訾燦，黃正梁，廖祖維，蔣斌波，王靖岱，陽(yáng)永榮

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循環(huán)流化床中顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

訾燦，黃正梁，廖祖維，蔣斌波，王靖岱，陽(yáng)永榮

（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027）

顆粒的循環(huán)特性是循環(huán)流化床研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)之一，在建立顆粒循環(huán)時(shí)，顆粒循環(huán)由非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。本文在循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置中，采用攝像法和壓力檢測(cè)法研究了不穩(wěn)定顆粒循環(huán)條件下顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)和各段壓降的變化情況。首次發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定顆粒循環(huán)狀態(tài)下的顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象及其具有的兩個(gè)特征：下降段、提升段氣固流動(dòng)結(jié)構(gòu)呈周期性變化；下降段壓降d和提升段壓降r周期性波動(dòng)且d>r和d

循環(huán)流化床；顆粒振蕩循環(huán)；流動(dòng)結(jié)構(gòu)；壓降

引 言

循環(huán)流化床廣泛應(yīng)用于煤氣化、生物質(zhì)燃燒、烯烴聚合等領(lǐng)域[1-3]。顆粒的循環(huán)特性是循環(huán)流化床的研究重點(diǎn)及研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從實(shí)驗(yàn)[4-5]、模擬[6-9]的角度考察了操作參數(shù)、裝置結(jié)構(gòu)、顆粒性質(zhì)對(duì)顆粒循環(huán)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)在噎塞[10-12]或系統(tǒng)壓力失衡[8-9,13]時(shí)顆粒循環(huán)無(wú)法保持穩(wěn)定。Bi等[12]根據(jù)噎塞機(jī)理的不同將其分為A、B、C 3類，當(dāng)系統(tǒng)壓力不平衡使得從下降段向提升段轉(zhuǎn)移的顆粒量小于提升段的顆粒輸送量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致顆粒循環(huán)不穩(wěn)定，屬于B類噎塞。Basu等[8]建立了循環(huán)流化床系統(tǒng)的壓力平衡模型并分析了其運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下降段壓降不能平衡其余各部分壓降時(shí)，循環(huán)氣將由下降段直接進(jìn)入旋風(fēng)分離段，并破壞顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性。Bi等[9]還根據(jù)循環(huán)流化床系統(tǒng)的壓力平衡模型研究了顆粒循環(huán)穩(wěn)定性與操作參數(shù)和裝置結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

循環(huán)流化床中顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面，第一是從顆粒穩(wěn)定循環(huán)到不穩(wěn)定循環(huán)的過(guò)程，第二是從顆粒不穩(wěn)定循環(huán)到穩(wěn)定循環(huán)的過(guò)程[14]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于研究前者的穩(wěn)定性問(wèn)題[8-12]，對(duì)后者少有研究。事實(shí)上第二種顆粒循環(huán)的穩(wěn)定性問(wèn)題在工業(yè)過(guò)程中也廣泛存在。例如，循環(huán)流化床鍋爐及烯烴聚合多區(qū)反應(yīng)器中，在顆粒循環(huán)段暢通的情況下采用先通氣后加入顆粒或利用反應(yīng)生成的顆粒來(lái)建立顆粒循環(huán)[15-17]，即典型的從顆粒不穩(wěn)定循環(huán)到穩(wěn)定循環(huán)的過(guò)程。工業(yè)實(shí)際運(yùn)行情況表明，在這種建立顆粒循環(huán)的過(guò)程中，提升段、下降段壓降出現(xiàn)大幅波動(dòng)，很難建立穩(wěn)定的顆粒循環(huán)，不僅導(dǎo)致開(kāi)車時(shí)間大幅增長(zhǎng)，而且形成大量的揚(yáng)析顆粒在循環(huán)氣系統(tǒng)中黏附結(jié)塊，嚴(yán)重影響循環(huán)氣系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。但是，由于缺少對(duì)這一過(guò)程的深刻認(rèn)識(shí)，無(wú)法快速地建立顆粒的穩(wěn)定循環(huán)。因此，迫切需要研究顆粒循環(huán)建立過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題。

在閥門開(kāi)度、循環(huán)氣量以及顆粒循環(huán)量一定的條件下，裝置內(nèi)顆粒藏量存在一個(gè)最小值以維持系統(tǒng)壓力平衡，該最小值為臨界顆粒藏量，由實(shí)驗(yàn)知本實(shí)驗(yàn)體系的臨界顆粒藏量為7.0 kg[8-9]。建立顆粒循環(huán)時(shí)，循環(huán)流化床內(nèi)顆粒量不斷增加，當(dāng)床內(nèi)顆粒藏量達(dá)到臨界顆粒藏量時(shí)，才能形成穩(wěn)定的顆粒循環(huán)。當(dāng)顆粒藏量小于臨界值時(shí)，顆粒循環(huán)不穩(wěn)定，本文即在這種條件下，采用攝像法和壓力檢測(cè)法研究建立顆粒循環(huán)過(guò)程中床內(nèi)顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)和各段壓降的變化，重點(diǎn)考察了循環(huán)氣流量和顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度對(duì)顆粒流動(dòng)的影響，并結(jié)合顆粒轉(zhuǎn)移過(guò)程的受力分析提出振蕩周期的計(jì)算公式，期望為后續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖1為循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置圖。循環(huán)流化床由提升段、下降段、旋風(fēng)分離段及顆粒循環(huán)段構(gòu)成，其中提升段高3.0 m、直徑0.15 m，下降段由兩段直徑分別為0.15和0.1 m的管路構(gòu)成，整體高2.3 m。循環(huán)氣為空氣，由羅茨風(fēng)機(jī)提供，并通過(guò)氣體流量計(jì)和閥門控制流量。顆粒相采用聚丙烯顆粒，平均粒徑為2.5 mm，密度為900 kg·m-3。采用攝像機(jī)記錄顆粒的流化狀態(tài)。采用壓力傳感器檢測(cè)圖1中4個(gè)位置（P1～P4）的壓力變化，采樣頻率為200 Hz，采樣時(shí)間不低于200 s。在圖1所示的裝置中，當(dāng)顆粒循環(huán)穩(wěn)定時(shí)，提升段內(nèi)顆粒被上行循環(huán)氣夾帶進(jìn)入旋風(fēng)分離段，經(jīng)氣固分離后，循環(huán)氣由旋風(fēng)分離段中心管離開(kāi)反應(yīng)器，顆粒在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)并在下降段中以移動(dòng)床的狀態(tài)緩慢運(yùn)行，而后在顆粒循環(huán)段的控制下返回提升段形成顆粒循環(huán)。

關(guān)閉顆粒循環(huán)段閥門，向下降段裝填總量為t的物料。物料裝填量應(yīng)小于臨界顆粒藏量，本實(shí)驗(yàn)選取t=5 kg。先通入循環(huán)氣，再將顆粒循環(huán)段閥門打開(kāi)并保持開(kāi)度為不變，采用攝像機(jī)觀察并記錄顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)檢測(cè)壓力。循環(huán)氣流量t變化范圍為140～240 m3·h-1，顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度變化范圍為0～100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象

2.1.1 顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)的周期性變化 在t=180 m3·h-1、t=5.0 kg、=100%條件下，顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)啟后第21～25秒循環(huán)流化床內(nèi)顆粒的流化狀態(tài)如圖2所示。結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程可知，在第21秒和第25秒，下降段顆粒呈移動(dòng)床狀態(tài)并向提升段轉(zhuǎn)移，進(jìn)入提升段的顆粒在循環(huán)氣作用下呈湍動(dòng)或快速流化狀態(tài)；在第22～24秒，下降段和提升段料位明顯，均處于低速流化狀態(tài)[18]，在顆粒濃度差推動(dòng)下顆粒從提升管向下降段轉(zhuǎn)移。下降段內(nèi)顆粒流化狀態(tài)呈周期性變化，顆粒在提升段與下降段之間往復(fù)循環(huán)。這一現(xiàn)象稱為顆粒振蕩循環(huán)。由循環(huán)流化床壓力平衡特性可知，當(dāng)下降段顆粒處于移動(dòng)床狀態(tài)時(shí)，可自行調(diào)節(jié)內(nèi)部氣固滑移速度（slip）維持系統(tǒng)壓力平衡并推動(dòng)顆粒轉(zhuǎn)移。例如在其余各段壓降不變的情況下，下降段料位高度降低時(shí)，下降段表觀氣速增加，氣固滑移速度增加，氣體對(duì)下降段顆粒曳力作用增強(qiáng)，下降段壓降梯度增加，從而維持下降段壓降不變。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下降段為移動(dòng)床時(shí)物料高度不斷降低，slip不斷增加[19]，當(dāng)slip>mf時(shí)，下降段壓力梯度達(dá)到最大，系統(tǒng)壓力不再平衡[8]，下降段表觀氣速增加并由移動(dòng)床轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰?，同時(shí)下降段向提升段的顆粒轉(zhuǎn)移受阻。這與文獻(xiàn)結(jié)果是一致的[20-22]。當(dāng)下降段處于流化狀態(tài)時(shí)，竄氣量的增加使得提升段表觀氣速不斷減小，提升段由快速或湍動(dòng)流化轉(zhuǎn)變?yōu)榈退倭鲬B(tài)化。與此同時(shí)，由于提升段底部顆粒濃度大于下降段底部顆粒濃度，在顆粒濃度差的推動(dòng)下[23]，顆粒將從提升段底部向下降段轉(zhuǎn)移，使得下降段顆粒量不斷增加直至形成料封，下降段重新形成移動(dòng)床，顆粒再次從下降段向提升段轉(zhuǎn)移，開(kāi)始新的循環(huán)。

2.1.2 壓降的周期性變化 循環(huán)流化床各段壓降及壓力平衡回路可用于研究顆粒循環(huán)特性[24]。提升段壓降r（P4-P2）、下降段壓降d（P3-P1）、旋風(fēng)分離段壓降c（P2-P1）、顆粒循環(huán)段壓降s（P4-P3）的計(jì)算公式分別如式（1）～式（5）所示[25]。由于提升段和下降段存在變徑結(jié)構(gòu)，因此采用分段函數(shù)計(jì)算壓降。當(dāng)下降段處于流化床狀態(tài)時(shí)，采用式（2）計(jì)算壓降；當(dāng)下降段處于移動(dòng)床狀態(tài)時(shí)，采用式（3）計(jì)算壓降。

在t=180 m3·h-1、t=5.0 kg、=100%條件下，顆粒振蕩循環(huán)過(guò)程中各段的壓降隨時(shí)間的變化如圖3所示。由圖3可知，循環(huán)流化床各段壓降呈周期性波動(dòng)，且d>r和dr；當(dāng)下降段為流化床時(shí)，提升段需要具有較大的壓降才能推動(dòng)顆粒向下降段轉(zhuǎn)移，此時(shí)dr和d

r—riser pressure drop;d—downer pressure drop;c—cyclone pressure drop;s—solid control valve pressure drop

從圖3中還可以看出，在同一周期內(nèi)，d與c變化趨勢(shì)相同，s與r變化趨勢(shì)相同，且兩者有180°的相位差。實(shí)驗(yàn)條件下，循環(huán)氣由提升段底部通入，當(dāng)下降段為移動(dòng)床時(shí)，循環(huán)氣全部由提升段上行；當(dāng)下降段為流化床時(shí)，部分循環(huán)氣由顆粒循環(huán)段進(jìn)入下降段，出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。顆粒振蕩循環(huán)時(shí)裝置內(nèi)顆粒藏量及循環(huán)氣量總量均保持不變，提升段內(nèi)顆粒質(zhì)量和氣體流量的增加必然會(huì)導(dǎo)致下降段內(nèi)顆粒質(zhì)量和氣體流量減小，反之亦然。因此，d與r變化趨勢(shì)具有180°的相位差。

2.1.3 振蕩周期的理論分析 顆粒振蕩循環(huán)過(guò)程中下降段的流化狀態(tài)在流化床和移動(dòng)床之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。當(dāng)下降段為移動(dòng)床時(shí)，顆粒在壓差的推動(dòng)下從下降段向提升段轉(zhuǎn)移；當(dāng)下降段為流化床時(shí)，顆粒在濃度差的推動(dòng)下從提升段向下降段轉(zhuǎn)移。本節(jié)對(duì)兩種狀態(tài)下的下降段料柱微元進(jìn)行受力分析，以說(shuō)明顆粒推動(dòng)機(jī)制，并建立顆粒振蕩周期的計(jì)算方法。

（1）下降段為移動(dòng)床時(shí)的推動(dòng)力分析

下降段為移動(dòng)床時(shí)，顆粒在負(fù)壓梯度下向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)內(nèi)部微元進(jìn)行受力分析[26]，結(jié)果如圖4所示。其中spdd為微元的重力，和為微元上下表面受到的作用力，wpsd為微元受到的立管壁面的切應(yīng)力。

當(dāng)顆粒循環(huán)量穩(wěn)定時(shí)，微元內(nèi)顆粒速度不變，此時(shí)微元受力平衡關(guān)系如式（6）所示，化簡(jiǎn)得式（7）。

已知微元壁面間切應(yīng)力w與微元壁面間正應(yīng)力滿足關(guān)系式（8）[27]，顆粒壁面間正應(yīng)力與顆粒間正應(yīng)力滿足關(guān)系式（9）

式中，為顆粒壁面間摩擦因子；為法向切向應(yīng)力比。

將式（8）、式（9）代入式（7）得式（10）

忽略s及d/d隨軸向高度的變化，式（10）的解析解如下

（2）下降段為流化床時(shí)的推動(dòng)力分析

當(dāng)下降段為流化床時(shí)，顆粒由提升段向下降段轉(zhuǎn)移，此時(shí)提升段、下降段內(nèi)顆粒均為流化狀態(tài)且顆粒轉(zhuǎn)移方式為流化顆粒間的橫向轉(zhuǎn)移，結(jié)合文獻(xiàn)可知[23]，流化顆粒間橫向轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力與提升段、下降段底部的顆粒濃度差正相關(guān)。

提升段與下降段底部的顆粒濃度計(jì)算公式為

式中，為流化床層結(jié)構(gòu)指數(shù)，可通過(guò)式（13）、式（14）計(jì)算[25]

則提升段底部與下降段底部的顆粒濃度差計(jì)算公式如下

式（15）表明，當(dāng)通氣量一定時(shí)，下降段表觀氣速越大，提升段向下降段的顆粒轉(zhuǎn)移速率越大。這與圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

（3）振蕩周期

一個(gè)顆粒振蕩循環(huán)周期內(nèi)包括正反兩個(gè)過(guò)程：從提升段向下降段的顆粒轉(zhuǎn)移，從下降段向提升段的顆粒轉(zhuǎn)移。作如下假設(shè)：正反兩個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程的顆粒轉(zhuǎn)移量相同，均為tr；顆粒轉(zhuǎn)移速率與顆粒推動(dòng)力成正比[22]。則顆粒振蕩循環(huán)周期可以由式（16）計(jì)算

式中，1、2分別為下降段向提升段及提升段向下降段的顆粒轉(zhuǎn)移速率比例因子。

2.2 操作參數(shù)對(duì)顆粒振蕩循環(huán)過(guò)程的影響

2.2.1 循環(huán)氣流量的影響 圖5給出了不同循環(huán)氣流量下循環(huán)流化床各段壓降隨時(shí)間的變化。由圖5可知，當(dāng)t=140 m3·h-1時(shí)，d始終小于r，雖然d仍然呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到下降段和提升段顆粒均處于流化狀態(tài)，顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象已經(jīng)消失。結(jié)合式（15）可知，此時(shí)提升段與下降段底部顆粒濃度差為0，提升段向下降段轉(zhuǎn)移顆粒的推動(dòng)力不足，下降段無(wú)法由流化床轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)床。從圖5還可以看出，當(dāng)t≥160 m3·h-1時(shí)，d、r、c、s均呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，且d>r和d=100%實(shí)驗(yàn)條件下，臨界循環(huán)氣流量是140 m3·h-1。

根據(jù)壓降數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到振蕩周期。分析發(fā)現(xiàn)振蕩周期隨著循環(huán)氣流量的增大而增大，如圖6所示。由式（11）、式（15）可知，循環(huán)氣流量越大，則提升段底部與下降段底部的顆粒濃度差、顆粒間正應(yīng)力越小，即顆粒轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力越??；與此同時(shí)，氣體對(duì)顆粒的曳力越大，下降段形成料封所需的顆粒量越大，即顆粒轉(zhuǎn)移量越大。可見(jiàn)，顆粒轉(zhuǎn)移量與循環(huán)氣流量成正比，而顆粒轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力與循環(huán)氣流量成反比，代入式（16）可知，振蕩周期與循環(huán)氣流量成反比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析是一致的。

根據(jù)壓降數(shù)據(jù)還可以得到各段壓降的均值及其波動(dòng)幅度隨循環(huán)氣流量的變化，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，r均值隨循環(huán)氣流量的增大先增大后減小，但變化范圍較小，s均值隨循環(huán)氣流量的增大先減小后增大，d均值和c均值隨循環(huán)氣流量的增大而增大。在顆粒振蕩循環(huán)過(guò)程中，循環(huán)氣量越大，提升段和下降段表觀氣速越大，由式（1）、式（2）可知c、s均會(huì)增大；顆粒轉(zhuǎn)移量隨著循環(huán)氣量的增加而增大，使得提升段平均顆粒量減少，導(dǎo)致r均值減小。由于c均值、s均值增量大于r均值減少量，根據(jù)循環(huán)流化床壓力平衡特點(diǎn)可知d均值增加。從圖7中還可以看出，各段壓降的波動(dòng)幅度隨著循環(huán)氣流量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。壓降波動(dòng)幅度與提升段和下降段之間顆粒轉(zhuǎn)移量成正比，循環(huán)氣流量越大，顆粒轉(zhuǎn)移量越大，壓降波動(dòng)幅度隨之增大。

2.2.2 顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度的影響 圖8為循環(huán)流化床各段壓降隨顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度的變化。由圖可知，當(dāng)≥55%時(shí)，d、r、c、s均呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，且d>r和d≤40%時(shí)，d始終小于r，雖然d仍然呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象已經(jīng)消失。結(jié)合式（15）分析可知，當(dāng)≤40%時(shí)提升段與下降段底部顆粒濃度差為0，提升段向下降段轉(zhuǎn)移顆粒的推動(dòng)力不足，下降段無(wú)法由流化床轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)床。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于一定的循環(huán)氣流量，當(dāng)顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度大于某一臨界值時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象。在本文t=5.0 kg、t=240 m3·h-1實(shí)驗(yàn)條件下，臨界顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度是=40%。

圖9為顆粒振蕩循環(huán)周期隨閥門開(kāi)度的變化，可見(jiàn)振蕩周期不受閥門開(kāi)度影響。顆粒振蕩循環(huán)過(guò)程中，閥門開(kāi)度減小使得顆粒循環(huán)段流體阻力增加。當(dāng)下降段為移動(dòng)床時(shí)，為平衡該部分阻力的增加，下降段壓降增加，由式（11）可知，顆粒推動(dòng)力減小。當(dāng)下降段為流化床時(shí)，阻力增加導(dǎo)致下降段表觀氣速減小，使得下降段形成料封所需顆粒量tr減少，由式（15）知，提升段向下降段顆粒轉(zhuǎn)移推動(dòng)力減小。結(jié)合式（16）可知顆粒轉(zhuǎn)移量的減小與顆粒轉(zhuǎn)移速率的減小對(duì)振蕩周期產(chǎn)生的影響將相互抵消，從而使得振蕩周期不變。

圖10為各段壓降均值及其波動(dòng)幅度隨閥門開(kāi)度的變化。由圖可知，隨著閥門開(kāi)度的增加，r均值在較小范圍內(nèi)先增加后減小，d均值減小，s均值增加，c均值減小但在閥門全開(kāi)時(shí)略有回升。在顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象出現(xiàn)之前，增加顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度使顆粒循環(huán)段的阻力和提升段表觀氣速減小、下降段表觀氣速增加。由式（1）、式（2）知，c均值減小、s均值增加，由式（3）、式（4）知r均值增加、d均值減小。顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象出現(xiàn)之后，提升段、下降段表觀氣速維持原有變化趨勢(shì)，使得c均值繼續(xù)減小、s均值繼續(xù)增加。而顆粒轉(zhuǎn)移量的增加使得提升段顆粒量及壓降r均值減小。由于r、c均值減小量大于s均值的增量，由循環(huán)流化床壓力平衡的角度可知d均值減小。對(duì)各段壓降幅值分析發(fā)現(xiàn)，除提升段外各段壓降的波動(dòng)幅度隨著閥門開(kāi)度的增大而增大，表明提升段和下降段之間顆粒轉(zhuǎn)移逐漸增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文首次發(fā)現(xiàn)了在循環(huán)流化床建立顆粒循環(huán)的過(guò)程中，當(dāng)固定顆粒藏量使其小于臨界顆粒藏量時(shí)，存在顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象。顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象具有如下特征：下降段的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)在流化床和移動(dòng)床之間交替變化，提升段的顆粒流動(dòng)結(jié)構(gòu)在低速流態(tài)化、快速流態(tài)化之間交替變化；下降段壓降d、提升段壓降r、旋風(fēng)分離器壓降c、顆粒循環(huán)段壓降s均呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，且d>r和d

顆粒振蕩循環(huán)現(xiàn)象與循環(huán)氣流量、顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度等操作參數(shù)有關(guān)。在顆粒藏量小于臨界顆粒藏量條件下，循環(huán)氣流量或顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度大于某一臨界值時(shí)才能誘發(fā)顆粒振蕩循環(huán)。顆粒振蕩周期由顆粒轉(zhuǎn)移量及顆粒轉(zhuǎn)移速率共同決定，隨著循環(huán)氣流量的增大而增大，與顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度無(wú)關(guān)；顆粒振蕩時(shí)提升段和下降段之間交換的顆粒量隨著循環(huán)氣流量和顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度的增大而增大。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——管路截面積，m2 Ccy——旋風(fēng)分離器阻力系數(shù) D——管路直徑，m dp——顆粒直徑，m f——顆粒壁面摩擦系數(shù) Gs——單位時(shí)間內(nèi)顆粒循環(huán)速量，kg·m-2 g——重力加速度，m·s-2 k——法向應(yīng)力切向應(yīng)力比 k1, k2——顆粒轉(zhuǎn)移速率比例因子，m2·s-1 L——下降段料位高度，m led——顆粒循環(huán)段等效管路長(zhǎng)度，m lew——閥門等效管路長(zhǎng)度，m m——管路內(nèi)顆粒量，kg mt——初始填料量，kg n——流動(dòng)床層結(jié)構(gòu)指數(shù) p——下降段壓降，kPa Qt——循環(huán)氣流量，m3·h-1 Reui——顆粒Reynolds數(shù) tp——顆粒振蕩周期，s u——管路表觀氣速，m·s-1 umf——顆粒起始流化速度，m·s-1 uslip——下降段氣固滑移速度，m·s-1 ut——顆粒終端速度，m·s-1 Z——下降段微元距料位上部距離，m e——?dú)庀喾致?es——顆粒分率 h——顆粒循環(huán)段閥門開(kāi)度，% l——管路流體阻力系數(shù) m——?dú)庀囵ざ?，Pa·s rp——顆粒密度，kg·m-3 rg——?dú)怏w密度，kg·m-3 ——微元壁面間正應(yīng)力，Pa ——顆粒正應(yīng)力，Pa tw——微元壁面間切應(yīng)力，Pa 下角標(biāo) c——旋風(fēng)分離段 d——下降段 d1——下降段下部管路 d2——下降段擴(kuò)大段管路 i——取r或d r——提升段 r1——提升段下部管路 r2——提升段主體管路 s——顆粒循環(huán)段

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Experimental research on solids oscillation circulation behavior in circulating fluidized bed

ZI Can, HUANG Zhengliang, LIAO Zuwei, JIANG Binbo, WANG Jingdai, YANG Yongrong

College of Chemical and Biological EngineeringState Key Laboratory of Chemical EngineeringZhejiang UniversityHangzhouZhejiangChina

During the process of solids circulation establishment in circulating fluidized beds (CFBs), the solids circulation goes through a transition from an unstable state to a stable one. In this work, the stability of solids circulation in a CFB with limited bed inventory is studied by using a pressure transducer and a digital camera. The work reveals an interesting phenomenon, termed as oscillation circulation behavior of solids transportation between the riser and the downer through a solid control valve. Two important features are noted from the experimental results. Firstly, the gas-solid flow pattern in the riser and the downer is in transition between various fluidization regimes. Secondly, the pressure drop of the riser and the downer fluctuates periodically alternating betweend>randd

circulating fluidized bed; oscillation circulation; flow pattern; pressure drop

2015-05-21.

HUANG Zhengliang, huangzhengl@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150647

TQ 021.1

A

0438—1157（2015）08—2929—11

黃正梁。

訾燦（1991—），男，博士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21236007）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-25收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21236007).