焦炭顆粒在循環(huán)流化床提升管中的濃度分布

程文嘉，燕蘭玲，劉夢溪，盧春喜

（1. 中國石油 遼河石化公司，遼寧 盤錦 1 2 4 0 0 0；2. 中國石油大學（北京） 化學工程學院，北京 1 0 2 2 0 0）

焦炭顆粒在循環(huán)流化床提升管中的濃度分布

程文嘉1，燕蘭玲1，劉夢溪2，盧春喜2

（1. 中國石油 遼河石化公司，遼寧 盤錦 1 2 4 0 0 0；2. 中國石油大學（北京） 化學工程學院，北京 1 0 2 2 0 0）

在冷態(tài)提升管裝置和熱態(tài)工業(yè)循環(huán)流化床裝置上，考察了表觀氣速和焦炭顆粒循環(huán)速率對提升管中部穩(wěn)定區(qū)顆粒含率的影響。研究結(jié)果表明，冷態(tài)條件下焦炭顆粒循環(huán)速率較低（20～250 kg/（m2·s）），提升管穩(wěn)定區(qū)的顆粒含率小于0.12，且相同循環(huán)速率下，顆粒含率隨表觀氣速的增大而減小；熱態(tài)條件下焦炭顆粒循環(huán)速率較高（200～450 kg/（m2·s）），在表觀氣速為10.50～13.20 m/s時，提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率小于0.35，并回歸出冷熱態(tài)條件下顆粒含率和極限顆粒含率的關聯(lián)式。對冷熱態(tài)相同表觀氣速和顆粒循環(huán)速率條件下的顆粒含率進行比較，工業(yè)裝置的顆粒含率大于冷態(tài)實驗的顆粒含率。

循環(huán)流化床；顆粒含率；焦炭顆粒

提升管反應器作為近似平推流反應器應用于FCC中［1］，國內(nèi)對顆粒在提升管中濃度分布的普遍性規(guī)律的研究較全面。Bai等［2］系統(tǒng)研究了表觀氣速和顆粒循環(huán)速率對空隙率軸向分布的影響，得出同一種顆粒，在一定表觀氣速下，隨著顆粒循環(huán)速率的提高，提升管各截面上平均空隙率均逐漸減小；當在固定循環(huán)速率下提高操作氣速時，軸向空隙率分布趨于均勻，并得到了顆粒含率的普遍關聯(lián)式［3］。Bai等［2］在3 m高的冷態(tài)提升管中得到預測FCC顆粒含率的普遍關聯(lián)式；Li等［4］在8 m高的冷態(tài)提升管中分別得到預測特礦石、氧化鋁、黃鐵礦和FCC顆粒含率的普遍關聯(lián)式。雖然通過提升管軸向分布的普遍規(guī)律和顆粒含率的普遍關聯(lián)式能夠?qū)︻w粒的各種軸向分布進行較完整的描述和說明，但對于以焦炭顆粒作為流化顆粒的工業(yè)裝置卻沒有一套詳細準確的數(shù)據(jù)，只能采用現(xiàn)有文獻中的數(shù)據(jù)和關聯(lián)式，對工程設計和生產(chǎn)有誤導作用。

本工作研究了表觀氣速和顆粒循環(huán)速率對焦炭顆粒在提升管中部穩(wěn)定區(qū)顆粒含率的影響，并將冷態(tài)實驗數(shù)據(jù)和工業(yè)裝置數(shù)據(jù)進行對比分析，建立了冷熱態(tài)顆粒含率的關聯(lián)式，為工程設計和生產(chǎn)指導提供較準確的依據(jù)，同時為焦炭顆粒的冷態(tài)實驗與熱態(tài)實驗的關聯(lián)提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 冷態(tài)實驗裝置

冷態(tài)實驗裝置流程見圖1。裝置的提升管內(nèi)徑100 mm、高12 000 mm，伴床下部內(nèi)徑286 mm、高2 000 mm，上部內(nèi)徑476 mm、高7 000 mm。空氣經(jīng)由風機（1）壓縮后經(jīng)緩沖罐（2）、轉(zhuǎn)子流量計（3）計量后，分兩路進入裝置：一路通入伴床（8）底部，對床內(nèi)物料進行流化；另一路從提升管底部進入提升管（5），對物料進行提升，使氣固混合物向上運動，提升管頂部設有旋風分離器（6）進行氣固分離，分離后的固體顆粒沿下料立管進入伴床（8），然后沿循環(huán)管（10）返回提升管底部預提升段（4），構(gòu)成固體顆粒的循環(huán)，氣體則經(jīng)過濾袋（11）除塵凈化后放空。伴床頂部設有兩級旋風分離器（7），分離后的固體經(jīng)旋風料腿返回伴床（8），氣體經(jīng)布袋除塵后排入大氣，伴床中的固體物料作為提升管的供料倉。

圖1 冷態(tài)實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cold experimental equipment.

冷態(tài)實驗使用的焦炭顆粒的體積平均粒徑為468 mm，休止角為46°，真密度為1 130.9 kg/m3，堆積密度為1 021.3 kg/m3。焦炭顆粒的粒徑采用馬爾文公司的馬爾文-2000型激光粒度分析儀分析；焦炭顆粒的真密度、堆積密度及休止角采用寧波江北瑞柯偉業(yè)儀器有限公司的MT-1001型多功能粉體物性測量儀測定。

提升管內(nèi)的表觀氣速為4.34，5.79，7.24，8.68，10.13，11.58 m/s。

1.2 工業(yè)裝置

工業(yè)循環(huán)流化床裝置示意圖見圖2。

圖2 工業(yè)循環(huán)流化床裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the industrial circulating fluidized bed.

該工業(yè)裝置由燃燒器和反應器兩部分組成，為高低并列式結(jié)構(gòu)。焦炭顆粒通過氣力輸送由焦炭破碎單元加入燃燒器（5），在燃燒器內(nèi)燃燒流化，為反應提供原料和熱量來源；焦炭顆粒經(jīng)過熱焦循環(huán)管線（15）進入預提升段（14）整流，使焦炭顆粒以活塞流的形式進入提升管（12）內(nèi)流動，進入提升管的焦炭與由噴嘴（13）噴出的原料反應；在提升管的出口處有一個大孔分布板（10），焦炭顆粒均勻分布于反應床層（9），進一步與未反應完全的原料反應；生成的氣體產(chǎn)物夾帶著少量焦炭顆粒進入稀相，通過一個旋風分離器（7）將焦炭顆粒分離下來，焦炭顆粒經(jīng)過料腿返回反應床層，氣體產(chǎn)物進入后續(xù)的精制系統(tǒng)；反應完的焦炭顆粒在重力作用下進入氣提段（11），將焦炭顆粒夾帶的工藝產(chǎn)品氣提出來，氣提后的焦炭顆粒經(jīng)過冷焦循環(huán)管線（6）返回燃燒器。

主風經(jīng)由輔助燃燒室（1）和主風分布管（2）進入燃燒器中，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)由煙道（4）進入外部旋風分離器（3），回收煙氣中的焦炭顆粒后排出。

工業(yè)裝置使用的焦炭顆粒的體積平均粒徑為477.345 mm、休止角為32°、真密度為1 291.1 kg/ m3、堆積密度為1 017.5 kg/m3。測定方法與冷態(tài)實驗方法相同。

將由DCS系統(tǒng)采集回來的數(shù)據(jù)進行處理，整理出工業(yè)熱態(tài)實驗的操作條件，提升管操作溫度為760 ℃；提升管內(nèi)的表觀氣速分別為4.54，5.73，7.40，9.40，10.50，11.40，12.60，13.20 m/s。

工業(yè)裝置中的床層密度通過設置在裝置上的壓力傳感器測量并換算得到；根據(jù)煙氣組成，對燃燒器進行熱量衡算得到流化床的循環(huán)速率。

2 結(jié)果與討論

該關聯(lián)式的相關系數(shù)為0.94，實驗值與計算值的相對誤差在30%以內(nèi)。

2.1 冷態(tài)實驗結(jié)果

冷態(tài)實驗在高12 m的提升管內(nèi)進行，顆粒含率的數(shù)據(jù)則取自提升管8 m處的穩(wěn)定區(qū)，提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的變化見圖3。

圖3 冷態(tài)實驗時提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的變化Fig.3 Variation of particles contain rate(εs) with the circulation rate(Gs) in the stable region of riser in cold experiment. ug：gas rate.

由圖3可看出，冷態(tài)實驗在較低顆粒循環(huán)速率（20 kg/（m2·s）＜Gs＜250 kg/（m2·s））下進行時，提升管穩(wěn)定區(qū)的顆粒含率εs＜0.12，顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的增大而增大。當表觀氣速ug= 10.13 m/s、Gs＞100 kg/（m2·s）和ug= 11.58 m /s、Gs＞75 kg/（m2·s）時，顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的增大基本不變，兩者的顆粒含率分別為0.055和0.043。由此可見，低循環(huán)速率、高表觀氣速條件下提升管中的顆粒含率太低，不能為工藝介質(zhì)提供足夠的反應場所。

提升管穩(wěn)定區(qū)的顆粒含率隨表觀氣速的變化見圖4。由圖4可看出，兩種循環(huán)速率下，提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率隨表觀氣速的增加而減小，并趨于穩(wěn)定；雖然兩種循環(huán)速率下顆粒含率相差較大（分別為0.006～0.020、0.040～0.120），但顆粒含率隨表觀氣速增加而減少的幅度相近。因此，在較低循環(huán)速率下，顆粒含率隨表觀氣速的變化具有相同的規(guī)律。

圖4 冷態(tài)實驗時提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率隨表觀氣速的變化Fig.4 Variation of es with ug in the stable region of riser in cold experiment.

根據(jù)文獻［2］可知，當Gs＜Gs*時，提升管中部的顆粒含率只與極限顆粒含率（εs′）有關，兩者的關系曲線如圖5所示。

圖5 冷態(tài)實驗的顆粒含率與極限顆粒含率的關系曲線Fig.5 The relation curve of εsand εs′ in cold experiment.εs′：the maximum solid content.

當Gs＜200 kg/（m2·s），Gs＜時，有式（2）。

2.2 熱態(tài)實驗結(jié)果

熱態(tài)實驗結(jié)果即為工業(yè)試驗結(jié)果。工業(yè)裝置中顆粒含率數(shù)據(jù)取自提升管中部穩(wěn)定區(qū)的顆粒含率。不同表觀氣速下，顆粒含率隨循環(huán)速率的變化見圖6。從圖6可看出，整個工業(yè)裝置基本是在高循環(huán)速率（200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s））下運行的，提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率基本小于0.35，且顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的增大而增加。

當ug= 4.54 m/s，Gs＜100 kg/（m2·s）時，顆粒含率與循環(huán)速率呈線性增長，Gs＞100 kg/（m2·s）后，顆粒含率大幅度增加。當ug= 5.73 m/s時，顆粒含率隨循環(huán)速率的增加而逐漸增大，最后穩(wěn)定在0.206左右，= 207 kg/（m2·s）。當ug= 7.40～9.40 m/s時，顆粒含率與循環(huán)速率呈線性增長，εs= 0.03～0.38。

當ug= 10.50～13.20 m/s時，該階段由于原料的噴入，表觀氣速增大，循環(huán)速率增大；在200 kg/（m2·s）＜Gs＜450 kg/（m2·s）時，εs= 0.10～0.35。由此可見，在高循環(huán)速率下，提升管中的顆粒含率能達到0.35，有足夠的焦炭顆粒與工藝介質(zhì)反應。

圖6 工業(yè)裝置中提升管穩(wěn)定區(qū)顆粒含率隨顆粒循環(huán)速率的變化Fig.6 Variation of εswith Gsin the stable region of riser in industrial plant.

由圖7可知，當200 kg/（m2·s）＜Gs＜Gs*時有式（3）。

當Gs＞Gs*時有式（4）。

圖7 工業(yè)試驗中εs與εs′的關系曲線Fig.7 The relation curve of εsand εs′ in industrial experiment.

2.3 冷熱態(tài)實驗結(jié)果的比較

由于工業(yè)裝置的循環(huán)速率遠遠大于冷態(tài)實驗，工業(yè)裝置和冷態(tài)實驗數(shù)據(jù)只有在低表觀氣速和循環(huán)速率下有相同的操作條件，因此取表觀氣速ug= 5.7 m/s和ug= 7.4 m/s的數(shù)據(jù)，得到顆粒含率隨循環(huán)速率變化的曲線，結(jié)果見圖8。從圖8可看出，冷熱態(tài)時顆粒含率均隨顆粒循環(huán)速率的增加而增大，隨表觀氣速的增加而減小，同時，工業(yè)裝置的顆粒含率遠大于冷態(tài)實驗的顆粒含率。工業(yè)裝置和冷態(tài)實驗裝置的取壓點都設置在提升管的邊壁，實際測得的顆粒含率是提升管邊壁處的顆粒含率，提升管內(nèi)的流動是典型的環(huán)核結(jié)構(gòu)，顆粒在提升管內(nèi)分為中心加速區(qū)和邊壁區(qū)，氣體在邊壁處受到的阻力遠大于提升管中心處所受的阻力，使中心區(qū)氣速要遠大于邊壁環(huán)形區(qū)氣速。同時，在大直徑提升管中，氣體徑向分布的不均勻性遠大于小直徑提升管中氣速分布的不均勻性，并且大直徑提升管邊壁處氣速也遠遠小于小直徑提升管邊壁處氣速。在直徑小提升管中，邊壁滑落的顆粒被氣體加速繼續(xù)向上流動；而在大直徑提升管中，邊壁滑落的顆粒與下方顆粒混合，使更多的顆粒由于滑落出現(xiàn)在大直徑提升管近壁面處。相同表觀氣速和循環(huán)速率下，工業(yè)裝置提升管壁面處會更容易形成顆粒的聚集，使工業(yè)裝置的顆粒含率遠大于冷態(tài)實驗的顆粒含率。

圖8 相同表觀氣速下冷熱態(tài)顆粒含率隨循環(huán)速率的變化Fig.8 Variation of εswith Gsunder the same gas rate.

3 結(jié)論

1）冷態(tài)實驗循環(huán)速率的操作范圍小于250 kg/（m2·s），提升管穩(wěn)定區(qū)的顆粒含率小于0.12，回歸出Gs＜Gs*范圍內(nèi)的顆粒含率關聯(lián)式。

2）工業(yè)裝置在循環(huán)速率200～450 kg/（m2·s）、表觀氣速10.50～13.20 m/s的操作條件下，顆粒含率為0.10～0.35；回歸出了兩個循環(huán)速率范圍內(nèi)（Gs＜）的顆粒含率關聯(lián)式。

3）由于提升管內(nèi)氣速的不均勻分布，使得顆粒含率在大直徑提升管中的分布出現(xiàn)了放大效應，導致相同表觀氣速和循環(huán)速率下工業(yè)裝置的顆粒含率大于冷態(tài)實驗的顆粒含率。

符 號 說 明

［1］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流態(tài)化工程原理［M］.北京：清華大學出版社，2001：121.

［2］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. The two channel model for fast fl uidization［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 88：Science and technology. Beijing：Science Press，1988：155.

［3］ Bai Dingrong，Jin Yong，Yu Zhiqing. Cluster observation in a two-dimensional fast fluidized bed［M］//Kwauk M，Kunii D. Fluidization 90：Science and technology. Beijing：Science Press，1990：110-115.

［4］ Li Youchou，Kwauk M. The dynamics of fast fl uidization［M］. New York：Plenum Press，1980：554-557.

［5］ 白丁榮，金涌，俞芷青. 循環(huán)流態(tài)化——（Ⅵ）反應器行為及其模型［J］.化學反應過程和工藝，1992，8（3）：302-313.

［6］ 金涌，祝京旭，汪展文，等. 流態(tài)化工程原理［M］.北京：清華大學出版社，2001：113-114，126-138.

［7］ 白丁榮，金涌，俞芷青，等. 循環(huán)流化床操作特性的研究［J］.化學反應工程與工藝，1987，3（1）：24-31.

［8］ 白丁榮，金涌，俞芷青. 循環(huán)流態(tài)化（Ⅰ）［J］.化學反應工程與工藝，1991，7（2）：202-213.

（編輯 王 萍）

Coke particles in circulating fluidized bed riser of concentration distribution

Cheng Wenjia1，Yan Lanling1，Liu Mengxi2，Lu Chunxi2
（1.CNPC LiaoHe Petrochemical Company，Panjin Liaoning 124000，China；2. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102200，China)

The inf l uence of gas rate and circulation rate to particles contain rate in the cold riser and the thermal industrial circulating fl uidized bed were investigated. The experimental results show under cold experimental condition，circulation rate is lower(20-250 kg/(m2·s))，particles contain rate is lower than 0.12，particles contain rate decreases with the gas rate at the same circulation rate；under hot experimental condition，circulation rate is higher(200-450 kg/(m2·s))，when gas rate is in the range of 10.50-13.20 m/s，particles contain rate is lower than 0.35，also get a associated formula about particle contain rate and the maximum particle contain rate under cold and hot experimental condition. Particles contain rate of hot experiment is greater than that of cold experiment under the condition of the same gas rate and circulation rate.

circulating fl uidized bed；particles contain rate；coke particles

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.08.018

1000-8144（2017）08-1065-07

TQ 032.41

A

2017-01-05；［修改稿日期］2017-05-13。

程文嘉（1987—），男，遼寧省盤錦市人，碩士，工程師，電話 18742364588，電郵 chengwenjia03@163.com。