李婷婷, 王亦飛, 謝 凱, 曾 杰, 位宗瑤, 王 亮, 于廣鎖

洗滌冷卻室內(nèi)固含率徑向分布不均勻性的實(shí)驗(yàn)研究

李婷婷, 王亦飛, 謝 凱, 曾 杰, 位宗瑤, 王 亮, 于廣鎖

(水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心,華東理工大學(xué) 潔凈煤技術(shù)研究所, 上海 200237)

為了研究三相洗滌冷卻室內(nèi)固含率的徑向分布特性，利用光纖探針對(duì)局部固含率進(jìn)行測(cè)量，采用固含率徑向不均勻指數(shù)(NI(s))對(duì)局部固含率的徑向分布不均勻性進(jìn)行了定量描述。結(jié)果表明：洗滌冷卻管出口以下的液池可分為氣相湍動(dòng)作用區(qū)、二次流動(dòng)區(qū)與顆粒沉降區(qū)，其中氣相湍動(dòng)作用區(qū)內(nèi)的氣泡尾流夾帶與顆粒沉降區(qū)內(nèi)的顆粒間相互擾動(dòng)導(dǎo)致其N(xiāo)I(s)大于二次流動(dòng)區(qū)，NI(s)受到液固性質(zhì)、表觀(guān)氣速及測(cè)量高度等多種因素的共同影響。當(dāng)截面平均固含率`s相近時(shí)，二次流動(dòng)區(qū)與顆粒沉降區(qū)內(nèi)不同條件下的局部固含率s的徑向分布具有相似性。經(jīng)非線(xiàn)性參數(shù)擬合得到了由無(wú)因次半徑(1)與`s表示的s的關(guān)聯(lián)式，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。

洗滌冷卻室；光纖探針；局部固含率；徑向不均勻指數(shù)；截面平均固含率

1 前言

洗滌冷卻室是多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的關(guān)鍵組成設(shè)備之一。在洗滌冷卻室內(nèi)，高溫合成氣沿洗滌冷卻管下行進(jìn)入液池，隨后反折向上進(jìn)入環(huán)隙鼓泡床以完成高溫合成氣的洗滌冷卻與氣液固三相的分離[1]。目前關(guān)于洗滌冷卻室內(nèi)流體流動(dòng)特性的研究多集中于洗滌冷卻管的降膜流動(dòng)[2～4]與環(huán)隙空間的鼓泡流[5～7]兩方面，對(duì)于液池內(nèi)灰渣顆粒分布特性的研究相對(duì)較為匱乏?；以w粒的分布會(huì)影響其在床層中的停留時(shí)間、微觀(guān)流體流動(dòng)以及多相分離效率，對(duì)流體流動(dòng)規(guī)律的掌握與工業(yè)設(shè)備的放大具有重要意義。目前已有學(xué)者對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)顆粒濃度的軸向分布進(jìn)行了相對(duì)深入的研究，通過(guò)劃分區(qū)域(例如：懸浮區(qū)、擴(kuò)散區(qū)與沉降區(qū))及數(shù)值模擬(沉降-擴(kuò)散模型、尾渦脫落模型等)的方法對(duì)非均勻的顆粒濃度軸向分布進(jìn)行了較為直觀(guān)的描述[8-9]。但對(duì)于洗滌冷卻室內(nèi)固含率徑向波動(dòng)性分布的定量化描述卻鮮有涉及[10]。由于較大的固含率徑向不均勻程度易導(dǎo)致結(jié)渣甚至造成出水口堵塞，因此對(duì)于顆粒濃度徑向分布的定量化描述具有重要意義。其中建立相關(guān)模型及指數(shù)分析是較為常見(jiàn)的定量化方法：核心-環(huán)空模型[11]可用于描述徑向固體濃度分布的不均勻現(xiàn)象。此外，白丁榮等[12]還提出了顆粒濃度分布不均勻度指數(shù)，定義為局部固含率與截面固含率差值的平方與無(wú)因次半徑乘積的定積分，但該指數(shù)在平均固含量不同的情況下難以對(duì)不同操作條件下的徑向不均勻程度進(jìn)行比較。為此，Zhu等[13]提出了一個(gè)可以量化固含率徑向不均勻程度的參數(shù)——徑向不均勻指數(shù)(NI)，該指數(shù)以相同的比較基數(shù)為基準(zhǔn)，并進(jìn)行了歸一化，被廣泛用于徑向固體濃度分布的定量分析[14-15]。

實(shí)際工業(yè)中，灰渣因原煤種類(lèi)、進(jìn)氣形式、工藝過(guò)程等諸多因素而呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣的物理特征，洗滌冷卻水的物理性質(zhì)往往也會(huì)因高溫高壓條件、添加防止結(jié)垢的分散劑而發(fā)生改變[16]。因此本研究通過(guò)改變液固性質(zhì)對(duì)洗滌冷卻室內(nèi)的固含率徑向分布特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，期望能為工業(yè)洗滌冷卻室內(nèi)固相分布特性的預(yù)測(cè)、穩(wěn)定運(yùn)行及大規(guī)模開(kāi)發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，洗滌冷卻室由有機(jī)玻璃制成。空氣由羅茨鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后從頂部進(jìn)氣口進(jìn)入，沿洗滌冷卻管(內(nèi)徑70 mm，外徑80 mm)下行進(jìn)入液池(內(nèi)徑200 mm)。液固兩相由進(jìn)水口加入，初始靜態(tài)液位高度為680 mm，采用環(huán)隙與底部鼓泡同時(shí)進(jìn)行的方式進(jìn)行預(yù)混。以出水口底端所在水平位置為基準(zhǔn)(即軸向高度= 0 mm)，在= 195、245、295、385 mm處布置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將4根光導(dǎo)纖維探針由測(cè)量點(diǎn)處水平插入，并沿徑向方向確定了5個(gè)測(cè)量點(diǎn)(無(wú)因次半徑1= 0，0.2，0.4，0.6，0.8，其中與1分別為測(cè)量點(diǎn)、壁面處與洗滌冷卻室中心軸線(xiàn)的距離)。表觀(guān)氣速g為0.07～0.35 m×s-1(以環(huán)隙截面積為基準(zhǔn))。采用的固體顆粒為玻璃微珠(顆粒密度p= 2 500 kg×m-3，粒徑p= 33～167mm，初始固相體積分?jǐn)?shù)G= 0.34%～1.00%)，液相性質(zhì)(液相密度L、液相黏度L、表面張力L)如表1所示，表中為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1. fan 2. valve 3. flowmeter 4. air inlet 5. scrubbing-cooling tube 6. bubble-break plate 7. water pump 8. water inlet 9. water outlet 10. valve 11. bubble tube 12. air outlet 13. Computer 14. PC6M measuring instrument 15. optical fiber probe 16. sample port

表1 本實(shí)驗(yàn)采用的液相性質(zhì)參數(shù)表

PC6M型多通道顆粒濃度測(cè)量?jī)x由中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研制，其測(cè)量原理是應(yīng)用光導(dǎo)纖維陣列探頭檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)顆粒濃度相關(guān)的反射光信號(hào)，并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理以及模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換(Analog to Digital converter )后由計(jì)算機(jī)記錄分析。測(cè)量頻率設(shè)置為200 Hz，測(cè)量時(shí)間設(shè)置為10.24 s。采用Zhang等[17]提出的方法對(duì)電壓與G之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，擬合公式采用擬合優(yōu)度2可達(dá)0.99以上的三項(xiàng)式，每改變一次物料性質(zhì)需重新標(biāo)定。圖2為在純水中采用p= 167 μm的玻璃微珠時(shí)光纖探針的校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

圖2 光纖探針的校準(zhǔn)曲線(xiàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 固含率徑向分布不均勻性的定量分析

采用Zhu等[13]提出的固含率徑向不均勻指數(shù)(NI(s))對(duì)固含率的徑向分布作出定量分析。NI(s)為歸一化參數(shù)，處于0～1，其值越小，固含率徑向分布越均勻。NI(s)的定義為

式中：(s)為局部固含率標(biāo)準(zhǔn)偏差，max(s)為截面平均固含率的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差。max(s)可由式(2)計(jì)算：

式中：s為局部固含率，%；smf為體系中的顆粒堆積固含率，%；s為截面平均固含率，%，其定義為

如圖3所示，根據(jù)不同軸向高度處RNI(es)與`es的相對(duì)大小，可將洗滌冷卻管出口以下的液池分為3個(gè)區(qū)域：氣相湍動(dòng)作用區(qū)(區(qū)域a，h = 295～385 mm)、二次流動(dòng)區(qū)(區(qū)域b，h = 245～295 mm)和顆粒沉降區(qū)(區(qū)域c，h = 195～245 mm)。受洗滌冷卻管出口突擴(kuò)射流的沖擊作用與氣泡尾流對(duì)顆粒的夾帶作用，區(qū)域a的固含率徑向分布不均勻性較高，即RNI(es)較大。氣體沿洗滌冷卻管外壁的反折上升運(yùn)動(dòng)(主流)導(dǎo)致氣液相體積及流速的不均勻分布，進(jìn)而引發(fā)了較大規(guī)模回流的產(chǎn)生，主流與回流的共同作用導(dǎo)致了流體的二次流動(dòng)[18]，促進(jìn)了顆粒的軸徑向擴(kuò)散，增強(qiáng)了`es的軸徑向均勻性，因此RNI(es)相對(duì)較低。區(qū)域c 內(nèi)的顆粒則主要受重力作用發(fā)生沉降，`es隨軸向高度的降低而明顯增大，因此RNI(es)隨之增大。

圖4、5表示的是不同軸向高度處NI(s)與s隨固液性質(zhì)的變化規(guī)律。液池內(nèi)的顆粒受到重力、浮力及黏滯阻力的作用發(fā)生運(yùn)動(dòng)，顆粒密度相同時(shí)，p的增大會(huì)導(dǎo)致所受重力的增大。此外，由球形顆粒在靜水中的Stokes沉降公式：t=p2(p-L)/18L(t為顆粒沉降速度，m×s-1；為重力加速度，m×s-2)可知，p的增大可促進(jìn)顆粒的沉降過(guò)程。tp的變化率隨p的增大而增大，因此圖4(a)中s隨p的增大先平緩變化后顯著降低。當(dāng)p繼續(xù)增至167mm時(shí)，軸向位置較高的區(qū)域a中的s因顆粒的加速沉降仍呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而區(qū)域b、c中的s因聚集顆粒數(shù)的增多而有所增大。p對(duì)NI(s)的影響可歸因于粒徑對(duì)s與顆粒徑向擴(kuò)散的共同作用[19]：p的增大會(huì)抑制顆粒的徑向擴(kuò)散，而s的減小會(huì)增大顆粒間距，減弱顆粒間相互擾動(dòng)。二者的共同作用導(dǎo)致NI(s)隨p的變化較為平緩。但區(qū)域c中大粒徑顆粒(p=167mm)的NI(s)隨p的增大而顯著增大，這歸因于s的大幅度增加。

圖4 固相性質(zhì)對(duì)不同軸向高度處RNI(es)與`es的影響 (液相：水)

圖5 液相性質(zhì)對(duì)不同軸向高度處RNI(es)與`es的影響(jG = 0.34%, dp = 167 mm, ug = 0.14 m×s-1)

G對(duì)NI(s)與s的影響如圖4(b)所示，s與NI(s)均隨G的增大而增大。由于顆粒的沉降作用，s隨G的增大速率隨軸向高度的減小(由區(qū)域a至區(qū)域c)而增大。區(qū)域a中NI(s)隨G的增大趨勢(shì)最為明顯：一方面，顆粒阻礙氣泡上升的能力隨G的增大而增強(qiáng)，氣泡間接觸頻率增大，促進(jìn)了氣泡聚并[20]；另一方面，隨G增大而增大的漿料黏度對(duì)氣泡的尾渦結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定作用。這2種因素均促進(jìn)了氣泡尾流對(duì)顆粒的裹挾，進(jìn)而導(dǎo)致徑向固含率波動(dòng)性增強(qiáng)[21]。區(qū)域c中的NI(s)由于顆粒間相互擾動(dòng)作用的增強(qiáng)同樣呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。區(qū)域b中的NI(s)隨G的變化相對(duì)較為平緩，表明顆粒間相互擾動(dòng)作用隨G的增大無(wú)明顯增強(qiáng)，這歸因于流體的二次流動(dòng)對(duì)顆粒徑向擴(kuò)散的促進(jìn)作用。

L的增大導(dǎo)致顆粒所受黏滯阻力的增強(qiáng)，進(jìn)而抑制顆粒的沉降，減小顆粒濃度軸向分布梯度。因而如圖5(a)所示，不同區(qū)域內(nèi)s的差距隨L的增大而減小。s的增大導(dǎo)致了顆粒間相互擾動(dòng)作用的增強(qiáng)，L的增大會(huì)阻礙顆粒的徑向擴(kuò)散，二者的共同作用導(dǎo)致區(qū)域b、c 中的NI(s)隨L的增大而增大。區(qū)域a還受到L對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，NI(s)隨L的增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)：L的增大可促進(jìn)氣泡聚并，同時(shí)也可通過(guò)增大黏滯阻力阻礙氣泡上升，這導(dǎo)致中心區(qū)域聚集的氣泡數(shù)增多，被氣泡裹挾的顆粒數(shù)隨之增多，“中心低，邊壁高”的固含率徑向分布不均勻性得以改善，促使NI(s)有所減小。當(dāng)L進(jìn)一步增大至4.37 mPa×s時(shí)，中心區(qū)域聚集的顆粒數(shù)明顯高于其余徑向位置，固含率徑向差異增大，NI(s)隨之增大。

L的降低可抑制氣泡聚并，減小氣泡尺寸，增加氣泡數(shù)目[22]，其對(duì)區(qū)域a具有最直接的影響：氣泡尾流對(duì)顆粒的夾帶能力隨L的降低而增強(qiáng)，進(jìn)而阻礙了顆粒的沉降，導(dǎo)致區(qū)域a中的s隨L的降低而增大，與此同時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)顆粒的遷移，增大顆粒濃度的徑向分布不均勻性，因此圖5(b)中區(qū)域a的NI(s)有所增大；但表面活性劑對(duì)氣泡表面流動(dòng)狀態(tài)的影響存在一臨界濃度[23]，因此當(dāng)L繼續(xù)降低至37.0 mN×m-1時(shí)，氣泡尾流夾帶能力無(wú)明顯增強(qiáng)甚至由于尾流承載能力的限制而略有降低，s與NI(s)因此而減小。

如圖5(c)所示，L的增大促進(jìn)了顆粒所受浮力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒沉降速度的降低與軸向顆粒濃度梯度的減小。其中區(qū)域a、b內(nèi)的s隨L的增大而增大，因此沉降于區(qū)域c中的顆粒數(shù)減少，s有所降低。由于沉降過(guò)程受阻而增大的s促進(jìn)了顆粒間相互擾動(dòng)作用的增強(qiáng)，再加上氣泡所受浮力的增大導(dǎo)致了氣泡運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性的增強(qiáng)，區(qū)域a中的NI(s)隨L增大而增大的趨勢(shì)最為明顯。

單個(gè)因素對(duì)NI(s)的共同作用可利用無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行歸納。顆粒濃度、粒徑大小、液相性質(zhì)、測(cè)量高度可由截面平均固含率`s、顆粒雷諾數(shù)(t=Ltp/L)、無(wú)因次高度(/)表示。如圖6所示，NI(s)與無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)組成的無(wú)量綱數(shù)組近似呈正相關(guān)關(guān)系，但與絕對(duì)的正相關(guān)函數(shù)值存在一定的偏差，表明影響NI(s)的因素較為復(fù)雜，其中氣泡尾流夾帶能力、顆粒徑向擴(kuò)散程度等變量難以通過(guò)無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行確切的定量描述。

圖6 不同區(qū)域內(nèi)的RNI(es)隨無(wú)量綱數(shù)組的變化關(guān)系

3.2 固含率徑向分布輪廓的相似性

由以上分析可知，`s是影響固含率徑向分布的重要因素。當(dāng)G增大時(shí)，直接導(dǎo)致不同軸向位置處的`s均有所增大，如圖7所示，隨著G的增大，不同軸向高度處固含率徑向分布的不均勻性均有所增強(qiáng)。

圖7 不同jG下的固含率等值線(xiàn)圖 (液相：水)

為了量化局部固含率的徑向變化，由不同操作條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中挑選出5組`s相近的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(具體操作條件如表2所示)，并對(duì)其徑向分布進(jìn)行了對(duì)比，如圖8所示。

圖8 es的徑向分布輪廓

表2 圖8中的操作條件

由圖8(a)～(c)可知，當(dāng)區(qū)域b、c內(nèi)的`s相近時(shí)，s的徑向分布輪廓具有相似性，即區(qū)域b、c內(nèi)s的徑向分布可認(rèn)為僅與`s有關(guān)，而幾乎不受操作條件與軸向位置的影響。該規(guī)律在氣固兩相循環(huán)流化床中亦有報(bào)道：徑向固含率分布曲線(xiàn)僅取決于`s的值，而與操作條件、顆粒性質(zhì)及床層直徑無(wú)關(guān)[24-26]。因此s可由下式表示：

不同于區(qū)域b、c，區(qū)域a中s的徑向分布未顯示出較為明顯的徑向分布相似性，如圖8(d)所示。這是由于中心區(qū)域的氣泡尾流上升與近壁區(qū)域的液相回流導(dǎo)致顆粒由中心區(qū)域轉(zhuǎn)移至邊壁區(qū)域，其中顆粒被流體流動(dòng)攜帶的能力受操作條件及液固性質(zhì)的影響較大，因此即使`s相近，s的徑向分布輪廓仍有可能受流體攜帶能力的不同而具有較大差異。

區(qū)域b、c可按式(4)的形式建立局部固含率的模型。對(duì)不同操作條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線(xiàn)性參數(shù)擬合，得到式(5)，2=0.98。

如圖9所示，局部固含率實(shí)驗(yàn)值(exp)(操作條件見(jiàn)表3)與式(5)計(jì)算而來(lái)的預(yù)測(cè)值(pre)吻合良好。計(jì)算可知98.06% 的數(shù)據(jù)(區(qū)域b、c內(nèi)不同操作條件下共310組數(shù)據(jù))的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)偏差在20%以?xún)?nèi)。由圖10預(yù)測(cè)模型的殘差圖也可看出：殘差數(shù)據(jù)分布于0值附近，基本呈上下均勻分布，其分布特征不隨預(yù)測(cè)值的變化而發(fā)生改變，表明該模型具有良好的預(yù)測(cè)效果。

表3 圖9-10中的操作條件

圖10 預(yù)測(cè)模型的殘差

4 結(jié)論

(1) 洗滌冷卻管出口以下部分可分為3個(gè)區(qū)域：氣相湍動(dòng)作用區(qū)(區(qū)域a，= 295～385 mm)、二次流動(dòng)區(qū)(區(qū)域b，= 245～295 mm)和顆粒沉降區(qū)(區(qū)域c，= 195～245 mm)。其中，區(qū)域a 主要受突擴(kuò)射流的沖擊作用與氣泡尾流對(duì)顆粒的夾帶作用的影響，區(qū)域b主要受二次流動(dòng)作用的影響，區(qū)域c則主要受重力作用的影響發(fā)生顆粒沉降。

(2) 采用NI(s)以定量分析徑向固體濃度分布的不均勻程度。區(qū)域a內(nèi)的氣泡尾流夾帶與區(qū)域c內(nèi)的顆粒間相互擾動(dòng)導(dǎo)致其N(xiāo)I(s)大于區(qū)域b。采用無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)對(duì)NI(s)的影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：NI(s)受液固性質(zhì)、表觀(guān)氣速及測(cè)量高度等多種因素的共同影響，其中氣泡尾流夾帶能力、顆粒徑向擴(kuò)散程度等變量難以通過(guò)無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行確切的定量描述。

(3) 依據(jù)固含率徑向分布輪廓的相似性，通過(guò)非線(xiàn)性參數(shù)擬合得到了區(qū)域b、c內(nèi)以1與s表示的s的關(guān)聯(lián)式，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。

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Experimental research on the non-uniformity of the radial distribution of solid holdup in the scrubbing-cooling chamber

LI Ting-ting, WANG Yi-fei, XIE Kai, ZENG Jie, WEI Zong-yao, WANG Liang, YU Guang-suo

(National Engineering Research Center of CWS Gasification and Coal Chemical Industry, Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In order to study the radial distribution characteristics of the solid holdup in the three-phase scrubbing-cooling chamber, the local solid holdup was measured using an optical fiber probe, and the radial inhomogeneity of the local solid holdup distribution was quantitatively described using the radial inhomogeneity index of solid holdupNI(s). The results showed that the liquid bath below the outlet of the scrubbing-cooling tube could be divided into the gas-phase turbulent action region, the secondary flow and the particle settling region according toR() value size at different axial heights.The bubble wake entrainment in the gas-phase turbulent action region and the inter-particle disturbance in the particle settling region causedR() in the two regions greater than that in the secondary flow region.NI(s) was influenced by the liquid-solid properties, superficial gas velocity and measurement height. The radial distribution of the local solid holdupsin the secondary flow region and the particle settling zone under different conditions was similar when the cross-sectional average solid holdup`swas similar. The correlation equation ofsexpressed by dimensionless radius1and`swas obtained by nonlinear parameter fitting, and its predicted values agreed well with the experimental values.

scrubbing-cooling chamber; optical fiber probe; local solid holdup; radial inhomogeneity index; cross-sectional average solid holdup

1003-9015(2022)04-0535-08

TQ021.1

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.04.009

2021-07-29；

2021-10-09。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0602601)。

李婷婷(1997-)，女，山東濱州人，華東理工大學(xué)碩士生。

王亦飛，E-mail：wangyf@ecust.edu.cn

李婷婷, 王亦飛, 謝凱, 曾杰, 位宗瑤, 王亮, 于廣鎖. 洗滌冷卻室內(nèi)固含率徑向分布不均勻性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2022, 36(4): 535-542.

：LI Ting-ting, WANG Yi-fei, XIE Kai, ZENG Jie, WEI Zong-yao, WANG Liang, YU Guang-suo. Experimental research on the non-uniformity of the radial distribution of solid holdup in the scrubbing-cooling chamber [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(4): 535-542.