循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路上動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量與分析

孫立強(qiáng)， 許利輝， 胡 霞， 賀 嬌， 古麗寨娜·哈布都拉， 魏耀東1,

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249； 2. 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 克拉瑪依834000； 3.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油工程有限公司， 北京 100020；4. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院， 新疆 克拉瑪依， 834000)

循環(huán)流化床(CFB)是一種工業(yè)上廣泛使用的氣-固反應(yīng)器，其主要特征是顆粒沿著一個(gè)設(shè)定的閉合回路流動(dòng)，形成一個(gè)顆粒循環(huán)系統(tǒng)。顆粒循環(huán)回路上的主要單元有流化床、提升管、旋風(fēng)分離器、料腿、斜管等。顆粒在這個(gè)顆粒循環(huán)回路的各個(gè)單元流動(dòng)中完成氣-固反應(yīng)、熱量傳遞、顆?；厥盏炔僮鳎粴怏w則在顆粒循環(huán)回路中單向流動(dòng)，完成氣-固反應(yīng)和熱量傳遞后流出，不進(jìn)行循環(huán)[1]。例如催化裂化裝置中原料油和催化劑在提升管內(nèi)進(jìn)行油-氣的裂化反應(yīng)，待生催化劑和空氣在再生器內(nèi)進(jìn)行燒焦和熱量交換，再生催化劑和煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)分離回收催化劑。顆粒循環(huán)回路上的氣-固兩相流動(dòng)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，不同單元內(nèi)的流動(dòng)形式和流化流態(tài)不同，具有多樣性。在宏觀尺度上氣-固兩相流的流動(dòng)參數(shù)具有非均勻分布的特征，在微觀尺度上顆粒存在聚并等行為[2-3]。在氣-固兩相流動(dòng)的方向上，顆粒相或是在氣相曳力作用下向上流動(dòng)，或是借助于重力向下流動(dòng)；而氣相的流動(dòng)方向取決于單元內(nèi)的流態(tài)。這些因素導(dǎo)致了氣-固兩相之間的相互作用和流動(dòng)的瞬變性，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特征，表現(xiàn)為流動(dòng)參數(shù)在顆粒的運(yùn)動(dòng)路線上的脈動(dòng)變化。若采用傳統(tǒng)的時(shí)均參數(shù)方法難以揭示氣-固兩相流的這種復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，而采用動(dòng)態(tài)參數(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4-5]。壓力參數(shù)是可測(cè)參數(shù)，是氣-固兩相流內(nèi)部顆粒之間、氣-固兩相之間的相互作用的直接反映。不同單元內(nèi)具有不同形式的壓力脈動(dòng)，通過壓力脈動(dòng)的分析可以描述這些單元內(nèi)氣-固兩相流動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性[6-9]。但以往的研究主要是對(duì)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路上各個(gè)單元獨(dú)立進(jìn)行的，沒有考察壓力脈動(dòng)在單元之間的相互影響和單元之間的傳遞過程，也缺乏同一裝置上進(jìn)行單元之間的壓力脈動(dòng)對(duì)比。為此，在大型循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置的顆粒循環(huán)回路上，選擇流化床、提升管、旋風(fēng)分離器料腿3個(gè)主要單元同時(shí)進(jìn)行壓力脈動(dòng)測(cè)量和對(duì)比，考察壓力脈動(dòng)的起源和傳遞，分析結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路氣-固兩相流的動(dòng)態(tài)機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。顆粒循環(huán)回路由流化床、斜管、提升管、旋風(fēng)分離器、料腿等構(gòu)成。其中流化床直徑為800 mm，高度為12000 mm；提升管反應(yīng)器直徑為200 mm，高度為15000 mm；旋風(fēng)分離器直徑為600 mm；料腿直徑為150 mm，長(zhǎng)度為11500 mm。料腿出口采用直口結(jié)構(gòu)，插入流化床的密相床層內(nèi)。提升管底部設(shè)置預(yù)提升器，以減小斜管下料對(duì)提升管進(jìn)料的影響。

圖1 循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of experimental circulating fluidized bed 1-Pre-lift；2-Inclined pipe；3-Dipleg；4-Cyclone；5-Riser； 6-Cyclone；7-Valve；8-Dipleg；9-Fluidized bed；10-Distributor

實(shí)驗(yàn)中羅茨風(fēng)機(jī)提供的空氣作為流化風(fēng)分別進(jìn)入預(yù)提升器1和氣體分布器10。顆粒由預(yù)提升器1進(jìn)入提升管5，經(jīng)過旋風(fēng)分離器6分離后從料腿8返回流化床9，再通過斜管2重新進(jìn)入預(yù)提升器1，由此形成一個(gè)顆粒循環(huán)系統(tǒng)。提升管提升風(fēng)流量用孔板流量計(jì)測(cè)量，其他流化風(fēng)風(fēng)量用浮子流量計(jì)測(cè)量。斜管2上設(shè)置蝶閥控制由流化床9進(jìn)入提升管5的顆粒循環(huán)量。顆粒循環(huán)量通過一級(jí)料腿上的插板閥7計(jì)量。在穩(wěn)定操作條件下，關(guān)閉插板閥，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)催化劑顆粒的堆積量，根據(jù)堆積密度計(jì)算顆粒循環(huán)量。

在顆粒循環(huán)回路上選擇流化床、提升管、旋風(fēng)分離器料腿3個(gè)單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。每個(gè)單元上確定2個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)的位置如圖1中所示。測(cè)點(diǎn)1設(shè)置在流化床分布器以上0.5 m，測(cè)點(diǎn)2設(shè)置在流化床分布器以上5.5 m處，其中流化床中稀密相料面位置在分布器上3.0 m，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2分別位于稀密相料面上、下各2.5 m的位置；測(cè)點(diǎn)3設(shè)置在提升管入口以上1m處，測(cè)點(diǎn)4設(shè)置在距提升管出口以下0.5m處；測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6分別設(shè)置在旋風(fēng)分離器料腿入口以下0.5 m和9.5 m處。z坐標(biāo)以旋風(fēng)分離器料腿入口為基點(diǎn)向下，即測(cè)點(diǎn)5的坐標(biāo)為z=0.5 m，測(cè)點(diǎn)6的坐標(biāo)為z=9.5 m。

1.2 實(shí)驗(yàn)粉料

實(shí)驗(yàn)粉料為某工業(yè)催化裂化裝置上再生器取出的平衡催化劑。平衡催化劑的物性參數(shù)如表1、表2所示。實(shí)驗(yàn)裝置平衡催化劑藏量約1.5 m3。

表1 平衡催化劑顆粒的基本物性和粒度分布Table 1 Basic physical properties and particle size distribution of FCC catalyst particles

1) Average particle diameter; 2) Abrasion index

1) Incipient fluidizing velocity; 2) Initial bubble velocity

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要是自行開發(fā)的多點(diǎn)壓力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該裝置主要由微機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、A/D轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)壓力傳感器及供電設(shè)備組成。壓力傳感器接入端采用金屬絲網(wǎng)阻止催化劑堵塞，動(dòng)態(tài)壓力傳感器量程0～30 kPa，采集頻率為1000 kHz，靈敏度為20 Pa/mV。采樣時(shí)間主要為60 s或根據(jù)需要調(diào)整。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力脈動(dòng)

在循環(huán)流化床裝置上，固定顆粒循環(huán)速率為3.5 kg/s、流化床表觀氣速uff=0.11 m/s、提升管表觀氣速urf=3.5 m/s、料腿的顆粒質(zhì)量流率Gs=200 kg/(m2·s)操作條件下，同時(shí)測(cè)量3個(gè)單元上、下各2個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力，結(jié)果如圖2所示。3個(gè)單元的壓力脈動(dòng)曲線均為低頻高幅的壓力脈動(dòng)曲線。流化床密相部分是鼓泡床流態(tài)，脈動(dòng)幅度較大，測(cè)點(diǎn)1的脈動(dòng)幅度為0.4 kPa，上部稀相空間的脈動(dòng)幅度較小，測(cè)點(diǎn)2的脈動(dòng)幅度不足0.2 kPa；流化床底部平均壓力大于上部稀相空間的平均壓力。提升管上、下的壓力脈動(dòng)幅度比較接近，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的脈動(dòng)幅度約為0.1 kPa；提升管入口平均壓力大于出口平均壓力，是正壓差流動(dòng)。旋風(fēng)分離器料腿上、下位置的壓力脈動(dòng)幅度變化比較大，上部入口區(qū)域測(cè)點(diǎn)5的壓力脈動(dòng)幅度為0.1 kPa，而下部出口區(qū)域測(cè)點(diǎn)6的壓力脈動(dòng)幅度達(dá)1.5 kPa。料腿入口平均壓力遠(yuǎn)小于出口平均壓力，是負(fù)壓差流動(dòng)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd(Standard deviation)表征壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)值偏離平均值的程度。Sd越大說明波動(dòng)偏離平均值越大，壓力脈動(dòng)越強(qiáng)。由公式(1)計(jì)算圖2中不同測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd：

圖2 不同單元的壓力脈動(dòng)曲線Fig.2 Pressure fluctuation profiles of each unit uff=0.11 m/s; urf=3.5 m/s; Gs=200 kg/(m2·s)(a) Measuring point 1; (b) Measuring point 2; (c) Measuring point 3; (d) Measuring point 4; (e) Measuring point 5; (f) Measuring point 6

2.3 頻率分析

通過Fourier變換將時(shí)域的壓力脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，可求得各個(gè)頻率成分的幅值分布，確定壓力脈動(dòng)的主頻。圖3為對(duì)應(yīng)圖2中壓力脈動(dòng)曲線各個(gè)頻率的幅值。由圖3可知，流化床的主頻小于1 Hz，位于密相鼓泡床的測(cè)點(diǎn)1的主頻幅值在0.040 kPa以內(nèi)。提升管內(nèi)氣體攜帶顆粒流動(dòng)的速度比較快，沒有明顯的主頻，且幅值較小，小于0.006 kPa。旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)氣-固兩相流是顆粒借助重力的下行流動(dòng)，壓力脈動(dòng)為顯著的低頻高幅脈動(dòng)，存在1個(gè)小于1 Hz的低頻。但料腿上、下的幅值變化比較大，料腿入口附近測(cè)點(diǎn)5的主頻幅值0.012 kPa，料腿出口附近測(cè)點(diǎn)6的主頻幅值0.160 kPa。料腿出口附近的主頻幅值明顯大于流化床和提升管的主頻幅值。

圖3 不同單元的壓力脈動(dòng)主頻Fig. 3 Main pressure pulse frequency of each unit(a) Measuring point 1; (b) Measuring point 2; (c) Measuring point 3; (d) Measuring point 4; (e) Measuring point 5; (f) Measuring point 6

2.4 壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理

氣-固兩相流在流動(dòng)過程中固有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為流動(dòng)中的顆粒速度和濃度不均勻的隨機(jī)變化。壓力的脈動(dòng)是氣體速度脈動(dòng)、氣-固相互作用、顆粒簇運(yùn)動(dòng)等多種因素耦合作用的結(jié)果，尤其氣-固兩相流的負(fù)壓差流動(dòng)對(duì)顆粒濃度的影響甚大。

流化床的密相床層的脈動(dòng)來源于內(nèi)部上行氣泡的擾動(dòng)。在鼓泡床流態(tài)時(shí)，氣泡的大小與流化速度有關(guān)，流化速度增大，氣泡的直徑也增大，對(duì)密相床層的攪拌能力也越大，形成的壓力脈動(dòng)幅值也越大[6,11]。在鼓泡床的稀相部分，主要是上行氣體夾帶顆粒形成的顆粒團(tuán)聚，以及器壁附近的顆粒下落，形成的壓力脈動(dòng)幅值較小。流化床在顆粒循環(huán)過程中一方面接受旋風(fēng)分離器收集到的顆粒，另一方面通過斜管向提升管輸送顆粒，具有緩沖作用，可以調(diào)節(jié)和降低循環(huán)回路顆粒循環(huán)速率的波動(dòng)。一般流化床的藏量越多，緩沖作用越強(qiáng)，但消耗的風(fēng)量也越多。

提升管的壓力脈動(dòng)來源于斜管的進(jìn)料和顆粒的團(tuán)聚作用[7]。實(shí)驗(yàn)采集到的提升管入口附近測(cè)點(diǎn)3的壓力脈動(dòng)幅度和標(biāo)準(zhǔn)偏差都比較小，這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置中的提升管入口采用了預(yù)提升器，將斜管的出口和提升管的入口采用過渡連接，緩沖了斜管不穩(wěn)定下料的影響，避免了Y型和J型連接結(jié)構(gòu)造成的進(jìn)料和出料之間的干擾，使得提升管進(jìn)料平穩(wěn)，壓力脈動(dòng)較小。提升管內(nèi)氣-固兩相流是氣體攜帶顆粒的上行流動(dòng)，氣流的快速流動(dòng)減小了顆粒的團(tuán)聚機(jī)會(huì)，顆粒濃度分布比較均勻，提升管入口附近測(cè)點(diǎn)3和出口附近測(cè)點(diǎn)4的壓力脈動(dòng)的幅度和頻率比較接近，說明提升管內(nèi)壓力脈動(dòng)的傳遞現(xiàn)象比較明顯。但是在提升管出口附近，由于彎頭的約束作用，導(dǎo)致部分顆粒的返混，形成了高濃度的C型分布[1,10]，產(chǎn)生了較大的顆粒濃度變化，致使入口區(qū)域測(cè)點(diǎn)3的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于出口區(qū)域測(cè)點(diǎn)4的標(biāo)準(zhǔn)偏差，壓力脈動(dòng)有所增加。

旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)的氣-固兩相流不同于提升管，是顆粒借助于自身重力攜帶氣體的下行流動(dòng)，從壓力低的高處流向壓力高的低處，屬于負(fù)壓差流動(dòng)。旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)氣-固兩相流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)既有不穩(wěn)定進(jìn)料和排料的原因，也有顆粒自身流動(dòng)過程的團(tuán)聚因素。例如，入口進(jìn)料濃度的不均勻性、出口處鼓泡床氣泡對(duì)排料的作用、顆粒下行對(duì)夾帶氣體的壓縮效應(yīng)、顆粒之間的團(tuán)聚等均可以產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)[8-9]。如本實(shí)驗(yàn)中結(jié)果所示，尤其在料腿的底部，顆粒濃度比較高，存在1個(gè)明顯的主頻，表明氣-固兩相之間作用比較強(qiáng)。對(duì)比同時(shí)測(cè)量的3個(gè)單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，料腿相對(duì)提升管、流化床等具有更大的壓力波動(dòng)和較明顯的主頻，這是氣-固兩相流順重力下行流動(dòng)所固有的壓力脈動(dòng)特性。

氣-固兩相流在流動(dòng)過程產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)具有沿流動(dòng)方向的傳遞特性，在提升管和料腿[7-9]內(nèi)壓力脈動(dòng)的傳遞比較明顯。但這種傳遞是在同一流態(tài)下進(jìn)行的。當(dāng)氣-固兩相流從一種流態(tài)流向另一種流態(tài)時(shí)，原壓力脈動(dòng)衰減消失，重新形成壓力脈動(dòng)。例如，本實(shí)驗(yàn)裝置中料腿出口較大的壓力脈動(dòng)流入鼓泡床內(nèi)部時(shí)，壓力脈動(dòng)被融入到鼓泡床中。提升管出口的壓力脈動(dòng)經(jīng)過C型彎頭后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流動(dòng)，重新建立起旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流特點(diǎn)的壓力脈動(dòng)[12]。

氣-固兩相流由于濃度不同、速度不同、流態(tài)不同，形成的壓力脈動(dòng)對(duì)管道器壁產(chǎn)生了不均勻壓力，造成了管道的振動(dòng)，尤其是旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)的氣-固兩相流形成的壓力脈動(dòng)構(gòu)成了料腿振動(dòng)的激振力，對(duì)料腿有一定的破壞作用。如在催化裂化裝置上，這些激振力作用到旋風(fēng)分離器和料腿會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，在殼體內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力。旋風(fēng)分離器料腿在設(shè)計(jì)上通常按照柔性管道設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此固有頻率相對(duì)比較低。料腿內(nèi)的壓力脈動(dòng)也是一種低頻激振力，當(dāng)兩者的頻率接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，振動(dòng)的幅值急劇上升，殼體和料腿拉桿的振動(dòng)位移也增大，導(dǎo)致連接處的交變應(yīng)力幅值急劇上升，經(jīng)過一段時(shí)間后導(dǎo)致金屬材料的疲勞斷裂[13-14]。這種失效斷口形式是無變形的脆性疲勞斷裂，發(fā)生的部位一個(gè)是局部應(yīng)力比較大的區(qū)域，如焊縫連接處、直角連接處，另一個(gè)是支撐連接部位，如料腿拉桿的固定區(qū)域。由于料腿內(nèi)壓力脈動(dòng)形成的激振力主要是一些低頻高幅的壓力脈動(dòng)，通過改造旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸、支撐方式等改變本身的固有頻率，使旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的固有主頻遠(yuǎn)離壓力脈動(dòng)的主頻，可以有效地防止共振發(fā)生，避免旋風(fēng)分離器系統(tǒng)發(fā)生疲勞斷裂失效。

3 結(jié) 論

(1)在大型循環(huán)流化床裝置上，同時(shí)測(cè)量流化床、提升管、旋風(fēng)分離器料腿內(nèi)上、下典型位置的氣-固兩相流的壓力脈動(dòng)，測(cè)量結(jié)果表明，3個(gè)單元的壓力脈動(dòng)曲線均是一種低頻高幅的波動(dòng)曲線。

(2)流化床和提升管的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小，料腿的壓力脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差上、下變化比較大，料腿上部的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.045 kPa，下部的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.410 kPa，表明循環(huán)流化床顆粒循環(huán)回路上的3個(gè)主要單元中，旋風(fēng)分離器料腿下部的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度最大。

(3)流化床的壓力脈動(dòng)來源于上行的氣泡擾動(dòng)；提升管的壓力脈動(dòng)來源于斜管下料的不穩(wěn)定性和顆粒團(tuán)聚；料腿的壓力脈動(dòng)來源于進(jìn)、出口和顆粒與氣體的相互作用，顆粒攜帶氣體進(jìn)行負(fù)壓差流動(dòng)形成了對(duì)氣體的壓縮效應(yīng)導(dǎo)致了壓力脈動(dòng)，同時(shí)也是誘導(dǎo)料腿振動(dòng)的激振力。