（热能工程专业论文）全通量循环流化床提升管压差特性试验研究.pdf

。 一 j 声明尸明 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t l l l t i i i i ! t i l l i i i y 17 8 5 616 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文全通量循环流化床提升管压差特性试 验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：地垒 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师虢耻中 日期：垒受2 里：芝丛 生鱼蛆 翻一雄 一 i 、 、 ；l 、 - 关键词：低通量，提升管，气固两相流，压差分布 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sd e s c r i b e dt h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh i g h f l u xg a s - s o l i dr i s e r g 2 5 0 k g ( m 2 ，s ) ，d o u b l e f l u i d i z e db e d si sd e s i g n e da n db u i l t ，a n ds y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e s t h ec h a n g i n gr u l eo fd i f f e r e n tp r e s s u r ea n dd i s t r i b u t e dr u l eo fd i f f e r e n tp r e s s u r ei nt h e l o w f l u xr i s e rg u 。，( 最 小循环流态化表观风速) ，g s g 。，( 最小循环流态化颗粒循环流率) ； ( 2 )对一定的颗粒循环流率g ，操作风速满足u r f _ 茎u v r , 其中u r f 为从 湍动流态化过渡到快速流态化的表观风速，坼r 为从密相气力输送过渡到稀相气力 输送时的表观风速。当u r n _ u o _ u f d ( 从快速流态化过渡到密相气力输送时的表观 风速) 时，床层为快速流态化，当u f d _ u ou p r 时，床层为密相气力输送； ( 3 )适合的颗粒物性及床层结构( 即满足非噎塞系统条件) 。 1 2 3 循环流化床的优缺点 对应于循环流态化的循环流化床反应器中颗粒密度较大，气固返混程度小，易 建立轴向温度及浓度梯度和控制物料停留时间。这不仅提高了气固接触效率，而且 还易于放大，并可处理粘湿性物料，原料及设备利用率高，能耗小，投资少，维修 3 华北电力大学硕士学位论文 费用也低【10 1 。 循环流化床的特点可归纳如下f 1 1 】： ( 1 )不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； ( 2 ) 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动； ( 3 ) 颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； ( 4 ) 运行流化床速度为鼓泡流化床的2 - 3 倍； ( 5 ) 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； ( 6 ) 颗粒横向混合良好； ( 7 )强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升 段内温度分布均匀； ( 8 ) 通过改变上升段内的存料理，固体物料在床内的停留时间可在几分钟 到数小时范围内调节； ( 9 ) 流化气体的整体性状呈塞状流； ( 1 0 ) 流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。 循环流化床的缺点：由于气、固运动速度高及大量颗粒循环，在循环流化床中 存在磨损较大，颗粒回收技术要求较高以及气、固向壁面传热速率相对较低等问题 【9 】 o 1 3 气固提升管两相流动研究方法 1 3 1 截面成像技术 截面成像技术的基本原理是电磁辐射或电场的强度因穿过气固混合物而降低，单位 距离上被吸收的能量与颗粒浓度有关。这类技术主要有两种【1 2 1 3 l ：一种方法就是电容截 面成像技术，它的原理就是根据电场特性的变化来确定颗粒浓度：另外一种是根据卜 射线或) ，一射线穿过提升管后的强度变化，就可以确定射线束经过方向的颗粒浓度。强 度为i o 的射线通过一厚度为d ，固体密度如，吸收系数口，密度p s u s p 的气固两相流( 床 层空隙率为) 后，强度减弱为i o ，p ，淞力可以写为 凡印= 砟( 1 一占) 所以有 4 华北电力大学硕士学位论文 i 一口p p d ( z e ) 一2p i a ( 1 - 2 ) 这样通过测量，值就可得到提升管中颗粒的平均浓度，如果设备沿切向移动， 利用在不同切向上所得射线吸收率的数值，利用强大的计算机软件可以直接计算出 任一横截面上的颗粒浓度的分布。 截面成像技术的优点在于对流体的流动无干扰，对于靠近提升管管壁处以及复 杂的流体流动仍然可以获得可靠的数据，但是也存在问题：x 射线或】，射线截面成 像技术所需的测量时间较长，时间分辨率低，价格昂贵，而且从事放射性工作的人 员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件；而电容截面成像技术 的空间分辨率低，仪器的校准以及结果的再现都比较复杂。 截面成像技术的这些缺点使得其在现在的流化床研究中应用不多，往往局限于 对复杂流体的研究中，但是其对流场无干扰性是未来测量技术的发展趋势，相信随 着科技的进步，其不足将得到改善，该技术也必定会发挥更大的作用。 1 3 2 光纤探头浓度测量法 光纤探头浓度测量法的工作原理是把光投射到颗粒团上，通过检测从颗粒团反 射的光吣反射型探头) 或穿过颗粒团的光( 传递型探头) 强度，运用计算机做信号 处理，测出颗粒浓度。颗粒浓度的光纤测量系统一般由光源、两束光纤束、光电倍 增管、a d 转换器和计算机组成【1 4 】。传递型探头只能测量颗粒浓度小于0 2 5 的情 况，而反射型探头的应用范围要大得多，在固定床中也适用。光纤探头在使用过程 中需要一种合适的方法对探头进行标定，得出电信号与颗粒浓度的对应关系，还需 要稳定持久的光源，否则将影响到测量的精度。光纤探头具有对高压的不敏感性， 灵敏度好，精度高，信号沿光纤的损失非常小等优点，而且其尺寸小、重量轻，对 流场的影响小( 一般要求探头的直径要小于床直径的1 2 0 ) ，几何形状可根据需要 灵活选择，价格也低廉，在当前流化床的研究中，这种技术具有广泛的应用。相信 随着今后探头制造工艺水平的提高，光纤探头结构更加合理，对流场影响更小；对 采样信号的分析和计算过程中考虑粒径变化、多颗微粒有效。 光反射面积等对测量结果的影响，得出综合修正值对原始采样值加以修正后， 该方法的测量精度将得到很大提高，其应用将会更加普遍。 1 3 3 电容探头测量技术 在测量颗粒浓度时，将组成电容器的两片电极置于所测流场中，电极间的介电 系数会随固体颗粒浓度的变化而发生变化，介电系数越高，固体颗粒浓度越大，这 5 华北电力大学硕士学位论文 样根据电极间介电系数就可以测量出固体颗粒浓度。电容器固体浓度测量探头装置 通常包括：测量探头、自振荡电路、解调电路。该系统灵敏度高，制造方便，能够 有效测量局部固体颗粒浓度的瞬时值；但是探头的测量体积一般来说大于探头本 身，所以测量体积难以准确确定；另外，电容探头对循环流化床内的湿度、温度、 静电条件等非常敏感，同时容易受到环境电磁场的干扰，容易出现测量误差，由于 这些原因，它在循环流化床测量中的应用受到了一定的限制，当前在循环流化床的 测量中已经应用不多，应用前景不是很好。 1 3 4 压差法 由测压差法换算浓度，可以测得研究截面的平均颗粒浓度。在循环流化床中， 固体颗粒的加速作用和气固两相与管壁摩擦造成的压降损失可以忽略的时候( 气体 完全悬浮颗粒时) 单位高度的压力变化就是由单位体积的气体和颗粒重量产生的， 其关系如下【1 5 】： 一筹= 【彳( 1 毛m 吨 ( 1 - 3 ) 式中，z j p a h 是沿床高的压力梯度，可用压力传感器测定。以是气体密度，p s 是固体密度，g 为重力加速度，岛是截面平均颗粒浓度。只要z l p z l h 澳u 定，就可以 按照下式计算出截面平均的颗粒浓度，称为表观浓度。 二一a p + a h g p s s j2 t a c ( p , p , ) g( 1 4 ) 上式( 1 4 ) 的导出忽略了颗粒的加速作用以及摩擦阻力的损失。在实际操作 中，颗粒进入提升管底部时其速度为零或向下，颗粒在提升管中的运动过程是一个 被气流不断加速的过程，提升管下部颗粒的加速会消耗气体能量，相对管壁的向上 运动还带来了摩擦阻力，压降不仅仅是提供平衡气体和颗粒重量所需，还要满足颗 粒加速所需、克服与管壁之间的摩擦阻力，导致了实际压降的增大，因此在提升管 底部的颗粒加速段，套用公式( 1 4 ) 得出的颗粒浓度偏大。如果是在提升管上部 充分发展段，颗粒加速结束，处于匀速运动状态，并且浓度较稀，摩擦阻力变小， 用式( 1 4 ) 推导出的颗粒浓度会较准确，和用先进的截面成像技术测得的结果吻 合较好。将来如能找到合适的公式将颗粒的加速作用以及摩擦阻力的损失考虑在 内，那么该方法即使用于加速段也将具有很好的准确程度。 运用测压差法换算截面平均浓度，在循环流态化研究中应用广泛【1 6 j7 1 。压力传 感器的标定曲线是否正确对于结果的准确性具有很大的影响。 6 0k g ( m 2 s ) ，详细的气固两相流动的研究成果也是在提升管中的物料处于高通量情况下得 出的【”】，对物料处于低通量时的气固两相流动特性的研究则较少，所以为了拓展 循环流化床这一高效设备的工业使用范围，更好地提高其实用效率，建立完善的提 升管中两相流动力学行为的预测模型，深入了解提升管内传质、传热和化学反应特 性，还必须对低通量气固提升管中两相流动特性及相关问题进行深入研究，本文 拟在系统阅读有关文献的基础上，对高通量气固提升管两相流动特性进行研究分 析；对低通量气固提升管两相流动特性拟采用试验研究和理论分析相结合的方法 进行研究。 以往对高通量气固提升管压差特性的研究，多采用压差梯度的方法，即以提 升管底部某一截面压力值为基准，提升管上任一高度处的截面压力值与基准面之间 的压差值除以两截面的垂直距离。由于近距离的两截面包含于远距离的两截面中， 次方法并不能很好的反应提升管压差分布特性。 本文在提升管不同高度处选取了四段等距的压差测量段，对局部压差特性和压 差沿提升管高度的分布规律进行了研究，此方法的压差基准面不再是固定不变，而 是以各个测量段的下截面为基准面，较上面的压差梯度测量方法能更好的反应出提 升管的压差分布特性。 本文针对提升管气固流动特性进行了研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过阅读相关文献，对高通量气固提升管中两相流动特性进行了阐述， 并进行了分析研究。 ( 2 ) 搭建了双循环流化床冷态试验装置。 ( 3 ) 研究低通量气固提升管局部压差特性及影响因素：包括操作参数( 物 料颗粒循环流率g 和表观风速u o ) 和颗粒粒径磊的影响。 ( 4 ) 研究压差沿提升管高度方向上的分布规律及影响因素：包括操作参数( 物 料颗粒循环流率g 和表观风速) 和颗粒粒径磊的影响。 研究低通量提升管气固动力学行为是对高通量提升管气一固动力学行为的研究 拓展，为深入理解提升管的气固流动特性具有指导意义。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章高通量气固提升管两相流动研究 2 1 气固提升管两相流动研究现状 气固提升管是循环流化床的核心单元，是完成相关化学反应过程或物理过程 的主要装置，因而，其中的两相流动状况是有关循环流化床最为关键和基础的研究 课题。 ， 进行气固提升管反应器设计时，操作条件的选定要求对提升管内化学反应、 传质和传热特性等有深入了解，而反应、传质和传热特性和流动状态密相关，特别 是与床层浓度，即颗粒浓度分布有关【1 9 之2 1 。除了作为循环床设计和改善循环床反应 器操作的重要途径，研究提升管内部流动性还是反应器设计优化操作的重要基础， 以及影响传质、传热的关键因素。随着循环流态化在煤的燃烧、等温催化强放热反 应等工业应用范围的扩展，对它内部的流动传热特性的研究也在不断深入。 y e r u s h a l m i 2 3 】和l i a n d k w a u k 3 】自上个世纪8 0 年代初期以来，己在诸如颗粒集行为、 颗粒浓度分布、颗粒速度分布、气体速度分布、颗粒通量分布和颗动量分布等循环 流态化气固两相流动规律方面取得了很大的进展。 循环流化床气固两相流动由于受气体速度、颗粒循环流率、颗粒物性、颗粒 间和气固间相互作用及设备条件、操作温度和压力等诸多因素影响，其行为相当 复杂。归纳起来，气固两相流动的基本特征表现为： ( 1 ) 气固两相流动局部结构上的不均匀性( 即颗粒的聚集和离散过程) ； ( 2 ) 气固两相流动整体结构上的不均匀性( 即颗粒浓度、气体速度、颗粒 速度的轴向和径向分布) 。 这种局部和整体上的不均匀性的相互关联和影响，是循环流化床气固两相流 动行为的重要决定因素。 2 1 1 流型及流型转化的研究 气固提升管中气固两相接触形式及运动状况不仅受到设备结构条件及气固 物性的影响，更直接的是受操作条件的影响。不同操作参数下，气固提升管中的 两相流将表现出多种流型。图2 1 表明随操作气速从零开始逐步提高，固体颗粒床 层由固定床开始将发生一系列的流型转变。根据操作参数的不同，气固流动系统 可出现鼓泡( 节涌) 流态化、湍动流态化、循环流态化和稀相输送等流型【9 , 2 4 】。 从总体上可观察到，随着气体流速的提高，颗粒床层依次从处于固体床状态逐 渐转入鼓泡流化床；随着气固扰动的进一步加剧，大的气泡和节涌被打乱，床层表 8 华北电力大学硕士学位论文 面难以识别，从床项部开始颗粒出现返流现象，此时床层进入湍动流化床状态；当 气流速度进一步增大，流化床中没有空穴，但由稀相和密相气固悬浮体构成，此时 床层进入以颗粒絮状体为特征的快速流化床状态；最后气固流行转入气力输送状态。 ；- ：j ， ，一： c 。：。蠢 固定床鼓泡流化床湍流流化床快速流化床 图2 - 1 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 传巯气固流态化气速较低，但随着研究的深入与应用的需要，近年来高气速 流态化的研究与应用得到的较大的发展。高气速时，提升管中的气固两相流随操 作条件的不同典型地有快速流态化、密相气力输送和稀相气力输送三种流型。各种 流动状态的特征及其比较见表2 1 。 床层上、下段压降随气速的变化通常被用于确定不同流型间的转换，图2 1 所 示为高速流态化中床层上段与下段单位床高压降与气速的关系。由图可见，若气体 速度低于从湍动流态化过渡到快速流态化的表观风速，提升管气固流动处于鼓 泡流态化或者湍动流态化流型，此时可以观察到底部密相区和上部稀相区存在明显 的分界，提升管底部压降远大于上部压降。表观风速砺增大至流型超过湍动流态 化后，提升管下部压降a p ，将快速减小，如图2 1 中a b 段曲线所示。但是，图中 c t 段曲线显示提升管上部压降彳r 随着气体饱和夹带量的增大将会显著增大。在 骗达到可饱和夹带现有颗粒的速度后，因为气体可夹带颗粒量的增大，若没有颗粒 补充，床层将会被很快被吹空，所以为了维持提升管内的稳定流动和相对较浓的颗 粒悬浮，必须将提升管顶部出口流失的颗粒利用旋风分离器等回收系统送回底部以 构成循环。表观风速大于此速度，颗粒受气体夹带而遍布整个提升管，如图中彳f 和豫段所示，此时彳r 和研都随增大而减小。如果低于此速度时减小， 而保持颗粒加入量恒定，由于颗粒加入量和气体夹带量之间的不平衡，颗粒将会聚 9 华北电力大学硕士学位论文 集在提升管底部，这种现象非常类似于床层塌落。因此，可以认为么r 的局部极值 点( 点乃标志着从湍动流态化到快速流态化的流型转变点，其对应速度为u r f 。 表2 - 1 各种流化状态的特征及比较 循环流态化稀相气力输送 湍流流态化 快速流态化密相气力输送 相结气体分散相连续相 “连续相连续相 构颗粒连续相分散相分散相( 弱)分散相 系统压降悬浮颗粒悬浮即输送输送颗粒输送颗粒并克服摩擦力 颗粒 快速流态化是处于传统的低速流态化和气力输送之间的一种状态，当提升管处 于快速流态化流型时，气固两相流动的主要特征是局部和整体结构的不均匀性。 局部流动结构的不均匀性表现为颗粒有强烈的聚集倾向，这导致颗粒聚集体即絮状 物的形成，其中颗粒为分散相，气体为连续相，使这种絮状物结构与湍动或鼓泡流 态化中絮状物结构完全不同。轴向流动结构的不均匀性表现为轴向空隙率的不均匀 性和颗粒加速，空隙率通常由于操作参数、设备结构和颗粒物性的不同沿床层轴向 呈上稀下浓的单调指数函数或s 型的连续分布。因为摩擦对床层压降的影响很少， 床层压降主要由颗粒悬浮的静压头和颗粒加速决定。因此这时可以观察到提升管上 部压降a p u 和提升管下部压降4 只明显差异。径向流动结构不均匀性表现为中心颗 粒浓度稀、提升快，边壁颗粒浓度密、向下缓慢下落，即典型环核流动结构。在 床中心，颗粒除少数以絮状物形式存在以外，主要是以单颗粒形式存在，从而形成 颗粒浓度较低的核心区；靠近壁面附近的颗粒主要以絮状物的形式出现，从而形成 颗粒浓度较高的边壁区。颗粒速度在床中心区主要向上、边壁区主要向下，呈明显 的内循环流动，因而导致一定程度的返混。 对于特定的气固循环系统，颗粒循环流率g 对快速流态化的操作区的影响最 大，研究发现流型过渡点u r f 和u f d 。从快速流态化过渡到密相气力输送时的表观 风速) 之间的差距将随g 的减小而变小。若g 非常小( g g 驴) ，将会发生鼓泡流 态化或湍动流态化到气力输送的直接流型转化，随增大，将不会出现快速流态 化区，因而点( ，g ，) 标志着快速流态化的起始操作条件。 表观风速大于u r v ，提升管上、下段压降彳凡和4 p ，之间的差距将消失，这 表示提升管上部密相区和下部浓相区两段共存的现象将不复存在，这标志着快速流 态化到密相气力输送的流型转变。密相气力输送中颗粒被完全加速，只在提升管边 1 0 华北电力大学硕士学位论文 壁附近形成薄的颗粒下降层或者根本没有下降层。此时颗粒静压头仍然大于摩擦阻 力产生的压降，因此系统压降仍然随砺的增大而减小。然而4 p 随变化趋势减 弱，提升管上、下段压降彳r 和4 p ，仍然大致相等，如图2 2 中f d 段所示。 随着表观风速进一步提高，摩擦阻力对压降的影响程度逐渐变大，最后将在 超过脚r 后起决定性影响，此处压降达到一个极小值( 图2 2 点d ) 。在脚r 处 产生密相气力输送到稀相气力输送的流型转化。由于在稀相气力输送中摩擦阻力压 降是提升管压降的主要影响，如图2 2 中d b 段所示，提升管压降将随的继续增 大而增大。 p ( p a u0 ( n s ) 图2 - 2 提升管上下段压降随表观风速变化 2 1 2 气一固提升管两相流动模型研究 循环流化床气固流动模型用来描述循环流化床中气固两相流动的基本特征， 而循环流化床中气固两相流动得基本特征包括局部流动结构上是存在颗粒的聚 集、离散现象，宏观整体流动结构上是存在气体、固体运动速度、颗粒浓度等的轴、 径向不均匀分布。 局部流动结构模型以循环流化床内局部流动结构的不均匀性为基础，主要描述 絮状物相及稀相的相结构特征，如：各相的运动速度，空隙率及两相之间的存在比例 等；而整体流动结构模型是以循环流化床内整体流动结构的不均匀性为基础，主要描 述床内空隙率、气体速度即颗粒速度等空间分布形态及其随操作条件，设备结构等 的变化规律。 整体流动结构模型主要描述气、固流动在床内轴、径向的不均匀分布规律，迄 华北电力大学硕士学位论文 今发展的模型可分三类，这三类模型包括一维、一维两区及两维模型。 其中，一维轴向流动模型是将床内气、固两相分别作为一维拟均相处理而建立 的，主要用于描述提升管截面平均流体力学参数，如截面平均颗粒浓度和截面平均 颗粒速度的轴向分布规律。忽略颗粒的轴向加速作用的一维模型是一种比较简单模 型，这种模型主要针对充分发展的流动，适用于提升管上部的流动预测。近年来， 许多实验结果及理论分析表明，由于快速流化床内颗粒的加速作用不能忽略，因而 在模型中必须考虑加速作用。考虑加速的模型主要基于一些有关颗粒速度直接测定 的实验结果【2 5 1 ，这些结果表明：颗粒的加速行为在提升管中是非常明显的，通常情 况下提升管高度的i 3 为加速区：在颗粒循环流率较高且表观风速较低的情况下， 甚至在全部床层的高度范围内，颗粒均处于加速过程之中。还有研究表明【2 6 1 ，颗粒 加速效应在颗粒浓度较低的操作状态下也是不可忽略的。此外，采用直接方法( 如 截断法) 测定的截面平均空隙率轴向分布与由忽略颗粒加速作用的压差法所获得的 截面平均空隙率轴向分布之间存在较大差异，尤其在床层底部( i 3 2 3 床高) 偏差 较大的现象也说明了颗粒加速作用不能忽略。虽然颗粒加速作用的一维模型更加接 近于实验事实，其实质也是对轴向颗粒浓度测试法的一种修正，但仍然不能较为准 确的预测实际浓度。 2 2 高通量气一固提升管两相流动研究分析 高通量循环流化床的气固两相流动一般属于快速流态化。国内外研究者对高通 量循环流化床的气固流动进行了较深入研究，得到了许多有价值的结论。 ( i ) 截面平均颗粒浓度岛总体上为下浓上稀。截面平均颗粒浓度随颗粒循环 流率的增大而增大，随操作气速的增大而减小。如图2 3 所示【2 7 】： ( a ) 1 2 图2 - 3 ( a ) 为不同颗粒循环流率下岛的轴向分布；图2 - 3 ( b ) 为不同表观风速 下s s 的轴向分布，从图中可看出，在不同颗粒循环流率和不同表观风速下，沿着提 升管高度，截面平均颗粒浓度岛总体呈现出下浓上稀的分布特性。 ( a ) 嘣o m s - 1 ( b ) u o = 8 o m s 1 图2 - 4g 对不同高度a p a z 的影响 ( 2 )提升管内压力梯度a p a z 随颗粒循环流率g 的增加而增大，不同高度 的压力梯度a p a z ，受g 影响不同，如图2 4 所示【2 8 】： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 从图2 - 4 可看出，在提升管下部a p a z 受g 影响大变化迅速a p a z 随g 呈非 线性增加在提升管中、上部a p a z 受g 影响小，变化缓慢，a p a z 随g 呈线性增 ( 3 ) 提升管内压力梯度a p a z 随表观风速的增大而减小，在不同的床高 位置，a p a z 随下降的规律不尽相同。如图2 - 5 所示： 图2 - 5u o 对不同高度a p a z 的影响 随提升管高度的升高，a p z l z 随增大而减小的规律将从抛物线型逐渐过渡到指 数函数型。 通过以上对高通量气固提升管两相流动研究分析，可得：当提升管中的物料处于 高通量时，局部压差随着颗粒循环流率的增大而增大，随着表观风速的增大而减小。沿 着提升管的高度方向，压差呈逐步减小趋势。 本章阐述了高通量气一固提升管两相流动的特性，同时低通量气固提升管流动特性 对于完善气固两相流动理论、研究全通量气固两相流动规律和建立完善的气固两相流 动模型具有一定的参考价值，因此对低通量气固提升管两相流动特性进行深入的试验 研究是必要的。 ， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 1 试验装置介绍 第三章实验装置与测试方法 本试验在自行搭建的双循环流化床冷态试验装置中进行，试验台根据双循环流 化床的基本原理而设计，图3 - 1 为双循环流化床试验系统示意图，图3 2 为双循环 流化床试验台实物图。试验装置包括提升管、鼓泡床、旋风分离器、压力变送器、 数据采集与处理设备、计算机、空气转子流量计、鼓风机等。本章主要介绍双循环 流化床试验台的设计和各部分的特点。 2 l 、2 鼓风机；3 提升管；4 、5 、6 旋风分离器；7 立管；8 蝶阀； 9 鼓泡床：1 0 返料管 图3 - 1 冷态试验装置示意图 图3 2 ( a ) 为试验台下部实物结构图，图3 2 ( a 1 ) 为试验台上部实物结构图。 本试验台为冷态装置，主要系统包括循环系统、空气供给系统和试验数据采集 系统。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 3 1 1 循环系统 图3 - 2 冷态试验装置实物图 ( a 1 ) 提升管、鼓泡床、旋风分离器、立管和返料管组成双循环流化床循环系统的主 体部分。 提升管是本试验装置的主要部分，提升管内径为7 5 r a m ，高度为6 m ：鼓泡床为 一长方体，其底面积为4 0 0 m i n x15 0 r a m ，高为2 m ，鼓泡床侧面有连接返料管的溢 流口，其距布风板高度为2 0 0 m m 。 循环流化床的分离机构是循环流化床的关键部位之一，如图3 3 ，其主要作用 是将大量固体颗粒从气流中分离出来，使其重新进入试验系统，以维持流态化状态。 本试验的气一固分离装置采用两级旋风分离器，使颗粒被充分利用，减小颗粒损耗。 - 表3 1 是旋风分离器的主要尺寸。 立管内径5 0 r a m ，其一端固定于离提升管的布风板l o o m m 处，另一端固定于离 鼓泡床的布风板2 5 0 m m 处，其作用为：l 、将提升管出口旋风分离器分离下来的物 料回送到鼓泡床当中，实现物料的反复循环；2 ，在本实验当中测量循环返料量；3 、 立管的作用还可以防止气体反窜，形成足够的压差来克服分离器和鼓泡床之间的负 1 6 华北电力大学硕士学位论文 压值。 d i 、 ，1 、 兰 表3 1 旋风分离器主要尺寸 一级旋风二级旋风 d ( 1 】：l l n )2 5 02 0 0 四： 三in d e ( m m )8 06 0 工 一 d 一 d 2 ( n u n ) 5 04 0 工 h 1 ( m m ) 1 2 5 1 0 0 h 2 ( m m ) 3 7 03 0 0 ， 费? h(mm)9 0 08 0 0 a ( m m )1 2 51 0 0 d 2 k ，一一、5 54 4 图3 - 3 旋风分离器尺寸示意图 返料管和两级旋风分离器将提升管和鼓泡床连接成一个完整的循环系统，为了便于 观察物料的运动情况并测量循环返料量，试验台主体部分由有机玻璃制成。提升管和鼓 泡床的流化风由鼓风机提供。 3 1 2 空气供给系统 空气供给系统由风机、风道、调节蝶阀、转子流量计、风室和布风板等组成。 本试验台提升管布风板采用密孔板式。其特征是圆形，采用三角形布置，孔径 6 m m ，开孔率为1 2 ，如图3 4 所示，布风板作为重要的布风装置，在本实验中其 作用有三个：是支承静止的物料层；是给通过布风板给气流以一定的阻力，使 在布风板上具有均匀的气流速度分布，为取得良好的流化工况准备条件；是布风 板对气流的二定阻力，维持流化床层的稳定，抑制流化床层的不稳定性【2 9 1 。颗粒从 鼓泡床通过返料管进入提升管底部，堆积在分布板上，气体透过板上小孔向上鼓吹， 带动颗粒向上流动，使颗粒流化并被曳带。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 布风板气孔分布图 本试验用的转子流量计属于常用的一种变面积流量计。其工作原理是在一根由 下向上扩大的垂直锥管中有一个圆形截面的浮子，浮子的重力是由气体动力承受， 浮子可以在锥管内自由地上升和下降。在流体的浮力作用下上下运动，与浮子重量 平衡后，通过刻度盘读出空气的流量。转子流量计具有结构简单、直观、压力损失 小、维修方便等特点，使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下 而上地通过转子流量计。 蝶阀用于控制鼓泡床和提升管的风量，风量的调节是通过改变风道上的通流截 面积来达到的，最终实现提升管表观风速和返料量的变化。 3 1 3 试验数据采集系统 。 试验数据采集系统由软皮管、压力交送器、数据采集卡、电源和电脑等组成。 压力变送器的原理是被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在6 元件 ( 即敏感元件) 的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片 两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时， 致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振 荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作 原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。本试验所用压力 变送器型号为j y b g ，量程为0 - 5 0 0 p a ，输出信号为直流0 1 0 v ，供电为直流2 4 v ， 准确度为- 4 - 0 2 5 ，该精巧型压力变送器具有精度高，可靠性强的优点，达到试验要 求。 数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备。数据采集( d a q ) ，是指 1 r 华北电力大学硕士学位论文 从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送 到上位机中进行分析和处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平 台的测量软硬件产品来实现灵活的，用户自定义的测量系统。本试验采用 u s b 7 3 6 0 b f 采集卡采集压力变送器输出的数据，通过采集卡的的分析处理再通过 p s 0 0 8 接线端子板记录到电脑并储存，本实验所采用的采集频率为1 0 0 0 h z s 。 3 2 试验流程、步骤与测试方法 3 2 1 试验流程 在循环系统当中利用河沙作为循环物料，鼓泡床中的物料在气流的作用下，达到 鼓泡流态化状态，此时物料通过返料管，由于返料管两端的压差作用使物料通过返料 管进入提升管，气体流过布风板上所开小孔使提升管底部物料流化，使物料在提升 管内随气流向上快速流动，( 即达到流态化状态) ，气一固两相到达提升管顶部出口 后进入旋风分离器，物料被从气流中分离出来，通过立管送回鼓泡床，至此完成一 个循环。 3 2 2 试验步骤 ：+ ( 1 ) 根据河砂的堆积密度计算出一定静床高所需的物料重量，往鼓泡床注入 试验物料河沙1 0 公斤； ( 2 ) 把采集设备与电脑连接起来，并调试到正常状态，同时用软皮管把压力 变送器和提升管上的测试孔相连； ( 3 ) 开启风机电源，关闭转子流量计的调节蝶阀，启动风机； ( 4 ) 待风机稳定后，打开供给提升管流化风的调节蝶阀，通过转子流量计把 风量调到试验所要求的风量( 本试验提升管内的风量分别为9 0m 2 1 1 ，1 0 01 1 1 2 h 和 1 1 0m 2 h ，对应的表观风速分别为5 6 7 m s ，6 2 9m s 和6 9 2m s ) ，并保持稳定不变； ( 5 ) 打开供给鼓泡床流化风的调节蝶阀，使鼓泡床内的物料达到鼓泡流态化 状态并具有一定的返料量( 本试验使鼓泡床内的物料达到鼓泡流态化状态的最低风 量是1 0 0m 2 h ) ； ( 6 ) 反复测量循环系统的循环返料量，待循环系统稳定后( 一般为5 分钟) ， 开始测量并记录数据； ( 7 ) 每个测试孔采集4 次，每隔半分钟采集1 次，每次采集4 0 0 0 0 个点。采 集完后，调节供给到鼓泡床的风量，使其分别达到1 2 0m 3 h ，1 4 0m 3 h ，1 6 0m 3 h ， 1 8 0m 3 h ，2 0 0m 3 h ( 调节鼓泡床分量就是控制送往提升管的物料量，即颗粒循环流 率g ) ，然后按照步骤6 ，7 采集试验数据； 1 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 8 ) 改变提升管风量，然后按照步骤6 ，7 采集试验数据。 3 2 3 实验中所测试的主要参数 本实验需要测量的主要参数包括：( 1 ) 提升管流化气体表观风速v o ；( 2 ) 颗 粒循环速率g ；( 3 ) 颗粒粒径磊；( 4 ) 沿提升管高度方向等距离压差彳p 的测量。 3 2 3 1 表观风速测量 本实验所采用的气体为常温空气，由蝶阀控制气体流量的大小，由转子流量计 测量气体流量，根据所测得气体流量和提升管管径可以得到气体表观风速。 3 2 3 2 颗循环率g 测量 本实验中，循环物料采用普通的河砂颗粒，调节鼓泡床的风量控制蝶阀，使鼓 泡床处于不同的流化状态下，从而使返料管两端的压差产生变化，最终使鼓泡床通 过返料管进入提升管的物料量产生变化，这样就达到了改变颗粒循环流率的目的； 颗粒循环流率g 的测量方法是在稳定的颗粒循环过程中，瞬时关闭位于立管上蝶阀 4 ，物料便开始在此处进行堆积，并同时开始计时，观察一定时间内物料积累的高度， 根据物料的堆积密度和提升管的内径进而计算出物料颗粒循环流率g 即公式( 3 1 ) ， 此方法简单、准确，不需要复杂的测试系统。 q = 笔笋 3 2 3 3 颗粒粒径彩测量 表3 - 2 试验物料的组成 ( 3 1 ) 筛选物料平均粒径 0 6 7 60 4 5 70 3 0 8平均粒径( m m ) ( m m ) d p l 2 0 4 0 4 0 0 4 4 1 2 4 2 2 0 8 0 0 3 3 7 8 试验物料为普通河砂，颗粒粒径范围为0 3 0 8 0 6 7 6 m m ，球形度为0 5 8 。不同 粒径的河砂按比例组成两种物料平均粒径彩，和如2 ，两种试验物料的粒径分别由不 同粒径的河砂组成，如表3 2 所示，物料平均粒径的计算方法根据式子( 3 2 ) 和 ( 3 3 ) 得出： 2 0 以= x i d ； ( 3 2 ) ( 3 3 ) 3 2 3 4 压差4 尸的测量 试验中，在提升管不同高度的8 个截面处沿同一方向打8 个内径5 m m 的测试 孔，如图3 5 所示，用软皮管把压力变送器和测试孔相连，测量提升管不同截面之 间的压差值。8 个截面距提升管布风板的高度分别是1 4 m 、1 8 m 、2 5 8 m 、2 9 8 m 、 3 4 4 m 、3 8 4 m 、4 5 6 m 、4 9 6 m ，如图3 3 所示。其中，截面1 和截面2 、截面3 和 截面4 、截面5 和截面6 、截面7 和截面8 的距离相等，均为4 0 e r a ，对应的两截面 压差分别为4 n 、彳p 2 、么b 和彳 ，压力变送器对各个压差进行采集送入采集卡进 行处理，最后采集卡将数据送入计算机存储。采集频率为1 0 0 0 h z s ，每次采集时间 。约为4 0 s 。 p4 i j p3 p2 d 了、 ji 寸 寸 弋r 寸 ji p1 寸 c o 、 ( 3 3 刚 刚 ( 3 0 一 t i 寸 , - - - - 4 。 1 1 1 3 2 4 试验操作条件 截面8 截面7 截面6 截面5 截面4 截面3 截面2 截面l 图3 - 5 提升管测量截面分布图 压差彳p 测量过程中，提升管气体表观风速砺的变化范围为5 6 9 m s 6 9 2 m s ，通 过鼓泡床流化风速的调节使颗粒循环流率g 的变化范围为3 7 k g ( m 2 s ) 1 3 5 k g ( m 2 2 1 华北电力大学硕士学位论文 s ) ，对于不同工况下的各个主要参数进行测量，对试验数据进行综合分析处理， 得到在不同的操作条件下，沿提升管高度方向的四段压差a p i 、, a e 2 、么乃和彳只随 颗粒循环流率g 、表观风速和粒径彩的变化关系以及之间的比较。 3 3 试验方法校验和注意事项 3 3 1 试验方法校验 ( 1 ) 压力变送器准确性校验 当提升管中为纯气体流动时，用压力变送器和倾斜式微压计同时测量8 个截面 处的压力值，结果显示，用压力变送器测得的压力值和用微压计测得的压力值以及 压差值均相等。这证明压力变送器符合试验要求。 ( 2 )软皮管长度与摆放角度对压力和压差影响校验 使连接压力变送器和测试孔的软皮管的长度不一、摆放角度( 拱起和下垂) 不 一，用压力变送器测量提升管某一截面的压力值，结果显示软皮管的长度与摆放角 度对压力和压差的影响甚微，符合试验要求。 ( 3 ) 返料量稳定性校验 提升管中的风量保持不变，改变鼓泡床中的风量，待系统稳定运行后，用控制 蝶阀测量返料量并记录数据，然后开始测量提升管各测试孔的压力值，待测量完毕 后再次用控制蝶阀测量返料量并记录数据。部分数据如下表3 3 。 表3 - 3 返料量稳定性校验数据 弋 d p l = 0 3 3 7 8 m md p l = 0 3 3 7 8 m m ( 1 p 2 = 0 4 4 1 2 m md p 2 2 0 4 4 1 2 m m u o = 5 6 7 m su o = 6 9 2 m su o = 5 6 7 m s u o = 6 9 2 m s 缉 u g _ 1 4m su g _ 1 4m s u 产1 4m s u g = 1 4m s- 测压前所测 6 6 9 78 9 4 6 5 4 8 1 7 8 1 2 gk g ( m 2 s ) 测压后所测 6 6 5 28 9 7 65 4 3 07 7 7 l gk g ( m 2 s ) 经比较，前后所记录的数据误差很小，返料量的稳定性可以得到保证。 3 3 2 试验注意事项 ( 1 )启动风机前，把风量的调节蝶阀关闭；待风机启动并稳定后，要先打开 供给提升管风量的调节蝶阀，后打开供给鼓泡床风量的调节蝶阀，否则，在提升管 2 2 堡! ! 皇查奎堂堡主堂垡笙壅 _ _ - _ 一 无气流的情况下，鼓泡床的物料通过返料管堆积于提升管的布风板上，堆积过多会 提升管内出现物料节涌现象，影响物料流化。 ( 2 ) 由于两床之间压差的变化会使两床的流化风量相互影响，因此在调节鼓 泡床风量或者提升管风量过程中要同时注意另一个转子流量计的读数，并同时进行 调节。 ( 3 ) 试验过程中，连接测试孔和压力变送器的软皮管要不断地排出管内所沉 积的河砂，防止软皮管堵塞而引起试验误差。 华北电力大学硕士学位论文 第四章低通量气一固提升管压差特性及影响因素 已有的研究工作均集中于高通量气一固提升管两相流动的研究，对低通量气一固 提升管两相流动的研究则较少。研究掌握低通量气一固提升管内两相流动的特性有助 于拓展循环流化床这一高效设备的工业使用范围，提高其实用效率，建立完善的提升 管中两相流动力学行为的预测模型；并可以对深入了解提升管内传质、传热和化学 反应特性有帮助，因此对循环流化床设计也有着重要意义。本章用压差法研究低通 量气一固提升管两相流动特性，根据6 m 高提升管各段局部压差数据，归纳出提升管 内的各段局部压差特性和压差在提升管上的分布规律及其操作参数和颗粒粒径的影 响，对进一步进行试验研究提供帮助。 4 1 提升管的流体动力特性 4 1 1 提升管加速区 提升管的局部流动特性是指气固两相局部流动的不均匀性。根据提升管内颗粒 的运动速度分布规律，可以将其分为底部的加速区和上部的充分发展区【3 们。 在循环流化床底部的加速区，颗粒垂直方向的平均速度由接近于零加速达到某 一较稳定的速度，即在上部的充分发展区的平均颗粒速度。当循环流化床处于稳定 运行时，进入提升管底部的颗粒因其所受的气体曳力大于重力而向上作加速流动， 系统压降决定于颗粒悬浮和颗粒加速，随着颗粒的加速，气一固两相的滑落速度减 小，气体曳力也随之减小，当气体曳力减小到等于颗粒重力时，颗粒加速过程结束 并进入等速流动阶段，此时系统压降主要决定于颗粒悬浮( 即静压头) 。由于曳力系 数的变化，颗粒的加速段过程不能简单的套用气流夹带单颗粒的过程。 4 1 2 颗粒在提升管中的运动规律 如果忽略颗粒之间的相互作用，考虑单颗粒在气流中的作用，则气固之间的 速度可以简单的用下式计算，因为根据已有的研究，对于任一管内截面，运行风速 提高或颗粒循环流率减小时，截面平均颗粒速度会增大。 一u p2 ( 4 1 ) 但气一固之间的相对速度不能简单地采用上式进行计算，其原因有三【3 1 】：循 环流化床提升管内的物料浓度增大时，固体颗粒之间的相互作用不可忽视，固体颗 粒之间的相互碰撞使固体颗粒的速度变化比较复杂：固体颗粒之间会形成颗粒 2 4 华北电力大学硕士学位论文 团，不能简单的用( 3 1 ) 式计算颗粒团的运动；气流在循环流化床提升管内的 湍流度很大。 由于颗粒的湍动、返混以及运动的随机性，颗粒在提升管同一截面上的径向运 动速度正负均有【3 2 。4 1 ，由核心区漂移到边壁的颗粒和颗粒团突然滑过壁面，在向上 的动量的作用下仍保持上行一定的距离，在近壁面处向下运动的固体颗粒偶尔也会 被中心上升气流夹带而向上运动，这就导致了两种横向运动，其一是离开壁面，其 二是流向壁面。即颗粒向中心及边壁的运动均有可能，这实际上形成了环核结构。 在循环流化床提升管中，流化介质( 颗粒) 以柱塞流的形式向上运动，但根据 目前研究表明，由于壁面的摩擦效应，在靠近壁面处的气速低于提升管中心的气速。 在提升管核心区上行的固体颗粒，由于流体动力的作用，会向边壁漂移i 当到达壁 面时，由于气速较低，流体对颗粒或颗粒团的曳力也降低，这样颗粒在近壁面处的 上升速度减慢或者向下运动，而且当床径较小时，边壁效应相对较大，边壁颗粒密 集区在截面上所占的比例增大，我们可以看出，在提升管当中，除了固体颗粒在分