循環流化床回路顆粒過閥壓差脈動特性及對提升管內壓力脈動的影響

吳廣恒，王德武，魏晨光，劉 燕，張少峰

(河北工業大學化工學院，天津 300130)

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循環流化床回路顆粒過閥壓差脈動特性及對提升管內壓力脈動的影響

吳廣恒，王德武，魏晨光，劉 燕，張少峰

(河北工業大學化工學院，天津 300130)

在循環流化床冷模實驗裝置上，分別調節提升管內表觀氣速和回料管上閥門開度，測量并分析了顆粒過閥壓差脈動特性及其對提升管內壓力脈動的影響。結果表明：隨著提升管內表觀氣速的降低或閥門開度的增加，顆粒過閥依次會呈現股狀出料和連續出料兩種形式；股狀出料時顆粒過閥的壓差脈動標準偏差較大，呈單主頻特性，主頻在0.35 Hz左右；連續出料時顆粒過閥的壓差脈動標準偏差相對較小，呈雙主頻特性，分別對應0.35 Hz和2.5 Hz左右，其中2.5 Hz主頻能量相對較大。顆粒過閥壓差脈動直接影響提升管內壓力脈動行為，在提升管下部較為明顯，提升管內壓力脈動主頻與顆粒過閥壓差脈動主頻分布相同。

循環流化床 回料 顆粒過閥流動 壓差脈動 提升管

循環流化床廣泛應用于重油催化裂化裝置中[1-2]，固體顆粒催化劑在提升管-再生器-回料管-提升管構成的閉合回路內循環流動，為了保持系統壓力平衡并調控顆粒循環強度，通常在靠近提升管下方顆粒入口處的回料管上安裝閥門。在工業裝置運行中，一般要求循環系統各部位壓力參數維持在穩定狀態，而在實驗研究及工業裝置運行中均發現，在提升管或回料管等部位的壓力在一定范圍內均存在脈動現象，當壓力脈動較大時甚至可能造成系統故障而被迫停工[3-6]。提升管是催化劑顆粒參與油氣裂化反應的主要區域，故探究其內部壓力脈動特性及產生原因引起了國內外較多研究者的重視[7-9]。對此，當前主要有兩種觀點，一種是van der Schaaf等[8]認為，氣源進氣脈動是提升管內壓力脈動的主要來源；另一種是胡小康等[9]認為，顆粒回料流率脈動是提升管內壓力脈動的主導因素。工業裝置運行中，為了維持氣源壓力的穩定，通常在風機出口至循環流化床氣體入口之間都安裝較大體積的容器作為氣體壓力緩沖設備，這在很大程度上降低了循環流化床進氣的脈動，而在循環回路中顆粒直接進入提升管下部，故研究回料管上顆粒過閥的出料形式及其脈動特性有助于進一步加深對提升管內壓力脈動特性的認識。

顆粒過閥的壓差脈動也是流率脈動的一種體現，故本研究在不同提升管表觀氣速及不同閥門開度的操作條件下，對顆粒過閥前后壓差進行了測量，基于標準偏差和功率譜密度分析的方法，詳細研究顆粒過閥不同出料形式下的壓差脈動特性及其對提升管內壓力脈動的影響。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置流程示意見圖1，裝置主體主要由變徑提升管、伴床、回料管及氣固分離系統組成。變徑提升管下部小直徑段尺寸為Φ80 mm×10 mm，高1 700 mm，擴徑段高800 mm，上部大直徑段尺寸為Φ140 mm×10 mm，高5 000 mm，總高7 500 mm，擴徑段下方設二次補氣設備，根據實驗需要可靈活調節上部大直徑段的表觀氣速。伴床直徑為Φ216 mm×8 mm/Φ316 mm×8 mm，總高3 500 mm；回料管直徑為Φ70 mm×5 mm，顆粒入口至出口間垂直高度為3 000 mm。在回料管下部距提升管顆粒入口300 mm的斜管上安裝蝶閥，用以調控系統循環強度。

裝置中包括兩部分顆粒循環，一部分是提升管-伴床-回料管-提升管構成的循環系統；另一部分是伴床-旋風分離器-旋風料腿-伴床構成的循環系統，由旋風分離器出來氣體再經布袋除塵器進一步凈化分離后放空。

圖1 實驗裝置流程示意1—風機； 2—氣體緩沖罐； 3—流量計； 4—提升管小直徑段；5—提升管大直徑段； 6—伴床； 7—布袋除塵器； 8—旋風分離器； 9—旋風料腿； 10—回料管； 11—蝶閥

1.2 實驗介質及操作條件

固體介質為CPR-1催化裂解催化劑顆粒，平均顆粒直徑為75 μm，顆粒密度為1 455 kgm3，堆密度為875 kgm3；流化介質為常溫空氣。提升管小直徑段的表觀氣速Ug，r=1.47～2.95 ms，通過調節二次補氣量使得大直徑段的表觀氣速維持在2.46 ms，如無特別說明，下文中提升管表觀氣速均針對提升管小直徑段而言。伴床內裝料高度為1.2 m，流化風速為0.21 ms。蝶閥檔位開度調節范圍K=4～8，各開度與蝶閥打開角度的對應關系見表1。

表1 蝶閥檔位開度與打開角度的對應關系

1.3 實驗儀器及測量方法

采用壓差傳感器測量顆粒過閥前后的壓差脈動信號及伴床-回料管一側負壓差。測量顆粒過閥壓差脈動時，按照回料管內顆粒流動方向，壓差信號測點在閥門前后等距離布置，兩測點間距離總計為160 mm；測量伴床-回料管一側負壓差時，回料管上測點與蝶閥前壓差測點相同，伴床上測點布置在上方3 000 mm高度處的稀相空間。提升管內壓力脈動信號采用壓力傳感器測量，沿提升管軸向向上在小直徑段布置3個測點，各測點距離提升管底部的距離分別為500，1 100，1 700 mm。

壓力傳感器與壓差傳感器均為北京傳感星空公司生產，壓力傳感器型號為CGYL-204型，精度為B 級，量程為0～15 kPa；壓差傳感器量程為0～5 kPa和0～15 kPa，精度為0.25%，輸出電信號為4～20 mA；傳感器輸出的電信號直接進入數據采集箱，通過多通道AD轉換器將電壓信號轉化為壓力信號或壓差信號。實驗中，壓力傳感器和差壓傳感器探頭固定在與提升管內壁面平齊的位置，采樣頻率皆設定為100 Hz，采樣時間為25 s，即單次采樣點數為2 500個。

1.4 數據處理方法

(1)

對壓差脈動信號進行功率譜密度分析(Power Spectral Density，簡稱PSD)可以反映出信號脈動的頻率分布特性。其基本過程是：對壓差脈動信號進行預處理，然后基于傅里葉變換將壓差脈動信號從時域轉變為頻域，變換后的譜圖通過有效途徑進行處理得到功率譜密度曲線，具體方法可參見文獻[8]。

2 結果與討論

2.1 不同操作條件下的顆粒過閥壓降及其出料形式

壓差傳感器測得的壓差平均值即閥門壓降(ΔPV)，料柱靜壓(ΔPDP)即伴床-回料管一側顆粒重力，依式ΔPDP=ρpgΔhD計算，忽略伴床稀相顆粒靜壓，伴床流化料面至蝶閥入口間垂直距離ΔhD≈3.50 m，伴床-回料管內顆粒密度近似取ρP=400 kgm3，則ΔPDP=13.73 kPa；料柱靜壓損失Hf=ΔPDP-ΔPD，其中ΔPD為伴床-回料管一側的負壓差。圖2(a)給出了不同閥門開度和不同提升管表觀氣速下的ΔPV曲線，圖2(b)對應給出了各條件下伴床-回料管一側的ΔPD及Hf。由圖2可見：ΔPV及伴床-回料管一側ΔPD均隨著閥門開度的增加而增加，隨著提升管表觀氣速的增加而降低；而伴床-回料管一側Hf則隨著閥門開度的減小及提升管內表觀氣速的增加而增加。顆粒由回料管進入提升管底部，主要依靠伴床-回料管一側顆粒料柱形成的ΔPD推動，在不同操作條件下，閥門會自動匹配不同的壓降以維持循環系統的壓力平衡，當伴床-回料管一側Hf較大時，對應的ΔPD較小，則ΔPV亦較小，反之較大。

圖2 不同操作條件下的閥門壓降及伴床-回料管一側HfUg,r(m/s): ■—1.47； ●—1.97； ▲—2.46；

在閥門開度一定時(K=5)，圖3給出了不同提升管表觀氣速下的顆粒過閥壓差脈動時間序列分布；圖4為提升管內表觀氣速一定(Ug，r=1.97 ms)時，不同閥門開度下的顆粒過閥壓差脈動時間序列分布。由圖3可見：當提升管內表觀氣速相對較高時(如Ug，r=2.46～2.95 ms)，壓差脈動波形較寬、幅值范圍相對較大；而當提升管內表觀氣速相對較低時(如Ug，r=1.47～1.97 ms)，脈動波形變密、幅值范圍有所減小。由圖4可見：當閥門開度較小時(如K=4)，壓差脈動時間序列分布與表觀氣速較高時相似；當閥門開度較大(如K=5～8)時，壓差脈動時間序列分布與表觀氣速較低時相似。結合實驗中觀測到的現象來看，顆粒過閥的流動形式與回料管內顆粒流動狀態相對應，當顆粒過閥壓差脈動時間序列波形較寬、幅值范圍相對較大時，回料管內顆粒流動表現為“一股一股”的黏附滑移形式，此時為一種非流化流動，顆粒在回料管內流動過程中的靜壓損失較大，顆粒過閥表現為股狀出料的形式；當顆粒過閥壓差脈動時間序列波形變密、幅值有所減小時，回料管內顆粒表現為濃相輸送狀態的下料流動形式，顆粒在流動過程中靜壓損失相對變小，下料較為順暢，此時顆粒過閥表現為連續出料的形式，對應的閥門壓降較大。

圖3 不同表觀氣速下的壓差脈動時間序列曲線Ug，r(m/s): —1.47； —1.97； —2.46； —2.95 。Ug，r=2.46～2.95 ms為股狀出料；Ug，r=1.47～1.97 ms為連續出料

圖4 不同閥門開度下的壓差脈動時間序列曲線K: —4； —5； —6； —7; —8。K=4為股狀出料；K=5～8為連續出料

綜上分析可見，系統操作條件的變化會影響顆粒過閥的出料形式，在其它條件一定的情況下，增大閥門開度或降低提升管表觀氣速，顆粒過閥依次會發生股狀出料向連續出料形式的轉變。

2.2 不同出料形式下的顆粒過閥壓差脈動特性分析

圖5給出了不同出料形式下顆粒過閥壓差脈動的標準偏差(σ)。由圖5可以看出，盡管不同操作條件下顆粒過閥壓差脈動的標準偏差數值有所不同，但在提升管內表觀氣速相同時，股狀出料形式下顆粒過閥壓差脈動的標準偏差數值皆明顯大于連續出料形式。實驗及工業裝置運行中回料管出現較大振動的工況也常常與股狀出料形式相對應[10-11]。

圖5 不同出料形式下顆粒過閥壓差脈動的標準偏差Ug，r(m/s): ■—1.47； ●—1.97； ▲—2.46； 虛線為股狀出料；實線為連續出料

為了進一步分析顆粒過閥壓差脈動在頻域上的特征，圖6給出了不同出料形式下壓差脈動的PSD曲線。由圖6可見：當顆粒過閥為股狀出料時，PSD曲線呈明顯的單峰分布，峰值主頻在0.35 Hz左右，頻帶較窄，峰值能量較大；當顆粒過閥為連續出料時，PSD曲線基本呈現雙峰的分布形式，第一主頻峰值仍在0.35 Hz附近，峰值曲線形狀與股狀出料時相似，但峰值能量較股狀出料明顯降低；第二主頻出現在2.5 Hz左右，頻帶較寬，約在1.0～4.0 Hz范圍內，該頻帶曲線所包含的能量明顯高于0.35 Hz附近的主頻能量。由此表明，當顆粒過閥為股狀出料時，顆粒過閥壓差脈動主要受回料管內顆粒黏附滑移下料脈動的影響，其脈動周期為2.9 s左右；當顆粒過閥為連續出料時，回料管內也存在“一股一股”的下料方式，但從實驗現象觀測中已不明顯，實驗中觀測到的濃相輸送狀態下料雖表現為連續的形式，但由于閥口反竄氣體或回料顆粒攜帶氣體所形成的氣泡不斷聚并和破碎，使得回料管內顆粒下料也存在一定的脈動。

圖6 不同出料形式下顆粒過閥壓差脈動的PSD曲線

2.3 顆粒過閥壓差脈動對提升管內壓力脈動的影響

與圖6(a)的操作條件及顆粒過閥出料形式相對應，圖7給出了提升管內不同軸向位置處壓力脈動的PSD曲線。結合圖6(a)，由圖7可見：當顆粒過閥為股狀出料時，提升管內壓力脈動的PSD曲線分布形式及主頻范圍與顆粒過閥壓差脈動PSD曲線相似，即亦呈單主頻分布，且主頻峰值能量沿提升管軸向向上表現出衰減特性；當顆粒過閥為連續出料時，在提升管下部顆粒入口附近(如h=0.5 m)，壓力脈動PSD曲線分布形式及主頻范圍與顆粒過閥壓差脈動PSD曲線相似，即呈現雙主頻(帶)特性，但沿提升管軸向向上，2.5 Hz附近的主頻(帶)峰值能量表現出明顯的衰減特性，直至接近0.35 Hz附近的單主頻分布形式。

圖7 不同出料形式下提升管內壓力脈動的PSD曲線Ug，r(m/s): —1.47； —1.97； —2.46； —2.95 。Ug，r=2.46～2.95 ms為股狀出料；Ug，r=1.47～1.97 ms為連續出料

提升管內壓力脈動是一種全局性的脈動，胡小康等[9]認為顆粒回料脈動是提升管內壓力脈動的主導因素，通過對比圖6(a)和圖7進一步驗證了顆粒過閥壓差脈動(亦即質量流率脈動)對提升管內壓力脈動的影響，顆粒過閥壓差脈動造成提升管內在0.35 Hz或0.35 Hz2.5 Hz附近呈現單主頻或雙主頻的壓力脈動形式；由于顆粒由提升管下部直接進入，故對提升管下部壓力脈動影響較大，按由下至上的方向表現出衰減特征。另外，van der Schaaf[8]認為進氣脈動是提升管內壓力脈動的主要來源，從本實驗結果來看，提升管內壓力脈動主頻分布形式與顆粒過閥壓差脈動主頻分布形式未體現出明顯差別，如若進氣脈動有影響，則其主頻可能也體現在0.35 Hz附近。

3 結 論

(1)隨著提升管內表觀氣速的降低或閥門開度的增加，顆粒過閥依次會呈現股狀出料和連續出料兩種表現形式，股狀出料時閥門壓降較低，連續出料時閥門壓降較高。

(2)股狀出料時顆粒過閥的壓差脈動標準偏差較大，呈單主頻特征，頻率在0.35 Hz左右；連續出料時顆粒過閥的壓差脈動標準偏差相對較小，呈雙主頻特征，分別對應0.35 Hz和2.5 Hz左右，2.5 Hz主頻能量大于0.35 Hz主頻能量。

(3)顆粒過閥壓差脈動直接影響提升管內壓力脈動行為，二者脈動的主頻相同，分別對應股狀出料時的0.35 Hz單主頻和連續出料時的0.35 Hz、2.5 Hz雙主頻。

(4)提升管下部壓力脈動受顆粒過閥壓差脈動影響較大，沿軸向向上影響逐漸降低。

[1] 王震.SVQS和MSCS技術在重油催化裂化裝置上的工業應用[J].石油煉制與化工，2016，47(9)：23-27

[2] 王瑞，張楊，彭國峰，等.重油催化裂化裝置節能降耗措施分析與應用[J].石油煉制與化工，2015，46(8)：86-89

[3] 魏耀東，劉仁桓，孫國剛，等.負壓差立管內氣固兩相流的流態特性及分析[J].過程工程學報，2003，3(5)：385-389

[4] 魏耀東，劉仁桓，孫國剛，等.負壓差立管內的氣固兩相流[J].化工學報，2004，55(6)：898-901

[5] 魏耀東，劉仁桓，孫國剛，等.負壓差立管內氣固流動的不穩定性實驗分析[J].過程工程學報，2003，3(6)：493-497

[6] 白銳，王曉，王振衛，等.重油催化裂化裝置再生器催化劑流化異常原因及對策[J].石油煉制與化工，2013，44(2)：61-65

[7] 丁睿，王德武，劉燕，等.提升管加床層反應器不同操作模式下的壓力脈動特性[J].過程工程學報，2016，16(5)：721-729

[8] van der Schaaf J，Johnsson F，Schouten J C，et al.Fourier analysis of nonlinear pressure fluctuations in gas-solids flow in CFB risers-observing solids structures and gasparticle turbulence[J].Chemical Engineering Science，1999，54(22)：5541-5546

[9] 胡小康，劉小成，徐俊，等.循環流化床提升管內壓力脈動特性[J].化工學報，2010，61(4)：825-832

[10]曹曉陽，孔文文，賈夢達，等.FCC催化劑在45°斜管內下料特性的實驗分析[J].石油學報(石油加工)，2016，32(6)：47-54

[11]曹曉陽，周發戚，陳勇，等.循環流化床顆粒輸送斜管的壓力脈動特性[J].石油學報(石油加工)，2016，32(5)：913-920

DIFFERENTIAL PRESSURE FLUCTUATION CHARACTERISTICS OF PARTICLES FLOWING THROUGH VALVE IN CIRCULATING FLUIDIZED BED LOOP AND EFFECT ON PRESSURE FLUCTUATION IN RISER

Wu Guangheng， Wang Dewu， Wei Chenguang， Liu Yan，Zhang Shaofeng

(CollegeofChemicalEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130)

In a circulating fluidized bed cold model experiment device，the differential pressure fluctuation features and its influence on pressure fluctuation inside the riser when the particles flow through valve were measured and analyzed，by adjusting the superficial gas velocity in the riser and valve of feed returning pipe.The experimental results show that with the decrease of the superficial gas velocity in the riser or the increase of the valve opening，the particles appear in the form of “stock discharge” and “continuous discharge” successively.The “stock discharge” causes larger standard deviation of the pressure difference pulsation of the valve and tends to a single dominant frequency，around 0.35 Hz.While the “continuous discharge” has a smaller standard deviation of the particles differential pressure fluctuation relatively and appears a double frequency，corresponding to 0.35 Hz and 2.5 Hz，and the late frequency has a higher energy.Differential pressure pulsation when the partials flow through the valve directly affects the pressure pulsation behavior inside the riser especially in the lower part of the riser，and their frequency distribution of the pulse is consistent.

circulating fluidized bed； feed back； particles flowing through the valve； differential pressure fluctuation； riser

2017-03-01； 修改稿收到日期： 2017-04-25。

吳廣恒，碩士研究生，化工過程機械專業。

王德武，E-mail：wangdewu@hebut.edu.cn。

國家自然科學基金項目(21106028)；河北省自然科學基金項目(B2017202185)；河北省在讀研究生創新資助項目(220056)。