（化工过程机械专业论文）循环流化床脱硫器提升管段气固两相流场特性实验研究.pdf

中文摘要 循环流化床烟气脱硫技术是近年来国内外正在研究开发的一种先进的脱 硫技术。研究流化床提升管内气固流场分布情况对设计和优化循环流化床脱硫 器有着重要价值。本文以循环流化床脱硫器为研究对象，对进口装置对提升管 内气固流场特性影响进行了实验研究，以期为循环流化床内气固两相传质、传 热的进一步研究及循环流化床脱硫器的工程设计提供参考。 实验装置采用侧向进气结构和回料装置，气体分布器采用工业上推广使用 的文丘旱管。在不同工况下对提升管内局部颗粒浓度的径向分布及其沿轴向发 展趋势进行了实验研究，并进一步对进气装置对提升管内气固流场特性影响进 行了实验研究，根据实验数据对提升管内局部颗粒浓度分布特点及其产生原因 进行了深入分析与讨论。结果表明，实验装置侧向进气结构和回料装置的存在 严重影向提升管内气固流场分布，造成提升管内颗粒的偏流，使局部颗粒浓度 截面分布极不均匀，并提出了相应的改善提升管内气固流场状况的措施，即采 用文丘旱收缩段处回料或多向对称回料来达到改善提升管内气固流场状况的 目的。对不同工况下实验结果进行对比，发现提高提升管内表观气速或降低颗 粒循环速率可以削弱侧向进气结构和回料装置对提升管内流场的影响，对改善 提升管内气固流场状况有着积极作用。实验与数值模拟对比结果表明，利用数 值模拟来进行流化床脱硫器内部流场研究是可行的。 关键词：循环流化床 气固流场 脱硫器进口装置 局部颗粒浓度 a b s t r a c t f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yw i t hc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) h a s b e e nd e v e l o p i n gi nt h ew o r l dr e c e n t l y i ti sv a l u a b l ef o rc f bd e s u l f u r i z e rd e s i g n o p t i m i z a t i o nt os t u d yt h eg a s - s o l i df l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i ci nc f b r i s e r i no r d e rt o p r o v i d ee x p e r i m e n t a lr e f e r e n c ef o rt h o s ew h ow o u l dg oi nf o rr e s e a r c ho np r o c e s s o fm a s sa n dh e a tt r a n s f e ro fg a s s o l i di nc f bo rc f bd e s u l f u r i z e rd e s i g n ，t h e e f f e c t so fi n l e t d u c to ng a s - - s o l i df l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i ci nc f bd e s u l f u r i z e rr i s e r w a si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi np r e s e n tp a p e r e x p e r i m e n t a ls e t - u pi sc o n s i s t so fas i d ei n l e td u c ta n das i d ec i r c u l a t i n gf e e d i n l e t ，a n dv e n t u r i - p i p et h a tw a se x t e n s i v e l yu s e di ni n d u s t r ya sg a sd i s t r i b u t o r r a d i a ld i s t r i b u t i o na n da x i a ld e v e l o p m e n to fl o c a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni nr i s e r u n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n sw a so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t t h e e f f e c t so fc f bd e s u l f u r i z e r si n l e t d u c to nf l o wf i e l di nr i s e rw a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y , f u r t h e r m o r e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o c a l p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o nw e r et h o r o u g h l yd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg a s - s o l i df l o wf i e l d o fr i s e rw a sb a d l ya f f e c t e d b ys i d e i n l e td u c ta n d c i r c u l a t i n g f e e di n l e t c o n s e q u e n t l y , p a r t i c l e si nt h er i s e rw a ss e r i o u s l yd r i f ta n dr a d i a ld i s t r i b u t i o no f l o c a l p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nw a s e x t r a o r d i n a r ya s y m m e t r i c a l b a s e d o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，c o r r e s p o n d i n gs u g g e s t i o n ，s u c ha sr e c i r c u l a t i n gs c r a p p i n g f r o mv e n t u r i - p i p ec o l l a p s i b l et u b ea n dm u l t i d i r e c t i o n a ls y m m e t r yr e c i r c u l a t i n g s c r a p p i n g ，w a si n t r o d u c e dt oi m p r o v ef l o wf i e l ds t a t u s i na d d i t i o n ，i th a dap o s i t i v e e f f e c tt o w a r d sf l o wf i e l ds t a t u si m p r o v e m e n tt oi n c r e a s ea p p a r e n tg a sv e l o c i t yi n r i s e r , o rr e d u c ep a r t i c l ec i r c u l a t i n gr a t e c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h a to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r c f bd e s u l f u r i z e r si n t e r i o rf l o wf i e l da n a l y s i s k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d d e s u l f u r i z e ri n l e t d u c t g a s - s o l i df l o wf i e l d l o c a l p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，本人与李艳平博士共享所有实验数据。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 获得丕鲞盘堂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：良蒜唧 签字日期：年 7 月7 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名：南习锨 签字日期：硼7 j - 年1 月劢日 h u吾 刚茜 随着社会的不断发展，环境问题逐渐成为了世界各国关注的一个焦点。 我国是少数以煤炭为主要能源的国家之一。一次能源供应结构中煤炭的比 例超过6 0 ，而且近期内不会有根本性改变。大量燃煤导致我国二氧化硫和 烟尘排放量居高不下。燃煤所造成的环境污染已成为制约我国经济和社会可持 续发展的一个重要因素。国家正在逐步完善环保法规，修订大气污染物的排放 标准，以适应国民经济的迅速发展。 烟气脱硫技术是世界上应用最为广泛的一种控制s 0 2 排放的技术。依据目 前的脱硫技术水平，烟气脱硫技术仍是降低二氧化硫排放量最经济、有效的办 法。循环流化床烟气脱硫工艺( c f b f g d ) 是由德国鲁奇( l u r g i ) 公司于2 0 世纪 8 0 年代后期开发的一种新的半千法烟气脱硫技术。这一脱硫技术利用了循环 流化床优良的传质、传热性能，通过对吸收剂的多次循环使用，延长吸收剂与 烟气接触时i q ，在较低的钙硫比情况下接近或达到与湿法脱硫工艺相同的脱硫 效率，而且该工艺具有流程简单、设备可靠性高、初期投资少及副产物可再利 用等特点，国际上普遍认为循环流化床烟气脱硫有广泛的应用前景。 循环流化床脱硫器内气固两相的流动行为相当复杂，具体表现为颗粒浓 度、颗粒通量、颗粒速度和气体速度等参数轴向和径向的不均匀分布。这种不 均匀性的相互关联和影响是循环流态化气固两相流动行为的重要特征，是脱硫 器脱硫性能的主要影响因素。研究者一直在追求一个最佳结构设计，以保证反 应器最佳的反应工况。 本文进行的实验研究是在特定循环流化床进口装置情况下，在不同提升管 截面上测量径向颗粒浓度分布，依据对循环流化床脱硫器内气一固两相流动特 性研究的基础理论对其进行实验分析，讨论进气装置对提升管内气固流场的影 响，以期为循环流化床脱硫器的结构设计与放大提供依据。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 循环流化床烟气脱硫技术概况 循环流化床烟气脱硫技术以循环流化床原理为基础，通过对吸收剂的多次 再循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。 德国鲁奇( l u r g i ) 公司采用这一技术同时脱除燃煤电厂排放烟气的二氧化硫 与氮氧化物，脱除效率叫分别达到9 5 d9 0 ，得到预期效果并实现了良好 的社会效益i 】j 。随着世界各国对环境保护的要求越柬越高，这一技术的优势更 加被人们所重视。 1 1 1 循环流化床脱硫原理及模型 1 1 il 脱硫机理 循环流化床烟气脱硫技术是根据工业产品生产过程中的流化床技术发展 而来的，实际上它的原理是处于湿法与干法之司的一种半干法烟气脱硫技术。 主要化学反应如下”： c a ( o h ) 2 + 8 0 2 - - c a s o ，1 h 2 0 + h 2 0 ( 】一1 ) z z 其反应过程为： 1 ) 气相主体中s 0 2 向液滴表面的扩散； 2 ) 干态脱硫剂被拦截并进入液滴中； 3 ) s 0 2 在液滴表面的吸收i 4 ) s 0 2 溶解形成h , _ s 0 3 ，h 2 8 0 3 电离形成i - i s 0 3 - 和s 0 3 一； 5 ) 液相硫分向浆滴内部的扩散； 6 ) c a ( o h ) 2 颗粒的溶解； 7 ) 钙基与硫根的液相反应生成c a s o 、妻h ：o 并析出。 2 脱硫剂中的水分有利于脱硫反应，主要因为颗粒表面的水分通过吸收溶解 s 0 2 ，形成新反应成分h s o s 和s 0 3 ，而且水分在颗粒内部的渗透，在c a ( o h ) 2 微粒间形成了液膜，使气体分子在孔隙和产物层内的扩散转变为液相中的离子 扩散，减小了扩散路径和阻力。 1 l1 2 脱硫模型 根据循环流化床脱硫器反应机理 根据循环流化床脱硫器反应机理 研究者借助于1 i 同的理论似设，提出了 研究者借助于不同的理论假设，提出了 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 循环流化床烟气脱硫技术概况 循环流化床烟气脱硫技术以循环流化床原理为基础，通过对吸收剂的多次 再循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。 德国鲁奇( l u r g i ) 公司采用这一技术同时脱除燃煤电厂排放烟气的二氧化硫 与氮氧化物，脱除效率可分别达到9 5 和9 0 ，得到预期效果并实现了良好 的社会效益【l 】。随着世界各国对环境保护的要求越来越高，这一技术的优势更 加被人们所重视。 1 1 1 循环流化床脱硫原理及模型 1 1 1 1 脱硫机理 循环流化床烟气脱硫技术是根据工业产品生产过程中的流化床技术发展 而来的，实际上它的原理是处于湿法与干法之间的一种半干法烟气脱硫技术。 主要化学反应如下【2 】： c a ( o h ) ，+ s o ，= c a s o ，一, i th ，0 + 二h ，o ( 1 1 ) j 二z 其反应过程为： 1 ) 气相主体中s 0 2 向液滴表面的扩散； 2 ) 干态脱硫剂被拦截并进入液滴中； 3 ) s 0 2 在液滴表面的吸收； 4 ) s 0 2 溶解形成h 2 8 0 3 ，h 2 s 0 3 电离形成h s 0 3 - 和s 0 3 一； 5 ) 液相硫分向浆滴内部的扩散： 6 ) c a ( o h ) 2 颗粒的溶解； 7 ) 钙基与硫根的液相反应生成c a s o ，- ，、- h 2 0 并析出。 z 脱硫剂中的水分有利于脱硫反应，主要因为颗粒表面的水分通过吸收溶解 8 0 2 ，形成新反应成分h s 0 3 一和s 0 3 卜，而且水分在颗粒内部的渗透，在c a ( o h ) 2 微粒间形成了液膜，使气体分子在孔隙和产物层内的扩散转变为液相中的离子 扩散，减小了扩散路径和阻力。 1 1 1 2 脱硫模型 根据循环流化床脱硫器反应机理，研究者借助于不同的理论假设，提出了 2 第章文献综述 不同的烟气脱硫模型。早期研究者提出的烟气脱硫模型都认为s 0 2 的吸收速率 仅受以上脱硫反应机理过程中某步所控制，而没有比较全面的考虑脱硫反应的 所有重要步骤。随着人们对脱硫模型的研究不断深入，在模型中考虑的因素也 越来越全面，但是由于脱硫反应的复杂性，要建立包括所有因素在内的模型还 有相当困难。 n e a t h e r y 3 干艮据双膜理论，假设： 1 ) 认为反应器气流和颗粒流均为活塞流； 2 ) 固相均匀分布于整个反应器内。因为反应器内空隙率很大，忽略其中 的气泡相： 3 ) 反应器内颗粒间的磨损可以忽略； 4 ) 颗粒尺寸的大小可由中值颗粒尺寸描述； 5 ) 水分蒸发是绝热的，而且只受扩散控制； 6 ) s 0 2 的传质受液相扩散控制。气相阻力可以忽略； 7 ) 溶解的c a ( o h ) 2 与s 0 2 的反应瞬时完成； 8 ) 所有雾化的浆滴均被循环操作的反应颗粒吸收； 9 ) 烟气脱硫反应只在液相中进行。一旦液相蒸发完毕，即可忽略脱硫反 应的进行； 1 0 ) 反应产物( 即亚硫酸钙) 堆积附着于循环反应的颗粒上； 1 1 ) 虽然c a ( o h ) 2 的碳酸化反应产物【4 】在工业烟气脱硫反应流程中会很坚 实致密，但由于用于实验的合成烟气中的c 0 2 含量相对较低( 低于3 o ) ， 故其影响可忽略。 n e w t o n 等【2 】丰艮据双膜理论，在反应器内气相主体为活塞流，固相主体为 全混流，并且床内不存在气泡等一系列假设下，得出了随着浆滴蒸发和浆滴表 面吸收剂量的变化，烟气脱硫反应中控制步骤发生变化的情况。其认为，对于 直径人于2 0 m 浆滴的反应控制步骤变化为：1 ) 反应初期硫分在液相中扩散 为控制步骤；2 ) 随着蒸发的进行和脱硫剂在浆滴表面的聚集，浆滴表面的传 质过程成为控制步骤；3 ) 在浆滴寿命末期，即浆滴表面脱硫剂消耗后，液相 传质变得重要，成为控制步骤。而对于直径小于2 0 m 的浆滴，其控制步骤 分为两个略有不同的阶段：初期反应的控制步骤为硫分的液相内扩散作用和在 浆滴的剩余寿命中的脱硫剂颗粒表面膜内的液相扩散作用。 j i a n g 等【5 】假设反应器内气相主体为活塞流，固相主体为全混流，并且床 内不存在气泡的情况下，根据稳态下s 0 2 在气相和固相中的物料平衡关系推导 出了脱硫效率公式。韩旭和韩增t 6 1 在对烟气循环流化床脱硫效率的研究中， 同样认为在反应塔内气体和物料( 脱硫剂和灰渣) 为活塞流动且灰渣和脱硫剂 第一章文献综述 在循环灰箱内也为活塞流动，建立了烟气循环流化床脱硫效率的数学模型。结 果表明，影响循环流化床系统脱硫效率的主要因素为氧化钙在反应器内与二氧 化硫反应比率、钙硫比和循环灰物料浓度。 上述所提到的几种脱硫模型有一个共同点，就是均对三个条件做出了理想 化假设，它们分别是：1 ) 反应器内气相主体为活塞流；2 ) 反应器内固相主体 为全混流；3 ) 反应器床内不存在气泡。但实际工程中是很难达到这种理想状 态的，研究者在设计工程应用反应器，改进装置进、出口结构或是内部结构， 其目的也是尽可能使其接近这些条件。 1 2 循环流化床脱硫器流体动力特性 1 2 1 床层结构不均匀性 循环流化床脱硫器内气固两相的流动行为相当复杂，不仅取决于气体速 度、颗粒循环倍率及气固物性，而且受床层直径、进出口结构以及回料装置结 构等多种因素的影响。循环流态化气固流动的基本特征，归纳起来，表现为颗 粒浓度、颗粒速度、颗粒通量和气体速度等参数轴向和径向的不均匀分布。这 种不均匀性的相互关联和影响是循环流态化气固两相流动行为的重要特征，是 脱硫器脱硫性能的主要影响因素。 1 2 1 1 空隙率不均匀性 早期的研究认为【_ ”，循环流化床提升管内空隙率呈上稀下浓的不均匀分 布，并受操作气速及颗粒循环速率的影响。b a i 等捧】比较系统研究了颗粒速度、 颗粒直径、床体内径以及出口约束条件等因素对截面平均空隙率轴向分布的影 响，并分析了各种因素对提升管中截面平均空隙率轴向分布影响的变化趋势。 研究结果表明，空隙率径向分布与操作气速、颗粒循环速率、颗粒物性以 及床层直径等因素有关。但是大量的实验结果分析揭示，只要截面平均空隙率 一定，空隙率径向分布就只是径向无因次位置r r 的函数了，而与操作条件等 因素无关【9 1 。鉴于此，w 色i 等【l o 】对空隙率径向分布进行了较为深入的研究，提 出用以下统一的关联式来计算上部稀相及下部浓相的空隙率的径向分布，获得 了与实验较为一致的结果。 1 一 ! 善：0 2 0 2 + 1 9 8 5 s i n l o f 竺、) ( 1 2 ) 1 一占 、2 r 。 1 1 2 1 2 颗粒速度不均匀性 颗粒速度的实时分布实验结果可以看出，由于颗粒的湍动、返混以及聚集 第一章文献综述 与解体等原因，在床层的几乎所有径向位置，都可能测到颗粒的正、负向速度 】，在床层中心区，颗粒主要向上运动，在边壁区颗粒速度较小，而颗粒时 均速度为零的径向位置，则给出了中心区与边壁区的分界点【1 2 】，颗粒速度的 径向分布呈现出环一核流动结构。 漆小波等【l3 】对提升管中颗粒速度的分布进行了较为系统的研究，分别在 不同的表观气速和颗粒循环速率下测定了颗粒速度的分布情况，分析了颗粒速 度沿轴向的发展。结果表明，在低浓度的操作条件下，颗粒的加速段较短，随 着颗粒循环速率的增加，颗粒的加速段会不断的延长，以至于可能超过提升管 的高度。 1 2 1 3 颗粒通量不均匀性 由于颗粒的聚集作用，在任何床层径向位置均存在颗粒的向上和向下运 动，对给定的床层截面，颗粒循环速度增大或操作气速减小均使颗粒在床中心 的向上流动通量以及在边壁区的向下流动通量增大，当操作条件一定时，随床 层轴向位置的升高，中心区向上的颗粒通量逐渐减小，这说明沿床层径向存在 着颗粒交换，且净交换由床层中心指向边壁区【i4 1 。 在快速流态化操作条件下，当床层截面空隙率较大时，r h o d e s m j 和 m o n c e a u x 等1 15 】发现无因次颗粒通量( g s r g s ) 径向分布出现一个“相似分布 状态”，在此情况下，核心区半径基本不受颗粒循环速率以及床径的影响。w e i 等【l6 】采用非等速取样技术对提升管中颗粒通量径向分布进行了分析，提出颗 粒通量径向分布的划分方法，认为其分布可基本分为三类，即环一核型、抛物 线型、u 型，并认为在高气速或低颗粒浓度下，有可能出现u 型。但是m a l c u s 等7 j 对高密度( 颗粒浓度为1 7 左右) 循环流化床中颗粒通量进行的研究发 现，在高颗粒循环速率的条件下，颗粒通量径向分布也出现了u 型分布，并 且其分布和提升管直径有很大关系。 1 2 2 气体动力学特性 在生产过程中，气体入口结构设计受工程约束不能设计成完全理想状况， 从而导致气体分布不均匀，造成入口区的“死区”，影响了床层正常的流化状 态。对于伴有传热或其它反应过程，这种不正常流态化现象的出现，势必会造 成床层物料的烧结或影响最终产品收率。因此，采用良好的气体入口结构就成 了改善流化床具有稳定的流态化状态的重要途径之一，特别是对气固流化床， 由于其固有的不均匀和不稳定特性，合理的设计气体入口结构就显得尤为重要 了。而对于良好的气体入口结构，既要求其起到均匀分布流体的作用，使流化 第一章文献综述 床有一个良好的起始流化状态，排除形成“死区”的可能；同时又要保证通过 进气装置的压降要尽可能的小，以减少不必要的能量损失。 作为气体分布器，文丘里管进口装置目前在工业中有着广泛的应用。在 2 0 世纪8 0 年代德国l u r g i 公司率先开发的循环流化床烟气脱硫工艺中，文丘 里管气体入口结构就已得n t 应用【1 8 】。马春元等【1 9 】在对双循环流化床半干法 烟气悬浮脱硫技术研究与工程实践过程中，认为文丘里流化装置结构简单、无 易损件，并且对流体阻力低。r o l l e r o 等i 2 0 j 对座落于西班牙南部的l o sb a r r i o s 发电厂中循环流化床烟气脱硫半工业装置进行的最大烟气处理量可达到 1 2 0 0 0 标准立方每小时的研究中，也采用了文丘里管气体分布器。与其相似的 成套装置在德国和北美等国家也有较为广泛的应用。 在鼓泡流化床中，为保证气固相有充分接触，对气流喷嘴以及气体入口 结构的设计准则都已经做了深入的研究：在快速床中，尽管气体入口结构对床 层流动状态有着不可忽视的影响，然而，关于这方面的研究却甚少。s a x t o n 和w o r l e y 2 1 1 分别利用一、二和三个喷嘴的入口形式引入油气，对工业提升管 反应器中的气固流动状态进行了研究。结果表明，利用三喷嘴进口结构引入油 气时，不仅固体颗粒在入口处分布更为均匀，而且在整个床层上，流动结构也 相对稳定、均匀。w e i n s t e i n 等【2 2 】研究表明，流化床入口结构形式对床层加速 区也即入口区有着重要影响，而且这种影响可以延伸到整个提升管。s a x t o n 和w o r l e y 2 1 l 曾经指出，优化气体入口结构，可以加快气体对固体颗粒的加速 作用，从而快速获得均一气固浓度分布以缩短入口长度和提高床层的利用效 率。李进龙硕士等【2 3 】通过侧向进气结构对流化床提升管内速度场分布影响的 实验研究，发现侧向进气结构严重影响提升管下端气体轴向速度分布的对称 性，气流在提升管下端产生了不良流动行为；对文丘里进口装置进行了实验研 究，将其影响采用气体速度分布不均匀度公式进行分析： 厂，- 、2 孝：l ! 争f 笠兰1l ( 1 3 ) 。 l 甩智l m j 式中：n 一同一截面上测点个数； 万一某一截面的平均轴向速度订= q a ，m s ， a 一为截面面积，r n 2 。 此外，李迸龙硕士还运用两方程k s 湍流模型对不同进气结构下气体流 动特性进行数值模拟，得到了优化的进气结构。而李艳平博士生进行的单二气 体数值模拟( 内部资料，无相关参考文献) ，与实验结果吻合良好，并全面的 6 第一章文献综述 描述了特定实验装置的流体状态。 综上所述，循环流化床脱硫器内流体动力特性包括床层结构不均匀性和气 体动力学特性两大方面，它们直接影响到化学反应过程的质量好坏，从而影响 到脱硫效率。而它们又受到诸多因素，如气体速度、颗粒循环速率、气固特性、 床层直径、进出口结构及回料装置结构等的影响。在工程设计时，应着重于改 进装置和优化操作条件以改善反应器的流体动力学特性，以期提高化学反应质 量，得到较高的脱硫效率。 1 3 流化床中各种流体力学特性的测量技术 气固流化床内流体动力特性的研究主要是研究流化床内气体和固体颗粒 的流动规律。具体而言，主要研究流化床内压力的变化，气体和固体颗粒在床 内的分布及其运动速度、运动方向以及加速度，固体颗粒的质量流率，气泡行 为和颗粒的聚团行为。在对流化床中各种流体动力特性进行实验研究时，最重 要的就是选择好合适的测量技术，以保证对这些参数作出正确的描述。 1 3 1 压力和压差的测量 压力和压差是流化床中最常见的测量参数。它们能直接或间接地反映出床 内固体颗粒的浓度、加速度、气泡行为和颗粒聚团行为。这里所说的压力更确 切地说是压强，其定义是单位面积上垂直作用的力，所以它的单位是力的单位 除以面积的单位。工程上所用的压力计的指示值多指“表压”。 当用压力信号来测定流化床内的流动参数，如气泡分率或床层密度时，人 们关心的往往是两点之间的压差。为了减少误差，最好的方法是直接测得压差， 而不是分别测得两点压力来相减。 流化床中最多测量的是时均压差和瞬时压力脉动。测量时均压差最简单的 办法是液柱压力计。它的工作原理是用一定高度的液柱所产生的静压力来平衡 被测的压力，通过测量液柱的垂直高度来得到所需测量的压力或压差。最常见 的液柱式压力计是u 型管压力计。液柱式压力计的优点是简单、易做、直观、 可靠。广泛应用于时均压力的测量。用它可以测量绝对压力，也可测量压力差。 它的缺点之一是无法得到压力的瞬时值。用于气固两相流的测量时，有时会因 为压力传递管路被固体颗粒堵塞而无法得到准确的测量结果。另一个缺点是精 度相对不高，对于有压力脉动的测量更是如此。另外，由于液柱式压力计无法 用计算机自动采集数据，因此在有控制要求时，此手段不适用。 另一种常见的压力测量手段是弹性式压力计。它是根据弹性元件受压后产 第一章文献综述 生的变形与压力有关的原理制成的。这种压力计常被做成压力传感器。弹性式 压力计广泛地应用于时均压力及瞬时压力的测量。这种压力计精度高，量程广， 价格合理，灵敏度高，可与计算机连接进行自动数据采集和分析。在流化床动 力特性研究中，这种压力测量方式已被广泛地用于测量绝对压力、相对压差和 压力脉动。 弹簧管压力计是另一种工程上常见的压力测量方式，有性能可靠、寿命长、 量程广等特点，且可用于恶劣环境中压力的测量。它一般用于测量时均绝对压 力值，但难以与计算机连接自动采集数据。 1 3 2 气泡行为的测量 气泡的产生，聚并与分解是密相流化床最重要的特点，正是由于气泡的存 在引起了颗粒迅速而充分的混和，形成了传统流化床的许多特点。所以，气泡 行为的测量是流态化工程研究中备受关注的课题之一。 1 3 2 1 直接观察或图像法 在用有机玻璃或其他透明材料制成的二维床中采用直接观察或摄影的方 法来测量气泡是最基本的方法，既可以测量单气泡和尾涡的大小、上升速度( 使 二维床处于临界流化状态，人工制造单气泡) ，又可以观察分析气泡群的聚并 分裂。但是由于二维床的壁效应，测量得出的气泡参数应用受到限制【2 4 1 。 三维床中的气泡一般不能直接测量。r o w e 和p a r t r i d g e 2 5 】首先采用x 射线 摄影拍摄了三维床中的气泡，进而估算气泡的大小、形状、数目和上升速度。 后来，y a t e s 和c h e e s e m a n t 2 6 1 将计算机技术引进来，用录像机将x 射线图像记 录下来送入计算机进行分析处理。这种方法的最大优点是不干扰床内流场、可 在床层任何高度拍摄，但不能区分处于同一高度的两个气泡，同时设备十分庞 大复杂。 计算机层析成像( c o m p u t e rt o m o g r a g h ) 技术正在被引进流化床测试技术 中。美国能源部在摩根城实验室6 i n 的流化床实验装置中成功地显示出了三维 气泡图像 2 7 】。近来文献【2 8 】也报道过用激光技术在多相流动系统中的成像，即 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 技术。还有文献【2 9 】报道，利用立体照相机对 流动区域进行拍摄，从获得的立体照片中可得出空间的三维流场分布。 1 3 2 2 浸入床层内部的探头技术 在三维床中直接观察床中心的气泡是不可能的，而三维成像法尚不成熟， 所以人们目前常常采用将各种探头插入床层的方法来探测气泡的流动。探头有 第一章文献综述 以防干扰床内流动状况，还要有较高的频率响应，同时还要考虑机械强度。 最早使用光学探头的是y a s u i 和j o h a n s o n 3 ，当时用的光源还是白炽灯。 光线技术的迅速发展使得探头越来越小型化。由于光学信号不易受干扰，光纤 探头在颗粒浓度测量方面获得了广泛的应用。电容式和压电式除了可测量气泡 的流动外，还可以测定气泡的上升速度。 1 3 3 气样的采集及气体速度的测量 气相行为的研究一直是流化床内流体动力特性研究中的一个难题。这主要 是因为一般气体是看不见的，很难用传感器去探测它。流化床中的固体颗粒的 存在也给气相的测量带来了很大的困难，使得能直接测到的气体流动行为十分 有限。 1 3 3 1 气样的采集 流化床中气样的采集通常是用取样管来完成的。在取样管入口处可以装有 颗粒过滤器以防止固体颗粒进入取样管。在高温的情况下，还需要将取样管用 水进行冷却，使得取样管入口温度一般不超过2 0 0 ，出口温度一般不高于1 2 0 。为了减小对流化床内气固流场的影响，密相床中取样管内的气体运动速度 应很小，通常小于床内颗粒的最小流化速度。快床中常用的方法是保持采样管 内外的流速相同，即所谓等动力采样，以减少对流场的影响。取样管的直径不 能很大，一般小于床直径的1 2 0 以减小对床内流场的干扰。 气体的采集方式有间隙式和连续式两种。在进行连续取样时。除了要保证 适当的气体流速以外，还要使取样产生的压力脉动很小，从而减小取样对气泡 行为的影响。另外，为了减小取样系统内气体对取样气体成分及浓度的影响取 样管路越短越好。 1 3 ，3 2 气体速度的测量 流化床内气体速度的测量是最棘手的问题之一。沿床截面的平均气流速度 可从气体体积流率及截面平均颗粒浓度或床层空隙率求出： 一q q (1-4)u g a g a ( 1 一否1 如何在密相( 鼓泡、湍动) 流化床中准确地测定局部气体的流速和方向，仍 是一个待解决的难题。唯一可行的方法是注入放射性示踪气体然后用y 射线 摄影机跟踪，进而分析出气体的流动行为【3 。对密相床中气泡行为的测量就 简单得多，也更为重要。 由于循环床中气体速度径向分布的不均匀性，测定局部气速就变得更为重 第一章文献综述 由于循环床中气体速度径向分布的不均匀性，测定局部气速就变得更为重 要。在颗粒浓度很低的情况下，可用毕托管来测量流化床内某点的气体流动速 度。毕托管有两个压力测量孔，一个正对气流方向以获取气流的全压，另一测 孔与气流方向垂直而得到气流的静压。因为气流的全压是由静压和动压组成 的，而动压直接取决于气流速度，这样可通过以下关系求出气流速度： p r2p d + p s ( 1 一) ) k 2 ( 1 6 ) 在用毕托管测量流化床内局部气速时，一般需在探头表面加一个过滤网以 防止固体颗粒进入毕托管内影响测量。毕托管的直径要小于床直径的1 2 0 以 减小其对床内流场的影响。当颗粒浓度升高时，颗粒动量将显著影响气流压力， 因而不能再用此方法。 快速流化床内的局部气速还可以用示踪颗粒法来求得。用示踪颗粒法测量 流化床内的气体速度只适用于颗粒浓度不很高的情况。当颗粒浓度很高时，颗 粒速度测量本身也变得很困难，且颗粒之间的强烈相互碰撞也影响到测量的精 度。一般来说，颗粒浓度越大，误差也越大。 直接用气体示踪摄影跟踪法原则上也可测得局部气体速度。但由于颗粒 的屏蔽作用，此法只能用于床壁附近的测量。克服此问题的方法之一是用放射 性示踪气体配以y 射线摄影机。但设备昂贵，操作费时，不易广泛采用。 1 1 3 4 颗粒浓度的测量 测量循环流化床内固体颗粒浓度的办法有很多，最简单的办法是通过压力 测量来获得一定区域内的平均颗粒浓度。具体的做法是在流化床两个截面上装 上压力计。求得两个截面间的静压差。在忽略气、固两相的加速度及床壁面的 摩擦力后。可以认为这个静压差是由两个截面之间气、固两相的重力造成的， 因此可以得到 p 2 p p ( 1 一) g l + p g g l = p p c g l + p g ( 1 一c ) g l ( 1 7 ) 由于固体颗粒密度pp 远远大于气体密度p 。，因此在c 不太小时，可以把 以上公式近似为： a p = p p ( 1 一) g l = 9 v c g l ( 1 8 ) 测量循环流化床中局部固体颗粒浓度及其瞬时值的方法有多种，以下介绍 几种常用的测量方法： l o 第一章文献综述 度。他们使用的是一个平极电容器。其工作原理非常简单，当把组成电容器的 两个极板放入流化床中时，其电介质即为夹在板间的气、固两相流，由于固体 颗粒和气体的介电系数差别很大，电容器的介电系数与颗粒浓度有关。颗粒的 浓度越大，电容器的介电系数就越高。这样，只要测出电容量就可得到流化床 内的固体颗粒浓度。 电容探针测量系统灵敏度高，且易于制造，可用于测量流化床内局部固体 颗粒浓度的瞬时值。它还可以用于高温高压的场合。但此系统标定困难，基本 频率本身会发生漂移，还会受到环境电磁场的干扰。此系统的另一个缺点是流 化床中的温度会影响电容探头的介电系数，从而改变探头的电容值。所以流化 床内的温度变化会导致一定的测量误差。 l o u g e 等【3 3 】运用同样的原理做了一个微型电容来测量床壁面的颗粒浓度， 也取得了满意的结果。另外，电容技术也可以用来同时测量某一床截面上的颗 粒分厕i 。其原理是在壁面上同时布置多个电容极板，通过快速交换，准同步地 测得各个极板间的电容值。然后，通过较复杂的计算就可得到局部颗粒浓度的 分布。 1 3 4 2 光纤颗粒浓度测量系统 在流化床流动特性的研究中，光纤探头也可用来测量固体颗粒的运动速度 及浓度。因为光纤技术有着简便易用，精度高，成本低等特点，它已在流化床 的研究中得到了广泛的应用。 k r o h n 【3 4 1 ：t 冬光纤传感器分为两个基本大类：1 ) 固有特性传感器光纤 的信号传输直接受到感应对象物理特性的影响；2 ) 位移传感器被测量对 象的物理特性的变化引起传感器空间的位置发生变化。 在光纤测量系统中，稳定、持久的光源对于测量精度是至关重要的。对于 颗粒浓度的光纤测量系统，一个稳定、持久的光源更是必需的。可选用的光源 有很多，如：可用钨丝灯、激光束、水银灯、白炽灯或卤化灯作为光纤测量系 统的光源。 如图l l 所示，颗粒浓度的光纤测量系统一般是出光源、两束光纤束、光 电倍增管、a d 转换器和计算机组成的。光源发出的光经过一束光纤照射到颗 粒群，反射光则通过另一束光纤传到电光倍增管而被转换成电信号。光电倍增 管产生的电信号强度正比于输入电信号的强度，放大后的电信号可直接输入计 算机作进一步的信号处理。经过标定，此光纤测量系统就可用来测量流化床中 的颗粒浓度。 第一章文献综述 光源 探测 图1 - 1 最简单的测量颗粒浓度的 光纤探头示意图 f i g 1 - ls c h e m a t i cp l a no f t h es i m p l e s tf i b r e - o p t i c sp r o b em e a s u r i n g p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 颗粒- 一 h ，一 鞑圆。 输h j 信号 ， 测量体积f 八3 厂 焚 i 、 “ 一 f 几nr 一卜 辅i 瞄号 t 颗 探头 图l 一2 用光线测量颗粒浓度的 两种方法及信粤处理 f i g 1 - 2s c h e m a t i cp l a no ft w om e t h o d s a n ds i g n a lp r o c e s st om e a s u r e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nu s i n gr a y 对于流化床中颗粒浓度的测量，有两种方法，如图1 2 所示，其差别在于 信号处理方法。 方法一：当被测量的颗粒直径大于光纤直径时，反射光主要是单个颗粒产 生的，在这种情况下，经光电倍增管转换成的信号再被转换成脉冲信号。脉冲 信号的个数取决于通过探头表面的颗粒个数。在这种情况下，要得到颗粒的浓 度，必须知道颗粒的速度。这种测量方法的优点是精度高，不需要经过标定； 缺点是测量时间长，必须知道颗粒速度。 方法二：当被测量的颗粒直径小于光纤直径时，反射光主要是由颗粒群产 生的。在这种情况下，只要经过标定，就可以得到颗粒浓度和电信号强度的关 系。这种方法的优点是简单、易用，可得到颗粒浓度的瞬时值，不需要知道颗 粒的速度。目前，这种方式被广泛地应用于测量流化床中的颗粒浓度。其缺点 是对光源的稳定性要求高。 由于得到的电信号与颗粒浓度之间没有直接的对应关系，光纤测量系统在 用于测量流化床中的颗粒浓度以前必须经过标定。一般可采用以下两种标定方 式： ( 1 ) m a t s u n o 等【35 j 采用的标定系统是通过一个振动筛使颗粒均匀地下落。 当下落颗粒达到其终端速度时，颗粒的浓度可由一下计算公式得到： r ：旦( 1 - 9 ) i 一一 、 a s u ，a t 其中a w 是在出时间内，以终端速度u 。通过截面积a 的颗粒累计质量。 标定时，需将探头放置在远离振动筛，固体颗粒已达到终端速度的区域内采集 信号。 第一章文献综述 这种标定方法只能适用于颗粒浓度很稀的状况。由于颗粒的终端速度直接 与颗粒直径有关，因此颗粒尺寸的非均匀分布会给标定带来误差。这种标定方 法还存在着另一个严重的系统误差，即颗粒浓度直接影响到颗粒的终端速度。 m a s t e n 发现对于颗粒体积浓度为1 的颗粒群，其终端速度可高达单个颗粒终 端速度的两倍。克服以上缺点的方法之一是让颗粒在一较大的直管中下落，然 后通过一对装在光纤上下侧的快速闸阀来同时截断颗粒流而取得两阀之间的 真实颗粒浓度【j6 i 。 ( 2 ) 对于颗粒浓度光纤探头进行标定得另一种标定方法是用液固流化床 ( 通常用水作液体) 。由于液固流化床中固体颗粒分布均匀，床层浓度可以通 过床高直接求出，而且不同得床层浓度也可通过调整液速很容易实现，给标定 带来了很大得方便。为了减少床层浓度轴向不均匀对标定得影响，对于一个样 值得标定，可在不同的轴向位置做实验，然后取其平均值。但这种方法在高空 隙率下( 如床层空隙率大于0 8 时) ，因为无法准确判断床层界面的位置，不 能保证标定的精度。所以液固流化床法不能用于高空隙率情况下的标定。另外， 这种标定方法是建立在液体不影响传播的基础上的。这种假设是否合理还有待 于进一步证实。 高窄隙率的标定可在一个烧杯中进行。方法是按一定的比例将一定体积的 固体颗粒和液体( 通常是水) 一起放于烧杯中，不断搅拌，使固体颗粒均匀地 分布在液体之中。在高空隙率的情况下，由于可以准确地得到烧杯中固体颗粒 浓度，颗粒浓度光纤探头就可以得到准确的标定。 1 3 4 3 其他 除了以上两种在流化床中最常用的固体颗粒浓度测量技术以外，利用放射 性元素的技术也较常用。x 或y 射线射过流化床床层时，固体颗粒能吸收x 或y 射线。基于此原理，x 或y 射线可以用于流化床中研究气泡行为及测量固 体颗粒的浓度。 摄像( 影) 法也可用于研究流化床中的颗粒浓度、速度和颗粒聚团行为等。 图像处理技术是用摄像法研究流化床中颗粒浓度或聚团行为的一个难点。随着 计算机技术和先进的图像处理技术的发展，摄像法也被大量地用于研究流化床 内固体颗粒的运动特性。对于大颗粒的测量，可直接用图面颗粒所占面积的百 分比来描述固体颗粒的浓度。