 00 s作界限，可将团聚物划分为低浓度团聚物和高浓度团聚物，在数量上以低浓度团聚物为主。

(2)在固气比较低时，主要为低浓度团聚物主导平均持续时间；在固气比较高时，提升管中心区域主要为低浓度团聚物主导平均持续时间，临近边壁区域低浓度团聚物与高浓度团聚物共存，主要为高浓度团聚物主导平均持续时间。

(3)低浓度团聚物中，在数量上主要以持续时间在0.001 28～0.038 40 s之间(T1～T3尺度)的团聚物为主，在对平均持续时间的影响上主要以持续时间在0.012 80～0.038 40 s之间(T2～T3尺度)的团聚物为主，持续时间在0.038 40～0.064 00 s之间(T4～T5尺度)的团聚物对二者影响较小；高浓度团聚物中，在数量和对平均持续时间的影响上，主要以0.064 00～0.128 00 s的T6尺度团聚物为主。

符号说明

Gs——颗粒循环强度，kg(m2·s)；

Gs1——小直径段提升管内颗粒循环强度，kg(m2·s)；

Gs2——大直径段提升管内颗粒循环强度，kg(m2·s)；

Ug——表观气速，ms；

U1——小直径段提升管内表观气速，ms；

U2——大直径段提升管内表观气速，ms；

D1——小直径段提升管直径，mm；

D2——大直径段提升管直径，mm；

ρg——气体密度，kgm3；

ρp——颗粒密度，kgm3；

ρb——颗粒堆积密度，kgm3；

dp——颗粒平均粒径，m；

h——各截面距提升管底部的距离，m；

r——测量点至圆心的距离，mm；

R——提升管的半径，mm；

rR——无因次半径；

L——两束光导纤维中心线之间的距离，mm；

t0——采样时间，s；

tc——团聚物持续时间，s；

tc，i——单个团聚物持续时间，s；

tc，a——局部团聚物平均持续时间，s；

tc，min——团聚物最小持续时间，s；

tc，max——团聚物最大持续时间，s；

tc，T——团聚物总持续时间，s；

εs——颗粒固含率；

εs，a——截面平均固含率；

εs，r——局部固含率；

εs，c——团聚物固含率；

ni——两个连续的峰值之间采样点个数；

nj——一个峰值之间采样点个数；

T——高浓度团聚物与低浓度团聚物的持续时间比；

下角标

s——固体；

g——气体；

p——颗粒；

c——团聚物。